软件设计模式的七大核心原则包括单一职责原则、开闭原则、里氏替换原则、依赖倒置原则、接口隔离原则、迪米特法则和合成复用原则,这些原则构成了面向对象设计的基石。
参考原文:
设计模式——设计模式简介和七大原则
设计模式七大原则
单一职责原则(Single Responsibility Principle)
对类来说,即一个类应该只负责一项职责。对接口来说,接口设计要符合单一职责原则,粒度越小通用性就越好。
 
开闭原则(Open Close Principle)
对扩展开放,对修改关闭。
 
里氏代换原则(Liskov Substitution Principle)
只有当衍生类可替换掉基类,软件单位的功能不受到影响时,基类才能真正被复用,而衍生类也能够在基类的基础上增加新的行为。
 
依赖倒转原则(Dependence Inversion Principle)
这个是开闭原则的基础,对接口编程,依赖于抽象而不依赖于具体。
 
接口隔离原则(Interface Segregation Principle)
使用多个隔离的接口来降低耦合度。
 
迪米特法则(最少知道原则)(Demeter Principle)
一个实体应当尽量少的与其他实体之间发生相互作用,使得系统功能模块相对独立。
 
合成复用原则(Composite Reuse Principle)
原则是尽量使用合成/聚合的方式,而不是使用继承。继承实际上破坏了类的封装性,超类的方法可能会被子类修改。
 
单一职责原则(Single Responsibility Principle)
对类来说,即一个类应该只负责一项职责。对接口来说,接口设计要符合单一职责原则,粒度越小通用性就越好。
例如user表只负责存储用户相关的信息。如类A负责两个不同职责:职责1,职责2。当职责1需求变更而改变A时,可能造成职责2执行错误,所以需要将类A的粒度分解为A1,A2
注意事项和细节
案例:
方案1(违反单一原则),方法内条件判断,区分情景:
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   | public class SingleResponsibility1 {     public static void main(String[] args) {         Vehicle vehicle = new Vehicle();         vehicle.run("汽车");vehicle.run("轮船");vehicle.run("飞机");     } }  class Vehicle{     public void run(String type){         if ("汽车".equals(type)) {             System.out.println(type + "在公路上运行...");         } else if ("轮船".equals(type)) {             System.out.println(type + "在水面上运行...");         } else if ("飞机".equals(type)) {             System.out.println(type + "在天空上运行...");         }     } }
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方案2(单一职责):不同类,区分情景:
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   | public class SingleResponsibility2 {     public static void main(String[] args) {         RoadVehicle roadVehicle = new RoadVehicle();         roadVehicle.run("汽车");         WaterVehicle waterVehicle = new WaterVehicle();         waterVehicle.run("轮船");         AirVehicle airVehicle = new AirVehicle();         airVehicle.run("飞机");     } }
  class RoadVehicle{     public void run(String type){         System.out.println(type + "在公路上运行...");     } } class WaterVehicle{     public void run(String type){         System.out.println(type + "在水面上运行...");     } } class AirVehicle{     public void run(String type){         System.out.println(type + "在天空上运行...");     } }
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方案3(方法级别单一职责):不同方法,区分情景:
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   | public class SingleResponsibility3 {     public static void main(String[] args) {         Vehicle2 vehicle = new Vehicle2();         vehicle.run("汽车");         vehicle.runWater("轮船");         vehicle.runAir("飞机");     } }
  class Vehicle2{     public void run(String type){         System.out.println(type + "在公路上运行...");     }     public void runWater(String type){         System.out.println(type + "在水面上运行...");     }     public void runAir(String type){         System.out.println(type + "在天空上运行...");     } }
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接口隔离原则(Interface Segregation Principle)
客户端不应该依赖它不需要的接口,即一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。
接口隔离原则(Interface Segregation Principle,ISP)是SOLID中的一个设计原则,它定义为“客户端应该不被迫依赖于它不使用的方法”,即一个类不应该强制依赖它不需要的接口。
接口隔离原则的主要目标是将庞大而臃肿的接口拆分成更小、更具体的接口,以方便客户端根据需求选择其所需的特定接口。这样可以大幅度减少客户端对于不必要的接口的依赖,使系统更加灵活、可维护和易于扩展。
典型案例:当我们需要使用一个接口时,通常是需要实现该接口的所有方法,但是实际上可能只需要用到部分方法。如果这个接口包含很多方法,就会造成实现类的代码冗余和依赖性过强。
通过合理的接口拆分和组合,可以使得接口更加精简,提高代码的复用性和可拓展性。同时,也有利于提高代码的可维护性,降低代码修改时的风险和维护成本。
注意:接口是一种描述行为的抽象,而隔离的目的是为了让接口更好地描述抽象行为,而不是让接口的数量变得多而复杂。因此,我们需要在接口隔离时保持适度,并根据具体情况进行选择和拆分。
违法隔离的代码: 
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   | interface Interface1 {     void operation1();     void operation2();     void operation3();     void operation4();     void operation5(); }
  class B implements Interface1 {     @Override     public void operation1() {         System.out.println("B 实现了 operation1");     }      } class D implements Interface1 {     @Override     public void operation1() {         System.out.println("D 实现了 operation1");     }      }  
  class A {     public void depend1(Interface1 i) {         i.operation1();     }       public void depend2(Interface1 i) {         i.operation2();     }       public void depend3(Interface1 i) {         i.operation3();     } }  
  class C {     public void depend1(Interface1 i) {         i.operation1();     }       public void depend4(Interface1 i) {         i.operation4();     }       public void depend5(Interface1 i) {         i.operation5();     } }
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拆分接口后的代码:
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   | interface Interface1 {     void operation1(); }   interface Interface2 {     void operation2();     void operation3(); }   interface Interface3 {     void operation4();     void operation5(); }   class B implements Interface1, Interface2 {     @Override     public void operation1() {         System.out.println("B 实现了 operation1");     }     @Override     public void operation2() {         System.out.println("B 实现了 operation2");     }     @Override     public void operation3() {         System.out.println("B 实现了 operation3");     } }   class D implements Interface1, Interface3 {     @Override     public void operation1() {         System.out.println("D 实现了 operation1");     }     @Override     public void operation4() {         System.out.println("D 实现了 operation4");     }     @Override     public void operation5() {         System.out.println("D 实现了 operation5");     } }  
  class A {     public void depend1(Interface1 i) {         i.operation1();     }     public void depend2(Interface2 i) {         i.operation2();     }     public void depend3(Interface2 i) {         i.operation3();     } }  
  class C {     public void depend1(Interface1 i) {         i.operation1();     }     public void depend4(Interface3 i) {         i.operation4();     }     public void depend5(Interface3 i) {         i.operation5();     } }
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依赖倒转原则(Dependence Inversion Principle)
介绍
高层模块不应该依赖低层模块,二者都应该依赖其抽象(接口或抽象类)
 
