UML 类图基础和类关系辨析

UML 类图

目录

• 1 概述

• 2 类图MerMaid基本表示法

• 3 类关系详解

  • 3.1 实现和继承
    • 3.1.1 实现（Realization）
    • 3.1.2 继承/泛化（Inheritance/Generalization）
  • 3.2 聚合和组合
    • 3.2.1 组合（Composition）
    • 3.2.2 聚合（Aggregation）
  • 3.3 关联和依赖
    • 3.3.1 关联（Association）
      • 重数性（Multiplicity）
      • 导航性 (navigability）
      • 3.3.1.1 关联关系的分类
        • 3.3.1.1.1 双向关联（无箭头或双箭头）
        • 3.3.1.1.2 单向关联（单箭头）
        • 3.3.1.1.3 限制关联
        • 3.3.1.1.4 自关联和递归关联
    • 依赖关系 （Dependency)
  • 3.4 类关系的深度解析
    • 3.4.1 基础关系矩阵
    • 3.4.2 关系判定三维度
    • 3.4.3 特殊关系辨析
    • 3.4.4 建模实践原则
    • 3.4.5 关系速查口诀

• 4 注意事项

• 5 应用建议

• 参考资料

  类图 | Mermaid 中文网

1 概述

在软件工程中，统一建模语言 (UML) 中的类图Class Diagram是一种静态结构图，它通过显示系统的类、它们的属性、操作 (或方法) 以及对象之间的关系来描述系统的结构。

1. 定义 ：UML（Unified Modeling Language统一建模语言）类图是用来描述系统中类的静态结构和它们之间的关系的一种图。
   1. 类的静态结构
   2. 类的属性与方法
   3. 类之间的关系,例如：依赖、关联、继承等关系。
   4. 系统组成部分的协作关系
2. 作用 ：
   1. 系统分析和设计：帮助理解系统的结构和功能。
   2. 代码可视化：将代码结构映射到类图上，便于理解和维护。
   3. 团队沟通：作为统一的建模语言，促进团队成员之间的交流和协作。
3. 类图的基本元素
   1. 类（Class）：表示系统中的实体或概念，通常用矩形表示。
   2. 接口（Interface）：用圆角矩形表示，包含接口名和方法。
   3. 对象（Object）：类的实例，用矩形框带有下划线表示。
   4. 属性（Attribute）：类的特性或数据成员，用带有属性名和类型的矩形表示。
   5. 操作（Operation）：类的行为或方法，用带有操作名和参数的椭圆表示。
   6. 关系（Relationship）：表示类之间的联系，如继承、关联、聚合、组合等。
4. 我常用的UML工具
   1. MerMaid
   2. 如果类图复杂，使用Draw.io将MerMaid代码导入并调整布局和扩展

2 类图MerMaid基本表示法

请参考Class diagrams | Mermaid

3 类关系详解

3.1 实现和继承

3.1.1 实现（Realization）

• 定义：：表示类与接口之间的关系

• 特点：

  • 类实现接口定义的方法
  • 支持多接口实现

• UML表示：空心三角形箭头 + 虚线 (<|…) ，箭头指向接口

• 代码示例

  interface Flyable {void fly();
  }
  class Bird : Flyable {public void fly() { /*...*/ }
  }
  

3.1.2 继承/泛化（Inheritance/Generalization）

• 定义：父子类之间的"is-a"关系

• 特点：

  • 子类继承父类属性和方法
  • 支持多态性
  • 父类更通用，子类更具体

• UML表示：空心三角箭头 + 实线 (<| --) ，从子类指向父类。

• 代码示例：

  class Animal {}
  class Dog : Animal {}
  

3.2 聚合和组合

3.2.1 组合（Composition）

• 定义：强聚合关系，部分不能脱离整体存在

• 特点：

  • 强生命周期绑定
  • 整体负责部分的创建与销毁

• UML表示：实心菱形（整体端）+ 实线 （*--），整体 *-- 部分

• 示例：

  • 在线学习平台的课程与课程章节：一个在线学习平台的课程通常由多个章节组成。课程作为一个整体，课程章节作为部分，章节的存在和使用完全依赖于所属的课程。例如，当一个编程语言课程创建后，课程中添加的各个章节（如基础语法章节、面向对象编程章节等）才会被学生学习，只有在课程被访问时，其章节才会被展示和学习，如果该课程从平台上下架删除，那么相应章节也会被删除，无法脱离课程单独存在或被其他课程使用。

