在UML 2.0的13種圖形中，類圖是使用頻率最高的UML圖之一。Martin Fowler在其著作《UML Distilled: A Brief Guide to the Standard Object Modeling Language, Third Edition》（《UML精粹：標(biāo)準(zhǔn)對象建模語言簡明指南（第3版）》）中有這么一段：“If someone were to come up to you in a dark alley and say, 'Psst, wanna see a UML diagram?' that diagram would probably be a class diagram. The majority of UML diagrams I see are class diagrams.”（“如果有人在黑暗的小巷中向你走來并對你說：‘嘿，想不想看一張UML圖？’那么這張圖很有可能就是一張類圖，我所見過的大部分的UML圖都是類圖”），由此可見類圖的重要性。

類圖用于描述系統(tǒng)中所包含的類以及它們之間的相互關(guān)系，幫助人們簡化對系統(tǒng)的理解，它是系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)階段的重要產(chǎn)物，也是系統(tǒng)編碼和測試的重要模型依據(jù)。

1. 類

類(Class)封裝了數(shù)據(jù)和行為，是面向?qū)ο蟮闹匾M成部分，它是具有相同屬性、操作、關(guān)系的對象集合的總稱。在系統(tǒng)中，每個(gè)類都具有一定的職責(zé)，職責(zé)指的是類要完成什么樣的功能，要承擔(dān)什么樣的義務(wù)。一個(gè)類可以有多種職責(zé)，設(shè)計(jì)得好的類一般只有一種職責(zé)。在定義類的時(shí)候，將類的職責(zé)分解成為類的屬性和操作（即方法）。類的屬性即類的數(shù)據(jù)職責(zé)，類的操作即類的行為職責(zé)。設(shè)計(jì)類是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中最重要的組成部分，也是最復(fù)雜和最耗時(shí)的部分。

在軟件系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，類將被實(shí)例化成對象(Object)，對象對應(yīng)于某個(gè)具體的事物，是類的實(shí)例(Instance)。

類圖(Class Diagram)使用出現(xiàn)在系統(tǒng)中的不同類來描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，它用來描述不同的類以及它們之間的關(guān)系。

在系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)階段，類通常可以分為三種，分別是實(shí)體類(Entity Class)、控制類(Control Class)和邊界類(Boundary Class)，下面對這三種類加以簡要說明：

(1) 實(shí)體類：實(shí)體類對應(yīng)系統(tǒng)需求中的每個(gè)實(shí)體，它們通常需要保存在永久存儲體中，一般使用數(shù)據(jù)庫表或文件來記錄，實(shí)體類既包括存儲和傳遞數(shù)據(jù)的類，還包括操作數(shù)據(jù)的類。實(shí)體類來源于需求說明中的名詞，如學(xué)生、商品等。

(2) 控制類：控制類用于體現(xiàn)應(yīng)用程序的執(zhí)行邏輯，提供相應(yīng)的業(yè)務(wù)操作，將控制類抽象出來可以降低界面和數(shù)據(jù)庫之間的耦合度。控制類一般是由動(dòng)賓結(jié)構(gòu)的短語（動(dòng)詞+名詞）轉(zhuǎn)化來的名詞，如增加商品對應(yīng)有一個(gè)商品增加類，注冊對應(yīng)有一個(gè)用戶注冊類等

(3) 邊界類：邊界類用于對外部用戶與系統(tǒng)之間的交互對象進(jìn)行抽象，主要包括界面類，如對話框、窗口、菜單等。

在面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計(jì)的初級階段，通常首先識別出實(shí)體類，繪制初始類圖，此時(shí)的類圖也可稱為領(lǐng)域模型，包括實(shí)體類及其它們之間的相互關(guān)系。

2. 類的UML圖示

在UML中，類使用包含類名、屬性和操作且?guī)в蟹指艟€的長方形來表示，如定義一個(gè)Employee類，它包含屬性name、age和email，以及操作modifyInfo()，在UML類圖中該類如圖1所示：

