UML类图详解(1)

2019-11-17 04:49:33

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供稿：网友

这是关于统一建模语言、即UML 里采用的基本图的文章。在这篇文章中，我将会讨论结构图，这是已经在 UML 2 中提出的一种新图种类。由于本系列文章的目的是使人们了解记号元素及它们的含意，该文主要关注类图。你很快就会知道这样做的理由。随后的文章将会覆盖结构范畴中包含的其它图。我也想提醒读者，这一系列文章是关于 UML 记号元素的，所以这些文章并不意味着为建模的最好方式提供指导方针，或是该如何决定哪些内容应该首先被建模。相反的，该文及本系列文章的目的主要是帮助大家对于记号元素 -- 语法和含义有一个基本的理解。借由这些知识，你应该可以阅读图，并使用正确的记号元素创建你自己的图。这篇文章假定你对面向对象的设计已经有了基本的理解。你们当中假如有人需要一些面向对象概念的帮助，那么可以访问http://java.sun.com/docs/books/tutorial/java/concepts/，来获得Sun公司关于面向对象编程的简短指导。阅读 “什么是类？”和什么是继续？” 章节，将提供给你足够的理解，并对该文的阅读会有所帮助。另外，David Taylor的书《 Object-Oriented Technologies: A Manager's Guide》提供了面向对象设计的优秀，高水平的说明，而无需对计算机编程有高深的理解。UML 2 中的阴和阳在 UML 2 中有二种基本的图范畴：结构图和行为图。每个 UML 图都属于这二个图范畴。结构图的目的是显示建模系统的静态结构。它们包括类，组件和（或）对象图。另一方面，行为图显示系统中的对象的动态行为，包括如对象的方法，协作和活动之类的内容。行为图的实例是活动图，用例图和序列图。大体上的结构图如同我所说的，结构图显示建模系统的静态结构。关注系统的元件，无需考虑时间。在系统内，静态结构通过显示类型和它们的实例进行传播。除了显示系统类型和它们的实例，结构图至少也显示了这些元素间的一些关系，可能的话，甚至也显示它们的内部结构。贯穿整个软件生命周期，结构图对于各种团队成员都是有用的。一般而言，这些图支持设计验证，和个体与团队间的设计交流。举例来说，业务分析师可以使用类或对象图，来为当前的资产和资源建模，例如分类账，产品或地理层次。架构师可以使用组件和部署图，来测试/确认他们的设计是否充分。开发者可以使用类图，来设计并为系统的代码（或即将成为代码的）类写文档。非凡的类图 UML 2 把结构图看成一个分类；这里并不存在称为“结构图”的图。然而，类图提供结构图类型的一个主要实例，并为我们提供一组记号元素的初始集，供所有其它结构图使用。由于类图是如此基本，本文的剩余部分将会把重点集中在类图记号集。在本文的结尾，你将对于如何画UML 2类图有所了解，而且对于理解在后面文章中将涉及的其他结构图有一个稳固的基础。基础

如先前所提到的，类图的目的是显示建模系统的类型。在大多数的 UML 模型中这些类型包括：

类
接口
数据类型
组件

UML 为这些类型起了一个非凡的名字：“分类器”。通常地，你可以把分类器当做类，但在技术上，分类器是更为普遍的术语，它还是引用上面的其它三种类型为好。类名类的 UML 表示是一个长方形，垂直地分为三个区，如图 1 所示。顶部区域显示类的名字。中间的区域列出类的属性。底部的区域列出类的操作。当在一个类图上画一个类元素时，你必须要有顶端的区域，下面的二个区域是可选择的（当图描述仅仅用于显示分类器间关系的高层细节时，下面的两个区域是不必要的）。图 1 显示一个航线班机如何作为 UML 类建模。正如我们所能见到的，名字是 Flight，我们可以在中间区域看到Flight类的3个属性：flightNumber，departureTime 和 flightDuration。在底部区域中我们可以看到Flight类有两个操作：delayFlight 和 getArrivalTime。 UML类图详解(1)（图一）

