统一建模语言(Unified Modeling Language,UML)是用来设计软件蓝图的可视化建模语言,1997 年被国际对象管理组织(OMG)采纳为面向对象的建模语言的国际标准。它的特点是简单、统一、图形化、能表达软件设计中的动态与静态信息
统一建模语言能为软件开发的所有阶段提供模型化和可视化支持。而且融入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术,使软件设计人员沟通更简明,进一步缩短了设计时间,减少开发成本。它的应用领域很宽,不仅适合于一般系统的开发,而且适合于并行与分布式系统的建模
UML 从目标系统的不同角度出发,定义了用例图、类图、对象图、状态图、活动图、时序图、协作图、构件图、部署图等 9 种图
本教程主要介绍软件设计模式中经常用到的类图,以及类之间的关系。另外,在实验部分将简单介绍 UML 建模工具的使用方法,当前业界使用最广泛的是 Rational Rose。使用 Umlet 的人也很多,它是一个轻量级的开源 UML 建模工具,简单实用,常用于小型软件系统的开发与设计
1.类:
类(Class)是指具有相同属性、方法和关系的对象的抽象,它封装了数据和行为,是面向对象程序设计(OOP)的基础,具有封装性、继承性和多态性等三大特性
2.接口:
接口(Interface)是一种特殊的类,它具有类的结构但不可被实例化,只可以被子类实现。它包含抽象操作,但不包含属性。它描述了类或组件对外可见的动作。在 UML 中,接口使用一个带有名称的小圆圈来进行表示
3.类图
类图(ClassDiagram)是用来显示系统中的类、接口、协作以及它们之间的静态结构和关系的一种静态模型。它主要用于描述软件系统的结构化设计,帮助人们简化对软件系统的理解,它是系统分析与设计阶段的重要产物,也是系统编码与测试的重要模型依据。
类图中的类可以通过某种编程 语言直接实现。类图在软件系统开发的整个生命周期都是有效的,它是面向对象系统的建模中最常见的图。图 3 所示是“计算长方形和圆形的周长与面积”的类图,图形接口有计算面积和周长的抽象方法,长方形和圆形实现这两个方法供访问类调用
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。根据类与类之间的耦合度从弱到强排列,UML 中的类图有以下几种关系:依赖关系、关联关系、聚合关系、组合关系、泛化关系和实现关系。其中泛化和实现的耦合度相等,它们是最强的
1. 依赖关系
依赖(Dependency)关系是一种使用关系,它是对象之间耦合度最弱的一种关联方式,是临时性的关联。在代码中,某个类的方法通过局部变量、方法的参数或者对静态方法的调用来访问另一个类(被依赖类)中的某些方法来完成一些职责
在 UML 类图中,依赖关系使用带箭头的虚线来表示,箭头从使用类指向被依赖的类
2. 关联关系
关联(Association)关系是对象之间的一种引用关系,用于表示一类对象与另一类对象之间的联系,如老师和学生、师傅和徒弟、丈夫和妻子等。关联关系是类与类之间最常用的一种关系,分为一般关联关系、聚合关系和组合关系,联可以是双向的,也可以是单向的
在 UML 类图中,双向的关联可以用带两个箭头或者没有箭头的实线来表示,单向的关联用带一个箭头的实线来表示,箭头从使用类指向被关联的类。也可以在关联线的两端标注角色名,代表两种不同的角色
3. 聚合关系
聚合(Aggregation)关系是关联关系的一种,是强关联关系,是整体和部分之间的关系,是 has-a 的关系。
聚合关系也是通过成员对象来实现的,其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。例如,学校与老师的关系,学校包含老师,但如果学校停办了,老师依然存在
