利用UML类图设计Java应用程序详解（一）

UML已成为面向对象设计的标准图形化工具，在UML定义的各种图中，本文只涉及类图。Java应用程序由许多类所构成，类图的设计与实现，是Java实现面向对象应用程序的核心。本文通过一个具体的应用程序的设计与实现过程，详细说明了利用UML类图设计Java应用程序，使得开发过程标准化、可视化，代码编程简单化。
　　在类图中，类被描述为带有三层的盒子。
　　
　　顶层为类名，一般用加粗字体表示。如果类是抽象的，其名称用斜体表示；如果类是接口，则在类名上方标注<<interface>>。
　　中间层包含类的属性（或变量），底层包含类的方法。与类名相似，如果方法是抽象的，那么它的名称也用斜体表示。
　　我们要设计的应用程序CDrawApp应用程序在基于字符的网格上画点、框和文本串，该应用程序涉及到Java面向对象的许多概念与应用方法，非常系统、全面，在您仔细研读后，定能迅速掌握UML类图，并将其应用到实际的Java应用程序开发过程中。为减少代码长度，让程序简单易懂，这里使用Java控制台窗口显示程序运行结果。该程序总共由10个大类组成，以下分别介绍。
　　一、Point类
　　在CDrawApp程序中定义的第一个类是Point类，该类用于通过x和y坐标在网格上标识一点。其类图设计为：
　　
　　在该类中，有2个成员变量x和y,类图中，“-”表示变量或方法为private，“+”表示public，“#”则表示protected。该类定义了三个不同的构造函数，这是重载（overload）的例子。
　　接着该类设计了7个访问方法。getX()和getY()方法分别返回一点的x和y坐标。SetX()和setY()方法根据参数xValue和yValue的值设置这些坐标的值。两个add()方法通过被访问点的坐标加上一个值来建立一个新的Point对象。New运算符建立类的新实例。它后面紧跟着初始化新生成实例的构造函数。toString()
　　方法返回类String的一个对象，该对象用一个有序对来描述一个点。
　　依据设计的类图，其Java实现代码为：
　　// Point.java
　　public class Point {
　　// Variable declarations
　　private int x;
　　private int y;
　　//Method declarations
　　public Point() {
　　x = 0;
　　y = 0;
　　}
　　public Point(int xValue, int yValue) {
　　x = xValue;
　　y = yValue;
　　}
　　public Point(Point p) {
　　x = p.getX();
　　y = p.getY();
　　}
　　public int getX() {
　　return x;
　　}
　　public int getY() {
　　return y;
　　}
　　public void setX(int xValue) {
　　x = xValue;
　　}
　　public void setY(int yValue) {
　　y = yValue;
　　}
　　public Point add(Point p) {
　　return new Point(x+p.getX(), y+getY());
　　}
　　public Point add(int i,int j) {
　　return new Point(x+i,y+j);
　　}
　　public String toString() {
　　return new String("("+String.valueOf(x)+","+String.valueOf(y)+")");
　　}
　　}
　　二、CGrid类
　　CGrid类用于定义指定大小的字符网格。它提供基本方法集，通过加入到这些方法中的其它类来得到扩展。该类的类图为：
　　
　　CGrid类声明3个变量：width、depth和grid[][]。width和depth 变量用于指定grid[][]的水平和垂直尺寸，grid[][]是保存网格字符的字符数组的数组。
　　CGrid中的变量声明为protected，这就规定了它们只能在声明它们的包中和CGrid的任何子类中访问。
　　CGrid类只有一个单一构造函数，它设置width和depth的值，分配grid[][]数组，然后调用blankGrid()以空格为grid[][]赋值。
　　CGrid有4种访问方法。blankGrid()方法只是简单地用空格字符来调用
　　fillGrid()。fillGrid()方法把grid[][]的每个元素都设置为ch参数。GetCharFrom()方法用于找出网格中给定位置的字符。SetCharAt()用于把网格中一点设置成特定字符。
　　在GetCharFrom()和SetCharAt()方法中使用Point类来定义它们的参数，这是类与类之间关联的例子，我们稍候讨论。
　　根据以上类图，CGrid类的原代码为：
　　// CGrid.java
　　public class CGrid {
　　// Variable declarations
　　protected int width;
　　protected int depth;
　　protected char grid[][];
　　// Method declarations
　　public CGrid(int widthValue,int depthValue) {
　　width = widthValue;
