Python設計模式 - UML - 類圖(Class Diagram)

 

 

簡介

類圖是面向對象分析和設計的核心，用來描述系統各個模塊中類與類之間、接口與接口之間、類與接口之間的關係，以及每一個類的屬性、操做等特性，通常在詳細設計過程當中實施。

類圖自己就是現實世界的抽象，是對系統中各類概念進行建模，並描繪出它們之間的關係，因此類圖關注的對象就是元素及元素之間的關係。

 

類圖建模步驟

　　　　- 抽象出類實體

　　　　- 識別出類的主要屬性

　　　　- 畫出類之間的關係

　　　　- 對各個類進行分析、梳理、設計

 

類圖的元素

類圖中包含如下幾種模型元素：類、接口、關係、協做、註釋、約束、包。

 

• 類

 　　在UML的圖形表示中，類的表示法是一個矩形，有三格組成，分別是類名、類屬性、類操做。抽象類中的類名及抽象方法都用斜體表示。

 

　　　- 類名：首字母大寫

　　　- 類屬性：格式爲可見性 屬性名：類型 =默認值，如-name: String

　　　　　　　　可見性包括四種：

　　　　　　　　　　　　+　   public

　　　　　　　　　　　　-　　private

　　　　　　　　　　　　#　   protected

　　　　　　　　　　　　*　　package

　　　　　　　　屬性名：單字屬性名小寫；多字屬性名出第一個單詞外其他單詞的首字母大寫

　　　- 類操做：格式爲可見性 操做名(參數)： 返回值類型，如+getName(): String

 

• 接口

 　　在UML的圖形表示中，接口的表示法是分爲兩種：圓形表示法和構造型表示法。

　　 接口由兩欄組成，第一欄頂端是接口名稱，第二欄是接口方法。接口無屬性只包含操做，且沒有對外可見的關聯。

　　　　　　- 圓形表示法

 　　

 

　　　　　　- 構造型表示法

 

• 關係

類圖中類與類之間有泛化、依賴、關聯、聚合、組合關係；接口與接口之間有繼承關係；類與接口之間有實現關係。這些關係自己就是類圖中的元素，用不一樣的連線表示。

　　　　　　- 泛化關係

 

　　　　　　- 依賴關係

 

 

 

　　　　　　- 關聯關係

 

 

 

　　　　　　- 聚合關係

 

 

 

　　　　　　- 組合關係

 

 

 

　　　　　　- 實現關係

 

 

 　　　類圖中的關係較爲複雜，如下分別詳述。

 　　　　

 

• 協做

 　　協做是指一些類、接口、關係等元素提供的交互行爲，可以協助其餘元素執行活動、實現功能的輔助類。

 

 

• 註釋

 　　對某些類和接口進行註釋。

 

 

• 約束

 　　指定某些類和接口要知足的一個或多個規則，UML中使用花括號括起來的自由文本標識。

 

 

 

• 包

　　UML中的包直接對應java中的包，用來表示層次和組織內容。

 

 

 

類圖的關係

 類圖中類與類、接口與接口、類與接口之間的關係有四大類：依賴、關聯、泛化、實現，其中關聯有存在聚合、組合兩個特例。

 

• 依賴

 　　依賴是一種單向使用關係，若是一個類爲實現某一功能，使用了其餘類做爲參數或者調用了其餘類的方法，這兩個類之間就產生了依賴關係。

　　 依賴關係表如今在一個類中使用另外一個類做爲局部變量或者方法參數，以及對另外一個類靜態方法的調用。

 

　　 依賴關係又有五種細分類型：綁定(Binding)依賴、實現(Realization)依賴、使用(Usage)依賴、抽象(Abstraction)依賴、受權(Permission)依賴

　　　　　綁定依賴

 　　　　　綁定<<bind>>: 以模板參數指定值，生成一個新的模型元素

 　　　　　關鍵字<<bind>>應用於較高級的依賴，用於綁定模板以建立新的模型元素，箭頭指向被綁定的模板

 

　　　　　實現依賴

 　　　　   實現<<realize>>：其實是兩個類/接口之間的契約，也就是說一個類/接口只定義抽象的行爲，另外一個類定義具體的結構和行爲。

 

 

 

　　　　　使用依賴

 　　　　　使用依賴表示客戶端使用提供者提供的服務幫助實現自身的功能，一般有如下幾種具體應用：

　　　　　　　　- 使用<<use>>：比較寬泛的概念，表示一個類的行爲或實現會影響到另外一個類的行爲或者實現

　　　　　　　　- 調用<<call>>：在一個類的方法中調用另外一個類的操做

　　　　　　　　- 參數<<parameter>>：一個類做爲另外一個類的方法參數

　　　　　　　　- 發送<<send>>：用一個類中的方法把信號發送到另外一個類

　　　　　　　　- 實例化<<instantiate>>：用一個類的方法建立了另外一個類的實例

 

　　　　　　　　

 

 

　　　　　受權依賴

 　　　　　受權依賴表示一個包/類/元素對另外一個包/類/元素進行訪問的權限和能力，包含訪問、導入、友元等依賴關係：

　　　　　　　　- 訪問<<access>>：容許一個包/類訪問另外一個包/類的內容

　　　　　　　　- 導入<<import>>：容許一個包/類訪問另外一個包/類的內容

　　　　　　　　- 友元<<friend>>： 容許一個元素訪問另外一個元素

 

 

 