图 1: Flight类的类图类属性列表类的属性节（中部区域）在分隔线上列出每一个类的属性。属性节是可选择的，要是一用它，就包含类的列表显示的每个属性。该线用如下格式：

name : attribute type

flightNumber : Integer

继续我们的Flight类的例子，我们可以使用属性类型信息来描述类的属性，如表 1 所示。表 1：具有关联类型的Flight类的属性名字属性名称属性类型flightNumberIntegerdepartureTimeDateflightDurationMinutes在业务类图中，属性类型通常与单位相符，这对于图的可能读者是有意义的（例如，分钟，美元，等等）。然而，用于生成代码的类图，要求类的属性类型必须限制在由程序语言提供的类型之中，或包含于在系统中实现的、模型的类型之中。在类图上显示具有默认值的特定属性，有时是有用的（例如，在银行账户应用程序中，一个新的银行账户会以零为初始值）。UML 规范答应在属性列表节中，通过使用如下的记号作为默认值的标识：

name : attribute type = default value

举例来说：

balance : Dollars = 0

显示属性默认值是可选择的；图 2 显示一个银行账户类具有一个名为 balance的类型，它的默认值为0。 UML类图详解(1)（图二）

图 2：显示默认为0美元的balance属性值的银行账户类图。 QQread.com 推出各大专业服务器评测 linux服务器的安全性能 SUN服务器 HP服务器 DELL服务器 IBM服务器联想服务器浪潮服务器曙光服务器同方服务器华硕服务器宝德服务器 类操作列表类操作记录在类图长方形的第三个（最低的）区域中，它也是可选择的。和属性一样，类的操作以列表格式显示，每个操作在它自己线上。操作使用下列记号表现：

name(parameter list) : type of value returned

下面的表 2 中Flight类操作的映射。表 2：从图 2 映射的Flight类的操作操作名称返回参数值类型delayFlightNameTypenumberOfMinutesMinutesN/AgetArrivalTimeN/ADate图3显示，delayFlight 操作有一个Minutes类型的输入参数 -- numberOfMinutes。然而，delayFlight 操作没有返回值。1 当一个操作有参数时，参数被放在操作的括号内；每个参数都使用这样的格式：“参数名：参数类型”。 UML类图详解(1)（图三）

图 3：Flight类操作参数，包括可选择的“in”标识。当文档化操作参数时，你可能使用一个可选择的指示器，以显示参数到操作的输入参数、或输出参数。这个可选择的指示器以“in”或“out”出现，如图3中的操作区域所示。一般来说，除非将使用一种早期的程序编程语言，如Fortran ，这些指示器可能会有所帮助，否则它们是不必要的。然而，在 C++和Java中，所有的参数是“in”参数，而且按照UML规范，既然“in”是参数的默认类型，大多数人将会遗漏输入/输出指示器。继续在面向对象的设计中一个非常重要的概念，继续，指的是一个类（子类）继续另外的一个类（超类）的同一功能，并增加它自己的新功能（一个非技术性的比喻，想象我继续了我母亲的一般的音乐能力，但是在我的家里，我是唯一一个玩电吉他的人）的能力。为了在一个类图上建模继续，从子类（要继续行为的类）拉出一条闭合的，单键头（或三角形）的实线指向超类。考虑银行账户的类型：图 4 显示 CheckingAccount 和 SavingsAccount 类如何从 BankAccount 类继续而来。 UML类图详解(1)（图四）

图 4: 继续通过指向超类的一条闭合的，单箭头的实线表示。在图 4 中，继续关系由每个超类的单独的线画出，这是在IBM Rational Rose和IBM Rational XDE中使用的方法。然而，有一种称为树标记的备选方法可以画出继续关系。当存在两个或更多子类时，如图 4 中所示，除了继续线象树枝一样混在一起外，你可以使用树形记号。图 5 是重绘的与图 4 一样的继续，但是这次使用了树形记号。 UML类图详解(1)（图五）

图 5: 一个使用树形记号的继续实例抽象类及操作

细心的读者会注重到，在图 4 和图5 中的图中,类名BankAccount和withdrawal操作使用斜体。这表示，BankAccount 类是一个抽象类，而withdrawal方法是抽象的操作。换句话说，BankAccount 类使用withdrawal规定抽象操作，并且CheckingAccount 和 SavingsAccount 两个子类都分别地执行它们各自版本的操作。
然而，超类（父类）不一定要是抽象类。标准类作为超类是正常的。 QQread.com 推出各大专业服务器评测 Linux服务器的安全性能 SUN服务器 HP服务器 DELL服务器 IBM服务器联想服务器浪潮服务器曙光服务器同方服务器华硕服务器宝德服务器关联

