关于UML

概述

UML 是让系统可视化、让规格和设计文档化的表现方法，它是 Unified Modeling Language（统一建模语言）的简称。

本书使用 UML 来表现各种设计模式中类和接口的关系，所以我们在这里稍微了解一下 UML，以方便后面的阅读。但是请大家注意，在说明中我们使用的是 Java 语言的术语。例如讲解时我们会用 Java 中的“字段”（field）取代 UML 中的“属性”（attribute），用 Java 中的“方法”（method）取代 UML 中的“操作”（operation）。

类图

UML 中的类图（Class Diagram）用于表示类、接口、实例等之间相互的静态关系。虽然名字叫作类图，但是图中并不仅仅只有类。

类与层次结构

Java 程序及其对应的类图。

abstract class ParentClass {
    int field1;
    static char field2;
    abstract void methodA();
    double methodB() {
        // ...
    }
}

class ChildClass extends ParentClass {
    void methodA() {
         // ...
    }
    static void methodC() {
         // ...
    }
}

该图展示了 ParentClass 和 ChildClass 两个类之间的关系，其中的空心箭头表明了两者之间的层次关系。箭头由子类指向父类，换言之，这是表示继承（extends）的箭头。

ParentClass 是 ChildClass 的父类，反过来说，ChildClass 是 ParentClass 的子类。父类也称为基类或超类，子类也称为派生类。

图中的长方形表示类，长方形内部被横线自上而下分为了如下 3 个区域。

类名
字段名
方法名

有时，图中除了会写出类名、字段名和方法名等信息外，还会写出其他信息（可见性、方法的参数和类型等）。反之，有时图中也会省略所有不必要的项目 ( 因此，我们无法确保一定可以根据类图生成源程序 ) 。

abstract 类（抽象类）的名字以斜体方式显示。例如，在上图中 ParentClass 是抽象类，因此它的名字以斜体方式显示。

static 字段（静态字段）的名字带有下划线。例如，在图上图中 field2 是静态字段，因此名字带有下划线。

abstract 方法（抽象方法）的名字以斜体方式显示。例如，在图上图中 methodA 是抽象方法，因此它以斜体方式显示。

static 方法（静态方法）的名字以下划线显示。例如，在图上图中 ChildClass 类的 methodC 是类的静态方法，因此它的名字带有下划线。

接口与实现

该图表示 PrintClass 类实现了 Printable 接口。空心箭头代表了接口与实现类的关系，箭头从实现类指向接口。换言之，这是表示实现（implements）的箭头。

UML 以 <> 表示 Java 的接口。

interface Printable {
    abstract void print();
    abstract void newPage();
}

class PrintClass implements Printable {
    void print() {
        // ...
    }
    void newPage() {
        // ...
    }
}

聚合

class Color {
    // ...
}

class Fruit {
Color color;
    // ...
}

class Basket {
    Fruit[] fruits;
    // ...
}

该图展示了 Color（颜色）、Fruit（水果）、Basket（果篮）这 3 个类之间的关系。Basket 类中的 fruits 字段是可以存放 Fruit 类型数据的数组，在一个 Basket 类的实例中可以持有多个 Fruit 类的实例；Fruit 类中的 color 字段是 Color 类型，一个 Fruit 类实例中只能持有一个 Color 类的实例。通俗地说就是在篮子中可以放入多个水果，每个水果都有其自身的颜色。

我们将这种“持有”关系称为聚合（aggregation）。只要在一个类中持有另外一个类的实例——无论是一个还是多个——它们之间就是聚合关系。就程序上而言，无论是使用数组、java.util.Vector 或是其他实现方式，只要在一个类中持有另外一个类的实例，它们之间就是聚合关系。

在 UML 中，我们使用带有空心菱形的实线表示聚合关系，因此可以进行联想记忆，将聚合关系想象为在空心菱形的器皿中装有其他物品。

可见性（访问控制)

class Something {
    private   int privateField;
    protected int protectedField;
    public    int publicField;
    int packageField;
    private   void privateMethod() {
    }
    protected void protectedMethod() {
    }
    public    void publicMethod() {
    void packageMethod() {
    }
}

该图标识出了方法和字段的可见性。在 UML 中可以通过在方法名和字段名前面加上记号来表示可见性。

“+”表示 public 方法和字段，可以从类外部访问这些方法和字段。

“-”表示 private 方法和字段，无法从类外部访问这些方法和字段。

“#”表示 protect 方法和字段，能够访问这些方法和字段的只能是该类自身、该类的子类以及同一包中的类。

“~”表示只有同一包中的类才能访问的方法和字段。

类的关联

可以在类名前面加上黑三角表示类之间的关联关系

时序图

UML 的时序图（sequence diagram）用来表示程序在工作时其内部方法的调用顺序，以及事件的发生顺序。

类图中表示的是“不因时间流逝而发生变化的关系（静态关系）”，时序图则与之相反，表示的是“随时间发生变化的东西（动态行为）”。

class Client {
    Server server;
    void work() {
        server.open();
        server.print("Hello");
        server.close();
    }
    // ...
}

class Server {
    Device device;
    void open() {
        // ...
    }
    void print(String s) {
        device.write(s);
        // ...
    }
    void close() {
        // ...
    }
    // ...
}

class Device {
    void write(String s) {
        // ...
    }
}

右侧是时序图示例，左侧是与之对应的代码片段

该图中共有 3 个实例，如图中最上方的 3 个长方形所示。在长方形内部写有类名，类名跟在冒号（:）之后，并带有下划线，如 :Client、:Server、:Device，它们分别代表 Client 类、Server 类、Device 类的实例。

如果需要，还可以在冒号（:）之前表示出实例名，如 server:Server。

每个实例都带有一条向下延伸的虚线，我们称其为生命线。这里可以理解为时间从上向下流逝，上面是过去，下面是未来。生命线仅存在于实例的生命周期内。

在生命线上，有一些细长的长方形，它们表示实例处于某种活动中。

横方向上有许多箭头，请先看带有 open 字样的箭头。黑色实线箭头（→）表示方法的调用，这里表示 client 调用 server 的 open 方法。当 server 的 open 方法被调用后，server 实例处于活动中，因此在 open 箭头处画出了一个细长的长方形。

而在 open 箭头画出的长方形下方，还有一条指向 client 实例的虚线箭头（<---），它表示返回 open 方法。在上图中，我们画出了所有的返回箭头，但是有些时序图也会省略返回箭头。

由于程序控制已经返回至 client，所以表示 server 实例处于活动状态的长方形就此结束了。

接着，client 实例会调用 server 实例的 print 方法。不过这次不同的是在 print 方法中，server 会调用 device 实例的 write 方法。

这样，我们就将多个对象之间的行为用图示的方式展示出来了。时序图的阅读顺序是沿着生命线从上至下阅读。然后当遇到箭头时，我们可以顺着箭头所指的方向查看对象间的协作。