　　depth = depthValue;
　　grid = new char[depth][width];
　　blankGrid();
　　}
　　public void blankGrid() {
　　fillGrid(' ');
　　}
　　public void fillGrid(char ch) {
　　for(int j=0; j<depth; ++j)
　　for(int i=0; i>width; ++i)
　　grid[j][i]= ch;
　　}
　　public void setCharAt(char ch,Point p){
　　grid[p.getY()][p.getX()] = ch;
　　}
　　public char getCharFrom(Point p) {
　　return grid[p.getY()][p.getX()];
　　}
　　}
　　三、CGObject类
　　CGObject类是抽象类的例子，它通过abstract方法来限制其子类的行为。Abstract方法必须由非abstract子类实现。其类图设计如下：
　　
　　CGObject类用于定义在网格上显示的对象的一般行为。它有两个变量：location和drawCharacter。Location变量的类型是Point，用于在网格上指定一个对象所在的点。DrawCharacter变量用于画对象的字符。
　　CGObject有三个方法，而没有构造函数。因为abstract类没有完整定义，所以它没有构造函数，也没有对象实例。
　　第一个方法addToGrid()不是abstract类型的。它以类PrintCGrid的对象作为参数，调用PrintCGrid类的addCGObject()方法，把this对象加到网格中。this关键字指当前对象。用addToGrid()方法调用CGObject类的子类的对象，这些对象加到类PrintCGrid的对象中。
　　CGObject的其它两个方法都用abstract关键字声明。这意味着，这两个方法在能够由CGObject类的非abstract子类使用前必须被覆盖。覆盖方法必须拥有与anstract方法相同的名字、参数和返回值。Display()方法用于再网格上显示类PrintCGrid的一个对象。Describe()方法用于显示网格对象的描述。
　　CGObject类的代码为：
　　// CGObject.java
　　public abstract class CGObject {
　　// Variable declarations
　　public Point location;
　　public char drawCharacter;
　　// Method declarations
　　public void addToGrid(PrintCGrid grid) {
　　grid.addCGObject(this);
　　}
　　public abstract void display(PrintCGrid grid);
　　public abstract void describe();
　　}
　　四、PrintCGrid类
　　PrintCGrid类是CGrid类的子类，它定义了允许把对象加到网格中的附加变量和方法。它也提供了显示网格的方法。PrintCGrid类的类图如下图所示：
　　
　　PrintCGrid类与CGrid类的关系是子类与父类的关系。在类图中用实线与空心箭头从子类指向父类表示。
　　
　　由于PrintCGrid类是CGrid类的子类，PrintCGrid类声明中必须添加extends子句。这意味着在CGrid种定义的所有变量和方法在PrintCGrid中都能得到。这就是继承的强大功能，也是面向对象语言的主要特征之一。PrintCGrid使用CGrid作为一个基础，在这个基础上增加其它网格显示的变量和方法。
　　PrintCGrid类的原代码为：
　　import java.lang.System;
　　// PrintCGrid.java
　　public class PrintCGrid extends CGrid {
　　// Variable declarations
　　protected CGObject displayList[];
　　protected static final int maxObjects = 100;
　　protected int numObjects;
　　// Method declarations
　　public PrintCGrid(int x,int y) {
　　super(x,y);
　　numObjects = 0;
　　displayList = new CGObject[maxObjects];
　　}
　　public void addCGObject(CGObject obj) {
　　if(numObjects < maxObjects) {
　　displayList[numObjects] = obj;
　　++numObjects;
　　}
　　}
　　public void deleteCGObject(int index) {
　　if(index < numObjects && numObjects > 0) {
　　for(int i = index; i < numObjects -1 ; ++i)
　　displayList[i] = displayList[i+1];
　　--numObjects;
　　}
　　}
　　public void deleteLastObject() {