当你系统建模时，特定的对象间将会彼此关联，而且这些关联本身需要被清楚地建模。有五种关联。在这一部分中，我将会讨论它们中的两个 -- 双向的关联和单向的关联，而且我将会在Beyond the basics部分讨论剩下的三种关联类型。请注重，关于何时该使用每种类型关联的具体讨论，不属于本文的范围。相反的，我将会把重点集中在每种关联的用途，并说明如何在类图上画出关联。双向（标准）的关联

关联是两个类间的联接。关联总是被假定是双向的；这意味着，两个类彼此知道它们间的联系，除非你限定一些其它类型的关联。回顾一下Flight 的例子，图 6 显示了在Flight类和Plane类之间的一个标准类型的关联。 UML类图详解(1)（图六）

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图 6：在一个Flight类和Plane类之间的双向关联的实例一个双向关联用两个类间的实线表示。在线的任一端，你放置一个角色名和多重值。图 6 显示Flight与一个特定的Plane相关联，而且Flight类知道这个关联。因为角色名以Plane类表示，所以Plane承担关联中的“assignedPlane”角色。紧接于Plane类后面的多重值描述0...1表示，当一个Flight实体存在时，可以有一个或没有Plane与之关联（也就是，Plane可能还没有被分配）。图 6 也显示Plane知道它与Flight类的关联。在这个关联中，Flight承担“assignedFlights”角色；图 6 的图告诉我们，Plane实体可以不与flight关联（例如，它是一架全新的飞机）或与没有上限的flight（例如，一架已经服役5年的飞机）关联。由于对那些在关联尾部可能出现的多重值描述感到迷惑，下面的表3列出了一些多重值及它们含义的例子。表 3: 多重值和它们的表示

可能的多重值描述表示含义0..10个或1个1只能1个0..*0个或多个*0个或多个1..*1个或我个3只能3个0..50到5个5..155到15个

单向关联在一个单向关联中，两个类是相关的，但是只有一个类知道这种联系的存在。图 7 显示单向关联的透支财务报告的一个实例。 UML类图详解(1)（图七）

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图 7: 单向关联一个实例：OverdrawnAccountsReport 类 BankAccount 类，而 BankAccount 类则对关联一无所知。一个单向的关联，表示为一条带有指向已知类的开放箭头（不关闭的箭头或三角形，用于标志继续）的实线。如同标准关联，单向关联包括一个角色名和一个多重值描述，但是与标准的双向关联不同的时，单向关联只包含已知类的角色名和多重值描述。在图 7 中的例子中，OverdrawnAccountsReport 知道 BankAccount 类，而且知道 BankAccount 类扮演“overdrawnAccounts”的角色。然而，和标准关联不同，BankAccount 类并不知道它与 OverdrawnAccountsReport 相关联。2软件包

不可避免，假如你正在为一个大的系统或大的业务领域建模，在你的模型中将会有许多不同的分类器。治理所有的类将是一件令人生畏的任务；所以，UML 提供一个称为软件包的组织元素。软件包使建模者能够组织模型分类器到名字空间中，这有些象文件系统中的文件夹。把一个系统分为多个软件包使系统变成轻易理解，尤其是在每个软件包都表现系统的一个特定部分时。3在图中存在两种方法表示软件包。并没有规则要求使用哪种标记，除了用你个人的判定：哪种更便于阅读你画的类图。两种方法都是由一个较小的长方形（用于定位）嵌套在一个大的长方形中开始的，如图 8 所示。但是建模者必须决定包的成员如何表示，如下：

假如建模者决定在大长方形中显示软件包的成员，则所有的那些成员4 需要被放置在长方形里面。另外，所有软件包的名字需要放在软件包的较小长方形之内（如图 8 的显示）。
假如建模者决定在大的长方形之外显示软件包成员，则所有将会在图上显示的成员都需要被置于长方形之外。为了显示属于软件包的分类器属于，从每个分类器画一条线到里面有加号的圆周，这些圆周粘附在软件包之上（图9）。