在 UML 类图中,聚合关系可以用带空心菱形的实线来表示,菱形指向整体。图 6 所示是大学和教师的关系图
4.组合关系
组合(Composition)关系也是关联关系的一种,也表示类之间的整体与部分的关系,但它是一种更强烈的聚合关系,是 cxmtains-a 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,部分对象不能脱离整体对象而存在。例如,头和嘴的关系,没有了头,嘴也就不存在了
在 UML 类图中,组合关系用带实心菱形的实线来表示,菱形指向整体
5.泛化关系
泛化(Generalization)关系是对象之间耦合度最大的一种关系,表示一般与特殊的关系,是父类与子类之间的关系,是一种继承关系,是 is-a 的关系
在 UML 类图中,泛化关系用带空心三角箭头的实线来表示,箭头从子类指向父类
6.实现关系
实现(Realization)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的抽象操作
在 UML 类图中,实现关系使用带空心三角箭头的虚线来表示,箭头从实现类指向接口
在软件开发中,为了提高软件系统的可维护性和可复用性,增加软件的可扩展性和灵活性,程序员要尽量根据 7 条原则来开发程序,从而提高软件开发效率、节约软件开发成本和维护成本
软件实体应当对扩展开放,对修改关闭
这里的软件实体包括以下几个部分:
开闭原则的含义:当应用的需求改变时,在不修改软件实体的源代码或者二进制代码的前提下,可以扩展模块的功能,使其满足新的需求
开闭原则是面向对象程序设计的终极目标,它使软件实体拥有一定的适应性和灵活性的同时具备稳定性和延续性
1. 对软件测试的影响
软件遵守开闭原则的话,软件测试时只需要对扩展的代码进行测试就可以了,因为原有的测试代码仍然能够正常运行
2. 可以提高代码的可复用性
粒度越小,被复用的可能性就越大;在面向对象的程序设计中,根据原子和抽象编程可以提高代码的可复用性
3. 可以提高软件的可维护性
遵守开闭原则的软件,其稳定性高和延续性强,从而易于扩展和维护
可以通过“抽象约束、封装变化”来实现开闭原则,即通过接口或者抽象类为软件实体定义一个相对稳定的抽象层,而将相同的可变因素封装在相同的具体实现类中
因为抽象灵活性好,适应性广,只要抽象的合理,可以基本保持软件架构的稳定。而软件中易变的细节可以从抽象派生来的实现类来进行扩展,当软件需要发生变化时,只需要根据需求重新派生一个实现类来扩展就可以了
Windows 的主题是桌面背景图片、窗口颜色和声音等元素的组合。用户可以根据自己的喜爱更换自己的桌面主题,也可以从网上下载新的主题。这些主题有共同的特点,可以为其定义一个抽象类(Abstract Subject),而每个具体的主题(Specific Subject)是其子类。用户窗体可以根据需要选择或者增加新的主题,而不需要修改原代码,所以它是满足开闭原则的
继承必须确保超类所拥有的性质在子类中仍然成立
里氏替换原则主要阐述了有关继承的一些原则,也就是什么时候应该使用继承,什么时候不应该使用继承,以及其中蕴含的原理。里氏替换原是继承复用的基础,它反映了基类与子类之间的关系,是对开闭原则的补充,是对实现抽象化的具体步骤的规范
里氏替换原则的主要作用如下。
里氏替换原则通俗来讲就是:子类可以扩展父类的功能,但不能改变父类原有的功能。也就是说:子类继承父类时,除添加新的方法完成新增功能外,尽量不要重写父类的方法
高层模块不应该依赖低层模块,两者都应该依赖其抽象;抽象不应该依赖细节,细节应该依赖抽象
其核心思想是:要面向接口编程,不要面向实现编程
依赖倒置原则是实现开闭原则的重要途径之一,它降低了客户与实现模块之间的耦合
