面向对象设计与统一建模语言UML

面向对象设计

自从面向对象编程语言在软件开发中成为主流之后，遵循面向对象技术特点的软件设计工作，也一并发展了起来。

首先要提出一个问题，就是设计的工作是要做什么?

它包括的范围其实是很广泛的，从搜集用户需求，进行业务分析，到绘制系统流程图等。可以说，在动手编写代码之前，程序员要做的都属于设计工作。

就像建造房屋一样，先确定要造的房屋类型，然后是选址，设计样式。最后工程师带领施工队按照设计图纸将房子造出来。

而面向对象技术，因为其封装、继承、多态等特点，在对现实世界建模时，可以方便地以自然思维将事物抽象为计算机可处理的数据。关于面向对象技术的详细说明，可参看往期文章学好面向对象编程语言的关键，在于掌握它们的共通结构与特性 。

要做的事情清楚了，思维工具也有了，接下来就是如何将工作成果表述出来。一个相当有力的工具就是统一建模语言(Unified Modeling Language，简称UML)，下一节会对其进行入门级的介绍。

最后会以一个示例讲述在面向对象设计中，如何应用UML来完成建模工作。

UML概述

UML虽然也是一门“语言”，但它其实是一套图形化的符号系统。UML最主要的作用，就是在现实世界与程序代码之间建起一座桥梁。

这就是UML的“统一”所要求的，所以它的各种图形都有着严格的定义。包括形状、连接线的方向、方法与属性的标明等。

遵循统一标准的好处，就是方便了沟通。当设计的各个阶段的成果绘制成UML图保存下来时，那么无论是团队内部协作，还是对外交流，大家都省去了学习符号表示法的时间，可以直接掌握设计意图。

UML 2 定义了13种图形，我们可以了解一下，对于重要的图形，会给出图示。所有图形采用bouml工具绘制。

用例图：表示系统提供的功能和使用者之间的关系。

用例图

类图：表示类的规格和类之间的关系。

类图

对象图：表示实例之间的关系。

对象图

时序图：将实例之间的相互作用表示为时间序列。

时序图

活动图：表示一系列处理中的控制流程。

活动图

通信图：将实例之间的相互作用表示为组织结构。

通信图

状态机图：表示实例的状态变化。

状态机图

组件图：表示文件和数据库、进程和线程等软件的实现结构。

组件图

部署图：表示硬件、网络等系统的物理结构。

部署图

复合结构图：表示具有整体-部分结构的类的运行时结构。

包图：表示包之间的关系。

交互概览图：将根据不同条件执行不同动作的时序图放到活动图中进行表示。

定时图：采用带数字刻度的时间轴来表示实例之间的状态迁移和相互作用。

建模

什么是统一说了，用到的图形语言也说了，最后就得说一说怎么建模了。我们进行面向对象的设计工作，终归是要让计算机来帮助我们处理那些繁琐、重复性的工作。

那么，接下来我们就以一个租车业务为示例，使用UML工具进行设计过程吧。我们模仿实现一个线上租车应用，为了简化讨论，只提及最关键的几个功能点。

业务分析阶段

用户想要租一辆车开，第一步是要先挑选合适的车。例如是城市代步，还是郊游远行等。选好车之后，就是预约下单。用户办理好手续，将车开走使用，最后完成归还手续。

那么，对以上场景分析之后，可以通过活动图把整体流程画出来。

租车业务整体流程

需求定义阶段

从上述业务分析可知，这个线上租车系统可以承担的自动化工作，包括展示车辆信息，处理预订订单，车辆出库，跟踪车辆行驶情况，以及车辆归还入库这些功能。

使用用例图展示客户与服务提供商可以使用的功能。

租车业务功能用例

系统设计阶段

系统功能点梳理出来之后，就是对系统中的各个关键对象进行定义。车辆对象(Car)是基本单元，所有的租赁业务都要围绕它展开。接下来是汽车展示对象(ShowCar)，它可以从车辆对象取得可供展示的信息，例如车型、厂商、颜色等。

当用户选定车辆之后，就可以执行预订功能。租赁管理对象(RentServer)将会接受订单、收取押金和预付款。用户取车时RentServer则进行出库处理，并通知车辆跟踪对象(TraceCar)持续监控车辆运行情况。

用户使用完，归还车辆时，RentServer则从TraceCar查询车况，确认无误后则执行入库处理，退还用户押金。

据以上描述，我们可以先画出类图。

租车业务类图

从上图可以看到，Car作为系统的基本单元，被其他类聚合使用。关于聚合，这是一种整体与个体之间的关系，即has-a关系。而组合则要更高一级，是包含关系。例如汽车与发动机就是组合关系，因为离开了发动机，汽车就不可用了。

关联关系则比聚合还要弱一级，但需要注意的是，在程序代码中，关联与聚合的语法是一样的，它们的差异是存在于语义上的。这也是UML设计能比代码包含更多信息的优势。

类图表示的是类之间的静态关系，要看到对象实例之间的消息调用，则还要使用时序图。下面分步骤绘制，先看预订流程的时序图。

租车预订时序图

接下来是用户归还车辆的时序图。

归还车辆时序图

对象间的交互已经有了，接下来就是具体方法的实现过程。说明方法的执行过程，使用活动图比较适合。下面选取CheckOut方法，对其绘制活动图进行说明。