图 8：在软件包的长方形内显示软件包成员的软件包元素例子 UML类图详解(1)（图九）

图 9：一个通过连接线表现软件包成员的软件包例子 QQread.com 推出各大专业服务器评测 Linux服务器的安全性能 SUN服务器 HP服务器 DELL服务器 IBM服务器联想服务器浪潮服务器曙光服务器同方服务器华硕服务器宝德服务器 了解基础重要性
在 UML 2 中，了解类图的基础更为重要。这是因为类图为所有的其他结构图提供基本的构建块。如组件或对象图（仅仅是举了些例子）。超过基础

到此为止，我已经介绍了类图的基础，但是请继续往下读！在下面的部分中，我将会引导你到你会使用的类图的更重要的方面。这些包括UML 2 规范中的接口，其它的三种关联类型，可见性和其他补充。接口

在本文的前面，我建议你以类来考虑分类器。事实上，分类器是一个更为一般的概念，它包括数据类型和接口。关于何时、以及如何高效地在系统结构图中使用数据类型和接口的完整讨论，不在本文的讨论范围之内。既然这样，我为什么要在这里提及数据类型和接口呢？你可能想在结构图上模拟这些分类器类型，在这个时候，使用正确的记号来表示，或者至少知道这些分类器类型是重要的。不正确地绘制这些分类器，很有可能将使你的结构图读者感到混乱，以后的系统将不能适应需求。一个类和一个接口不同：一个类可以有它形态的真实实例，然而一个接口必须至少有一个类来实现它。在 UML 2 中，一个接口被认为是类建模元素的非凡化。因此，接口就象类那样绘制，但是长方形的顶部区域也有文本“interface”，如图 10 所示5 UML类图详解(1)（图十）

图 10：PRofessor类和Student类实现Person接口的类图实例在图 10 中显示的图中，Professor和Student类都实现了Person的接口，但并不从它继续。我们知道这一点是由于下面两个原因：1) Person对象作为接口被定义 -- 它在对象的名字区域中有“interface”文本，而且我们看到由于Professor和Student对象根据画类对象的规则（在它们的名字区域中没有额外的分类器文本）标示，所以它们是类对象。 2) 我们知道继续在这里没有被显示，因为与带箭头的线是点线而不是实线。如图 10 所示，一条带有闭合的单向箭头的点线意味着实现（或实施）；正如我们在图 4 中所见到的，一条带有闭合单向箭头的实线表示继续。更多的关联

在上面，我讨论了双向关联和单向关联。现在，我将会介绍剩下的三种类型的关联。关联类

在关联建模中，存在一些情况下，你需要包括其它类，因为它包含了关于关联的有价值的信息。对于这种情况，你会使用关联类来绑定你的基本关联。关联类和一般类一样表示。不同的是，主类和关联类之间用一条相交的点线连接。图 11 显示一个航空工业实例的关联类。 UML类图详解(1)（图十）

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图 11：增加关联类 MileageCredit在图 11 中显示的类图中，在Flight类和 FrequentFlyer 类之间的关联，产生了称为 MileageCredit的关联类。这意味当Flight类的一个实例关联到 FrequentFlyer 类的一个实例时，将会产生 MileageCredit 类的一个实例。聚合

聚合是一种非凡类型的关联，用于描述“总体到局部”的关系。在基本的聚合关系中，部分类的生命周期独立于整体类的生命周期。举例来说，我们可以想象，车是一个整体实体，而车轮轮胎是整辆车的一部分。轮胎可以在安置到车时的前几个星期被制造，并放置于仓库中。在这个实例中，Wheel类实例清楚地独立地Car类实例而存在。然而，有些情况下，部分类的生命周期并不独立于整体类的生命周期 -- 这称为合成聚合。举例来说，考虑公司与部门的关系。公司和部门都建模成类，在公司存在之前，部门不能存在。这里Department类的实例依靠于Company类的实例而存在。让我们更进一步探讨基本聚合和组合聚合。基本聚合

