【UML建模】类图（Class Diagram）

1.概述

在我们的日常学习、工作、考试以及面试的过程中，都会使用到类图，它是一种表示系统中的类、接口、属性和方法等静态结构的图形语言，常用于面向对象的软件设计、分析，对技术实现起到指导作用，是架构师的常用工具之一。

通过类图，可以更好地理解系统的结构和设计，提高开发效率和软件质量。对于学习过设计模式的同学来说，肯定会有更深刻的感触，正是因为有类图我们更直观的理解各种模式的实现方式，并按照类图的指导去完成我们自己的设计模式代码。

综上，能够看懂并画出类图就显得尤为重要了，本篇主要是讲述类型中的核心概念以及使用方式，主要包括：

• 类、属性、方法、访问权限的表示方式
• 类与类之间的关系及其符号表示方式
• 基数的使用

在类图中，每个类都被表示为一个矩形框，其中包含类的名称、属性和方法，类之间的关系可以通过不同的关系符号来表示，下面我们直接切入主题。

2.类的表示方式

表现形式即我们可以通过什么样的图形来表现出类所包含的信息，例如类与接口如何表示，如何表示属性与方法，如何表示访问权限。

2.1.类与接口

类和接口在类型中都是用矩形的方框来表示，方框分为两层，在第一层中会写接口名和类名，接口的第一层方框中还会用<>来表示，如下图所示：

2.2.属性、方法、访问权限

在方框的第二行，则会写属性与方法，在属性和方法的左边还会用一些符号来表示访问权限，如下图：

• +：表示 public
• -：表示 private
• #：表示 protected
• 无符号：表示 default

从上图我们发现属性和方法是放在同一层的，现在的写法还比较直观，但是当属性和方法变多，且不按照顺序来写的时候就会显得有点杂乱，不能直观的看出类的结构。

所以，还有另一种画类图的方式，将类图的方框隔离为三层，第二层定义属性，第三层定义方法。按照新的格式得到新的类图如下：

如果是初期的领域划分建模，可以使用两层方框的表示方式，甚至只需要单层的方框填入类名即可，不需要填入大量的属性和方法，这种方式在初期建模时会更加简洁明了。如果是在做较详细的技术实现，建议使用具有3层方框的表示方式，这种方式整理的信息更加丰富和清晰。

3.类之间的关系

类之间的关系一共有6种，耦合程度由强到弱可以表示为：

实现 = 泛化 > 组合 > 聚合 > 关联 > 依赖

• 实现（Realization）：表示类和接口之间的实现关系。
• 泛化（Generalization）：表示类之间的继承关系，也被叫做继承。
• 组合（Composition）：表示一个类对象包含另一个类对象，强整体与部分的关系。
• 聚合（Aggregation）：表示一个类对象包含另一个类对象，弱整体与部分的关系。
• 关联（Association）：表示一个类对象包含另一个类对象，是一种静态的关系。
• 依赖（Dependency）：表示一个类在其方法中使用到了另一个类，但两者之间不具有持久性的包含关系。

只是看这样的解释，可能还是不太了解各个关系之间的区别到底是什么，尤其是组合、聚合、关联看起来都差不多。但是没有关系，在下面的内容中会有“说人话”的方式来详细解释各个关系。

3.1.继承与实现

继承与实现在类图中表现为is-a的关系，通过空心三角形来表示，其中实现用虚线表示、继承用实现表示。

空心三角形画在父类或父接口这一端，下图分别表示了类B实现接口A，类B继承类A的关系：

继承与实现大家都是比较熟悉的，这里就不过多的赘述。

3.2.关联、聚合、组合

关联关系是类图中最不容易区分清楚的部分，聚合与组合是关联关系的一种特殊的表现形式，它们三种都是has-a的关系。

关联关系表示为实线，聚合和组合是在关联的基础上加入了菱形来表示，聚合表示为空心菱形，组合表示为实心菱形。

如果将一个类作为包含类，那么它的成员变量中的类就是成员类，菱形是画在包含类这一端，如下图：

上图中的表达的关系，从上到下分别为：

• 类A与类B存在关联关系（这个关联关系并不明确，有可能是双向关联）
• 类B是类A的一部分
• 类A中包含了类B

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上面的表示方式是部分教程了较为标准的一种画法，但有时候也会看到另一种画法，在实现上会带上箭头，如下图所示：

在这张图中关联关系带上了箭头，表示的是单项的关联关系，即类A中关联了类B，而组合与聚合表达的含义与上面不带箭头的图一致。

之所以要学习这种画法，主要是在看资料的时候遇到两种不同的画法都能看得懂。

3.2.1.用代码表达关联关系

所谓的关联关系，就是一个类中使用了另一个类作为成员变量，至于这个成员变量是如何被使用的，并不是关联关系需要关注的。

例如现在存在两个类学生Student和课程Course的双向关联关系，如图：

class Student {
  Course course;
}

class Course {
  Student student;
}

同理，如果是单向关联，则可以表示为：

class Student {
  Course course;
}

class Course {

}

3.2.2.用代码表达组合关系

组合是一种强has-a关系，它要求的是一个类中有另一个类作为其成员变量的前提下，成员类依赖于包含类的生命周期，简单的说，就是两个类的生命周期一致，一荣俱荣，一损俱损。