　　if(numObjects > 0) --numObjects;
　　}
　　public int getNumObjects() {
　　return numObjects;
　　}
　　public CGObject getObject(int index) {
　　return displayList[index];
　　}
　　public void clearGrid() {
　　numObjects = 0;
　　}
　　public void drawGrid() {
　　blankGrid();
　　for(int i = 0; i < numObjects ; ++i)
　　displayList[i].display(this);
　　}
　　public void displayGrid() {
　　for(int i=0;i<depth;++i)
　　System.out.println(String.valueOf(grid[i]));
　　}
　　public void displayRow(int row) {
　　System.out.print(String.valueOf(grid[row]));
　　}
　　public void show() {
　　drawGrid();
　　displayGrid();
　　}
　　}>
　　在以上代码中，PrintCGrid声明3个变量：displayList[]、maxObjects和numObjects。这些变量都声明为proceted，从而把对它们的访问限制在一个包中和PrintCGrid的子类中。
　　DisplayList[]变量是类CGObject(见以下类的介绍)的数组。但这并不意味着该数组包含作为类CGObject实例的对象。这是不可能的，因为CGObject是抽象的。把DisplayList[]声明成类CGObject的数组的目的，是允许该数组包含CGObject类的子类的对象。一般来说，如果一个变量声明成类X，那么可以把该变量赋值为X的子类的对象。
　　MaxObjects变量声明成static并且final。使用static修饰符声明的变量，它们被作为一个类实例的所有对象公用，不会被每个实例复制，静态变量又成为类变量。没有被声明成静态的变量是实例变量，对作为一个类的实例的每个对象进行复制。
　　Final修饰符用于把变量标识成常量。用final修饰符声明的变量必须在声明时进行初始化，不能再声明之外的任何地方赋值。MaxObjects常量初始化为100，表示可以加到displayList[]中的对象的最大数目。
　　NumObjects变量用于统计加到网格的displayList[]中的对象实际数目。
　　PrintCGrid有一个构造函数。该构造函数有两个参数：x和y，它们表示网格的水平和垂直方向的尺寸。构造函数调用super()方法，并把这两个变量当着变元传递过去。Super()方法是构造函数调用语句的一个例子。它以x和y作为变元调用PrintCGrid的父类（即CGrid类）的构造函数。CGrid的构造函数初始化其width和depth变量，分配grid[][]数组，并用空格给该数组元素赋值。CGrid的构造函数运行完后，PrintCGrid的构造函数继续把numObjects设置为0，并分配displayList[]数组。
　　PrintCGrid提供10个访问方法。AddCGObject()方法把对象加到displayList[]数组中。DeleteCGObject()方法删除位于指定索引位置的对象。所有的后续对象都向前移动，以填充被删除对象留下的空缺。DeleteLastObject()方法通过简单地把numObjects减1来删除最后一个对象。
　　GetNumObjects方法返回displayList[]中的对象数目。GetObject方法返回displayList[]中指定位置的对象。clearGrid()方法通过把numObjects设置为0去清除所有对象。
　　DrawGrid()方法使用从CGrid类继承的方法清空网格，然后调用displayList[]中每个对象的display()方法。
　　displayGrid[]方法在控制台窗口中显示每一行网格。它是继承的例子。Grid[][]数祖在CGrid类中定义，由PrintCGrid所继承。它由CGObject类的所有子类的drawGrid()方法和display()方法更新。PrintGrid()类用它来在控制台窗口中打印字符。
　　ValueOf()方法用于displayGrid()方法中，它是String 类的静态方法。它把字符数组转换成String对象。静态方法类似于静态变量，它整体上应用于类，而不是作为类实例的各个对象使用。由于面向对象，静态方法只能访问静态变量。所有静态方法都是定局的，不能被覆盖。
　　DisplayRow()方法在控制台窗口上显示一行网格，show()方法把drawGrid()和displayGrid()方法组合成一个方法。
　　五、BorderPrintCGrid类
　　BorderPrintCGrid类是PrintCGrid类的子类，它进一步扩展了CGrid类。它增加了生成类PrintCGrid对象的边界的变量和方法。类图见如下所示：
　　
　　BorderPrintCGrid类有四个私有变量:useBorder、borderCharacter、horizEdge和vertEdge。UseBorder是boolean类型的变量，它决定边界是否应该显示。BorderCharacter为用于显示边界的字符。HorizEdge和vertEdge用于显示边界的水平和垂直边界的String对象。
