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入门（2） 快速读懂结构间的关系

研发们或者技术经理们应当有体验过这种感觉，那就是“感觉我讲得挺好的，但是对方就是没能理解”。其实出现这种问题的原因往往不是因为对方理解能力差，或则自身表达不够，而是因为双方有较大的“知识落差”。那么“知识落差”到底是什么意思呢？其实很简单，就是双方各自的“知识链”不同，因此对相同事物的看法和表述不同，从而导致了理解的误差，形成了当前难以沟通的局面。但是“知识链”是几乎无法完全相同的，毕竟人的经历和学识都各不相同。那该如何解决这样的问题呢？最好的方法就是在沟通的内容范围内，用相互理解的语言进行沟通，即构建受限的“知识链”。这样哪怕彼此的三观不同，也能在工作内容中进行有效的沟通。而UML就是承接了这种责任的建模语言。

在阅读此篇前，应当先阅读《UML系列（1）：认识UML踏入设计之路》以对UML有一个基础的认识。同时应当具备一定的面向对象编程（OOP）的思想，这样才能真正的发挥UML的用处。

人际关系图
人际关系图

我们知道，在现实世界中人、事物间的关系是非常重要的，有了关系才有了因果，它们在一个相互的作用下共同组成了我们这个纷杂的世界。而在程序设计中，各系统、组件、对象间的关系也是极其重要的，因此学会正确的表达其关系就成为了沟通或设计的首要任务。

在UML中，有如下几种常见关系：

  • 关联（association）
  • 继承（inheritance）/泛化（generalization）
  • 依赖（dependency）
  • 实现（realization）
  • 聚合（aggregation）
  • 组成（composite）

在陈述上述关系之前，我们需要知道“关系之间是存在 约束 的，同时也能用 构造型 来创造新的关系。”

关联

当类之间在概念上有连接关系时，类之间的连接叫做 关联 （由于关联表达的是连接，因此还能用关联图去表达空间的位置关系）。比如在篮球游戏中会有如下关系：

关联示例图-1
关联示例图-1

这样的一幅图表达的内容是：“队员（Player）在球队（Team）打球。且队员是雇员（Employee），球队是雇主（Employer）。一个球队可以有5~10个队员”。当然，“队员”和“球队”代表的程序中的两个类。你看懂了吗？没看懂的话没关系，接着对上图进行分解解释：

  • 先陈述第一句话“队员在球队打球”，这句话表达出了队员和球队之间的联系。那么在UML中可以如此表达，开始可以先说明“队员”和“球队”之间存在关联，这里用一条直线表示。从句子中不然发现“队员“是关系的发起者，因此在关联线的中间用箭头表示这样的关系，同时在方向后方添加描述“Plays on”来对该方向做进一步解释，最终就表达出了我们要的意思了，如下图所示：

    队员在球队打球示例图
    队员在球队打球示例图

  • 接着表达的是第二句“队员是雇员，球队是雇主”，这句话表达出了队员和球队各自的角色。在UML中可以如下表达，在接近类的关联线的地方上表明每个类的角色，于是形成了下图：

队员是雇员，球队是雇主示例图
队员是雇员，球队是雇主示例图
  • 最后表达最后一句话“一个球队可以有5~10个队员”，这句话表达出了队员和球队的数量关系。在UML中称为多重性（multiplicity），表示方法是在参与关联的类附近的关联线上注明多重性的数值，于是形成了下图：
一个球队可以有5-10个队员示例图
一个球队可以有5-10个队员示例图

有时候关联关系从不同的角度来看是不同的，比如上面描述了“队员”是雇员、球队是“雇主”，因此还可以表达成“球队雇佣队员”，这句话的发起者是“球队”，因此我们在关联线中间添加箭头，同时用“Employs”进行描述，其UML表示如下图所示：

球队雇佣队员示例图
球队雇佣队员示例图

有时关系可能不是1对1的，可能是n对1的，比如：“一个球队有前锋，中锋和后卫”。这时可以用UML这么表达多个类关联1个类：

一个球队有前锋，中锋和后卫示例图
一个球队有前锋，中锋和后卫示例图

约束

开始有提到过“关系之间是存在约束的”，因此关联也有这样的表达。比如：“银行柜台服务员（Bank Teller）为顾客（Customer）服务（serve），但是服务的顺序要按照顾客排队的次序进行”，此时UML可以如下表示：

关联约束示例图
关联约束示例图
  • UML用 花括号 来表示约束，在受约束的类附近加一个花括号扩起来的“ordered”来表示约束顾客的次序。

约束关系还有一种是“Or（或）”，比如：“大学生（HighSchoolStudent）选修课可以选择诗歌（Poetry）或商务（Commercial）”，UML可以如下表示：

约束or示例图
约束or示例图
  • 在两个关联线之间连一条虚线，并在虚线之上标识“ {or} ”来表示这种约束。

关联类

和类一样，关联也可以有自己的属性和操作，这样的关联称为 关联类（association class） 。比如：“队员”和“球队”之间的关系是通过“合约（Contract）”关联起来的，而合约的签订由“总经理（GeneralManager）”商定（Negotiates），因此我们可以用UML表达这样的关联，如下所示：

关联类示例图
关联类示例图
  • 关联类也是一个类，因此“合约”的表达方式跟“队员”或“球队”是一样的，只是需要 通过一条虚线把关联类和对应的关联线连接起来 ，以表示该类是关联线的类，即关联类。

