设计模式之UML类图
UML图示简介
在 UML 中，类使用包含类名、属性和操作且带有分割线的长方形来表示，如图所示，定义一个 Student 类，它包含属性 name、age 和 id，以及操作 modifyInfo()。
其对应的 C++ 代码片段如下:
class Student {
public:
void modifyInfo();
private:
string name;
int age;
string email;
};
在 UML 类图中，类一般由 3 部分组成:
(1) 类名: 每个类都必须有一个名字，类名是一个字符串;
(2) 类的属性: 属性是指类的性质，即类的成员变量。一个类可以有任意多个属性，也可以没有属性;
UML规定属性的表示方式为: 可见性 名称:类型 [ = 默认值 ]
其中：
- 可见性表示该属性对于类外的元素而言是否可见，包括公有(public)、私有(private)和受保护(protected)三种，在类图中分别用符号 +、-、# 表示。
- 名称表示属性名，用一个字符串表示。
- 类型表示属性的数据类型，可以是基本数据类型，也可以是用户自定义类型。
- 默认值是一个可选项，即属性的初始值。
(3) 类的操作: 操作是类的任意一个实例对象都可以使用的行为，是类的成员方法。
UML 规定操作的表示方式为: 可见性 名称(参数列表) [ : 返回类型]
其中:
- 可见性的定义与属性的可见性定义相同。
- 名称即方法名，用一个字符串表示。
- 参数列表表示方法的参数，其语义与属性的定义相似，参数格式是任意的，多个参数之间用逗号隔开。
- 返回类型是一个可选项，表示方法的返回值类型。可以是基本数据类型，也可以是用户自定义类型，还可以是空类型(void)，如果是构造方法或析构方法，则无返回类型。
类之间的关系
关联关系
关联(Association)关系是类与类之间最常用的一种关系，它是一种结构化的关系，用于表示某一类对象与另一类对象之间有联系。例如汽车和轮胎、师傅和徒弟、班级和学生等。
在 UML 类图中，用实线连接有关联关系的对象所对应的类，在面向对象编程语言中实现关联关系时，通常将一个类的对象作为另一个类的成员变量。在使用类图表示关联关系时可以在关联线上标注角色名，其目的是使类之间的关系更加明确。
例如登录界面类 LoginForm 中包含一个 JButton 类型的注册按钮 loginButton，它们之间可以表示为关联关系，如图所示：
其对应的 C++ 代码片段如下：
class LoginForm {
private:
JButton loginButton;
};
class JButton {};
在 UML 中，关联关系通常又包含如下几种形式。
1. 双向关联
默认情况下，关联是双向的，比如，顾客(Customer)购买商品(Product)并拥有商品，反之，卖出的商品总有某个顾客与之关联。因此，Customer 类和 Product 类之间具有双向关联关系，如图所示：
其对应的 C++ 代码如下:
class Customer {
private:
Product products[10];
};
class Product {
private:
Customer customer;
};
2. 单向关联
类的关联关系也可以是单向的，在 UML 中单向关联用带箭头的实线表示。例如，顾客(Customer)拥有地址(Address)，则 Customer 类与 Address 类具有单向关联关系，如图所示：
其对应的 C++ 代码如下：
class Customer {
private:
Address address;
};
class Address {};
3. 自关联
在系统中可能会存在一些类的属性对象类型为该类本身，这种特殊的关联关系称为自关联。例如，一个节点类(Node)的成员又是节点(Node)类型的对象，如图所示：
其对象的 C++ 代码如下：
class Node {
private:
Node* subNode;
};
4. 多重性关联
多重性关联关系又称为重数性关联关系，表示两个关联对象在数量上的对应关系。在 UML 中，对象之间的多重性可以直接在关联直线上用一个数字或一个数字范围表示。常见的多重性表示方式如表所示：
| 表示方式 | 多重性说明 |
|---|---|
| 1..1 | 表示另一个类的一个对象只与该类的一个对象有关系 |
| 0..* | 表示另一个类的一个对象与该类的零个或多个对象有关系 |
| 1..* | 表示另一个类的一个对象与该类的一个或多个对象有关系 |
| 0..1 | 表示另一个类的一个对象没有或只与该类的一个对象有关系 |
| m..n | 表示另一个类的一个对象与该类最少m，最多n个对象有关系(m<=n) |
例如，一个界面(Form)可以用于零个或多个按钮(Button)，但是一个按钮只能属于一个界面，因此，一个 Form 类的对象可以与零个或多个 Button 类的对象相关联，但一个 Button 类的对象只能与一个 Form 类的对象关联，如图所示：
其对应的 C++ 代码如下：
class Form {
private:
vector<Button> buttons;
};
class Button {};
5. 聚合关系
