一文读懂 UML 建模：概念、图形与应用实例

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一文读懂 UML 建模：概念、图形与应用实例

UML 建模概述

UML 中的关系

UML 主要视图

UML 各类图详解

类图

用例图

顺序图

活动图

状态图

通信图

构件图

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在软件开发的世界里，UML 建模就像是建筑师手中的蓝图，帮助开发者清晰地规划和理解软件系统的结构与行为。今天，我们就来深入探讨 UML 建模，揭开它神秘的面纱。

UML 建模概述

UML，即统一建模语言（Unified Modeling Language），是面向对象软件的标准化建模语言。它由三个要素构成：基本构造块、规则和公共机制。UML 的词汇表包含事物、关系和图这三种构造块。事物是模型中具有代表性成分的抽象，比如类、接口等；关系用于把事物结合在一起，像依赖、关联等；图则聚集了相关事物，不同类型的图从不同角度展示系统。

UML 中的事物又分为结构事物、行为事物、分组事物和注释事物。以 Java 语言为例，结构事物中的类和接口，在 Java 编程中随处可见。定义一个 “动物” 类，它有 “奔跑”“进食” 等行为，这就体现了结构事物和行为事物。分组事物如包，能将相关的类组织在一起，便于管理，就像 Java 中不同功能的类会放在不同包下。注释事物用于解释说明模型元素，在代码中添加注释帮助理解代码含义。

UML 中的关系

UML 中有依赖、关联、泛化和实现这四种主要关系。依赖关系指一个事物变化会影响另一个事物，在 Java 中，一个类的方法使用了另一个类的对象作为参数，就是一种依赖关系。关联关系描述对象之间的连接，例如学生和课程之间的选课关系。聚合和组合是特殊的关联关系，聚合表示整体与部分的关系，部分可以脱离整体存在，如班级和学生；组合则是更强的聚合，部分不能脱离整体独立存在，像人体和心脏。泛化是特殊与一般的关系，子类可以替代父类，如 “猫” 类继承 “动物” 类，猫就具有动物的一些共性。实现关系主要用于描述接口和实现接口的类之间的关系，在 Java 中，一个类实现某个接口，必须实现接口中定义的方法。

UML 主要视图

UML 主要有结构视图和动态视图。结构视图展现系统的静态结构，包括类图等；动态视图展示系统的动态行为，像顺序图、活动图等。这些视图从不同方面帮助开发者理解系统，在设计一个电商系统时，结构视图能展示系统中各个类的结构和关系，如商品类、用户类等；动态视图则可以呈现用户购买商品的流程等动态行为。

UML 各类图详解

类图

类图是 UML 中最常见的图，展现了对象、接口、协作及其之间的关系，给出系统的静态设计类视图。在一个图书管理系统中，有 “图书” 类、“借阅记录” 类、“用户” 类等。“图书” 类有书名、作者等属性，以及 “借阅”“归还” 等方法。类图的考察方式主要有填类名、方法名、属性名，填多重度，填关系这三种。比如，“借阅记录” 类和 “图书” 类之间的多重度关系，可能是一个借阅记录对应一本图书，用 “1” 表示；也可能一个借阅记录对应零本或多本图书（比如批量借阅时），用 “0..*” 表示。在关系考察中，“图书” 类和 “计算机图书” 类是泛化关系，因为 “计算机图书” 是 “图书” 的一种特殊类型；“借阅记录列表” 和 “借阅记录” 是聚合关系，因为借阅记录列表由多个借阅记录组成。

用例图

用例图展现了用例、参与者以及它们之间的关系，关键在于有参与者，通常用小人表示。还是以图书管理系统为例，参与者可能有图书管理员、读者。用例有 “查询图书信息”“借阅图书”“归还图书” 等。用例之间存在扩展关系和包含关系，比如 “查询图书信息” 和 “借阅图书” 之间可能存在扩展关系，读者查询图书信息后，如果图书有库存，可能会进行借阅操作；“登记借阅信息” 和 “借阅图书” 是包含关系，借阅图书时必然要登记借阅信息。在考察时，可能会给出一段文字描述，让你判断用例之间的关系，这就需要牢记扩展（extend）和包含（include）的英文单词，因为答题时单词拼写错误是没分的。

顺序图

顺序图是强调消息时间序列的交互图，用于对系统的动态方面进行建模。在一个在线支付系统中，顺序图可以展示用户发起支付请求，系统验证用户信息，调用支付接口，支付成功后返回结果的过程。顺序图的执行流程是从上到下的，考察时通常会挖空消息内容，给出一段文字描述系统流程，要求你根据描述找出代表消息的名词，并对应到相应步骤。比如，在支付流程中，可能会挖空 “调用支付接口” 这一步的消息内容，你需要从文字描述中提取出相关信息进行填空。

活动图

活动图是特殊的状态图，展现系统内活动到另一个活动的过程，属于动态视图，对系统功能建模很重要，强调对象间的控制流程。在电商系统的订单处理流程中，活动图可以展示用户下订单后，根据不同情况进行分支处理，如用户选择支付方式、订单取消、支付成功后发货等过程。活动图一般包括活动状态、动作状态、转换和对象这几个部分，在对系统动态方面建模时，可以用于对工作流程或操作进行建模。

状态图

状态图由状态、转换、事件和活动组成，关注系统的动态视图，对接口、类协作的行为建模尤为重要，强调对象行为的事件顺序。以电梯控制系统为例，电梯有 “上升”“下降”“停止” 等状态，当接收到 “楼层请求” 事件时，会发生状态转换，从 “停止” 状态转换为 “上升” 或 “下降” 状态。状态图的特点很明显，有状态、触发事件和动作等元素，出现相关图形时很容易判断。

通信图

通信图强调收发消息的对象的组织结构，有路径和序号两大特点。在一个聊天系统中，通信图可以展示不同用户之间发送和接收消息的过程，将用户作为图的顶点，消息传递路径作为弧，用消息来修饰这些链，从而清晰地展示对象之间的交互关系。通过通信图，能在协助对象的组织结构语境中观察控制流的可视化轨迹。

构件图

构件图展示了一组构件之间的组织和依赖关系，专注于静态实现视图，通常会把构件映射为多个类、接口或协作。在一个大型软件项目中，可能有数据库访问构件、业务逻辑处理构件、界面展示构件等，构件图可以展示它们之间的依赖关系，比如界面展示构件依赖业务逻辑处理构件提供数据。在考察时，可能会让你根据构件图填写相关类，只要能识别出构件图并理清关系，这类题目并不难。

UML 建模在软件开发中起着至关重要的作用，不同类型的图从不同角度为开发者提供了系统的全面视图。希望通过这篇博客，大家能对 UML 建模有更深入的理解，在软件开发过程中更好地运用它。如果在学习过程中有任何疑问，欢迎在评论区留言交流。