链

前面我们说过，关联类也是一个类，因此正如对象是类的实例一样，关联也有自己的实例，关联类的实例我们称之为 链。

在“UML入门系列（1）：认识UML踏入设计之路”中有提到过实例（对象）的表达方式：

  • 类名前提供对象名称，并用冒号分隔。且对象名称的首个单词的首字母是小写的
  • 对象名和类名有下划线

链的表达方式也是如此，需要 添加下划线 ，同时链是 专门用来关联实例 的，而不是类。比如：“科比（kobeBeanBryant）”效力于“湖人队（losAngelesLakers）”：

链示例图
链示例图
  • 这里由于工具的原因，没能将“Playes on”添加下划线，因此在空格的地方追加下划线以做表示。

多重性

前文在讲述“队员”与“球队”关系的时候提到了多重性，这里讲一下其表达方式：

  • 用*表示许多，即>=1的意思。
  • 用..表示连续或，即1..10表达的是1到10中的任一数。
  • 用,表示序列或，即1,5,7表达的是1或5或7。

限定关联

当关联的多重性是1对多时，就产生了一个问题：查找问题。比如我们想在一个“房间预订列表”中查找其中的一条“预定信息”时，需要有个具体的查找条件，该条件应是“预定信息”的某个属性。我们将表达这种查找（限定）关系称为 限定符（qualifier） ：

房间预订列表与预订关系示例图
房间预订列表与预订关系示例图

如上所示，“房间预订列表”与“预订信息”是1对n的关系，通常一个“预订信息”会对应唯一的一个“订单号（orderNumber）”用于“房间预订列表”查询条件，其UML表示如下：

限定符示例图
限定符示例图

自身关联

有时候一个类可能与它自身发生关联，这样的关联被称为 自身关联（reflexive association） 。当一个类的示例可以充当多种角色时，自身关联就可能发生。

比如，一位“车上的人（CarOccupant）”既可能是一位“司机（driver）”，也可能是一位“乘客（passenger）”，那么一个司机可以搭载0到4位乘客，因此其UML表达为：

自身关联示例图
自身关联示例图

继承和泛化

继承和泛化是OOP的用语，这里不对这两术语进行解释，感兴趣的可以自行搜索。继承是“is a”表达，在各种OOP语言都会提到此概念，比如：“哺乳动物（Mammal）”是一种“动物（Animal）”，“马（Horse）”是一种“哺乳动物”：

继承示例图
继承示例图
  • 实线连接父类和子类，且用空心箭头指向父类。

了解对象的知道，除了父类和子类外还有基类（base class）或根类（root class）、叶类（leaf class）、抽象类（abstract class） 的称呼。这些称呼中抽象类是比较特殊的，它表示一个类是不提供实例对象的，在UML也有特定表达方式，就是“将类名用 斜体 书写”：

基类示例图
基类示例图

如上图所示，我们重新回到队员的关系中，上图表明：

  • “队员”由“后卫”、“前锋”、“中锋”继承
  • “队员”（斜体字）是个抽象类，不提供实例对象。

注意

在UML中子类只需要些那些自己特有的属性和方法，因为继承就表明拥有父类的属性，同时父类的（公有、保护）方法会被子类继承并应用。

依赖

当在一个类中使用了另一个类时，我们称之为依赖。依赖用 虚线 连接，用 尖箭头 指向依赖的目标。比如，一个“系统（System）”的“显示表单（DisplayForm）”功能依赖于“表单类（Form）”：

依赖示例图
依赖示例图

聚合

一个类有时是由几个部分类组成的，这种关系是一种“ 部分-整体 ”的关联，我们称之为“聚合”。聚合与“组成”有些类似，区别主要是聚合并 不限定“部分类”只能归属于自己 ，说白了“聚合”是 没有占有欲 的，它仅仅表达它组成了我，但没有要求它只属于我。而“组成”要求“部分类”只能属于自己：

聚合示例图
聚合示例图
  • 整体和部分之间用 实线 连接，且用 空心菱形箭头 指向整体。

聚集跟关联一样，也能表达“Or”的约束，表达方式一样，“在两个部分的连线中间连接一条虚线，并写上{or}”，其表示整体包含两者间的其中一个。

组成

组成时强类型的聚合，组成有极强占有欲，要求部分必须只能属于自己，即只能属于一个整体。组成是表达类内部结构的一种方式，用于“组成结构图”（UML1.x也称为语境图）中。其UML用 实线 连接部分和整体，并用 实心菱形箭头 指向整体：

组成示例图
组成示例图

实现

类由属性和方法（接口）组成，实现表达的就是类与接口间的关系。UML用虚线连接类和接口，并用 空心箭头 指向接口，比如，“洗衣机（WashineMachine）”实现了“控制旋钮（ControlKnob）”：

实现示例图
实现示例图

还有一种表示法（省略表示法），将接口表示为小圆圈，又称为棒糖图（lollipop diagram），这也是我比较喜欢的一种表达方式：

棒糖图示例图
棒糖图示例图

那么接口的出现必然要被使用，比如一个“人（Person）”使用“控制旋钮”，用UML表达如下：

使用接口示例图
使用接口示例图
  • 可以发现使用接口的表达方式与依赖一样，可以理解为：“人”需要通过“控制旋钮”才能使用“洗衣机”，因此“人”依赖于“控制旋钮”。

还有一种跟“棒糖图”结合的表达使用接口的方式，这也是我最喜欢的方式：

棒糖图的使用示例图
棒糖图的使用示例图

结语

学习UML建模对于程序员来说有莫大帮助，可以帮助自己梳理程序，将思绪可视化表达出来，有助于其开发复杂的大型程序。

同时学习UML建模也有助于技术经理、架构师、研发工程师等技术相关人员间的沟通，降低“知识落差”带来的沟通困难，能有效提高开发出一个符合大家预期的系统的概率。

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