圖1 類的UML圖示

圖1對應(yīng)的Java代碼片段如下：

public class Employee {
	private String name;
	private int age;
	private String email;
	
	public void modifyInfo() {
		......
	}
}

在UML類圖中，類一般由三部分組成：

(1) 第一部分是類名：每個(gè)類都必須有一個(gè)名字，類名是一個(gè)字符串。

(2) 第二部分是類的屬性(Attributes)：屬性是指類的性質(zhì)，即類的成員變量。一個(gè)類可以有任意多個(gè)屬性，也可以沒有屬性

UML規(guī)定屬性的表示方式為：

可見性 名稱:類型 [ = 缺省值 ]

其中：

• “可見性”表示該屬性對于類外的元素而言是否可見，包括公有(public)、私有(private)和受保護(hù)(protected)三種，在類圖中分別用符號+、-和#表示。
• “名稱”表示屬性名，用一個(gè)字符串表示。
• “類型”表示屬性的數(shù)據(jù)類型，可以是基本數(shù)據(jù)類型，也可以是用戶自定義類型。
• “缺省值”是一個(gè)可選項(xiàng)，即屬性的初始值。

(3) 第三部分是類的操作(Operations)：操作是類的任意一個(gè)實(shí)例對象都可以使用的行為，是類的成員方法。

UML規(guī)定操作的表示方式為：

可見性 名稱(參數(shù)列表) [ : 返回類型]

其中：

• “可見性”的定義與屬性的可見性定義相同。
• “名稱”即方法名，用一個(gè)字符串表示。
• “參數(shù)列表”表示方法的參數(shù)，其語法與屬性的定義相似，參數(shù)個(gè)數(shù)是任意的，多個(gè)參數(shù)之間用逗號“，”隔開。
• “返回類型”是一個(gè)可選項(xiàng)，表示方法的返回值類型，依賴于具體的編程語言，可以是基本數(shù)據(jù)類型，也可以是用戶自定義類型，還可以是空類型(void)，如果是構(gòu)造方法，則無返回類型。

在類圖2中，操作method1的可見性為public(+)，帶入了一個(gè)Object類型的參數(shù)par，返回值為空(void)；操作method2的可見性為protected(#)，無參數(shù)，返回值為String類型；操作method3的可見性為private(-)，包含兩個(gè)參數(shù)，其中一個(gè)參數(shù)為int類型，另一個(gè)為int[]類型，返回值為int類型。

圖2 類圖操作說明示意圖

由于在Java語言中允許出現(xiàn)內(nèi)部類，因此可能會(huì)出現(xiàn)包含四個(gè)部分的類圖，如圖3所示：

圖3 包含內(nèi)部類的類圖

類與類之間的關(guān)系（1）

在軟件系統(tǒng)中，類并不是孤立存在的，類與類之間存在各種關(guān)系，對于不同類型的關(guān)系，UML提供了不同的表示方式。

1. 關(guān)聯(lián)關(guān)系

關(guān)聯(lián)(Association)關(guān)系是類與類之間最常用的一種關(guān)系，它是一種結(jié)構(gòu)化關(guān)系，用于表示一類對象與另一類對象之間有聯(lián)系，如汽車和輪胎、師傅和徒弟、班級和學(xué)生等等。在UML類圖中，用實(shí)線連接有關(guān)聯(lián)關(guān)系的對象所對應(yīng)的類，在使用Java、C#和C++等編程語言實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)關(guān)系時(shí)，通常將一個(gè)類的對象作為另一個(gè)類的成員變量。在使用類圖表示關(guān)聯(lián)關(guān)系時(shí)可以在關(guān)聯(lián)線上標(biāo)注角色名，一般使用一個(gè)表示兩者之間關(guān)系的動(dòng)詞或者名詞表示角色名（有時(shí)該名詞為實(shí)例對象名），關(guān)系的兩端代表兩種不同的角色，因此在一個(gè)關(guān)聯(lián)關(guān)系中可以包含兩個(gè)角色名，角色名不是必須的，可以根據(jù)需要增加，其目的是使類之間的關(guān)系更加明確。