• 代码实现：

  using System;
  using System.Collections.Generic;// 课程章节类
  public class CourseChapter
  {private string chapterName;private string chapterContent;public CourseChapter(string chapterName, string chapterContent){this.chapterName = chapterName;this.chapterContent = chapterContent;}public void DisplayChapterInfo(){Console.WriteLine($"章节名称：{chapterName}，章节内容：{chapterContent}");}
  }// 课程类
  public class OnlineCourse
  {private string courseName;private List<CourseChapter> chapters = new List<CourseChapter>();public OnlineCourse(string courseName){this.courseName = courseName;}public void AddChapter(string chapterName, string chapterContent){CourseChapter chapter = new CourseChapter(chapterName, chapterContent);chapters.Add(chapter);}public void DisplayCourseInfo(){Console.WriteLine($"课程名称：{courseName}");Console.WriteLine("课程包含的章节：");foreach (CourseChapter chapter in chapters){chapter.DisplayChapterInfo();}}
  }// 测试类
  public class Program
  {public static void Main(){OnlineCourse javaCourse = new OnlineCourse("C# 编程教程");javaCourse.AddChapter("基础语法", "介绍了的变量、数据类型、运算符等基础语法知识");javaCourse.AddChapter("面向对象编程", "讲解了 中的类、对象、继承、多态等面向对象编程概念");javaCourse.DisplayCourseInfo();}
  }
  

3.2.2 聚合（Aggregation）

• 定义："has-a"关系，整体与部分可独立存在

• 特点：

  • 弱包含关系
  • 生命周期不绑定

• UML表示：空心菱形（整体端）+ 实线箭头，整体o-- 部分

• 示例：

  • 订单（Order）与订单项（OrderItem）是聚合关系，订单 “包含” 订单项，但订单项可以独立于订单存在（例如可以在库存管理中单独处理订单项）。
  • 生命周期不绑定：即使订单被删除，订单项对象本身仍然可以存在，它们只是不再被该订单关联而已。
  • 订单类通过维护一个订单项列表来管理多个订单项，这体现了整体（订单）与部分（订单项）之间的弱包含关系。

• 代码实现：

  using System;
  using System.Collections.Generic;// 订单项类
  public class OrderItem
  {public int ProductId { get; set; }public string ProductName { get; set; }public decimal Price { get; set; }public int Quantity { get; set; }public OrderItem(int productId, string productName, decimal price, int quantity){ProductId = productId;ProductName = productName;Price = price;Quantity = quantity;}
  }// 订单类
  public class Order 
  {public int OrderId { get; set; }public DateTime OrderDate { get; set; }public List<OrderItem> OrderItems { get; set; }public Order(int orderId, DateTime orderDate){OrderId = orderId;OrderDate = orderDate;OrderItems = new List<OrderItem>();}// 添加订单项public void AddOrderItem(OrderItem item){OrderItems.Add(item);}
  }public class Program
  {public static void Main(){// 创建订单Order order = new Order(1001, DateTime.Now);// 创建订单项OrderItem item1 = new OrderItem(201, "Laptop", 800.00m, 1);OrderItem item2 = new OrderItem(202, "Mouse", 20.00m, 2);// 将订单项添加到订单order.AddOrderItem(item1);order.AddOrderItem(item2);// 输出订单信息Console.WriteLine($"Order ID: {order.OrderId}");Console.WriteLine($"Order Date: {order.OrderDate}");Console.WriteLine("Order Items:");foreach (var item in order.OrderItems){Console.WriteLine($"Product ID: {item.ProductId}, Product Name: {item.ProductName}, Price: {item.Price}, Quantity: {item.Quantity}");}}
  }
  