　　　　　抽象依賴

 　　　　　抽象依賴表示客戶端與提供者在不一樣抽象層次上的關係，包括跟蹤、精化、導出等依賴關係：

　　　　　　　　- 跟蹤<<trace>>：不一樣模型元素之間的非強相關鏈接

　　　　　　　　- 精化<<refine>>：由基本類分解出更明確、更精細的子類

　　　　　　　　- 導出<<derive>>：一個實例能夠從另外一個實例導出

 

　　　　　　　　

 

 

• 關聯

 　　關聯是兩個類之間或者類與接口之間的強依賴關係。能夠是單向的，也能夠是雙向的。

關聯關係通常長期性的、擁有性的關係，並且雙方的關係通常是平等的，如學校與學生之間、老師與學生之間。被關聯類B以類的屬性形式出如今關聯類A中，關聯能夠是單向的，也能夠是雙向的。

　　

　　關聯關係在代碼上體現爲四種形式：

　　　　- 單向關聯：單向擁有關係，只有一個類知道另外一個類的屬性和方法

　　　　- 雙向關聯：雙向擁有關係，雙方都知道對方的屬性和方法

　　　　- 自身關聯：本身關聯本身，這種狀況比較少但也有用到，如鏈表

　　　　- 多重性關聯：表示兩個類的對象在數量上的對應關係，多重性可在關聯線上用數字範圍表示

　　　　　　　　　　multiplicity: 多重性　　

　　　　　　　　　　　   1　   　　僅爲1

　　　　　  　　　　　　 *　　　　從0到無窮大

        　　　  　　　　　　0..1  　　0 或者 1

　　　　　　　　　　　　n..m 　　 [n, m]之間的任何數

 

　　　　

UML中使用直線箭頭表示，箭頭指向爲被關聯的類，從類A指向類B

 單向關聯

 

 

 雙向關聯

 

 

 

自我關聯

 

 

 多重性關聯

 

 

• 聚合

聚合關係是也是關聯關係的特例。普通關聯關係的兩個類通常處於同一平等層次上，而聚合關係的兩個類處於不一樣的層次，是總體與部分的關係。聚合關係中的總體和部分是能夠分離的，生命週期也是相互獨立的，如公司與員工之間。

 

 

　　UML中使用空心菱形+實線箭頭表示，空心菱形邊指向類School(總體)，實現箭頭邊指向部分類Student(部分)

 

 

• 組合

組合關係也是關聯關係的特例，屬於強聚合，自己也表示總體與部分的關係，可是組合關係中的總體和部分是不可分離的，總體生命週期的結束時也是部分的生命週期到頭時。如人和大腦。

聚合和組合其實都是關聯的特例，都是總體與部分的關係。它們的區別在於總體和部分是否可分離，聚合的兩個對象之間是可分離的，且具備各自的生命週期，而組合的兩個對象每每表現爲一種同命相連的關係。

 

　　UML中使用實心菱形+實線箭頭表示，實心菱形邊指向類Person(總體)，實線箭頭邊指向類Brain(部分)

 

 

• 泛化

泛化指的是子類繼承父類、或子接口繼承父接口的功能並增長本身新功能的過程，是兩個類之間耦合度最大的關係之一。父類稱爲基類或超類，子類也稱爲派生類。子類能夠繼承自抽象類或普通類。

 

　　UML中使用實線+空心箭頭表示，箭頭由子類指向父類、或子接口指向父接口

 

 

• 實現

實現關係是指一個類實現一個或多個接口功能的過程，這裏的接口更多的是一種契約或規範。實現是兩個類之間或類與接口之間耦合度最大的關係之一，在這種關係中，類實現了接口或接口類中所聲明的操做。

 

　　UML中使用虛線+空心箭頭表示，箭頭由實現類指向接口

 

 

 

類圖的高級特性

　　　　

• 抽象類

抽象類是不能直接實例化的類，UML中不管是抽象類名仍是抽象方法都是以斜體表示。在不嚴格要求的文檔中也能夠普通類加<<abstract>>前綴的方式標識抽象類名和抽象方法。

 　　由於是python設計模式，因此方法名採用了更pythonic的寫法。

 

 　　標準表示法

 

 

 

 

 　　　構造表示法

 

　　　

 

 

• 模板類

UML中引入模板類的目的是應用泛型編程。在類模板聲明的時候根據佔位符或參數來定義類，而不用說明屬性、方法參數、方法返回值的實際類型。使用時經過實際值替代佔位符或參數便可建立新類/方法/屬性。

 　　python由於是動態語言的緣由，因此泛型在python中沒有什麼應用場景，如下以Java爲例說明模板類的應用。

 

 

 

• 嵌套類

 　　嵌套類是在類中定義的類，相應地把擁有嵌套類的類稱爲外部類。嵌套類和外部類之間耦合度更高，而且與外部類更加緊密，在UML中是Composition的另外一種表示。

 

• 主動類

 　　主動類是一種特殊的類，其對象至少擁有一個進程或線程，可以控制活動中的類。之因此使用主動類是由於開發中須要一些類來控制其餘類的運行狀態。

 

• 關聯類

　　關聯類既是關聯又是類，它不只像關聯那樣鏈接兩個類，並且能夠定義一組屬於關聯自己的特性。

 

 

 

 

類圖注意事項

　　　　- 類圖設計初期力求重點突出、簡潔易懂，根據需求變化保持更新

　　　　- 類圖中的元素名稱應該直觀、清晰、有意義，不一樣類的屬性名儘可能在全圖中惟一

　　　　- 類圖中多個元素之間有依賴關係時需避免循環依賴

　　　　- 類圖中類屬性儘可能少避免整個圖過於繁雜

　　　　- 類圖中可適當使用註釋使系統更清晰易懂

　　　　- 對於需求頻繁變化的項目，可多使用草圖進行組內溝通，節省開發和返工時間