如在一個(gè)登錄界面類LoginForm中包含一個(gè)JButton類型的注冊按鈕loginButton，它們之間可以表示為關(guān)聯(lián)關(guān)系，代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)可以在LoginForm中定義一個(gè)名為loginButton的屬性對象，其類型為JButton。如圖1所示：

圖1 關(guān)聯(lián)關(guān)系實(shí)例

圖1對應(yīng)的Java代碼片段如下：

public class LoginForm {
private JButton loginButton; //定義為成員變量
……
}

public class JButton {
    ……
}

在UML中，關(guān)聯(lián)關(guān)系通常又包含如下幾種形式：

(1) 雙向關(guān)聯(lián)

默認(rèn)情況下，關(guān)聯(lián)是雙向的。例如：顧客(Customer)購買商品(Product)并擁有商品，反之，賣出的商品總有某個(gè)顧客與之相關(guān)聯(lián)。因此，Customer類和Product類之間具有雙向關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖2所示：

圖2 雙向關(guān)聯(lián)實(shí)例

圖2對應(yīng)的Java代碼片段如下：

public class Customer {
private Product[] products;
……
}

public class Product {
private Customer customer;
……
}

(2) 單向關(guān)聯(lián)

類的關(guān)聯(lián)關(guān)系也可以是單向的，單向關(guān)聯(lián)用帶箭頭的實(shí)線表示。例如：顧客(Customer)擁有地址(Address)，則Customer類與Address類具有單向關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖3所示：

圖3 單向關(guān)聯(lián)實(shí)例

圖3對應(yīng)的Java代碼片段如下：

public class Customer {
private Address address;
……
}

public class Address {
……
}

(3) 自關(guān)聯(lián)

在系統(tǒng)中可能會(huì)存在一些類的屬性對象類型為該類本身，這種特殊的關(guān)聯(lián)關(guān)系稱為自關(guān)聯(lián)。例如：一個(gè)節(jié)點(diǎn)類(Node)的成員又是節(jié)點(diǎn)Node類型的對象，如圖4所示：

圖4 自關(guān)聯(lián)實(shí)例

圖4對應(yīng)的Java代碼片段如下：

public class Node {
private Node subNode;
……
}

(4) 多重性關(guān)聯(lián)

多重性關(guān)聯(lián)關(guān)系又稱為重?cái)?shù)性(Multiplicity)關(guān)聯(lián)關(guān)系，表示兩個(gè)關(guān)聯(lián)對象在數(shù)量上的對應(yīng)關(guān)系。在UML中，對象之間的多重性可以直接在關(guān)聯(lián)直線上用一個(gè)數(shù)字或一個(gè)數(shù)字范圍表示。

對象之間可以存在多種多重性關(guān)聯(lián)關(guān)系，常見的多重性表示方式如表1所示：

表1 多重性表示方式列表

例如：一個(gè)界面(Form)可以擁有零個(gè)或多個(gè)按鈕(Button)，但是一個(gè)按鈕只能屬于一個(gè)界面，因此，一個(gè)Form類的對象可以與零個(gè)或多個(gè)Button類的對象相關(guān)聯(lián)，但一個(gè)Button類的對象只能與一個(gè)Form類的對象關(guān)聯(lián)，如圖5所示：

圖5 多重性關(guān)聯(lián)實(shí)例

圖5對應(yīng)的Java代碼片段如下：

public class Form {
private Button[] buttons; //定義一個(gè)集合對象
……
}

public class Button {
……
}

(5) 聚合關(guān)系

聚合(Aggregation)關(guān)系表示整體與部分的關(guān)系。在聚合關(guān)系中，成員對象是整體對象的一部分，但是成員對象可以脫離整體對象獨(dú)立存在。在UML中，聚合關(guān)系用帶空心菱形的直線表示。例如：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)(Engine)是汽車(Car)的組成部分，但是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可以獨(dú)立存在，因此，汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)是聚合關(guān)系，如圖6所示：

圖6 聚合關(guān)系實(shí)例

在代碼實(shí)現(xiàn)聚合關(guān)系時(shí)，成員對象通常作為構(gòu)造方法、Setter方法或業(yè)務(wù)方法的參數(shù)注入到整體對象中，圖6對應(yīng)的Java代碼片段如下：

public class Car {
	private Engine engine;

