C++ UML 类图介绍与设计

1 类图概述

UML(Unified Modeling Language)，即统一建模语言，是用来设计软件的可视化建模语言。它的特点是简单、统一、图形化、能表达软件设计中的动态与静态信息。
UML从目标系统的不同角度出发，定义了用例图、类图、对象图、状态图、活动图、时序图、协作图、构件图、部署图等9种图。
类图显示了模型的静态结构，特别是模型中存在的类、类的内部结构以及它们与其他类的关系等。类图是面向对象建模的主要组成部分，简化了人们对系统的理解。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。

2 类图中类的表示方法

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2.1 普通类

在UML类图中，类使用包含类名、属性和方法且带有分割线的矩形来表示。

比如有这样一个类

 class Student {public:int study(std::string name);private:std::string m_name;int m_code;};

可以如下表示
访问权限
- + 表示public
- - 表示private
- # 表示protect
属性的完整表示方式
- 可见性名称: 类型
方法的完整表示方式
- 可见性名称(参数列表): 返回类型

2.2 抽象类

有这样一个抽象类

 class Animal {public:virtual void makeSound() = 0;std::string getName() ;private:std::string m_name;};

可以如下表示
抽象类类名称用斜体表示，抽象方法用斜体表示
类图边框用虚线表示(建议)

3 类与类的关系

3.1 关联关系

关联关系是对象之间的一种引用关系，用于表示一类对象与另一类对象之间的联系，比如老师和学生等。关联关系是类与类之间最常用的一种关系，一般引用的对象，会作为另外一个类的成员变量来使用。
关联关系又可以分为单向关联、双向关联和自关联。

3.1.1 单向关联

有以下两个类Address和Person，其中Person有一个属性为Address，这种就称为单向关联关系。

  // Address类class Address {public:// 获取街道信息std::string getStreet() { return m_street; }// 获取城市信息std::string getCity() { return m_city; }private:std::string m_street; // 街道信息std::string m_city; //城市信息};// Person类，其中包含一个Address对象的指针class Person {public:// 设置某人地址void setAddress(Address* address) { m_address = address; }// 获取某人姓名std::string getName() { return m_name; };// 获取某人对应地址Address* getAddress() { return m_address; };private:std::string m_name;Address* m_address; // 关联关系，Person类包含一个Address类的指针};

在UML类图中单向关联用一个带箭头的实线表示。

3.1.2 双向关联

双向关联就是双方各自含有对方类型的成员变量

  // 课程类class Course {public:void setTeacher(Teacher* teacher) { m_teacher = teacher;}std::string getName()  { return m_name; }Teacher* getTeacher() { return m_teacher; }private:std::string m_name;Teacher* m_teacher; // 课程属于哪个教师};// 教师类class Teacher {public:// 获取教师姓名std::string getName() const { return m_name; }// 给教师设置课程void setCourse(Course* course) { m_courses = course;  };// 获取该教师教授的所有课程Course* getCourses() { return m_courses; }private:std::string m_name; // 教师姓名Course* m_courses; // 教师对应的课程};

在UML类图中，双向关联用一个不带箭头的直线表示

3.2 聚合关系

这是一种特殊形式的关联，表示类之间整体与部分的关系，其中部分可以独立存在，即使整体不存在。

下面实现了一个员工类和部门类，部门类中包含了员工类对象。而员工类可以离开部门类而单独存在。

  // 员工类class Employee {public:std::string getName() const { return m_name; }int getId() const { return m_id; }private:std::string m_name;int m_id;};// 部门类class Department {public:// 添加员工void addEmployee(Employee emp) {m_employees.push_back(emp);}// 展示员工信息void displayEmployees() {std::vector<Employee>::iterator iter = m_employees.begin();for (; iter != m_employees.end(); iter++) {std::cout << "name : " << iter->getName();std::cout << "id : " << iter->getId();}}private:std::vector<Employee> m_employees; // 部门类包含员工对象的容器，形成聚合关系};

UML类图中，组合关系用带空心菱形的实线表示，菱形指向整体。
聚合关系可以是一对一，也可以是一对多。比如Department中可以包含多个Employee数组，也可以只包含一个Employee对象。

3.3 组合关系

组合表示类之间的整体与部分的关系，但它是一种更强烈的聚合关系。在组合关系中，整体对象可以控制部分对象的声明周期，一旦整体对象不存在，部分对象也将不存在，部分对象不能脱离整体对象而存在。

实现一个引擎类和汽车类，引擎属于汽车的一部分，且引擎不能脱离汽车而单独存在。

  // 引擎类，是汽车类的一部分class Engine {public:int getHorsePower() { return m_horsePower; }private:int m_horsePower;};// 汽车类class Car {public:int getCarId() { return m_carId; }int getEngineHorsePower() { return m_engine->getHorsePower(); }private:int m_carId;Engine* m_engine; // Car类组合了一个Engine对象};

UML类图中，组合关系用带实心菱形的实线表示，菱形指向整体。

3.4 依赖关系

依赖关系是一种使用关系，它是对象之间耦合度最弱的一种关联方式，是临时性的关联。
依赖关系指的是一个类依赖于另一个类的功能或服务，但并不直接拥有或包含另一个类的实例。依赖关系通常体现在一个类的方法中通过参数传递、全局函数或静态方法等方式使用另一个类。

比如有一个People类和Circle类，People类中并不包含Circle，但是可以调用Circle类对象的draw方法来画一个圆。

  // 圆class Circle {public:// 画圆void draw() { }private:int m_radius;};// 有一个人class People {public:// 调用圆类的画圆方法void drawCircle(Circle circle) { circle.draw(); }private:string m_name;};

在UML类图中，依赖关系用带箭头的虚线表示，箭头从使用类指向被依赖的类。

3.5 继承（泛化）关系

继承（泛化）关系是对象之间耦合度最大的一种关系，表示一般与特殊的关系，是父类与子类之间的关系，是一种继承关系。

比如学生类和教师类都继承于基本类People，有基本方法sleep和eat以及各自独有的方法study和work

  class People {public:void sleep() {  }void eat() { }private:int m_name;};class Studet : public People {public:void study() {}private:int m_studentId;};class Teacher : public People {public:void work() {}private:int m_jobNumber;};

UML类图中，继承关系用带空心三角箭头的实线表示，箭头从子类指向父类。

3.6 实现关系

实现关系是接口与实现类之间的关系。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所有的抽象操作。

  // 抽象接口类，相当于UML中的Interfaceclass Printable {public:virtual void print()  = 0;};// 具体实现类，实现了Printable接口class Document : public Printable {public:// 实现接口中的print()函数void print() {std::cout << "Content of the document: " << m_content << std::endl;}private:std::string m_content;};