3.3 关联和依赖

3.3.1 关联（Association）

• 定义：类之间的结构型关系，表示对象间的持久连接，可能有多重性和导航性

  重数性（Multiplicity）

  重数表示类之间的实例数量关系，可以用一个整数范围表示，如0..1、1..*等。

  例如，如果一个客户可以在商店中购买至少0个、最多1个产品，则可以将关联关系的重数设置为0..1。

  导航性 (navigability）

  可以通过一个类的实例访问与之关联的另一个类的实例。

  导航性可以通过在关联关系线上添加箭头表示。例如，如果ClassA可以导航到ClassB，则可以在关联关系线上添加一个从ClassA指向ClassB的箭头。

• UML表示：实线+箭头（- - >），可标注角色名和多重性

3.3.1.1 关联关系的分类

3.3.1.1.1 双向关联（无箭头或双箭头）

默认是双向的。

示例：在电商公司中，每个客户可以有多个订单，而每个订单都属于一个特定的客户。当客户创建新订单时，系统会自动将客户与订单关联起来。

• 代码

  public class Customer
  {public Guid Id { get; } = Guid.NewGuid();public string Name { get; set; }public List<Order> Orders { get; } = new List<Order>();  // 导航到订单
  }public class Order
  {public string OrderNumber { get; }public DateTime CreateTime { get; } = DateTime.Now;public Customer Owner { get; }  // 导航到客户public Order(Customer owner){OrderNumber = $"ORD-{DateTime.Now:yyyyMMddHHmmss}";Owner = owner;owner.Orders.Add(this);  // 双向关联建立}
  }// 使用示例
  var customer = new Customer { Name = "科技公司" };
  var order1 = new Order(customer);
  var order2 = new Order(customer);
  Console.WriteLine($"{customer.Name}的订单数：{customer.Orders.Count}");
  

• MerMiad示例

3.3.1.1.2 单向关联（单箭头）

类的关联关系也可以是单向的，单向关联用带箭头的实线表示。

在物流配送系统中，每个包裹可以有多个运输标签，用于指示包裹的目的地。

• 代码

  public class Package
  {public string TrackingNumber { get; } = Guid.NewGuid().ToString("N");public List<TransportLabel> Labels { get; } = new();  // 单向导航到运输标签
  }public class TransportLabel
  {public string Barcode { get; } = Guid.NewGuid().ToString("N").Substring(0, 12);public string Destination { get; set; }
  }// 使用示例
  var package = new Package();
  package.Labels.Add(new TransportLabel { Destination = "上海仓库" });
  package.Labels.Add(new TransportLabel { Destination = "北京分拨中心" });
  Console.WriteLine($"包裹跟踪号：{package.TrackingNumber}");
  

• MerMaid

3.3.1.1.3 限制关联

限定关联具有限定符

限定符的作用类似HashMap中的键（key），用于从一个集合中选择一个或多个对象。

例如，在一个企业资源规划（ERP）系统中，每个用户可以在不同的业务场景下具有不同的角色。

public class User {private Map<String, Role> roles;public Role getRole(String scenario){return roles.get(scenario);}
}
public class Role {
}

3.3.1.1.4 自关联和递归关联

• 自关联（Self-association）：表示一个类与自身相关联。

  例如，一个公司可以拥有多个子公司，而子公司也可以有自己的子公司。

  public class Node {private Node subNode;
  }
  

• 递归关联（Recursive association）：与自关联类似，但更强调关系的传递性。

  例如，一个文件夹可以包含多个子文件夹，子文件夹也可以包含其他子文件夹。

依赖关系 （Dependency)

• 概念：依赖则表示一个类在某种程度上依赖于另一个类的定义。

• 特点：

  1. 是一种使用关系，通常是短暂的，例如一个类的方法内部使用到另一个类。
  2. 侧重于描述一个类对另一个类的功能或服务的使用，而不涉及持有对方的实例或对象。
  3. 依赖关系通常是临时性的、相对不稳定的，并且依赖的方向是从依赖者指向被依赖者。