    //構(gòu)造注入
	public Car(Engine engine) {
		this.engine = engine;
	}
    
    //設(shè)值注入
public void setEngine(Engine engine) {
    this.engine = engine;
}
……
}

public class Engine {
	……
} 

(6) 組合關(guān)系

組合(Composition)關(guān)系也表示類之間整體和部分的關(guān)系，但是在組合關(guān)系中整體對象可以控制成員對象的生命周期，一旦整體對象不存在，成員對象也將不存在，成員對象與整體對象之間具有同生共死的關(guān)系。在UML中，組合關(guān)系用帶實(shí)心菱形的直線表示。例如：人的頭(Head)與嘴巴(Mouth)，嘴巴是頭的組成部分之一，而且如果頭沒了，嘴巴也就沒了，因此頭和嘴巴是組合關(guān)系，如圖7所示：

圖7 組合關(guān)系實(shí)例

在代碼實(shí)現(xiàn)組合關(guān)系時(shí)，通常在整體類的構(gòu)造方法中直接實(shí)例化成員類，圖7對應(yīng)的Java代碼片段如下：

public class Head {
	private Mouth mouth;

	public Head() {
		mouth = new Mouth(); //實(shí)例化成員類
	}
……
}

public class Mouth {
	……
} 

類與類之間的關(guān)系（2）

2. 依賴關(guān)系

依賴(Dependency)關(guān)系是一種使用關(guān)系，特定事物的改變有可能會(huì)影響到使用該事物的其他事物，在需要表示一個(gè)事物使用另一個(gè)事物時(shí)使用依賴關(guān)系。大多數(shù)情況下，依賴關(guān)系體現(xiàn)在某個(gè)類的方法使用另一個(gè)類的對象作為參數(shù)。在UML中，依賴關(guān)系用帶箭頭的虛線表示，由依賴的一方指向被依賴的一方。例如：駕駛員開車，在Driver類的drive()方法中將Car類型的對象car作為一個(gè)參數(shù)傳遞，以便在drive()方法中能夠調(diào)用car的move()方法，且駕駛員的drive()方法依賴車的move()方法，因此類Driver依賴類Car，如圖1所示：

圖1 依賴關(guān)系實(shí)例

在系統(tǒng)實(shí)施階段，依賴關(guān)系通常通過三種方式來實(shí)現(xiàn)，第一種也是最常用的一種方式是如圖1所示的將一個(gè)類的對象作為另一個(gè)類中方法的參數(shù)，第二種方式是在一個(gè)類的方法中將另一個(gè)類的對象作為其局部變量，第三種方式是在一個(gè)類的方法中調(diào)用另一個(gè)類的靜態(tài)方法。圖1對應(yīng)的Java代碼片段如下：

public class Driver {
	public void drive(Car car) {
		car.move();
	}
    ……
}

public class Car {
	public void move() {
		......
	}
    ……
}  

3. 泛化關(guān)系

泛化(Generalization)關(guān)系也就是繼承關(guān)系，用于描述父類與子類之間的關(guān)系，父類又稱作基類或超類，子類又稱作派生類。在UML中，泛化關(guān)系用帶空心三角形的直線來表示。在代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)，我們使用面向?qū)ο蟮睦^承機(jī)制來實(shí)現(xiàn)泛化關(guān)系，如在Java語言中使用extends關(guān)鍵字、在C++/C#中使用冒號“：”來實(shí)現(xiàn)。例如：Student類和Teacher類都是Person類的子類，Student類和Teacher類繼承了Person類的屬性和方法，Person類的屬性包含姓名(name)和年齡(age)，每一個(gè)Student和Teacher也都具有這兩個(gè)屬性，另外Student類增加了屬性學(xué)號(studentNo)，Teacher類增加了屬性教師編號(teacherNo)，Person類的方法包括行走move()和說話say()，Student類和Teacher類繼承了這兩個(gè)方法，而且Student類還新增方法study()，Teacher類還新增方法teach()。如圖2所示：

