面向对象的照妖镜——UML类图绘制指南

1.前言

感受
在刚接触软件开发工作的时候，每次接到新需求，在分析需求后的第一件事情，就是火急火燎的打开数据库（DBMS），开始进行数据表的创建工作。然而这种方式，总是会让我在编码过程中出现实体类设计疏漏的地方，导致我在写业务代码时，还回头去反复的修改数据表和实体类。为了规避这样的情况，我学习期间发现了UML中关于类图的知识点，它让我知道，作为编码者在分析需求后，做的第一件最基本的事情应该是进行面向对象分析，然后使用UML绘制类图的方式进行面向对象的设计。在类图绘制完之后，使用类图与组员沟通设计思想，分析设计的可行性，在项目组一致达成共识后才进入后面的动手环节。
以上这种，通过面向对象分析和设计来绘制类图的工作习惯，我一直延续至今。因为，它不仅能保证软件构建的稳定性，还能提升我们面向对象的思想和实践能力。在实际中，极少数的情况下，公司会聘用专门的设计人员为你提供设计方案，更多的情况是，程序员要担任设计和编码的综合性工作，所以我认为掌握UML类图，是一名程序员的技能标配。
三个层次
在标准的软件工程建模当中，类图实际上根据三个层次划分为了三种类型的类图，根据使用顺序分别为：概念层类图、说明层类图和实现层类图。概念层用于业务建模阶段，着重于对问题领域的概念化理解；说明层用于概念模型阶段，主要考察类的交互涉及哪些接口；实现层用于设计阶段，主要考虑类在代码技术层面的实现细节。本文主要主要以实现层的类图为主，因为实现层的类图是最常用的，并且它是直接影响到我们实际的编码工作的，下面我会针对它涉及的绘制方式、类之间的关系展开详细讲解。
2.类的识别

UML类图的基本语法是很简单的，可能懂点编程的人在不系统学习的情况下，借助绘图工具都可以绘制出来。但在实际的业务需求中，充斥着各种晦涩的业务概念、事物，要从其中准确无误的提炼出有利于业务系统的类，并非一件简单的事情。
对于类的识别，并没有很具体的步骤、公式进行照搬硬套，往往只能通过自身的经验和面向对象的造诣去识别类。并且识别类往往也不是一蹴而就的，还要结合类与类之间的关系、业务的使用场景，反复推敲，才能逐步得到合适的类型。对此我只能提供一些概念性的经验心得，读者可以选择性的参考，并不作为一个标准。
类的识别很大程度上需要依靠“边界”，这是一个复杂的概念，你可以简单理解它相当于一个范围，设定边界可以让我们知道能做什么事情，和不能做什么事情。并且边界的设定会决定我们看待事物的视角和抽象事物的层次。对于类的识别而言，其边界可参考当前的系统的目标、业务场景等，有了清晰的边界，可以缩小类的识别范围，不在是天马行空，毫无根据。
如果不通过边界确定一个角度，那么对于同一事物，通过不同的角度会提炼出不同的类型。就拿我们自身举例，从职业的角度来看我们则是程序员，从国家的角度来看我们则是中国人，从动物的角度来看我们则是人类。所以我们必须要通过边界来确定一个角度，从而清晰的分析获取有利于业务系统的类型。
 
例如，你需要在一个网课教育系统中，分析上课的场景中会有哪些类型。如果你不考虑边界（网课教育系统中的上课场景），那么你可能天马行空的分析出：男人、女人这些类型。这样分析出的类型和属性显然对系统毫无意义，也无法为业务提供价值。如果你考虑到了边界（网课教育系统中的上课场景），那么你分析出的类型必然是在这个边界内有利于业务的：老师、学生。
对于分析类中的成员（属性、操作）也可以利用边界来分析。还是以上面的网课教育系统为例，如果不考虑边界，很可能会对老师类和学生类分析出：体重、身高、发量等无意义的属性。只有你充分考虑边界，你就会注重系统的目标、业务的场景，分析出对业务有价值的属性，例如学生类的选修课程、老师类的教龄等。
如果你对边界的概念还是比较模糊，那么你可以在识别类的时候，尝试将当前的系统目标、业务场景看作一个边界，从而选择合适的角度，去提炼出对业务系统有价值的类型。
3.外形

3.1.可见性

可见性主要用于标识类图中的属性和操作，通过设置不同的可见性决定外界对其的访问程度，和编程语言中的访问修饰符同理。UML规范定义了4种可见性，如下表所示。
 
3.2.类的表现形式

类在UML类图中的形状是一个矩形的方框，在方框中被分为三段区域，上段主要是标识类的名称，中段主要包含类的属性（特征），下段主要是包含类的是操作（行为）。表示一个类时，三段区域的设定并不是必须的，可以只在矩形方框中写一个类名，也可以只写类名和属性，或者是类名和操作。
 
