Java面向对象设计模式总结之一UML类图

一. 什么是UML类图?

UML类图是一种结构图,用于描述一个系统的静态结构。类图以反映类结构和类之间关系为目的,用以描述软件系统的结构,是一种静态建模方法。
类图中的类,与面向对象语言中的类的概念是对应的。又称统一建模语言,类图是使用频率最高的UML图之一。

二. 类在类图中的表示方式

在UML类图中,类使用包含类名、属性(field) 和方法(method) 且带有分割线的矩形来表示,比如下图表示一个Employee类,它包含name、age和email这3个属性,以及modifyInfo()方法。



对应代码:

public class Employee {
    private String name;
    private int age;
    private String email;
    
    public void modifyInfo() {
        ......
    }
}
  1. UML类图中表示可见性的符号有三种,用来表示属性或方法的可见性:
  • +:表示public
  • -:表示private
  • '#':表示protected
  1. 属性的完整表示方式是这样的:

可见性 名称 :类型 [ = 缺省值]

  • “可见性”表示该属性对于类外的元素而言是否可见,包括公有(public)、私有(private)和受保护(protected)三种,在类图中分别用符号+、-和#表示。
  • “名称”表示属性名,用一个字符串表示。
  • “类型”表示属性的数据类型,可以是基本数据类型,也可以是用户自定义类型。
  • “缺省值”是一个可选项,即属性的初始值。

中括号中的内容表示是可选的

  1. 方法的完整表示方式如下:

可见性 名称(参数列表) [ : 返回类型]

  • “可见性”的定义与属性的可见性定义相同。
  • “名称”即方法名,用一个字符串表示。
  • “参数列表”表示方法的参数,其语法与属性的定义相似,参数个数是任意的,多个参数之间用逗号“,”隔开。
  • “返回类型”是一个可选项,表示方法的返回值类型,依赖于具体的编程语言,可以是基本数据类型,也可以是用户自定义类型,还可以是空类型(void),如果是构造方法,则无返回类型。

中括号中的内容是可选的。

再来个只有方法没有属性的例子:


  • public方法method1接收一个类型为Object的参数,返回值类型为void。
  • protected方法method2无参数,返回值类型为String。
  • private方法method3接收类型分别为int、int[]的参数,返回值类型为int。

三. 类与类之间关系的表示方式

在软件系统中,类并不是孤立存在的,类与类之间存在各种关系,对于不同类型的关系,UML提供了不同的表示方式。在UML类图中,常见的有以下几种关系: 泛化(Generalization), 实现(Realization),关联(Association),聚合(Aggregation),组合(Composition),依赖(Dependency)

1. 泛化关系(继承关系)

泛化(Generalization)关系也就是继承关系,用于描述父类与子类之间的关系,父类又称作基类或超类,子类又称作派生类。继承关系对应的是extend关键字,在UML类图中用带空心三角形的直线表示,如下图所示中,Student类与Teacher类继承了Person类。


由子类指向父类。

2. 接口实现关系

接口之间也可以有与类之间关系类似的继承关系和依赖关系,但是接口和类之间还存在一种实现(Realization)关系。这种关系对应implement关键字,在UML类图中用带空心三角形的虚线表示。如下图中,Car类与Ship类都实现了Vehicle接口。


实现类指向接口

3. 聚合关系

聚合是整体与部分的关系,且部分可以离开整体而单独存在。



上图中的Car类与Engine类就是聚合关系(Car类中包含一个Engine类型的成员变量)。由上图我们可以看到,UML中聚合关系用带空心菱形和箭头的直线表示。聚合关系强调是“整体”包含“部分”,但是“部分”可以脱离“整体”而单独存在。比如上图中汽车包含了发动机,而发动机脱离了汽车也能单独存在。

整体和部分的关系,整体与部分可以分开。

整体指向部分

4. 组合关系

组合关系与聚合关系见得最大不同在于:这里的“部分”脱离了“整体”便不复存在。比如下图:



显然,嘴是头的一部分且不能脱离了头而单独存在。在UML类图中,组合关系用一个带实心菱形和箭头的
直线表示。

整体与部分的关系,但是整体与部分不可以分开。

整体指向部分

5. 关联关系

表示一个类的属性保存了对另一个类的一个实例(或多个实例)的引用。关联关系又可进一步分为单向关联、双向关联和自关联。
关联关系是类与类之间最常用的一种关系,表示一类对象与另一类对象之间有联系。组合、聚合也属于关联关系,只是关联关系的类间关系比其他两种要弱。

单向关联

我们可以看到,在UML类图中单向关联用一个带箭头的直线表示。上图表示每个顾客都有一个地址,这通过让Customer类持有一个类型为Address的成员变量类实现。

双向关联

从上图中我们很容易看出,所谓的双向关联就是双方各自持有对方类型的成员变量。在UML类图中,双向关联用一个不带箭头的直线表示。上图中在Customer类中维护一个Product[]数组,表示一个顾客购买了那些产品;在Product类中维护一个Customer类型的成员变量表示这个产品被哪个顾客所购买。

自关联

自关联在UML类图中用一个带有箭头且指向自身的直线表示。上图的意思就是Node类包含类型为Node的成员变量,也就是“自己包含自己”。

拥有者指向被拥有者

6. 依赖关系

依赖关系(Dependence):假设A类的变化引起了B类的变化,则说名B类依赖于A类。
大多数情况下,依赖关系体现在某个类的方法使用另一个类的对象作为参数。

依赖(Dependency)关系是一种使用关系,特定事物的改变有可能会影响到使用该事物的其他事物,在需要表示一个事物使用另一个事物时使用依赖关系。大多数情况下,依赖关系体现在某个类的方法使用另一个类的对象作为参数。



从上图我们可以看到,Driver的drive方法只有传入了一个Car对象才能发挥作用,因此我们说Driver类依赖于Car类。在UML类图中,依赖关系用一条带有箭头的虚线表示。

使用者指向被使用者

四. 总结

这六种类关系中,组合、聚合和关联的代码结构一样,可以从关系的强弱来理解,各类关系从强到弱依次是:继承→实现→组合→聚合→关联→依赖。UML类图是面向对象设计的辅助工具。

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