UML类图与七大原则

Java全栈

UML类图

统一建模语言(Unified Modeling Language,UML)是用来设计软件的可视化建模语言。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。

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。

一、类图概述

类图(Class diagram)是显示了模型的静态结构,特别是模型中存在的类、类的内部结构以及它们与其他类的关系等。类图不显示暂时性的信息。类图是面向对象建模的主要组成部分。

二、类图的作用

  • 在软件工程中,类图是一种静态的结构图,描述了系统的类的集合,类的属性和类之间的关系,可以简化了人们对系统的理解;
  • 类图是系统分析和设计阶段的重要产物,是系统编码和测试的重要模型。

三、类图表示法

1、类的表示方式

在UML类图中,类使用包含类名属性(field)方法(method) 且带有分割线的圆矩形来表示,比如下图表示一个Employee类,它包含name,age和address这3个属性,以及work()方法。

属性/方法名称前加的加号和减号表示了这个属性/方法的可见性,UML类图中表示可见性的符号有三种:

  • +:表示 public
  • -:表示 private
  • #:表示 protected

属性的完整表示方式是: 可见性 名称 :类型 [ = 缺省值]

方法的完整表示方式是: 可见性 名称(参数列表) [ : 返回类型]

注意:

  • 中括号中的内容表示是可选的
  • 也有将类型放在变量名前面,返回值类型放在方法名前面

举个栗子:

上图Demo类定义了三个方法:

  • method()方法:修饰符为public,没有参数,没有返回值。
  • method1()方法:修饰符为private,没有参数,返回值类型为String。
  • method2()方法:修饰符为protected,接收两个参数,第一个参数类型为int,第二个参数类型为String,返回值类型是int。

2、类与类之间关系的表示方式

1)关联关系

关联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。我们先介绍一般关联。

关联又可以分为单向关联,双向关联,自关联。

1、单向关联

在UML类图中单向关联用一个带箭头的实线表示。上图表示每个顾客都有一个地址,这通过让Customer类持有一个类型为Address的成员变量类实现。

public class Customer {
    private Address address;
}

2、双向关联

public class Customer {
    private List<Product> products;
}
public class Product {
    private Customer customer;
}

从上图中我们很容易看出,所谓的双向关联就是双方各自持有对方类型的成员变量

在UML类图中,双向关联用一个不带箭头的直线表示。上图中在Customer类中维护一个List<Product>,表示一个顾客可以购买多个商品;在Product类中维护一个Customer类型的成员变量表示这个产品被哪个顾客所购买。

3、自关联

自关联在UML类图中用一个带有箭头且指向自身的线表示。上图的意思就是Node类包含类型为Node的成员变量,也就是“自己包含自己”。

public class Node {
    private Node subNode;
}
2)聚合关系

聚合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。

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。下图所示是大学和教师的关系图:

public class University {
    private List<Teacher> teas;

    public University(List<Teacher> teas) {
        for(Teacher teacher : teas) {
            teacher.teach();
        }
    }
}
3)组合关系

组合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。

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。下图所示是头和嘴的关系图:

public class Head {
    private Mouth mouth;

    public Head() {
        mouth = new Mouth();
    }
}
4)依赖关系

依赖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。下图所示是司机和汽车的关系图,司机驾驶汽车:

public class Driver {
    private String name;

    public void drive(Car car) {
        car.move();
    }
}
5)继承/泛化关系

继承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。

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。在代码实现时,使用面向对象的继承机制来实现泛化关系。例如,Student 类和 Teacher 类都是 Person 类的子类,其类图如下图所示:

class Person {
    String name;
    int age;
    public void speak() {}
}
class Student extends Person {
    String stidentNo;
    public void study() {}
}
6)实现关系

实现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。例如,汽车和船实现了交通工具,其类图如图 9 所示。

interface Vehicle {
    public void move();
}
class Car implement Vehicle {
    public void move() {}
}

七大原则

设计模式原则,其实就是程序员在编程时,应当遵守的原则,也是各种设计模式的基础!(即:设计模式为什么这样设计的依据)

一、单一职责原则(各行其职,互不影响)

1、基本介绍

对类来说的,即一个类应该只负责一项职责。如类A负责两个不同职责:职责1,职责2。当职责1需求变更而改变A时,可能造成职责2执行错误,所以需要将类A的粒度分解为 A1,A2。

2、应用实例

以交通工具案例讲解

1) 方案1
public class SingleResponsibility1 {
    public static void main(String[] args) {
        Vehicle vehicle = new Vehicle();
        vehicle.run("汽车");
        vehicle.run("飞机");
    }
}