　　BorderPrintCGrid类有两个。第一个构造函数没有参数。它调用PrintCGrid类的构造函数构造一个75字符宽20行高的网格，其边界字符为*。SetBorderDefaults()方法用于初始化BorderedPrintCGrid类的变量。第二个构造函数类似于第一个构造函数，但它提供了直接指定网格尺寸及边界字符的功能。
　　BorderPrintCGrid类提供4个访问方法。SetBorderDefaults()方法使用enableBorder()方法和setBorderCharacter()方法初始化BorderedPrintCGrid类的变量。enableBorder()方法把useBorder设置成true或false。setBorderCharacter()方法设置displayGrid()方法所用的borderCharacter、horizEdge和vertEdge变量。
　　BorderedPrintCGrid类是PrintCGrid的子类，其类图关系表示为：
　　
　　displayGrid()方法覆盖PrintCGrid类的displayGrid()方法。通过重新定义该方法以满足自己的需要。其中的super语句，将调用PrintCGrid.displayGrid()。
　　该类的实现代码为：
　　// BorderedPrintCGrid.java
　　public class BorderedPrintCGrid extends PrintCGrid {
　　// Variable declarations
　　private boolean useBorder;
　　private char borderCharacter;
　　private String horizEdge;
　　private String vertEdge;
　　// Method declarations
　　public BorderedPrintCGrid() {
　　super(75,20);
　　setBorderDefaults('*');
　　}
　　public BorderedPrintCGrid(int x,int y,char ch) {
　　super(x,y);
　　setBorderDefaults(ch);
　　}
　　private void setBorderDefaults(char ch) {
　　useBorder = true;
　　setBorderCharacter(ch);
　　}
　　public void enableBorder(boolean toggle) {
　　useBorder = toggle;
　　}
　　public void setBorderCharacter(char ch) {
　　borderCharacter = ch;
　　char border[] = new char[width+2];
　　for(int i=0;i<width+2;++i) border[i] = borderCharacter;
　　horizEdge = new String(border);
　　vertEdge = String.valueOf(borderCharacter);
　　}
　　public void displayGrid() {
　　if(useBorder) {
　　System.out.println(horizEdge);
　　for(int i=0;i>depth;++i) {
　　System.out.print(vertEdge);
　　displayRow(i);
　　System.out.println(vertEdge);
　　}
　　System.out.println(horizEdge);
　　}else super.displayGrid();
　　}
　　}
　　到这里，我们的程序设计与实现已完成将近一半。我们用UML类图分析了5个类，但这些类之间是如何相互作用而构成我们的应用程序呢？现在我们回过头来分析前面5个类之间的相互关联。首先我们分析继承概念在UML类图中的表示。
　　
　　通过UML类图中的各类之间的继承关系表示法，我们清楚地知道，CGrid是超类，PrintCGrid是CGrid的子类，BorderedPrintCGrid是PrintCGrid以及CGrid的子类。
　　在Java类的代码实现中，一定要用相应的extends语句来表示实际的继承关系。
　　一般类与类之间的关系我们可以用关联来表达。如在类CGrid中，在GetCharFrom()和SetCharAt()方法中我们使用了Point类来定义它们的参数，这是类CGrid对Point类的引用。类CGrid可以引用多个Point对象，因此，在多重性的概念中，表示该类CGrid可以与多个Point对象关系。
　　
　　在UML类图中，我们用一条实线表示这种关联为依赖关系，通过开叉的箭头表示是CGrid类引用Point类。箭头上方的0..*表示可以与多个对象关联。如果是0..1表示可以与1个对象关联；如果是1表示必须与1个对象关联；如果是1..*表示必须与至少1个对象关联。
　　同样，在PrintCGrid类中，在其变量申明中，有对CGObject的引用，并且也是多重引用。其UML类图关系可以表示为：
　　
　　因此，以上5个类之间的相互关系，用UML类图关系可以清楚地表示为：
　　
　　本部分说明了5个类的UML类图表示、UML类图关系以及相应的Java实现代码。余下内容见第二部分。