面向对象方法与UML

(第三部分：面向对象分析与设计方法，第5章)

李欣

Created: 2022-05-10 Tue 23:57

0.1. 互动课堂

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0.2. 本次课的目标

第三部分：面向对象分析与设计方法

第5章：面向对象方法与UML

面向对象的概念与开发方法
UML简介
UML的事物
UML的关系
UML的图

1. 面向对象的概念与开发方法

面向对象 = 对象 + 类 + 继承 + 消息通信

如果一个系统是使用以上4个概念设计和实现的，则可认为这个系统是面向对象的。面向对象程序的基本组成单位是类。

程序在运行时由类生成对象，对象之间通过发送消息进行通信，互相协作完成相应的功能。对象是面向对象程序的核心。

1.1. 对象

对象 = 数据 + 作用于这些数据上的操作

1.1.1. 对象的表示

Figure 1: 对象的图形表示

对象名有下列3种表示格式

对象名在前、类名在后的情况	对象名：类名
尚未给对象命名的情况	：类名
省略类名的情况	对象名

1.1.2. 对象的分类

对象有两个层次的概念：

现实生活中的对象指的是客观世界的实体
- 可见的有形对象（人、学生、汽车、房屋）
- 抽象的逻辑对象（银行账号、生日）等
程序中的对象指的是一组变量和相关方法的集合
- 变量，表明对象的状态
- 方法，表明对象所具有的行为

可以将程序中的对象分为5类，每个应用系统可以拥有某几种或所有对象，但不必特意对每个对象进行分类。

物理对象（physical object）
角色（role）
事件（event）
交互（interaction）
规格说明（specification）

1.2. 类与封装

1.2.1. 类

Figure 2: 类的图形表示

1.2.2. 封装

封装的定义是：

清楚的边界，所有对象的内部信息被限定在这个边界内；
接口，即对象向外界提供的方法，外界可以通过这些方法与对象进行交互；
受保护的内部实现，即软件对象功能的实现细节，实现细节不能从类外访问。

1.3. 继承

公共类

超类（superclass）
父类（parent class, ~~father class~~ ）
祖先（ancestor）
基类（base class）

扩展类 / 从公共类继承的类

子类（subclass, child class）
后代（descendant）
导出类（derived class）

Figure 3: 教材中定义的公共类与扩展类

Figure 4: 类的继承关系

1.4. 多态

多态是指一个程序中同名的不同方法共存的情况。主要通过子类对父类方法的覆盖来实现多态。

1.5. 消息通信

消息是一个对象向另一个对象传递的信息。有4类消息：

发送对象请求接收对象提供服务；
发送对象激活接收对象；
发送对象询问接收对象；
发送对象仅传送信息给接收对象。

1.6. 面向对象的软件开发方法

1.6.1. Booch方法

微开发过程
宏开发过程
- 标识类和对象；
- 标识类和对象的语义；
- 标识类和对象间的关系；
- 进行一系列精化；
- 实现类和对象。

1.6.2. Rumbaugh方法

对象模型 ：描述对象、类、层次和关系；
动态模型 ：描述对象和系统的行为；
功能模型 ：类似于高层的DFD，描述穿越系统的信息流。

1.6.3. Coad和Yourdon方法

使用“要找什么”准则标识对象；
定义对象之间的一般化/特殊化结构（又称为继承结构）；
定义对象之间的整体/部分结构（又称为组装结构）；
标识主题（系统构件的表示）；
定义对象的属性及对象之间的实例连接；
定义服务及对象之间的消息连接。

1.6.4. Jacobson方法

标识系统的用户和它们的整体责任；
通过定义参与者及其职责、用例、对象和关系的初步视图，建立需求模型；
通过标识界面对象、建立界面对象的结构视图、表示对象行为、分离出每个对象的子系统和模型，建立分析模型。

1.6.5. Wirfs-Brock方法

评估客户规格说明；
使用语法分析从规格说明中提取候选类；
将类分组以标识超类；
定义每个类的职责；
将职责赋予每个类；
标识类之间的关系；
基于职责定义类之间的协作；
建立类的层次表示；
构造系统的协作图。