/**
 * 交通工具类
 * 违反了单一职责原则
 */
class Vehicle {
    public void run(String vehicle) {
        System.out.println(vehicle + "在公路上运行。。。");
    }
}
2) 方案2
public class SingleResponsibility2 {
    public static void main(String[] args) {
        RoadVehicle vehicle1 = new RoadVehicle();
        vehicle1.run("汽车");
        AirVehicle vehicle2 = new AirVehicle();
        vehicle2.run("飞机");
    }
}

/**
 * 交通工具类
 * 遵循单一职责原则但是花销很大
 */
class RoadVehicle {
    public void run(String vehicle) {
        System.out.println(vehicle + "在公路上运行。。。");
    }
}
class AirVehicle {
    public void run(String vehicle) {
        System.out.println(vehicle + "在天空上运行。。。");
    }
}
3) 方案3
public class SingleResponsibility3 {
    public static void main(String[] args) {
        Vehicle2 vehicle = new Vehicle2();
        vehicle.run1("汽车");
        vehicle.run2("飞机");
    }
}

/**
 * 交通工具类
 * 在类级别没有遵循单一职责原则,但在方法级别遵顼了单一职责原则
 */
class Vehicle2 {
    public void run1(String vehicle) {
        System.out.println(vehicle + "在公路上运行。。。");
    }
    public void run2(String vehicle) {
        System.out.println(vehicle + "在公路上运行。。。");
    }
}

3、注意事项和细节

  1. 降低类的复杂度,一个类只负责一项职责
  2. 提高类的可读性,可维护性
  3. 降低变更引起的风险
  4. 通常情况下,我们应当遵守单一职责原则,只有逻辑足够简单,才可以在代码级违反单一职责原则;只有类中方法数量足够少,可以在方法级别保持单一职责原则

二、接口隔离原则(接口拆分)

1、基本介绍

客户端不应该被迫依赖于它不使用的方法;即一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。

2、应用实例

【例】安全门案例

我们需要创建一个黑马安全门,该安全门具有防火、防水、防盗的功能。可以将防火,防水,防盗功能提取成一个接口,形成一套规范。类图如下:

上面的设计我们发现了它存在的问题,黑马品牌的安全门具有防盗,防水,防火的功能。现在如果我们还需要再创建一个传智安全门,而该安全门只具有防盗、防水功能呢?很显然如果实现SafetyDoor接口就违背了接口隔离原则,那么我们如何进行修改呢?看如下类图:

代码如下:

public interface A {
    void antiTheft();
}
public interface B {
    void fireproof();
}
interface C {
    void waterproof();
}
public class HeiMaSafetyDoor implements A,B,C {
    public void antiTheft() {
        System.out.println("防盗");
    }
    public void fireproof() {
        System.out.println("防火");
    }
    public void waterproof() {
        System.out.println("防水");
    }
}
class ItcastSafetyDoor implements A,B {
    public void antiTheft() {
        System.out.println("防盗");
    }
    public void fireproof() {
        System.out.println("防火");
    }
}

三、依赖倒转(倒置)原则

1、基本介绍

  1. 高层模块不应该依赖低层模块,二者都应该依赖其抽象(可能是接口或者抽象类)
  2. 抽象不应该依赖细节,细节应该依赖抽象(高层既抽象类或者接口,底层既实现类)
  3. 依赖倒转(倒置)的中心思想是面向接口编程
  4. 依赖倒转原则是基于这样的设计理念:相对于细节的多变性,抽象的东西要稳定的多。以抽象为基础搭建的架构比以细节为基础的架构要稳定的多。在java中,抽象指的是接口或抽象类,细节就是具体的实现类
  5. 使用接口或抽象类的目的是制定好规范,而不涉及任何具体的操作,把展现细节的任务交给实现类去完成

2、应用实例

【例】组装电脑

现要组装一台电脑,需要配件cpu,硬盘,内存条。只有这些配置都有了,计算机才能正常的运行。选择cpu有很多选择,如Intel,AMD等,硬盘可以选择希捷,西数等,内存条可以选择金士顿,海盗船等。

类图如下:

代码如下:

希捷硬盘类(XiJieHardDisk):

public class XiJieHardDisk implements HardDisk {
    public void save(String data) {
        System.out.println("使用希捷硬盘存储数据" + data);
    }
    public String get() {
        System.out.println("使用希捷希捷硬盘取数据");
        return "数据";
    }
}

Intel处理器(IntelCpu):

public class IntelCpu implements Cpu {
    public void run() {
        System.out.println("使用Intel处理器");
    }
}