• UML表示：虚线箭头（… >），可标注角色名和多重

• 示例：

  using System;namespace DependencyExample
  {// EmailService 类，用于发送邮件public class EmailService{public void SendEmail(string to, string subject, string body){Console.WriteLine($"Sending email to {to}: {subject} - {body}");}}// Customer 类，依赖 EmailService 类来发送邮件public class Customer{public string Email { get; set; }// 在方法内部使用 EmailService 类，表现出依赖关系public void NotifyByEmail(string subject, string message){EmailService emailService = new EmailService();emailService.SendEmail(Email, subject, message);}}class Program{static void Main(string[] args){Customer customer = new Customer();customer.Email = "customer@example.com";// 调用 Customer 类的方法，触发对 EmailService 类的依赖customer.NotifyByEmail("Order Confirmation", "Your order has been confirmed.");}}
  }
  

  • MerMaid类图

3.4 类关系的深度解析

3.4.1 基础关系矩阵

关系类型	强度	生命周期	UML表示	代码特征	典型示例
依赖	★	临时	`…>` 虚线	方法参数/局部变量	`Order …> Payment`
关联	★★	独立	`- ->` 实线	成员变量持有引用	`Teacher --> Student`
聚合	★★★	部分独立	`- -` 空心菱形	外部传入部分对象	`Library o– Book`
组合	★★★★	依赖整体	`- -` 实心菱形	内部创建部分对象	`School *– Classroom`

3.4.2 关系判定三维度

• 生命周期耦合度

• 对象控制权

  • 强控制：组合（整体创建/销毁部分）
  • 弱控制：聚合（外部管理部分对象）
  • 无控制：关联（平等协作关系）

• 业务语义表现

  // 组合关系示例
  class Human {Heart heart = new Heart(); // 内部创建不可替换
  }// 聚合关系示例
  class Car {Tire[] tires; // 外部装配可更换
  }// 关联关系示例
  class Professor {List<Student> advisees; // 平等协作
  }
  

3.4.3 特殊关系辨析

• 聚合 vs 关联的灰度边界

  • 共性特征：均通过成员变量持有引用
  • 核心差异：

    1. [聚合] 隐含整体-部分语义（汽车-轮胎）
    2. [关联] 强调平等协作关系（学生-课程）
    

• 记忆决策树

  是否整体-部分关系？
  ├─ 是 → 部分能否独立存在？
  │   ├─ 能 → 聚合（空心菱形）
  │   └─ 否 → 组合（实心菱形）
  └─ 否 → 是否持久持有？├─ 是 → 关联（箭头实线）└─ 否 → 依赖（箭头虚线）
  

3.4.4 建模实践原则

1. 语义优先原则
   • 避免仅通过代码结构判断关系类型
   • 示例：即使同样使用成员变量，Professor-Student是关联，Car-Tire是聚合
2. 生命周期驱动设计
   • 组合关系应严格满足：整体.create(部分) && 整体.delete(部分)
   • 反例：使用组合表示可更换的汽车发动机将导致设计僵化
3. 模式适配策略
   • 聚合关系常对应：对象池模式、共享组件模式
   • 组合关系常对应：建造者模式、工厂方法模式

3.4.5 关系速查口诀

👐 依赖弱，参数传，工具用完不再看
🤝 关联弱，成员留，合作长久不停休
🚗 聚合中，外部传，轮胎汽车换自由
❤️ 组合强，内部有，人心同命共腐朽

4 注意事项

1. 保持简洁和清晰，避免过多的细节，不要过度设计关系
2. 正确表达关系和多重性。避免循环依赖，
3. 保持合理抽象层次，控制类关系的层级深度
4. 及时更新类图以反映系统的变化。
5. 保持类图与代码实现的一致性

5 应用建议

1. 优先使用组合/聚合代替继承（设计原则）
2. 接口实现增强系统扩展性
3. 合理控制关联关系的复杂度
4. 依赖关系常用于模块解耦