UML类图及类与类之间的关系
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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。
1. 类
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。
在软件系统运⾏时，类将被实例化成对象(Object)，对象对应于某个具体的事物，是类的实例(Instance)。
类图(Class Diagram)使⽤出现在系统中的不同类来描述系统的静态结构，它⽤来描述不同的类以及它们之间的关系。
在系统分析与设计阶段，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)，下⾯对这三种类加以简要说明：
(1) 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。
(2) 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
(3) 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。
在⾯向对象分析和设计的初级阶段，通常⾸先识别出实体类，绘制初始类图，此时的类图也可称为领域模型，包括实体类及其它们之间的相互关系。
2. 类的UML图⽰
在UML中，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，如定义⼀个Employee类，它
包含属性name、age和email，以及操作modifyInfo()，在UML类图中该类如图1所⽰：
图1 类的UML图⽰
图1对应的Java代码⽚段如下：
public class Employee {
private String name;
private int age;
private String email;
public void modifyInfo() {
......
}
}
(1) 第⼀部分是类名：每个类都必须有⼀个名字，类名是⼀个字符串。在UML类图中，类⼀般由三部分组成：
(2) 第⼆部分是类的属性(Attributes)：属性是指类的性质，即类的成员变量。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 ]
其中：
“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，⽤⼀个字符串表⽰。
“类型”表⽰属性的数据类型，可以是基本数据类型，也可以是⽤户⾃定义类型。
实例化类和实例化对象“缺省值”是⼀个可选项，即属性的初始值。
(3) 第三部分是类的操作(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]
其中：
“可见性”的定义与属性的可见性定义相同。
“名称”即⽅法名，⽤⼀个字符串表⽰。
“参数列表”表⽰⽅法的参数，其语法与属性的定义相似，参数个数是任意的，多个参数之间⽤逗号“，”隔开。
“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。
在类图2中，操作method1的可见性为public(+)，带⼊了⼀个Object类型的参数par，返回值为空(void)；
操作method2的可见性为protected(#)，⽆参数，返回值为String类型；操作method3的可见性为private(-)，包含两个参数，其中⼀个参数为int类型，另⼀个为int[]类型，返回值为int类型。
图2 类图操作说明⽰意图
由于在Java语⾔中允许出现内部类，因此可能会出现包含四个部分的类图，如图3所⽰：
图3 包含内部类的类图
类与类之间的关系（1）
在软件系统中，类并不是孤⽴存在的，类与类之间存在各种关系，对于不同类型的关系，UML提供了不同的表⽰⽅式。
1. 关联关系
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、师傅和徒弟、班级和学⽣等等。在UML类图中，⽤实线连接有关联关系的对象所对应的类，在使⽤Java、C#和C++等编程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。
如在⼀个登录界⾯类LoginForm中包含⼀个JButton类型的注册按钮loginButton，它们之间可以表⽰为关联关系，代码实现时可以在LoginForm中定义⼀个名为loginButton的属性对象，其类型为JButton。如图1所⽰：
图1 关联关系实例
图1对应的Java代码⽚段如下：
public class LoginForm {
private JButton loginButton; //定义为成员变量
……
}
public class JButton {
……
}
(1) 双向关联在UML中，关联关系通常⼜包含如下⼏种形式：
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。因
此，Customer类和Product类之间具有双向关联关系，如图2所⽰：
图2 双向关联实例
图2对应的Java代码⽚段如下：
public class Customer {
private Product[] products;
……
}
public class Product {
private Customer customer;
……
}
(2) 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，如图3所⽰：
图3 单向关联实例
图3对应的Java代码⽚段如下：
public class Customer {
private Address address;
……
}
public class Address {
……
}
(3) 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，如图4所⽰：
图4 ⾃关联实例
图4对应的Java代码⽚段如下：
public class Node {
private Node subNode;
……
}
(4) 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。
对象之间可以存在多种多重性关联关系，常见的多重性表⽰⽅式如表1所⽰：
表1 多重性表⽰⽅式列表
表⽰⽅式多重性说明
1..1表⽰另⼀个类的⼀个对象只与该类的⼀个对象有关系
0..*表⽰另⼀个类的⼀个对象与该类的零个或多个对象有关
系
1..*表⽰另⼀个类的⼀个对象与该类的⼀个或多个对象有关
系
0..1表⽰另⼀个类的⼀个对象没有或只与该类的⼀个对象有
关系
<表⽰另⼀个类的⼀个对象与该类最少m，最多n个对象有
关系 (m≤n)
例如：⼀个界⾯(Form)可以拥有零个或多个按钮(Button)，但是⼀个按钮只能属于⼀个界⾯，因此，⼀个Form类的对象可以与零个或多个Button类的对象相关联，但⼀个Button类的对象只能与⼀个Form类的对象关联，如图5所⽰：
图5 多重性关联实例
图5对应的Java代码⽚段如下：
public class Form {
private Button[] buttons; //定义⼀个集合对象
……
}
public class Button {
……
}
(5) 聚合关系
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，如图6所⽰：
图6 聚合关系实例
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，图6对应的Java代码⽚段如下：public class Car {
private Engine engine;
//构造注⼊
public Car(Engine engine) {
}
//设值注⼊
public void setEngine(Engine engine) {
}
……
}
public class Engine {
…
…
}
(6) 组合关系
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，如图7所⽰：
图7 组合关系实例
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，图7对应的Java代码⽚段如下：
public class Head {
private Mouth mouth;
public Head() {
mouth = new Mouth(); //实例化成员类
}
……
}
public class Mouth {
……
}
类与类之间的关系（2）
2. 依赖关系
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，如图1所⽰：
图1 依赖关系实例
在系统实施阶段，依赖关系通常通过三种⽅式来实现，第⼀种也是最常⽤的⼀种⽅式是如图1所⽰的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。图1对应的Java代码⽚段如下：
public class Driver {
public void drive(Car car) {
}
……
}
public class Car {
public void move() {
......
}
……
}
3. 泛化关系
泛化(Generalization)关系也就是继承关系，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，如在Java语⾔中使⽤extends关键字、在C++/C#中使⽤冒号“：”来实现。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()。如图2所⽰：
图2 泛化关系实例
图2对应的Java代码⽚段如下：
//⽗类
public class Person {
protected String name;
protected int age;
public void move() {
……
}
public void say() {
……
}
}
//⼦类
public class Student extends Person {
private String studentNo;
public void study() {
……
}
}
//⼦类
public class Teacher extends Person {
private String teacherNo;
public void teach() {
……
}
}
4. 接⼝与实现关系
在很多⾯向对象语⾔中都引⼊了接⼝的概念，如Java、C#等，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。UML中⽤与类的表⽰法类似的⽅式表⽰接⼝，如图3所⽰：
图3 接⼝的UML图⽰
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，如图4所⽰：
图4 实现关系实例
实现关系在编程实现时，不同的⾯向对象语⾔也提供了不同的语法，如在Java语⾔中使⽤implements关键字，⽽在C++/C#中使⽤冒
号“：”来实现。图4对应的Java代码⽚段如下：
public interface Vehicle {
public void move();
}
public class Ship implements Vehicle {
public void move() {
……
}
}
public class Car implements Vehicle {
public void move() {
……
}
}

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