3.3.代码类型对应类图

下面将使用C#编程语言编写出：普通类型、抽象类、接口。然后体现出它们在类图中的表现形式。

普通类
抽象类（类名和抽象方法名都是斜体）
接口（名称上方加）

4.关系

4.1.关联关系

概述
我们以面向对象的思想去分析业务时，其中最基本的是，要弄清楚完成这个业务需要哪些对象。但是往往只分析出对象还远远不够，因为业务对象之间是相互独立的。对象之间必须建立某种链接，促使它们相互协作通信，才能实现业务目标。而这其中用于链接对象的关系，就称之为关联。换句话说，只要两个对象之间存在关联，那么就意味着对象可以与它关联对象进行通信，获取对方的数据进行消息传递。
结构化
关联定义了类之间的一种结构化关系，是一种天然存在的关系。（好比如人出生就有拥有一个国家和一对父母）通常在代码中，关联关系体现为类的属性，如A关联B，那么B的对象会作为A对象的某个属性。在例如在运用ORM框架的代码中，类的关联对象通常定义为一个“导航属性”，可以通过这个导航属性获取到关联对象的数据。在例如数据库中，表的关联对象通常体现为一个“外键”属性，表的某行数据可以通过这个外键属性获取到关联表的数据。不管是导航属性或是外键，它们都是静态的、天然存在的结构。
方向
默认的关联关系是一条不带箭头的直线表示的，这代表着两个关联的类“知道”双方的存在，并可以互相引用。在少数情况下，当两个类之间只需要单方向链接来获取消息时，就需要标识箭头指向被链接的一方。在实际中，我们不必太过于究竟箭头的方向，大多数情况下，关联关系一般不强调关联的方向。
多重性
关联关系最明显的特征就是具有多重性，其意思是一个对象可能通过关联关系链接到多个对象上。例如张三是员工类的对象，那么张三很可能会通过与“工作任务类”之间的关联，链接获取到张三在“工作任务类”中存在的多个工作任务对象（设计XX、开发XX等），这当中对象通过关联链接到数据量的“多少”即为多重性的体现。常见的多重性包括：一对一关联、一对多关联、多对多关联等，也可以是任意数量的多重性关联，如*对*关联（*代表任意数）。

多重性	例子	图例
一对一	在某个教室中，一个学生只会指定一个座位，一个座位也只会安排一个学生。因此学生和座位之间是一对一的关联关系。
一对多	在现实生活中，一个人可以选择购买合法上牌的多辆汽车，而一辆合法上牌的车只属于一个人。在这个场景中，人和车辆之间就属于一对多的关联关系。
多对多	在学校中，一名学生会学校多门课程（语数外），而一门课程（语文）会有多名学生学习。在这个场景中，学生和课程之间属于多对多的关联关系。

 读图检查
在分析关联关系的多重性是否合理时，可以通过“读图检查法”来进行关联关系的准确性判断。你可以分别从左到右、从右到左来读图，看看有没有不合理的地方。我们使用上面多重性表格中人和车的关系为例，从左到右读：一个人对应零到多个车。从右到左读：一辆车对应一个人，而不能读成：多辆车对应一个人。注意由“多”的一边往另外一边读时，仍然是一个什么对应多少个什么，无论你从哪边开始读起，都是以“一个.....”开头。
 
4.2.聚合关系

在分析出两个类的关联关系之后，两个关联的类中可能还存在一种整体和部分的含义，即存在整体包含部分的现象。对于这种，存在整体和部分含义的关联关系可以进一步细化，表示成聚合关系。聚合关系可以看作，是在普通关联的基础上细化的一种特殊关联关系。除了拥有关联关系所有的基本特征外，其中一个类描述了一个较大的事物（整体），另一个类代表较小的事物（部分），较小的事物可以构成一个较大的事物。
对于聚合关系的识别，可以在已有的关联关系基础上，通过分析两个类之间是否存在：“整体由部分构成”、“部分是整体的一部分”等整体和部分的语义来完成。例如对于一个OA办公系统来说，其中部门和员工之间的关联关系就存在着整体和部分的含义。员工是部门的一部分，部门由员工构成。聚合关系是用一条带空心菱形箭头的直线表示，空心菱形箭头指向的一端表示“整体”，反方向是“部分”。示例的聚合关系如下图所示。
 