依赖倒置原则的主要作用如下:
依赖倒置原则的目的是通过要面向接口的编程来降低类间的耦合性,所以我们在实际编程中只要遵循以下4点,就能在项目中满足这个规则。
这里的职责是指类变化的原因,单一职责原则规定一个类应该有且仅有一个引起它变化的原因,否则类应该被拆分
单一职责原则的核心就是控制类的粒度大小、将对象解耦、提高其内聚性。如果遵循单一职责原则将有以下优点:
单一职责原则是最简单但又最难运用的原则,需要设计人员发现类的不同职责并将其分离,再封装到不同的类或模块中。而发现类的多重职责需要设计人员具有较强的分析设计能力和相关重构经验
单一职责同样也适用于方法。一个方法应该尽可能做好一件事情。如果一个方法处理的事情太多,其颗粒度会变得很粗,不利于重用
要求程序员尽量将臃肿庞大的接口拆分成更小的和更具体的接口,让接口中只包含客户感兴趣的方法
定义:客户端不应该被迫依赖于它不使用的方法
该原则还有另外一个定义:一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上
以上两个定义的含义是:要为各个类建立它们需要的专用接口,而不要试图去建立一个很庞大的接口供所有依赖它的类去调用
接口隔离原则和单一职责都是为了提高类的内聚性、降低它们之间的耦合性,体现了封装的思想,但两者是不同的:
接口隔离原则是为了约束接口、降低类对接口的依赖性,遵循接口隔离原则有以下 5 个优点。
在具体应用接口隔离原则时,应该根据以下几个规则来衡量。
迪米特法则的定义是:只与你的直接朋友交谈,不跟“陌生人”说话
其含义是:如果两个软件实体无须直接通信,那么就不应当发生直接的相互调用,可以通过第三方转发该调用。其目的是降低类之间的耦合度,提高模块的相对独立性
迪米特法则中的“朋友”是指:当前对象本身、当前对象的成员对象、当前对象所创建的对象、当前对象的方法参数等,这些对象同当前对象存在关联、聚合或组合关系,可以直接访问这些对象的方法
迪米特法则要求限制软件实体之间通信的宽度和深度,正确使用迪米特法则将有以下两个优点。
但是,过度使用迪米特法则会使系统产生大量的中介类,从而增加系统的复杂性,使模块之间的通信效率降低。所以,在釆用迪米特法则时需要反复权衡,确保高内聚和低耦合的同时,保证系统的结构清晰
从迪米特法则的定义和特点可知,它强调以下两点:
所以,在运用迪米特法则时要注意以下 6 点。
它要求在软件复用时,要尽量先使用组合或者聚合等关联关系来实现,其次才考虑使用继承关系来实现
如果要使用继承关系,则必须严格遵循里氏替换原则。合成复用原则同里氏替换原则相辅相成的,两者都是开闭原则的具体实现规范
通常类的复用分为继承复用和合成复用两种,继承复用虽然有简单和易实现的优点,但它也存在以下缺点。
采用组合或聚合复用时,可以将已有对象纳入新对象中,使之成为新对象的一部分,新对象可以调用已有对象的功能,它有以下优点。
合成复用原则是通过将已有的对象纳入新对象中,作为新对象的成员对象来实现的,新对象可以调用已有对象的功能,从而达到复用
从图 1 可以看出用继承关系实现会产生很多子类,而且增加新的“动力源”或者增加新的“颜色”都要修改源代码,这违背了开闭原则,显然不可取。但如果改用组合关系实现就能很好地解决以上问题,如图2
总结:这 7 种设计原则是软件设计模式必须尽量遵循的原则,各种原则要求的侧重点不同。
其中,
开闭原则是总纲,它告诉我们要对扩展开放,对修改关闭;
里氏替换原则告诉我们不要破坏继承体系;
依赖倒置原则告诉我们要面向接口编程;
单一职责原则告诉我们实现类要职责单一;
接口隔离原则告诉我们在设计接口的时候要精简单一;
迪米特法则告诉我们要降低耦合度;
合成复用原则告诉我们要优先使用组合或者聚合关系复用,少用继承关系复用