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Interface
  class 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;
  };