金士顿内存条(KingstonMemory):

public class KingstonMemory implements Memory {
    public void save() {
        System.out.println("使用金士顿作为内存条");
    }
}

电脑(Computer):

public class Computer {
    private XiJieHardDisk hardDisk;
    private IntelCpu cpu;
    private KingstonMemory memory;

    public IntelCpu getCpu() {
        return cpu;
    }

    public void setCpu(IntelCpu cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    public KingstonMemory getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(KingstonMemory memory) {
        this.memory = memory;
    }

    public XiJieHardDisk getHardDisk() {
        return hardDisk;
    }

    public void setHardDisk(XiJieHardDisk hardDisk) {
        this.hardDisk = hardDisk;
    }

    public void run() {
        System.out.println("计算机工作");
        cpu.run();
        memory.save();
        String data = hardDisk.get();
        System.out.println("从硬盘中获取的数据为:" + data);
    }
}

测试类(TestComputer):

测试类用来组装电脑。

public class TestComputer {
    public static void main(String[] args) {
        Computer computer = new Computer();
        computer.setHardDisk(new XiJieHardDisk());
        computer.setCpu(new IntelCpu());
        computer.setMemory(new KingstonMemory());
        computer.run();
    }
}

上面代码可以看到已经组装了一台电脑,但是似乎组装的电脑的cpu只能是Intel的,内存条只能是金士顿的,硬盘只能是希捷的,这对用户肯定是不友好的,用户有了机箱肯定是想按照自己的喜好,选择自己喜欢的配件。

根据依赖倒转原则进行改进:

代码我们只需要修改Computer类,让Computer类依赖抽象(各个配件的接口),而不是依赖于各个组件具体的实现类。

类图如下:

电脑(Computer):

@Data
public class Computer {
    private HardDisk hardDisk;
    private Cpu cpu;
    private Memory memory;

    public void run() {
        System.out.println("计算机工作");
    }
}

面向对象的开发很好的解决了这个问题,一般情况下抽象的变化概率很小,让用户程序依赖于抽象,实现的细节也依赖于抽象。即使实现细节不断变动,只要抽象不变,客户程序就不需要变化。这大大降低了客户程序与实现细节的耦合度。

四、里氏替换原则

1、基本介绍

里氏代换原则是面向对象设计的基本原则之一。

里氏代换原则:任何基类可以出现的地方,子类一定可以出现。

通俗理解:子类可以扩展父类的功能,但不能改变父类原有的功能。换句话说,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。

如果通过重写父类的方法来完成新的功能,这样写起来虽然简单,但是整个继承体系的可复用性会比较差,特别是运用多态比较频繁时,程序运行出错的概率会非常大。

2、应用实例

【例】正方形不是长方形。

在数学领域里,正方形毫无疑问是长方形,它是一个长宽相等的长方形。所以,我们开发的一个与几何图形相关的软件系统,就可以顺理成章的让正方形继承自长方形。

代码如下:

长方形类(Rectangle):

@Data
public class Rectangle {
    private double length;
    private double width;
}

正方形(Square):

由于正方形的长和宽相同,所以在方法setLength和setWidth中,对长度和宽度都需要赋相同值。

public class Square extends Rectangle {

    public void setWidth(double width) {
        super.setLength(width);
        super.setWidth(width);
    }

    public void setLength(double length) {
        super.setLength(length);
        super.setWidth(length);
    }
}

类RectangleDemo是我们的软件系统中的一个组件,它有一个resize方法依赖基类Rectangle,resize方法是RectandleDemo类中的一个方法,用来实现宽度逐渐增长的效果。

public class RectangleDemo {

    public static void resize(Rectangle rectangle) {
        while (rectangle.getWidth() < rectangle.getLength()) {
            rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);
        }
    }

    //打印长方形的长和宽
    public static void printLengthAndWidth(Rectangle rectangle) {
        System.out.println(rectangle.getLength());
        System.out.println(rectangle.getWidth());
    }

    public static void main(String[] args) {
        Rectangle rectangle = new Rectangle();
        rectangle.setLength(20);
        rectangle.setWidth(10);
        resize(rectangle);
        printLengthAndWidth(rectangle);

        System.out.println("============");

        Rectangle rectangle1 = new Square();
        rectangle1.setLength(10);
        resize(rectangle1);
        printLengthAndWidth(rectangle1);
    }
}

我们运行一下这段代码就会发现,假如我们把一个普通长方形作为参数传入resize方法,就会看到长方形宽度逐渐增长的效果,当宽度大于长度,代码就会停止,这种行为的结果符合我们的预期;