有聚合关系的关联指出，某个类是另外某个类的一部分。在一个聚合关系中，子类实例可以比父类存在更长的时间。为了表现一个聚合关系，你画一条从父类到部分类的实线，并在父类的关联末端画一个未填充棱形。图 12 显示车和轮胎间的聚合关系的例子。 UML类图详解(1)（图十二）

图 12: 一个聚合关联的例子组合聚合

组合聚合关系是聚合关系的另一种形式，但是子类实例的生命周期依靠于父类实例的生命周期。在图13中，显示了Company类和Department类之间的组合关系，注重组合关系如聚合关系一样绘制，不过这次菱形是被填充的。 UML类图详解(1)（图十三）

图 13: 一个组合关系的例子在图 13 中的关系建模中，一个Company类实例至少总有一个Department类实例。因为关系是组合关系，当Company实例被移除/销毁时，Department实例也将自动地被移除/销毁。组合聚合的另一个重要功能是部分类只能与父类的实例相关（举例来说，我们例子中的Company类）。反射关联

现在我们已经讨论了所有的关联类型。就如你可能注重到的，我们的所有例子已经显示了两个不同类之间的关系。然而，类也可以使用反射关联与它本身相关联。起先，这可能没有意义，但是记住，类是抽象的。图 14 显示一个Employee类如何通过manager / manages角色与它本身相关。当一个类关联到它本身时，这并不意味着类的实例与它本身相关，而是类的一个实例与类的另一个实例相关。 UML类图详解(1)（图十四）

14：一个反射关联关系的实例
图14:描绘的关系说明一个Employee实例可能是另外一个Employee实例的经理。然而，因为“manages”的关系角色有%200..*的多重性描述；一个雇员可能不受任何其他雇员治理。 QQread.com 推出各大专业服务器评测 Linux服务器的安全性能 SUN服务器 HP服务器 DELL服务器 IBM服务器联想服务器浪潮服务器曙光服务器同方服务器华硕服务器宝德服务器 可见性

在面向对象的设计中，存在属性及操作可见性的记号。UML识别四种类型的可见性：public，protected，private及package。UML规范并不要求属性及操作可见性必须显示在类图上，但是它要求为每个属性及操作定义可见性。为了在类图上的显示可见性，放置可见性标志于属性或操作的名字之前。虽然UML指定四种可见性类型，但是实际的编程语言可能增加额外的可见性，或不支持%20UML%20定义的可见性。表4显示了UML支持的可见性类型的不同标志。表4：UML支持的可见性类型的标志标志可见性类型+Public#Protected-Private~Package现在，让我们看一个类，以说明属性及操作的可见性类型。在图 15 中，所有的属性及操作都是public，除了 updateBalance 操作。updateBalance 操作是protected。 UML类图详解(1)（图十五）

图 15：一个 BankAccount 类说明它的属性及操作的可见性UML 2 补充

既然我们已经覆盖了基础和高级主题，我们将覆盖一些由UML 1. x增加的类图的新记号。实例

当一个系统结构建模时，显示例子类实例有时候是有用的。为了这种结构建模，UML 2 提供实例规范元素，它显示在系统中使用例子（或现实）实例的值得注重的信息。实例的记号和类一样，但是取代顶端区域中仅有的类名，它的名字是经过拼接的:Instance Name : Class Name举例来说：Donald : Person因为显示实例的目的是显示值得注重的或相关的信息，没必要在你的模型中包含整个实体属性及操作。相反地，仅仅显示感爱好的属性及其值是完全恰当的。如图16所描述。 UML类图详解(1)（图十六）

图 16：Plane类的一个实例例子（只显示感爱好的属性值）然而，仅仅表现一些实例而没有它们的关系不太实用；因此，UML 2 也答应在实体层的关系/关联建模。绘制关联与一般的类关系的规则一样，除了在建模关联时有一个附加的要求。附加的限制是，关联关系必须与类图的关系相一致，而且关联的角色名字也必须与类图相一致。它的一个例子显示于图 17 中。在这个例子中，实例是图 6 中类图的例子实例。 UML类图详解(1)（图十七）

图 17：图 6 中用实例代替类的例子图 17 有Flight类的二个实例，因为类图指出了在Plane类和Flight类之间的关系是 0或多。因此，我们的例子给出了两个与NX0337 Plane实例相关的Flight实例。角色