聚合(Aggregation)关系表示整体与部分的关系。在聚合关系中，成员对象是整体对象的一部分，但是成员对象可以脱离整体对象独立存在。在 UML 中，聚合关系用带空心的菱形的直线表示。例如，汽车发动机(Engie)是汽车(Car)的组成部分，但是汽车发动机可以独立存在，因此，汽车和发动机是聚合关系，如图所示：
在代码实现聚合关系时，成员对象通常作为构造方法、Setter 方法或业务方法的参数注入到整体对象中，其对应的 C++ 代码片段如下：
class Car {
public:
Car(Engine eng) { engine = eng; }
void setEngine(Engine eng) { engine = eng; }
private:
Engine engine;
};
class Engine {};
6. 组合关系
组合(Composition)关系也表示类之间整体和部分的关系，但是在组合关系中整体对象可以控制成员对象的声明周期，一旦整体对象不存在，成员对象也将不存在，成员对象与整体对象之间具有同生共死的关系。在 UML 中，组合关系用带实心菱形的直线表示。例如，人的头(Head)和嘴巴(Mouth)，嘴巴是头的组成部分之一，且没有了头，也就没有了嘴巴，因此是组合关系，如图所示:
在代码实现组合关系时，通常在整体类的构造方法中直接实例化成员类，其对应的代码片段如下：
class Head {
public:
Head() { mouth = new Mouth; }
private:
Mouth* mouth;
};
class Mouth {};
依赖关系
依赖(Dependency)关系是一种使用关系，特定事物的改变有可能会影响到使用该事物的其他事物，在需要表示一个事物使用另一个事物时使用依赖关系。大多数情况下，依赖关系体现在某个类的方法使用另一个类的对象作为参数。在 UML 中，依赖关系用带箭头的虚线表示，由依赖的一方指向被依赖的一方。例如，驾驶员开车，在 Driver 类的 drive() 方法中将 Car 类型的对象 car 作为一个参数传递，以便在 drive() 方法中能够调用 Car 类的 move() 方法，且驾驶员的 drive() 方法依赖车的 move() 方法，因此 Driver 类依赖类 Car，如图所示：
在系统实施阶段，依赖关系通常通过 3 种方式来实现：
- 将一个类的对象作为另一个类中的方法参数；
- 在一个类的方法中将另一个类的对象作为其局部变量；
- 在一个类的方法中调用另一个类的静态方法；
其对应的 C++ 代码片段如下：
class Driver {
public:
void drive(Car car) { car.move(); }
};
class Car {
public:
void move();
};
泛化关系
泛化(Generalization)关系也就是继承关系，用于描述父类与子类之间的关系，父类又称作基类，子类又称作派生类。在 UML 中，泛化关系用带空心三角形的直线来表示。在代码实现时，使用面向对象的继承机制来实现泛化关系。
例如，Student 类和 Teacher 类都是 Person 类的子类，Student 类和 Teacher 类继承了 Person 类的属性和方法，Person 类的属性包含姓名(name)和年龄(age)，每一个 Student 和 Teacher 类也都具有这两个属性，另外，Student 类增加了属性学号(studentNo)，Teacher 类增加了属性教师编号(teacherNo)，Person 类的方法包括行走 move() 和说话 say()，Student 类和 Teacher 类继承了这两个方法，而且 Student 类还新增方法 study()，Teacher 类新增方法 teach()，如图所示：
其对应的 C++ 代码片段如下：
class Person {
public:
void move();
void say();
protected:
string name;
int age;
};
class Student : public Person {
public:
void study();
private:
string studentNo;
};
class Teacher : public Person {
public:
void teach();
private:
string teacherNo;
};
接口与实现关系
在接口中，通常没有属性，而且所有的操作都是抽象的，只有抽象的声明，没有操作的实现。UML 中用与类的表示法类似的方式表示接口，如图所示：
接口之间也可以有与类之间关系类似的继承关系和依赖关系，但是接口和类之间还存在一个实现(Realization)关系。在这种关系中，类实现了接口，类中的操作实现了接口中所声明的操作。在 UML 中，类与接口之间的实现关系用带空心三角形的虚线表示。例如，定义了一个交通工具接口 Vehicle，包含一个抽象操作 move()，在类 Ship 和类 Car 中都实现了 move() 操作，不过具体的实现细节将不一样，如图所示：
其对应的 C++ 代码如下：
class Vehicle {
public:
virtual void move() = 0;
};
class Ship : public Vehicle {
public:
virtual void move() override;
};
class Car : public Vehicle {
public:
virtual void move() override;
};
