面向对象之旅：核心理念、设计方法与UML详解(软件设计师笔记)

前言
面向对象技术是现代软件工程的核心，为软件设计和开发带来了一种强大且有序的方法。通过将现实世界的实体和概念映射到可操作的代码结构，该技术使我们能够更高效、清晰和可靠地创建复杂的软件系统。在本章中，我们将详细介绍面向对象技术的各个方面，包括它的基本组成部分、设计原则以及在统一建模语言（UML）中的具体实现。

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第七章 面向对象技术

面向对象 = 对象（Object）+ 分类（Classification）+ 继承（Inheritance）+通过消息的通信

对象

对象通常可由对象名、属性和方法 3 个部分组成。

多态

多态有不同的形式，分为了四类：

• 通用的：
  • 参数多态：应用比较广泛的多态，被称为最纯的多态。
  • 包含多态：在许多语言中都存在，最常见的例子就是子类型化，即一个类型是另一个类型的子类型。
• 特定的：
  • 过载多态：同一个名字在不同的上下文中所代表的含义不同。
  • 强制多态：通过强制类型转换（也称为强制转型）将一个对象或变量视为另一个类型的操作。

面向对象设计的原则

面向对象方法中的五大原则：

1. 单一责任原则：就一个类而言，应该仅有一个引起它变化的原因。
2. 开放-封闭原则：软件实体应该是可以扩展的，即开发的；但是不可修改的，即封闭的。（扩展开放、修改关闭）
3. 里氏替换原则： 子类型必须能够替换掉他们的基类型。（基类出现的地方，子类一定可以出现）
4. 依赖倒置原则：抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。（依赖于抽象，而不依赖于细节[实现]）
5. 接口分离原则：不应该强迫客户依赖于它们不用的方法。（依赖于抽象，不依赖于具体）

共同封闭原则：包中的所有类对于同一类性质的变化应该是共同封闭的。一个变化若对一个包产生影响，则将对该包中的所有类产生影响，而对于其他的包不造成任何影响。

共同重用原则：一个包中的所有类应该是共同重用的。如果重用了包中的一个类，那么就要重用包中的所有类。

面向对象分析包含5个活动：认定对象、组织对象、描述对象间的相互作用、确定对象的操作、定义对象的内部信息。

面向对象设计的活动（OOD在复用OOA模型的基础上，包含与OOA对应如下五个活动）：

1. 识别类及对象
2. 定义属性
3. 定义服务
4. 识别关系
5. 识别包

事物

UML中有4中事物：

1. 结构事物：结构事物是UML模型中的名词，通常是模型的静态部分，描述概念或物理元素。

   ​

2. 行为事物：行为事物是UML模型的动态部分，它们是模型中的动词，描述了跨越时间和空间的行为。

   ​

3. 分组事物：分组事物是UML模型的组织部分，是一些由模型分解成“盒子”。

   ​

4. 注释事物：注释事物是UML模型的解释部分。这些注释事物用来描述、说明和标注模型的任何元素。

   ​

关系

UML中有4种关系：依赖、关联、泛化和实现。

1. 依赖：依赖是两个事物间的语义关系，其中一个事物（独立事物）发生变化会影响另一个事物（依赖事物）的语义。

   ​
   ​

2. 关联：关联是一种结构关系，它描述了一组链，链是对象之间的连接。
   

   • 聚合：部分和整体的生命周期不一致，整体消失了，部分仍然存在，部分可以脱离整体存在。
   • 组合：部分和整体的生命周期一致，整体消失了，部分也消失了，部分不可以脱离整体存在。

3. 泛化：泛化是一种特殊/一般关系，特殊元素（子元素）的对象可替代一般元素（父元素）的对象。子元素共享了父元素的结构和行为。

4. 实现（了解）：实现是类元之间的语义关系，其中一个类元指定了由另一个类元保证执行的契约。

UML 中的图

类图

类图（Class Diagram）展现了一组对象、接口、协作和它们之间的关系。

符号：

+ : public 公有的

- : private 私有的

# : protected 受保护的

~ : package 包的

通常以下述3种方式之一使用类图：

1. 对系统的词汇建模。
2. 对简单的协作建模。
3. 对逻辑数据库模式建模。

​

对象图

对象图（Object Diagram）展现了某一时刻一组对象以及它们之间的关系，描述了在类图中所建立的事物的实例的静态快照。

对象图给出系统的静态设计视图或静态进程视图。

用例图（P368)

