面向对象方法与 UML 建模

本节导读

这一节讲软件工程大纲第（四）单元「系统规约及软件设计」中的面向对象方法。结构化方法以「加工」为中心，把数据和处理分开；面向对象方法以「对象」为中心，把数据和对数据的操作封装在一起，用 UML 的各种图从静态结构和动态行为两个方面描述系统。

常见资料提到软件工程有「建模」题，面向对象部分建模的典型做法是画类图、用例图，也可能要求画顺序图或状态图；选择和判断要记准六种关系的画法、include 与 extend 的区别、各种图的用途。学完你应该能根据一段需求描述画出类图和用例图，并说清每条连线的含义。

面向对象的基本概念

概念	含义
对象	由属性（数据）和操作（方法）构成的实体，有唯一标识
类	具有相同属性和操作的一组对象的抽象，对象是类的实例
封装	把属性和操作结合成一个整体，对外隐藏内部细节，只通过接口访问
继承	子类自动拥有父类的属性和操作，并可增加或重新定义；有单继承和多继承
多态	同一消息发给不同类的对象，各自做出不同的响应，靠动态绑定实现
消息	对象之间请求服务的方式，包括接收对象、操作名和参数

抽象类不能直接创建对象，只用来被继承；接口只声明操作、不给实现，由类去实现它。面向对象方法的好处是：问题域中的事物与软件中的对象直接对应，便于理解；封装和继承便于复用和修改。

UML 概述

UML（统一建模语言）是一种可视化的建模语言，用来描述、构造和记录软件系统，不依赖具体的开发过程。它由事物、关系和图三部分组成。UML 2 的图大体分为两类：

类别	主要的图	用途
结构图（静态）	类图、对象图、包图、构件图、部署图	描述系统由哪些元素组成、元素之间的关系
行为图（动态）	用例图、活动图、状态图、顺序图、通信图	描述系统的功能、对象之间的交互和状态的变化

其中顺序图和通信图合称交互图：顺序图强调消息的时间先后，通信图强调对象之间的连接结构。

类图与类之间的关系

类图中一个类画成分成三栏的矩形：类名、属性、操作。属性和操作前的符号表示可见性：「+」公有，「-」私有，「#」保护，「~」包内可见。类之间有六种关系：

关系	含义	画法	例子
关联	两类对象之间有结构上的联系	实线，可标名字和多重性	教师—课程
聚合	整体与部分，部分可以离开整体独立存在	实线，整体一端画空心菱形	球队—球员
组合	更强的整体与部分，部分随整体创建和消亡	实线，整体一端画实心菱形	订单—订单项
泛化	一般与特殊，即继承	实线，空心三角指向父类	轿车—汽车
实现	类实现接口中声明的操作	虚线，空心三角指向接口	文件存储—存储接口
依赖	使用关系，一方的变化会影响另一方	虚线箭头，指向被依赖的一方	报表生成器—打印服务

多重性写在关联线的端点，表示对方的一个对象对应本端的几个对象：「1」恰好一个，「0..1」零或一个，「」或「0..」零或多个，「1..*」一个或多个。

用例图

用例图从用户的角度描述系统的功能。参与者是系统外部与系统交互的人或其他系统，画成小人；用例是系统为参与者提供的一项完整、有价值的功能，画成椭圆；系统边界画成方框。部分教材把用例译作「用况」。

用例之间有三种关系：包含（include）——基用例每次执行都必然要执行被包含的用例，用来抽出几个用例的公共部分，虚线箭头由基用例指向被包含用例；扩展（extend）——扩展用例只在特定条件下才插入基用例的执行，虚线箭头由扩展用例指向基用例；泛化——特殊用例继承一般用例。参与者之间也可以有泛化关系。

顺序图与状态图

顺序图描述多个对象之间按时间顺序进行的消息交互：对象排在顶部，每个对象下面的竖向虚线是它的生命线，生命线上的细长矩形是激活期（对象正在执行操作的时间），对象之间的水平箭头是消息，返回消息用虚线箭头，时间从上往下推进。