UML 类图学习

UML(Unified Modeling Language,统一建模语言)是一种开放的方法,用于说明、可视化、构建和编写一个正在开发的、面向对象的、软件密集系统的开放方法。UML展现了一系列最佳工程实践,这些最佳实践在对大规模,复杂系统进行建模方面,特别是在软件架构层次已经被验证有效。

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UML 类图

UML分为UML模型和UML图。UML图,包括用例图、协作图、活动图、序列图、部署图、构件图、类图、状态图,是模型中信息的图形表达方式,但是UML模型独立于UML图存在。

类图用于描述系统中所包含的类以及它们之间的相互关系,帮助人们简化对系统的理解,它是系统分析和设计阶段的重要产物,也是系统编码和测试的重要模型依据。

类(Class)封装了数据和行为,是面向对象的重要组成部分,它是具有相同属性、操作、关系的对象集合的总称。在系统中,每个类都具有一定的职责,职责指的是类要完成什么样的功能,要承担什么样的义务。一个类可以有多种职责,设计得好的类一般只有一种职责。在定义类的时候,将类的职责分解成为类的属性和操作(即方法)。类的属性即类的数据职责,类的操作即类的行为职责。设计类是面向对象设计中最重要的组成部分,也是最复杂和最耗时的部分。

类通常可以分为三种,分别是实体类(Entity Class)、控制类(Control Class)和边界类(Boundary Class):

  • 实体类:实体类对应系统需求中的每个实体,它们通常需要保存在永久存储体中,一般使用数据库表或文件来记录,实体类既包括存储和传递数据的类,还包括操作数据的类。实体类来源于需求说明中的名词,如学生、商品等。
  • 控制类:控制类用于体现应用程序的执行逻辑,提供相应的业务操作,将控制类抽象出来可以降低界面和数据库之间的耦合度。控制类一般是由动宾结构的短语(动词+名词)转化来的名词,如增加商品对应有一个商品增加类,注册对应有一个用户注册类等。
  • 边界类:边界类用于对外部用户与系统之间的交互对象进行抽象,主要包括界面类,如对话框、窗口、菜单等。

    类的UML图示

    类使用包含类名、属性和操作且带有分隔线的长方形来表示。
    类的UML图示

在UML类图中,类一般由三部分组成:

  • 类名
  • 类的属性(Attributes),一个类可以有任意多个属性,也可以没有属性。UML规定属性的表示方式为: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
    • “类型”表示属性的数据类型
    • “缺省值”是一个可选项,即属性的初始值。
  • 类的操作(Operations):操作是类的任意一个实例对象都可以使用的行为,是类的成员方法。UML规定操作的表示方式为: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
    • “参数列表”表示方法的参数,其语法与属性的定义相似
    • “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

      类的关系

      类的关系

      关联

      关联(Association)关系是类与类之间最常用的一种关系,它是一种结构化关系,用于表示一类对象与另一类对象之间有联系,如汽车和轮胎、学校和老师等等。在UML类图中,用实线连接有关联关系的对象所对应的类,语言实现关联关系时通常将一个类的对象作为另一个类的成员变量。在使用类图表示关联关系时可以在关联线上标注角色名,一般使用一个表示两者之间关系的动词或者名词表示角色名(有时该名词为实例对象名),关系的两端代表两种不同的角色,因此在一个关联关系中可以包含两个角色名,角色名不是必须的,可以根据需要增加,其目的是使类之间的关系更加明确。注:在最终代码中,关联对象通常是以成员变量的形式实现的。

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class School(models.Model):
name = models.CharField(max_length=80)
description = models.CharField()
def get_teacher_num(self):
return self.teacher_set.all().count()
class Teacher(models.Model):
name = models.CharField(verbose_name="姓名")
status = models.CharField(verbose_name="身份")
school = models.ForeignKey(School,on_delete=models.CASCADE)
  • 双向关联,默认情况下,关联是双向的。例如:顾客(Customer)购买商品(Product)并拥有商品,反之,卖出的商品总有某个顾客与之相关联。
  • 单向关联,类的关联关系也可以是单向的,单向关联用带箭头的实线表示。例如:顾客(Customer)拥有地址(Address),则Customer类与Address类具有单向关联关系。
  • 自关联,在系统中可能会存在一些类的属性对象类型为该类本身,这种特殊的关联关系称为自关联。例如:一个节点类(Node)的成员又是节点Node类型的对象。
  • 多重性关联,多重性关联关系又称为重数性(Multiplicity)关联关系,表示两个关联对象在数量上的对应关系。在UML中,对象之间的多重性可以直接在关联直线上用一个数字或一个数字范围表示。

    依赖

    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。在UML中,依赖关系用带箭头的虚线表示,由依赖的一方指向被依赖的一方。例如:驾驶员开车,在Driver类的drive()方法中将Car类型的对象car作为一个参数传递,以便在drive()方法中能够调用car的move()方法,且驾驶员的drive()方法依赖车的move()方法,因此类Driver依赖类Car。

注:在最终代码中依赖关系通常通过三种方式来实现,最常用的一种方式是将一个类的对象作为另一个类中方法的参数,第二种方式是在一个类的方法中将另一个类的对象作为其局部变量,第三种方式是在一个类的方法中调用另一个类的静态方法。

继承

继承关系也就是泛化(Generalization)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。在UML中,泛化关系用带空心三角形的直线来表示。在代码实现时,我们使用面向对象的继承机制来实现泛化关系,例如:Student类和Teacher类都是Person类的子类,Student类和Teacher类继承了Person类的属性和方法,Person类的属性包含姓名(name)和年龄(age),每一个Student和Teacher也都具有这两个属性,另外Student类增加了属性学号(studentNo),Teacher类增加了属性教师编号(teacherNo),Person类的方法包括行走move()和说话say(),Student类和Teacher类继承了这两个方法,而且Student类还新增方法study(),Teacher类还新增方法teach()。注:最终代码中,泛化关系表现为继承非抽象类。

实现

很多面向对象语言中都引入了接口的概念,在接口中,通常没有属性,而且所有的操作都是抽象的,只有操作的声明,没有操作的实现。

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,在这种关系中,类实现了接口,类中的操作实现了接口中所声明的操作。在UML中,类与接口之间的实现关系用带空心三角形的虚线来表示。例如:定义了一个交通工具接口Vehicle,包含一个抽象操作move(),在类Ship和类Car中都实现了该move()操作,不过具体的实现细节将会不一样。注:最终代码中,实现关系表现为继承抽象类。

聚合

聚合(Aggregation)关系表示整体与部分的关系。在聚合关系中,成员对象是整体对象的一部分,但是成员对象可以脱离整体对象独立存在。在UML中,聚合关系用带空心菱形的直线表示。例如:汽车发动机(Engine)是汽车(Car)的组成部分,但是汽车发动机可以独立存在,因此,汽车和发动机是聚合关系,在代码实现聚合关系时,成员对象通常作为构造方法、Setter方法或业务方法的参数注入到整体对象中。

组合

组合(Composition)关系也表示类之间整体和部分的关系,但是在组合关系中整体对象可以控制成员对象的生命周期,一旦整体对象不存在,成员对象也将不存在,成员对象与整体对象之间具有同生共死的关系。在UML中,组合关系用带实心菱形的直线表示。例如:人的头(Head)与嘴巴(Mouth),嘴巴是头的组成部分之一,而且如果头没了,嘴巴也就没了,因此头和嘴巴是组合关系,在代码实现组合关系时,通常在整体类的构造方法中直接实例化成员类。

参考链接

深入浅出 UML

作者

莫尔索

发布于

2020-04-12

更新于

2024-05-24

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