建模类的实例有时比期望的更为具体。有时，你可能仅仅想要在一个较多的一般层次做类关系的模型。在这种情况下，你应该使用角色记号。角色记号类似于实例记号。为了建立类的角色模型，你画一个方格，并在内部放置类的角色名及类名，作为实体记号，但是在这情况你不能加下划线。图 18 显示一个由图 14 中图描述的雇员类扮演的角色实例。在图 18 中，我们可以认为，即使雇员类与它本身相关，关系确实是关于雇员之间扮演经理及团队成员的角色。 UML类图详解(1)（图十八）

图 18：一个类图显示图14中扮演不同角色的类注重，你不能在纯粹类图中做类角色的建模，即使图 18显示你可以这么做。为了使用角色记号，你将会需要使用下面讨论的内部结构记号。内部的结构

UML 2 结构图的更有用的功能之一是新的内部结构记号。它答应你显示一个类或另外的一个分类器如何在内部构成。这在 UML 1. x 中是不可能的，因为记号限制你只能显示一个类所拥有的聚合关系。现在，在 UML 2 中，内部的结构记号让你更清楚地显示类的各个部分如何保持关系。让我们看一个实例。在图 18 中我们有一个类图以表现一个Plane类如何由四个引擎和两个控制软件对象组成。从这个图中省略的东西是显示关于飞机部件如何被装配的一些信息。从图 18 的图，你无法说明，是每个控制软件对象控制两个引擎，还是一个控制软件对象控制三个引擎，而另一个控制一个引擎。 UML类图详解(1)（图十九）

图 19: 只显示对象之间关系的类图
绘制类的内在结构将会改善这种状态。开始时，你通过用二个区域画一个方格。最顶端的区域包含类名字，而较低的区域包含类的内部结构，显示在它们父类中承担不同角色的部分类，角色中的每个部分类也关系到其它类。图 19 显示了Plane类的内部结构；注重内部结构如何澄清混乱性。 UML类图详解(1)（图二十）

图 20：Plane类的内部结构例子。在图 20 中Plane有两个 ControlSoftware 对象，而且每个控制二个引擎。在图左边上的 ControlSoftware（control1）控制引擎 1 和 2 。在图右边的 ControlSoftware（control2）控制引擎 3 和 4 。结论至少存在两个了解类图的重要理由。第一个是它显示系统分类器的静态结构；第二个理由是图为UML描述的其他结构图提供了基本记号。开发者将会认为类图是为他们非凡建立的；但是其他的团队成员将发现它们也是有用的。业务分析师可以用类图，为系统的业务远景建模。正如我们将会在本系列关于 UML 基础的文章中见到的，其他的图 -- 包括活动图，序列图和状态图——参考类图中的类建模和文档化。关于“UML 基础”的本系列的后面的元件图。脚注1 delayFlight没有返回值，因为我作出了设计决定，不要返回值。有一点可以争论的是，延迟操作应该返回新的到达时间，而且，假如是这种情形，操作属性将显示为delayFlight(numberOfMinutes : Minutes) : Date。2可能看起来很希奇， BankAccount 类不知道 OverdrawnAccountsReport 类。这个建模使报表类可以知道它们报告的业务类，但是业务类不知道它们正在被报告。这解开两个对象的耦合，并因此使系统变得更能适应变化。3 软件包对于组织你的模型类是庞大的，但是记住重要的一点是，你的类图应该是关于建模系统的轻易交流的信息。在你的软件包有许多类的情况下，最好使用多个主题类图，而不是仅仅产生一个大的类图。4 要理解重要一点，当我说“所有的那些成员”时，我仅仅意味着在当前图中的类将显示出来。显示一个有内容的软件包的图，不需要显示它的所有内容。它可以依照一些准则，显示包含元素的子集，这个准则就是并非所有的软件包分类器都是必需的。5 当画一个类图时，在 UML 规范中，全部要做的只是把类放入长方形的顶部区域，而你同理处理接口；然而，UML 规范认为，在这个区域放置“class”文本是可选的，假如类没有显示，那么它应该被假设。参考资料您可以参阅本文在 developerWorks 全球站点上的英文原文。推荐：UML序列图详解 (责任编辑：铭铭)

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