UML类图完全解读

程序员必备：UML类图完全解读

引言

作为程序员，我们经常需要阅读设计文档、理解系统架构或与团队成员交流设计思路。在这些场景中，UML类图是一种不可或缺的可视化工具。它不仅能帮助我们快速掌握系统的静态结构，还能清晰地展示类与类之间的关系。本文将从实用角度出发，带你全面掌握UML类图的核心知识，让你能够轻松看懂甚至绘制类图。

UML与类图基础

什么是UML？

统一建模语言（Unified Modeling Language, UML）是一种用于软件系统分析和设计的标准化语言工具。它通过一套统一的符号和图形，帮助开发人员可视化、描述、构造和文档化软件系统。UML 2.5是目前的最新版本，定义了14种不同类型的图，其中类图是使用频率最高的一种。

类图的作用

类图（Class Diagram）主要用于描述系统的静态结构，展示系统中存在的类、接口、它们的内部结构以及类与类之间的关系。类图的主要作用包括：

• 对系统词汇建模：识别问题域中的核心实体并抽象为类
• 对简单协作建模：展示类之间如何协同工作
• 对逻辑数据库模式建模：为数据库设计提供可视化支持

类图核心元素

类的表示

在UML中，类使用包含类名、属性和操作的矩形来表示，分为三个部分：

1. 类名（Name）：位于矩形顶部，是一个字符串。如果类名为斜体，表示该类是抽象类。

2. 属性（Attribute）：类的特性，即成员变量。表示格式为：

   [可见性]属性名:类型[=默认值]
   

   可见性符号：

   • +：public（公有的）
   • -：private（私有的）
   • #：protected（受保护的）
   • ~：package（包内可见的）

   例如：-name:String 表示私有属性name，类型为String。

3. 操作（Operations）：类的行为，即成员方法。表示格式为：

   [可见性]名称(参数列表)[:返回类型]
   

   例如：+display():void 表示公有方法display，无参数，返回类型为void。

接口的表示

接口（Interface）是一种特殊的类，它只包含抽象操作，不包含属性。在UML中，接口有两种常见表示方式：

1. 使用带有名称的小圆圈表示：
   

2. 与类类似的矩形表示，但顶部有<<interface>>标识：

<<interface>>
Graph
+getArea():double
+getPerimeter():double

接口表示类或组件对外可见的动作，描述了"做什么"而不涉及"怎么做"。

类之间的关系详解

在软件系统中，类不是孤立存在的，类与类之间存在各种关系。根据耦合度从弱到强排列，UML类图中的关系主要有以下几种：

1. 依赖关系（Dependency）

依赖关系是一种使用关系，表示一个类的实现依赖于另一个类的定义。这是对象之间耦合度最弱的一种关联方式，通常是临时性的关联。

表示方法：带箭头的虚线，箭头从使用类指向被依赖的类。

代码实现：在Java中，依赖关系通常通过以下方式体现：

• 局部变量
• 方法参数
• 静态方法调用

public class Person {// 通过方法参数产生依赖public void call(Phone phone) {phone.dial();}// 通过局部变量产生依赖public void sendMessage() {Message message = new Message();message.send();}
}

2. 关联关系（Association）

关联关系是类与类之间最常用的一种关系，用于表示一类对象与另一类对象之间的联系。关联关系是一种结构化关系，通常是长期性的，双方关系一般是平等的。

表示方法：带箭头的实线表示单向关联，不带箭头的实线表示双向关联。

单向关联：

双向关联：

代码实现：通常将一个类的对象作为另一个类的成员变量。

// 单向关联
public class Customer {private Address address; // Customer类关联Address类
}public class Address {// 没有关联Customer类
}// 双向关联
public class Customer {private List<Product> products; // 顾客购买的商品
}public class Product {private Customer customer; // 购买商品的顾客
}

自关联：一个类与自身产生的关联关系，通常用于表示树状结构或链表结构。

public class Node {private Node nextNode; // 节点关联另一个节点
}

多重性关联：表示两个关联对象在数量上的对应关系，直接在关联直线上用数字或数字范围表示。

常见的多重性表示方式：

表示方式	说明
1…1	另一个类的一个对象只与该类的一个对象有关系
0…*	另一个类的一个对象与零个或多个该类对象有关系
1…*	另一个类的一个对象与一个或多个该类对象有关系
0…1	另一个类的一个对象没有或只与一个该类对象有关系
m…n	另一个类的一个对象与最少m，最多n个该类对象有关系(m≤n)

例如，一个界面(Form)可以拥有零个或多个按钮(Button)，但一个按钮只能属于一个界面：

Form 1 ---- * Button

3. 聚合关系（Aggregation）

聚合关系是关联关系的一种特例，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而独立存在。

表示方法：带空心菱形的实线，菱形指向整体。

代码实现：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。

public class University {private List<Teacher> teachers;// 通过构造方法注入public University(List<Teacher> teachers) {this.teachers = teachers;}// 通过Setter方法注入public void setTeachers(List<Teacher> teachers) {this.teachers = teachers;}
}public class Teacher {// 教师可以独立于大学存在
}