圖2 泛化關(guān)系實(shí)例

圖2對應(yīng)的Java代碼片段如下：

//父類
public class Person {
protected String name;
protected int age;

public void move() {
        ……
}

    public void say() {
    ……
    }
}

//子類
public class Student extends Person {
private String studentNo;

public void study() {
    ……
    }
}

//子類
public class Teacher extends Person {
private String teacherNo;

public void teach() {
    ……
    }
}

4. 接口與實(shí)現(xiàn)關(guān)系

在很多面向?qū)ο笳Z言中都引入了接口的概念，如Java、C#等，在接口中，通常沒有屬性，而且所有的操作都是抽象的，只有操作的聲明，沒有操作的實(shí)現(xiàn)。UML中用與類的表示法類似的方式表示接口，如圖3所示：

圖3 接口的UML圖示

接口之間也可以有與類之間關(guān)系類似的繼承關(guān)系和依賴關(guān)系，但是接口和類之間還存在一種實(shí)現(xiàn)(Realization)關(guān)系，在這種關(guān)系中，類實(shí)現(xiàn)了接口，類中的操作實(shí)現(xiàn)了接口中所聲明的操作。在UML中，類與接口之間的實(shí)現(xiàn)關(guān)系用帶空心三角形的虛線來表示。例如：定義了一個(gè)交通工具接口Vehicle，包含一個(gè)抽象操作move()，在類Ship和類Car中都實(shí)現(xiàn)了該move()操作，不過具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)將會(huì)不一樣，如圖4所示：

圖4 實(shí)現(xiàn)關(guān)系實(shí)例

實(shí)現(xiàn)關(guān)系在編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，不同的面向?qū)ο笳Z言也提供了不同的語法，如在Java語言中使用implements關(guān)鍵字，而在C++/C#中使用冒號“：”來實(shí)現(xiàn)。圖4對應(yīng)的Java代碼片段如下：

public interface Vehicle {
public void move();
}

public class Ship implements Vehicle {
public void move() {
    ……
    }
}

public class Car implements Vehicle {
public void move() {
    ……
    }
}

實(shí)例分析1——登錄模塊

某基于C/S的即時(shí)聊天系統(tǒng)登錄模塊功能描述如下：

用戶通過登錄界面(LoginForm)輸入賬號和密碼，系統(tǒng)將輸入的賬號和密碼與存儲在數(shù)據(jù)庫(User)表中的用戶信息進(jìn)行比較，驗(yàn)證用戶輸入是否正確，如果輸入正確則進(jìn)入主界面(MainForm)，否則提示“輸入錯(cuò)誤”。

根據(jù)以上描述繪制初始類圖。

參考解決方案：

參考類圖如下：

考慮到系統(tǒng)擴(kuò)展性，在本實(shí)例中引入了抽象數(shù)據(jù)訪問接口IUserDAO，再將具體數(shù)據(jù)訪問對象注入到業(yè)務(wù)邏輯對象中，可通過配置文件（如XML文件）等方式來實(shí)現(xiàn)，將具體的數(shù)據(jù)訪問類類名存儲在配置文件中，如果需要更換新的具體數(shù)據(jù)訪問對象，只需修改配置文件即可，原有程序代碼無須做任何修改。

類說明：

方法說明：

實(shí)例分析2——注冊模塊

某基于Java語言的C/S軟件需要提供注冊功能，該功能簡要描述如下：

用戶通過注冊界面(RegisterForm)輸入個(gè)人信息，用戶點(diǎn)擊“注冊”按鈕后將輸入的信息通過一個(gè)封裝用戶輸入數(shù)據(jù)的對象(UserDTO)傳遞給操作數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)訪問類，為了提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性，針對不同的數(shù)據(jù)庫可能需要提供不同的數(shù)據(jù)訪問類，因此提供了數(shù)據(jù)訪問類接口，如IUserDAO，每一個(gè)具體數(shù)據(jù)訪問類都是某一個(gè)數(shù)據(jù)訪問類接口的實(shí)現(xiàn)類，如OracleUserDAO就是一個(gè)專門用于訪問Oracle數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)訪問類。