 
4.3.组合关系

组合关系是在聚合关系基础之上延申的一种关联关系，还可以将它看作是聚合关系的变体，或者是对聚合关系的进一步强调。因此组合关系具有关联、聚合的所有特征。在分析出聚合关系之后，还可以对针对整体和部分做进一步的分析：两者之间除了整体拥有部分的语义之外，两者之间是否属于“强依赖”；并且整体和部分的生命周期是一致的。如果存在以上的特点，那么可以将其表示为组合关系。
“强依赖”和一致的生命周期意味着：整体拥有部分的同时，部分不能脱离整体而存在；当整体不存在时，部分也没有存在的意义。对于组合关系中的整体和部分之间的关系特点，我们可以用一则成语来形象的描述：“皮之不存，毛将焉附”。在这种特点上，它和聚合关系恰恰相反，聚合关系即使整体不存在了，部分也依然存在。如果你认为聚合和组合比较容易混淆，那么你可以将聚合看成“弱包含关系”，组合可以看成“强包含关系”，以此来区分两者之间的差异。
基于组合关系中整体和部分的“强依赖”现象，因此在图中表示该关系的箭头，是由一条实心菱形箭头的直线表示，实心菱形箭头指向的一端表示“整体”，反方向是“部分”。示例的组合关系如下图所示。
 
 
4.4.依赖关系

概述
依赖关系是一种侧重于“行为”的使用关系，表示某个对象在某个场景下产生的行为，需要使用另外一个对象提供的服务来完成。这也意味着，被使用对象的变化可能会影响到使用对象。依赖关系的分析要结合特定的场景和相应的行为，这一点可表面它属于一种临时性的关系，它通常在行为运行期产生，并且随着运行场景的不同，依赖的对象也会发生变化。
临时性
例如人和汽车这两个对象，如果运行场景是让汽车运行在马路上，那么汽车的运行则需要依赖于人的驾驶；如果场景变为人乘坐汽车去上班，那就变成人上班通勤依赖于汽车的送达。可见，它并不像关联关系那样是一种天然的结构化关系，依赖关系是短暂的，它会随着不同场景的变化而变化的，并且依赖关系是基于场景下的行为所产生的，使用场景结束后，依赖关系也会暂时消失。如人和菜刀这两个对象，静态时它们没有关系，但在厨房切菜的场景里，人切菜的行为就依赖于菜刀；脱离了这个切菜的场景，人就暂时不需要菜刀了。
运用
依赖关系的引用通常在代码里体现为：类构造方法的参数、方法的参数。在分析时，如果发现A对象需要保存B对象的实例，但A对象的类中对B对象没有操作，B发生修改后，A不会发生变化，仅仅是A“知道”B对象，那么可以将其定义为关联关系。在分析时，如果发现A对象需要在某个业务场景的方法中，使用入参对象B的属性或方法，那么可以将其定义为依赖关系，这同时也意味着，B的修改会导致A发生修改（A依赖于B）。依赖关系在图中用一条带箭头的虚线表示，箭头指向被依赖的对象。
 
 
4.4.泛化关系

泛化关系表明，一个类可以共享另外一个或多个类的结构和行为。为了实现泛化关系，我们引入了继承机制，一个子类可以继承一个或多个父类，子类会继承父类的属性、操作和关系，因此我们通常也将泛化称为继承。此外，子类还可以根据自己的需要添加额外的属性、操作或关系，还可以对父类已有的操作进行重新定义。其中，继承一个父类为单一继承，继承多个父类为多重继承。在实际的系统应用中，我们大多数采用单一继承，因为多重继承会存在一些隐患问题，并且主流的编程语言（Java、C#）都不支持多重继承。
泛化关系除了实现复用性，更深层次的目的是达到父类替代子类的可替换性，从而实现多态处理。另外，在分析出泛化关系后，可以通过描述类之间是否存在[is a 关系]或者[kind of 关系]的语义来验证。具体来说，就是“子类是父类”（猫是动物）,或“子类是父类的一种”（猫是动物的一种）。
泛化关系是用一条带空心箭头的直线表示。如下图展示了学生管理系统的一种泛化关系，其中代表子类（毕业生类和新生类）都从父类（学生类）继承，它们继承了父类全部属性和操作。此外，子类也会继承父类中的关系，因此毕业生类和新生类于账户类也有聚合关系。

结语

UML类图的学习并不是一蹴而就的，也不能指望看了几篇教程就认为自己会了。在学习初期阶段先要保证自己能够读懂类图，然后可以根据已有的业务分析结果“照葫芦画瓢”的绘制出来，最后关键的还是要在于通过实践，根据具体业务发散出面向对象思想，并能将这个思想通过适当的方式在类图中简单明了的体现出来。

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