2. UML简介

2.1. UML的产生和发展

Figure 5: UML吸收了许多面向对象方法的优点

2.2. UML的特点

统一标准
面向对象
可视化
独立于过程
容易掌握使用
与编程语言的关系

2.3. UML的基本模型

Figure 6: UML的基本模型

3. UML的事物

事物（Things） 是对模型中最具代表性成分的抽象，在UML中，可以分为：

结构事物（Structural things）
行为事物（Behavioral things）
分组事物（Grouping things）
注释事物（Annotational things）

Figure 7: UML基本事物的图形表示

3.1. 结构事物

结构事物 是UML模型的静态部分，主要用来描述概念的或物理的元素，包括：

类（class）
主动类（active class）
接口（interface）
对象（object）
用例（use case）
参与者（actor）
协作（collaboration）
构件（component）
节点（node）

3.2. 行为事物

行为事物 是UML模型的动态部分，包括：

交互（interaction）

Figure 8: 对象之间的交互

状态机（state machine）

3.3. 分组事物

分组事物 是UML模型的组织部分，它的作用是为了降低模型的复杂性。 UML中的分组事物是包（package）。

3.4. 注释事物

注释事物 是UML模型的解释部分，它们用来描述和标注模型的任何元素。通常可以用注释修饰带有约束或者解释的图。

4. UML的关系

在UML中，常见的 关系（Relationships） 有依赖、关联、泛化和实现4种，还有聚合、复合等关系，如图所示：

Figure 9: UML中的关系

4.1. 依赖关系

依赖（dependency） 是两个事物之间的语义关系，其中一个事物发生变化会影响到另一个事物的语义，它用一个虚线箭头表示。

虚线箭头的方向从源事物指向目标事物，表示源事物依赖于目标事物。

Figure 10: 依赖关系示例

4.2. 关联关系

关联（association） 是一种结构关系，它描述了两个或多个类的实例之间的连接关系，是一种特殊的依赖。

关联的实例称为 链（link） ，每一条链连接一组对象（类的实例）。

普通关联
限定关联（qualified association）
关联类（association class）
聚合（aggregation）
- 共享聚合（shared aggregation）
- 复合聚合（composition aggregation）

4.2.1. 普通关联

普通关联 是最常见的关联关系，只要类与类之间存在连接关系就可以用普通关联表示。普通关联又分为二元关联和多元关联。

Figure 11: 二元关联

Figure 12: 关联中的角色

Figure 13: 自身关联

Figure 14: 三元关联及相应类实例连接的链

4.2.2. 限定关联

限定关联（qualified association） 通常用在一对多或多对多的关联关系中，可以把模型中的多重性从一对多变成一对一，或将多对多简化成多对一。

Figure 15: 限定关联

4.2.3. 关联类

在关联关系比较简单的情况下，关联关系的语义用关联关系的名字来概括。但在某些情况下，需要对关联关系的语义做详细的定义、存储和访问，为此可以建立 关联类（association class） 来描述关联的属性。

Figure 16: 关联类的示例

4.2.4. 聚合

聚合（aggregation） 也称为聚集，是一种特殊的关联，描述了整体和部分之间的结构关系。在需求陈述中，若出现包含、组成、分为……部分等字句，往往意味着存在聚合关系。

Figure 17: 聚合

4.2.5. 导航

导航（navigability） 是关联关系的一种特性，它通过在关联的一个端点上加箭头来表示导航的方向。

Figure 18: 导航

4.3. 泛化关系

泛化（generalization） 关系就是一般（generalization）类和特殊（specialization）类之间的继承关系。

4.3.1. 普通泛化

Figure 19: 抽象类

Figure 20: 多重继承

4.3.2. 受限泛化

Figure 21: 受限泛化

4.4. 实现关系

实现（implement） 是泛化关系和依赖关系的结合，也是类之间的语义关系。通常在以下两种情况出现实现关系：

接口和实现它们的类或构件之间；
用例和实现它们的协作之间。

Figure 22: 实现关系

5. UML的图

结构图 用于系统的静态建模，包括：
- 类图（class diagram）
- 组合结构图（composite structure diagram）
- 构件图（component diagram）
- 部署图（deployment diagram）
- 对象图（object diagram）
- 包图（package diagram）
- 造型图（profile diagram）

行为图 用于系统的动态建模，包括：
- 活动图（activity diagram）
- 用例图（use case diagram）
- 状态图（state diagram）
- 顺序图（sequence diagram）
- 交互概览图（interaction overview diagram）
- 通信图（communication diagram）
- 定时图（timing diagram）