根據(jù)以上描述繪制類圖。為了簡化類圖，個(gè)人信息僅包括賬號(userAccount)和密碼(userPassword)，且界面類無需涉及界面細(xì)節(jié)元素。

參考解決方案：

在以上功能說明中，可以分析出該系統(tǒng)包括三個(gè)類和一個(gè)接口，這三個(gè)類分別是注冊界面類RegisterForm、用戶數(shù)據(jù)傳輸類UserDTO、Oracle用戶數(shù)據(jù)訪問類OracleUserDAO，接口是抽象用戶數(shù)據(jù)訪問接口IUserDAO。它們之間的關(guān)系如下：

(1) 在RegisterForm中需要使用UserDTO類傳輸數(shù)據(jù)且需要使用數(shù)據(jù)訪問類來操作數(shù)據(jù)庫，因此RegisterForm與UserDTO和IUserDAO之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，在RegisterForm中可以直接實(shí)例化UserDTO，因此它們之間可以使用組合關(guān)聯(lián)。

(2) 由于數(shù)據(jù)庫類型需要靈活更換，因此在RegisterForm中不能直接實(shí)例化IUserDAO的子類，可以針對接口IUserDAO編程，再通過注入的方式傳入一個(gè)IUserDAO接口的子類對象（在本書后續(xù)章節(jié)中將學(xué)習(xí)如何具體實(shí)現(xiàn)），因此RegisterForm和IUserDAO之間具有聚合關(guān)聯(lián)關(guān)系。

(3) OracleUserDAO是實(shí)現(xiàn)了IUserDAO接口的子類，因此它們之間具有類與接口的實(shí)現(xiàn)關(guān)系。

(4) 在聲明IUserDAO接口的增加用戶信息方法addUser()時(shí)，需要將在界面類中實(shí)例化的UserDTO對象作為參數(shù)傳遞進(jìn)來，然后取出封裝在UserDTO對象中的數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫，因此addUser()方法的函數(shù)原型可以定義為：public boolean addUser(UserDTO user)，在IUserDAO的方法addUser()中將UserDTO類型的對象作為參數(shù)，故IUserDAO與UserDTO存在依賴關(guān)系。

通過以上分析，該實(shí)例參考類圖如圖1所示：

圖1 注冊功能參考類圖

注意：在繪制類圖或其他UML圖形時(shí)，可以通過注釋(Comment)來對圖中的符號或元素進(jìn)行一些附加說明，如果需要詳細(xì)說明類圖中的某一方法的功能或者實(shí)現(xiàn)過程，可以使用如圖2所示表示方式：

圖2 類圖注釋實(shí)例

實(shí)例分析3——售票機(jī)控制程序

某運(yùn)輸公司決定為新的售票機(jī)開發(fā)車票銷售的控制軟件。圖I給出了售票機(jī)的面板示意圖以及相關(guān)的控制部件。

圖I 售票機(jī)面板示意圖

售票機(jī)相關(guān)部件的作用如下所述：

(1) 目的地鍵盤用來輸入行程目的地的代碼（例如，200表示總站）。

(2) 乘客可以通過車票鍵盤選擇車票種類（單程票、多次往返票和座席種類）。

(3) 繼續(xù)/取消鍵盤上的取消按鈕用于取消購票過程，繼續(xù)按鈕允許乘客連續(xù)購買多張票。

(4) 顯示屏顯示所有的系統(tǒng)輸出和用戶提示信息。

(5) 插卡口接受MCard（現(xiàn)金卡），硬幣口和紙幣槽接受現(xiàn)金。

(6) 打印機(jī)用于輸出車票。

(7) 所有部件均可實(shí)現(xiàn)自檢并恢復(fù)到初始狀態(tài)。

現(xiàn)采用面向?qū)ο蠓椒ㄩ_發(fā)該系統(tǒng)，使用UML進(jìn)行建模，繪制該系統(tǒng)的初始類圖。

參考解決方案：

參考類圖如下：

類說明：

方法說明：