生活中的例子：大学与教师的关系，大学包含教师，但如果大学停办了，教师依然可以去其他学校工作。

4. 组合关系（Composition）

组合关系也是表示整体与部分的关系，但它是一种更强烈的聚合关系。在组合关系中，整体对象可以控制部分对象的生命周期，一旦整体对象不存在，部分对象也将不存在。

表示方法：带实心菱形的实线，菱形指向整体。

代码实现：通常在整体类的构造方法中直接实例化成员类。

public class Head {private Mouth mouth;public Head() {// 在构造方法中创建部分对象mouth = new Mouth();}
}public class Mouth {// 嘴巴不能独立于头存在
}

生活中的例子：头和嘴的关系，没有了头，嘴也就不存在了。

5. 继承关系（泛化关系）

继承关系表示一般与特殊的关系，即"is-a"的关系，是父类与子类之间的关系。在这种关系中，子类继承父类的属性和方法，并可以增加新的属性和方法或覆盖父类的方法。

表示方法：带空心三角箭头的实线，箭头从子类指向父类。

代码实现：使用面向对象的继承机制。

public class Person {private String name;private int age;public void eat() {// ...}
}public class Student extends Person {private String studentId;public void study() {// ...}
}public class Teacher extends Person {private String teacherId;public void teach() {// ...}
}

6. 实现关系

实现关系是接口与实现类之间的关系。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所有抽象操作。

表示方法：带空心三角箭头的虚线，箭头从实现类指向接口。

代码实现：使用面向对象的接口实现机制。

public interface Vehicle {void move();
}public class Car implements Vehicle {@Overridepublic void move() {System.out.println("汽车在公路上行驶");}
}public class Ship implements Vehicle {@Overridepublic void move() {System.out.println("船在水上航行");}
}

UML类图实例分析

让我们通过一个简单的订单管理系统来综合应用上述知识。该系统包含以下类：

• Customer（顾客）：拥有多个订单
• Order（订单）：包含多个订单项，属于一个顾客
• OrderItem（订单项）：关联一个产品，属于一个订单
• Product（产品）：可以被多个订单项引用

它们之间的关系如下：

1. Customer和Order：一对多关系（1…*）
2. Order和OrderItem：组合关系（1个订单包含多个订单项）
3. OrderItem和Product：关联关系（1个订单项引用1个产品）
4. Order和Customer：双向关联

类图表示：

Customer 1 ---- * Order^               ||               | 组合|               v|           OrderItem * ---- 1 Product|               ^|               |+---------------+

对应的Java代码结构：

public class Customer {private String id;private String name;private List<Order> orders; // 1..* 关系public void addOrder(Order order) {orders.add(order);order.setCustomer(this);}
}public class Order {private String orderId;private Date orderDate;private Customer customer; // 双向关联private List<OrderItem> orderItems; // 组合关系public Order() {orderItems = new ArrayList<>();}public void addOrderItem(Product product, int quantity) {OrderItem item = new OrderItem(product, quantity);orderItems.add(item);}
}public class OrderItem {private Product product; // 关联产品private int quantity;public OrderItem(Product product, int quantity) {this.product = product;this.quantity = quantity;}
}public class Product {private String productId;private String name;private double price;
}

UML类图在实际开发中的应用

1. 设计模式表示

设计模式是软件开发中常见问题的最佳实践，而UML类图是描述设计模式的主要工具。例如，单例模式的类图表示：

<<singleton>>
Singleton
- instance: Singleton
+ getInstance(): Singleton
- Singleton()

2. 系统架构设计

在系统架构设计阶段，类图可以帮助团队成员清晰地理解系统的静态结构，包括核心类、接口及其关系。

3. 代码重构

在代码重构过程中，类图可以帮助开发人员识别类之间的依赖关系，找出设计不合理的地方，如过度耦合、职责不单一等问题。

4. 团队协作与沟通

类图是开发团队内部以及与其他 stakeholders 沟通的有效工具，它提供了一种可视化的方式来讨论系统设计，减少沟通成本。

UML类图绘制工具推荐

1. draw.io：免费开源的在线绘图工具，支持UML、流程图等多种图表类型。
2. StarUML：功能强大的UML建模工具，支持UML 2.x标准。
3. Visual Paradigm：专业的建模工具，支持UML、BPMN等多种建模语言。
4. IntelliJ IDEA/ Eclipse插件：IDE集成的UML插件，可以直接从代码生成类图。
5. Lucidchart：在线协作绘图工具，适合团队协作绘制类图。

总结

UML类图是软件开发过程中不可或缺的工具，它能够帮助我们可视化系统的静态结构，清晰地展示类与类之间的关系。掌握类图的阅读和绘制能力，对于理解系统设计、参与架构讨论、进行代码重构以及团队协作都具有重要意义。

UML类图的核心元素（类、接口）和六种主要关系（依赖、关联、聚合、组合、继承、实现），并通过实例展示了类图在实际开发中的应用。希望通过本文的学习，你能够轻松看懂和使用UML类图，提升自己的设计能力和与团队的沟通效率。

记住，UML只是一种工具，重要的不是画出完美的类图，而是通过类图来更好地思考和设计系统。在实际开发中，应根据项目需要选择合适的UML图，避免过度建模。