用例图（Use Case Diagram）展现了一组用例、参与制（Actor）以及它们之间的关系。

一个用例执行的时候，可能会发生一些特殊的情况或可选的情况，这种情况就是这个用例的扩展用例。

参与者：参与者是与系统交互的外部实体，可能是使用者，也可能是与系统交互的外部系统、基础设备等。

用例：用例是从用户角度描述系统的行为，它将系统的一个功能描述成一系列的事件，这些事件最终对操作者产生有价值的观测结果。用例是一个类，它代表一类功能而不是使用该功能的某一具体实例。

之间的关系：

1. 包含关系（用例之间）
2. 扩展关系（用例之间）
3. 关联关系（参与者和用例之间）
4. 泛化关系（用例与用例以及参与者与参与者之间）

用例图用于对系统的静态用例视图进行建模。

可用以下两种方式来使用用例图：

1. 对系统的语境建模。
2. 对系统的需求建模。

交互图

交互图用于对系统的动态方面进行建模。一张交互图表现的是一个交互，由一组对象和它们之间的关系组成。包含它们之间可能传递的消息。

1. 序列图（顺序图、时序图） ：序列图是场景的图形化表示，描述了以时间顺序组织的对象之间的交互活动。
   序列图有两个不同于通信图的特征：

• 序列图有对象生命线

• 序列图有控制焦点

  

2. 通信图（协作图）：通信图强调收发消息的对象的结构组织，在早期的版本中也被称作协作图。
   通信图有两个不同于序列图的特性：

• 通信图有路径
• 通信图有顺序号

3. 交互概览图

4. 计时图

状态图

状态图（State Diagram）展现了一个状态机，它由状态、转换、事件和活动组成。

可以用状态图对系统的动态方面建模。当对系统、类或用例的动态方面建模时，通常是对反应型对象建模。

定义的状态主要有：初态（即初始状态）、终态（即最终状态）和中间状态。

三种标准事件：entry、exit、do

• entry：入口动作，进入状态立即执行
• exit：出口动作，退出状态立即执行
• do：内部活动，占有限时间，并可以中断的工作

事件是在某个特定时刻发生的事情，它是对引起系统做动作或（和）从一个状态转换到另一个状态的外界事件的抽象。

转换包括两个状态（源状态，目标状态）

事件，监护条件，动作

事件触发转换（迁移)

活动（动作）可以在状态（迁移）内执行，也可以在状态转换时执行。

监护条件是一个布尔表达式。

活动图

活动图（Activity Diagram）是一种特殊的状态图，它展现了在系统内从一个活动到另一个活动的流程。

活动图一般包括活动状态和动作状态、转换和对象。

通常有两种使用活动图的方式:

1. 对工作流建模。
2. 对操作建模。

​

构件图（组件图）

构件图（Component Diagram）展现了一组构件之间的组织和依赖。

构件图专注于系统的静态实现试图。

​
​

部署图

部署图（Deployment Diagram）是用来对面向对象系统的物理方面建模的方法，展现了运行时处理结点以及其中构件（制品）的配置。

部署图展现了系统的软件和硬件之间的关系，在实施阶段使用。

UML图汇总

• 静态建模：类图、对象图、用例图
• 动态建模：序列图（顺序图、时序图）、通信图（协作图）、状态图、活动图
• 物理建模：构件图（组件图）、部署图
• 交互图：序列图（顺序图、时序图）、通信图（协作图）

总结

通过本章的探讨，我们了解了面向对象技术的各种要素，从对象的基本结构，到多态的不同形式，再到面向对象设计的原则，我们对面向对象的精髓有了更深入的了解。UML作为一个强大的工具，为我们提供了表示和设计面向对象系统的方法，通过对事物和关系的描述，我们能够更加清晰地理解和构建复杂的系统。

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