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UML类图详解

我们在阅读开源项目时,总是希望能比较高效的整理清楚项目中的各个类之间的关系,那么有没有相应的工具能高效、简洁的表示清楚类关系呢?UML类图就是一个可以帮我们解决此类问题的工具或者方法。

1 什么是UML

统一建模语言(Unified Modeling Language,缩写UML)是非专利的第三代建模和规约语言。
UML是一种开放的方法,用于说明、可视化、构建和编写一个正在开发的、面向对象的、软件密集系统的制品的开放方法。

UML模型和图形

UML分为模型和图形两大类。区分UML模型和UML图是非常重要的,UML图(包括用例图、协作图、活动图、序列图、部署图、构件图、类图、状态图)是模型中信息的图表表达形式,但是UML模型独立于UML图存在。

在UML系统开发中有三个主要的模型:

  • 功能模型:从用户的角度展示系统的功能,包括用例图。
  • 对象模型:采用对象,属性,操作,关联等概念展示系统的结构和基础,包括类别图、对象图。
  • 动态模型:展现系统的内部行为。包括序列图,活动图,状态图。

UML2.2中一共定义了14种图示。

结构性图形(Structure diagrams)强调的是系统式的建模:

  • 静态图(static diagram):包括类图、对象图、包图
  • 实现图(implementation diagram):包括组件图、部署图
  • 剖面图
  • 复合结构图

行为式图形(Behavior diagrams)强调系统模型中触发的事件

  • 活动图
  • 状态图
  • 用例图

交互性图形(Interaction diagrams),属于行为图形的子集合,强调系统模型中的资料流程

  • 通信图
  • 交互概述图
  • 时序图
  • 时间图

2 UML类图作用

UML展现了一系列最佳工程实践,这些最佳实践在对大规模,复杂系统进行建模方面,特别是软件架构层次方面已经被验证有效。

我们这次介绍的主要是类图,为了解析项目的系统结构和架构层次,可以简洁明了的帮助我们理解项目中类之间的关系。

类图的作用:
(1):在软件工程中,类图是一种静态的结构图,描述了系统的类的集合,类的属性和类之间的关系,可以简化了人们对系统的理解;
(2):类图是系统分析和设计阶段的重要产物,是系统编码和测试的重要模型。

3 类图格式

在UML类图中,类使用包含类名、属性(field) 和方法(method) 且带有分割线的矩形来表示,

举个栗子。一个Animal类,它包含name,age,state,isPet这4个属性,以及name相关方法。

class Animal: NSObject {

	public var name: String?
	internal var isPet: Bool?
	fileprivate var state: String?
	private var age: Int? = 0

	override init() {
    	self.name = "no name"
    	self.age = 0
    	self.isPet = true
    	self.state = "dead"
	}

	public func getName() -> String {
    	return self.name!
	}

	internal func setName(name: String?) {
    	self.name = name
	}
}
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对应UML类图:

AnimalUML类图.png

  • 类名:粗体,如果是类是抽象类则类名显示为斜体!
  • 属性:

可见性 名称:类型[=默认值]

可见性一般为public、private和protected,在类图分别用+、-和#表示,在Swift中没有与protected完全对应的可见控制,因此选用的是internal对应为#;名称为属性的名称;类型为数据类型;默认值如变量 age默认值为0。

  • 方法:

可见性 名称(参数列表 参数1,参数2) :返回类型

可见性如上名称表达式的介绍,名称就是方法名,参数列表是可选的项,多参数的话参数直接用英文逗号隔开;返回值也是个可选项,返回值类型可以说基本的数据类型、用户自定义类型和void。如果是构造方法,则无返回类型!

4类与类之间的关系表达

类图中类与类之间的关系主要由:继承、实现、依赖、关联、聚合、组合这六大类型。表示方式如下图:

UML类与类之间关系.png

(1)继承关系(Generalization/extends)

继承关系也叫泛化关系,指的是一个类(称为子类、子接口)继承另外的一个类(称为父类、父接口)的功能,并可以增加它自己的新功能的能力,继承是类与类或者接口与接口之间最常见的关系。

继承用实线空心箭头表示,由子类指向父类。

下面写两个子类,Fish和Cat分别继承自Animal。

class Fish: Animal {
    
    public var fishType: String?
    func swim() {
    }
}

class Cat: Animal {
    public var hasFeet: Bool?
    func playToy(doll:Doll) {
        doll.toyMoved()
    }
}
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Generalization.png

(2)实现关系(implements)

指的是一个class类实现interface接口(可以是多个)的功能;实现是类与接口之间最常见的关系;在Java中此类关系通过关键字implements明确标识,在iOS中我将其理解成代理的实现。

写一个洋娃娃类Doll,该类遵循了ToyAction协议,实现了玩具移动的方法。

protocol ToyAction {
    func toyMoved() -> Void
}

class Doll: NSObject,ToyAction {
    
    public var body: Body?
    public var cloth: Cloth?
    
    func toyMoved() {
        //洋娃娃玩具动作具体实现
    }
}
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implements

(3)依赖关系(Dependency)

可以简单的理解,就是一个类A使用到了另一个类B,而这种使用关系是具有偶然性的、、临时性的、非常弱的,但是B类的变化会影响到A;比如某人要过河,需要借用一条船,此时人与船之间的关系就是依赖;表现在代码层面,为类B作为参数被类A在某个method方法中使用。

在我们的上述代码中Cat的playToy方法中参数引用了Doll,因此他们是依赖关系。

Dependency

(4)关联关系(Association)

他体现的是两个类、或者类与接口之间语义级别的一种强依赖关系,比如我和我的朋友;这种关系比依赖更强、不存在依赖关系的偶然性、关系也不是临时性的,一般是长期性的,而且双方的关系一般是平等的、关联可以是单向、双向的;表现在代码层面,为被关联类B以类属性的形式出现在关联类A中,也可能是关联类A引用了一个类型为被关联类B的全局变量;

写一个Person类,他拥有一个宠物猫,他们之间的关系是关联。

class Head: NSObject {
    
}

class Person: NSObject {
    public var pet: Cat?
    public var head: Head?
}
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association.png
](association.png)

(5)聚合关系(Aggregation)

聚合是关联关系的一种特例,他体现的是整体与部分、拥有的关系,即has-a的关系,此时整体与部分之间是可分离的,他们可以具有各自的生命周期,部分可以属于多个整体对象,也可以为多个整体对象共享;比如计算机与CPU、公司与员工的关系等;表现在代码层面,和关联关系是一致的,只能从语义级别来区分;

class Cloth: NSObject {
    
}

class Body: NSObject {
    
}
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在上述代码中Doll由Body和Cloth组成,且即使失去Cloth,Doll也可以正常存在。

aggregation.png

(6)组合关系(Composition)

组合也是关联关系的一种特例,他体现的是一种contains-a的关系,这种关系比聚合更强,也称为强聚合;他同样体现整体与部分间的关系,但此时整体与部分是不可分的,整体的生命周期结束也就意味着部分的生命周期结束;比如你和你的大脑;表现在代码层面,和关联关系是一致的,只能从语义级别来区分;

上述代码中的Person拥有Head,并且这个整体和部分是不可分割的。

composition.png

最后来看看这个例子中的整体关系:

UML类图示例.png

其实理解了之后我们发现还是很简单的,学会了之后就可以投入实践中了,举一个简单第三方库的类图例子,下图是Masonry的类图整理,可以看到项目结构很清晰的展示了出来。

Masonry类图.png

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