假如我们再把一个正方形作为参数传入resize方法后,就会看到正方形的宽度和长度都在不断增长,代码会一直运行下去,直至系统产生溢出错误。所以,普通的长方形是适合这段代码的,正方形不适合。

我们得出结论:在resize方法中,Rectangle类型的参数是不能被Square类型的参数所代替,如果进行了替换就得不到预期结果。因此,Square类和Rectangle类之间的继承关系违反了里氏代换原则,它们之间的继承关系不成立,正方形不是长方形。

如何改进呢?此时我们需要重新设计他们之间的关系。抽象出来一个四边形接口(Quadrilateral),让Rectangle类和Square类实现Quadrilateral接口

五、开闭原则

1、基本介绍

对扩展开放,对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候,不能去修改原有的代码,实现一个热插拔的效果。简言之,是为了使程序的扩展性好,易于维护和升级。

想要达到这样的效果,我们需要使用接口和抽象类。

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。

2、应用实例

【例】搜狗输入法 的皮肤设计。

分析:搜狗输入法 的皮肤是输入法背景图片、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输入法的皮肤,也可以从网上下载新的皮肤。这些皮肤有共同的特点,可以为其定义一个抽象类(AbstractSkin),而每个具体的皮肤(DefaultSpecificSkin和HeimaSpecificSkin)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。

public abstract class AbstractSkin {
    public abstract void display();
}

public class DefaultSkin extends AbstractSkin{
    public void display() {
        System.out.println("默认皮肤");
    }
}
public class HeiMaSkin extends AbstractSkin{
    public void display() {
        System.out.println("黑马皮肤");
    }
}
public class SouGouInput {
    private AbstractSkin skin;

    public void setSkin(AbstractSkin skin) {
        this.skin = skin;
    }

    public void display() {
        skin.display();
    }
}

class Test {
    public static void main(String[] args) {
        SouGouInput souGouInput = new SouGouInput();
//        DefaultSkin skin = new DefaultSkin();
        HeiMaSkin skin = new HeiMaSkin();
        souGouInput.setSkin(skin);
        souGouInput.display();
    }
}

六、迪米特法则

1、基本介绍

迪米特法则又叫最少知识原则。

只和你的直接朋友交谈,不跟“陌生人”说话(Talk only to your immediate friends and not to strangers)。

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。

2、应用实例

【例】明星与经纪人的关系实例

明星由于全身心投入艺术,所以许多日常事务由经纪人负责处理,如和粉丝的见面会,和媒体公司的业务洽淡等。这里的经纪人是明星的朋友,而粉丝和媒体公司是陌生人,所以适合使用迪米特法则。

类图如下:

代码如下:

明星类(Star)

@Data
public class Star {
    private String name;
}

粉丝类(Fans)

@Data
public class Fans {
    private String name;
}

媒体公司类(Company)

@Data
public class Company {
    private String name;
}

经纪人类(Agent)

@Data
public class Agent {
    private Star star;
    private Fans fans;
    private Company company;

    public void meeting() {
        System.out.println(fans.getName() + "与明星" + star.getName() + "见面了。");
    }

    public void business() {
        System.out.println(company.getName() + "与明星" + star.getName() + "洽淡业务。");
    }
}

七、合成复用原则

1、基本介绍

合成复用原则是指: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。

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:

  1. 继承复用破坏了类的封装性。因为继承会将父类的实现细节暴露给子类,父类对子类是透明的,所以这种复用又称为“白箱”复用。
  2. 子类与父类的耦合度高。父类的实现的任何改变都会导致子类的实现发生变化,这不利于类的扩展与维护。
  3. 它限制了复用的灵活性。从父类继承而来的实现是静态的,在编译时已经定义,所以在运行时不可能发生变化。

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:

  1. 它维持了类的封装性。因为成分对象的内部细节是新对象看不见的,所以这种复用又称为“黑箱”复用。
  2. 对象间的耦合度低。可以在类的成员位置声明抽象。
  3. 复用的灵活性高。这种复用可以在运行时动态进行,新对象可以动态地引用与成分对象类型相同的对象。

2、应用实例

【例】汽车分类管理程序

汽车按“动力源”划分可分为汽油汽车、电动汽车等;按“颜色”划分可分为白色汽车、黑色汽车和红色汽车等。如果同时考虑这两种分类,其组合就很多。类图如下:

从上面类图我们可以看到使用继承复用产生了很多子类,如果现在又有新的动力源或者新的颜色的话,就需要再定义新的类。我们试着将继承复用改为聚合复用看一下。

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