例如现在有一个Person类，它引入了一个Heart作为成员变量：

Heart会在Person的构造函数中被new出来，随Person的创建而创建，同时当Person被销毁后回收后，Heart没有了引用也会被回收掉。

class Person {

  private Heart heart;

  public Person() {
    this.heart = new Heart();
  }

}

class Heart {

}

3.2.3.用代码表达聚合关系

组合是一种弱has-a关系，与组合关系不同的是，成员类不会依赖包含类的生命周期，简单的说，即使是某个类被销毁了，它的成员类也不会被销毁。

例如现在有一台电脑Computer，接入了一个键盘Keyboard，即使电脑坏了，我这个键盘还可以接入到其他的电脑上使用：

我们可以通过构造方法或者setter方法将键盘注入到电脑中：

class Computer {

  private Keyboard keyboard;

  // 通过构造方法的参数注入
  public Computer(Keyboard  keyboard) {
    this.keyboard= keyboard;
  }
  
  // 通过setter方法注入
  public void setKeyboard() {
    this.keyboard= keyboard;
  }
}

class Keyboard {

}

相信用过Spring的同学，一定对上面的这段代码非常熟悉，这就是我们常说的构造方法注入与set注入，不难看出，Spring中的依赖实现方式大多是通过聚合的方式来实现的。

3.3.依赖

依赖在类图中也是has-a的关系，表达的是一个类在它运行自己函数的过程中使用到了另一个类，函数没有运行的时候就不会使用到这个类。

依赖关系也可以算作是一种特殊的关联关系，我们从类图中就可以看出来，依赖关系的类图是由虚线+箭头组成（关联是实线+箭头）。下图表示的是类A中使用到了类B

3.3.1.依赖关系的代码实现

依赖关系在代码中往往表示为方法的形参以及局部变量，以一个简化版的工厂模式为例，提供一个汽车工厂CarFactory，在这个工厂中可以生产汽车Car。

class CarFactory {

  public Car crateCar() {
    return new Car();
  }
}

class Car{

}

4.基数

基数(multiplicity) 在有些教材上也叫多重度(multiplicity）也叫，用来表示关联的类之间的数量关系，也就是我们常说的一对一 , 一对多 , 多对多，上述的4种关系关联、组合、聚合、依赖中都可以添加基数。

基数由数字 , * , .. 组成，数字表示的是类的具体数量，* 表示的是0个或多个的意思，而..是两个符号之间的连接符，用于表示一个区间关系，例如：

• 1：表示1个
• 0..1：表示0个或1个
• 0..*：表示0个或多个，也可以直接用*表示
• 1..*：表示1个或多个

基数的符号是写在关系的连线两端的，以上面的学生选择课程为例，一个学生至少选择1门课程，学有余力的可以选择多门，则可以通过下面的图形来表示：

写成代码，就是成员变量Course由一个对象，修改为一个集合：

class Student {
  List<Course> courses;
}

class Course {

}

5.总结

本篇主要是在讲述如何通过图形语言来描述类和接口，类之间的关系以及基数，通过本篇文章中的知识点，我们已经基本可以看懂并设计自己的类图了。当然，类图的画法是多种多样的，本篇文章中并没有例举完整，例如在菜鸟教程中搜索设计模式，你可能会看到这样的类图：

在这张图中，关系的表达方式与上述的表达方式不太相同，是使用统一箭头加描述的方式来表达的，但相信大家有了本篇文章的基础之后，看到这样的类图也不会有什么压力，所以我们在日后的工作学习中继续查漏补缺即可。

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最后，再总结一下本篇中的几个重点知识点：

• 类的表示方式：掌握类的画法
  通过一个划分为3层的方框来表示，第一层是名字、第二层是属性、第三层方法，如果是接口，可以在第一层的第一行写上<>。
• 关系：代表各种关系的图标，以及关联、组合、聚合、依赖的区别
  • 图标：
    • 继承与实现是空心三角形，继承是实线，实线是虚线
    • 关联与依赖是箭头，关联是实线、依赖是虚线
    • 组合与聚合是菱形，组合是实心菱形，聚合是空心菱形
  • 关联和依赖的区别：关联是成员变量，依赖是局部变量
  • 组合与聚合的区别：组合中的成员类与包含类有相同的生命周期，而聚合中成员类有自己独有的生命周期
• 基数：基数的含义与表示方式
  • 含义：用于表达关联的类之间的数量关系
  • 表示方式：写在关联连线的两端，有一对一 , 一对多 , 多对多三种，需要注意0..*与*表示的是同一个意思，即：0个或多个