抽象不应该依赖细节,细节应该依赖抽象
 
依赖倒转(倒置)的中心思想是面向接口编程
 
依赖倒转原则是基于这样的设计理念:相对于细节的多变性,抽象的东西要稳定的多。以抽象为基础搭建的架构比以细节为基础的架构要稳定的多。在java中,抽象指的是接口或抽象类,细节就是具体的实现类
 
使用接口或抽象类的目的是制定好规范,而不涉及任何具体的操作,把展现细节的任务交给他们的实现类去完成
 
多态是实现依赖倒转原则的方法之一。
 
案例:用户类接收邮件、微信等信息。
违反依赖倒转:引用具体而非抽象
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  class Email {     public String getInfo() {         return "电子邮件信息:Hello World!";     } } class Person {     public void receive(Email email) {         System.out.println(email.getInfo());     } }
 
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改进:多态的方式引用抽象
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   | interface IReceiver {     String getInfo(); } class Email implements IReceiver {     @Override     public String getInfo() {         return "电子邮件信息:Hello World!";     } } class Weixin implements IReceiver {     @Override     public String getInfo() {         return "微信消息:Hello World!";     } } class ShortMessage implements IReceiver {     @Override     public String getInfo() {         return "短信信息:Hello World!";     } }   class Person {     public void receive(IReceiver receiver) {         System.out.println(receiver.getInfo());     } }
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依赖关系传递的三种方式
开关电视的案例: 
接口传递:ITV接口是IOpenAndClose接口的普通方法参数
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   |  interface IOpenAndClose {     void open(ITV tv);     }
  interface ITV {     void play(); }
  class OpenAndClose implements IOpenAndClose {     public void open(ITV tv){         tv.play();     } }
 
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构造方法传递: ITV接口是OpenAndClose类的成员变量和构造方法参数 
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   |  interface IOpenAndClose {     void open(); }
  interface ITV {     public void play(); }
  class OpenAndClose implements IOpenAndClose {     private ITV tv;                      public OpenAndClose(ITV tv){              this.tv = tv;     }     public void open(){         this.tv.play();     } }
 
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setter 方式传递:ITV接口是OpenAndClose类的成员变量和setter方法参数
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   | interface IOpenAndClose {     void open();     void setTv(ITV tv); }
  interface ITV {     void play(); }
  class OpenAndClose implements IOpenAndClose {     private ITV tv;     public void setTv(ITV tv){         this.tv = tv;     }     public void open(){         this.tv.play();     } }
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里氏替换原则(Liskov Substitution Principle)
面对对象OO 中继承性的思考和说明
继承包含这样一层含义:父类中凡是已经实现好的方法,实际上是在设定规范和契约,虽然它不强制要求所有的子类必须遵循这些契约,但是如果子类对这些已经实现的方法任意修改,就会对整个继承体系造成破坏
 
继承在给程序设计带来便利的同时,也带来了弊端。比如使用继承会给程序带来侵入性,程序的可移植性降低,增加对象间的耦合性,如果一个类被其他的类所继承,则当这个类需要修改时,必须考虑到所有的子类,并且父类修改后,所有涉及到子类的功能都有可能产生故障
 
问题提出:在编程中,如何正确使用继承?=>里氏替换原则
 
基本介绍
在1988年,由麻省理工学院的以为姓里的女士提出
 
父类型对象替换成子类型对象后功能未变:如果对每个类型为 T1 的对象 o1,都有类型为 T2 的对象 o2,使得以 T1 定义的所有程序 P 在所有的对象 o1 都代换成 o2 时,程序 P 的行为没有发生变化,那么类型 T2 是类型 T1 的子类型。换句话说,所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象
 
在使用继承时,遵循里氏替换原则,在子类中尽量不要重写父类的方法
 
里氏替换原则告诉我们,继承实际上让两个类耦合性增强了,在适当的情况下,可以通过聚合、组合、依赖来解决问题
 
案例:
传统方案:子类把父类的减方法重写为加方法:整个继承体系的复用性会比较差。
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   | public void test() {     A a = new A();     System.out.println("11-3=" + a.func1(11, 3));     System.out.println("1-8=" + a.func1(1, 8));     System.out.println("---------------------");       B b = new B();     System.out.println("11-3=" + b.func1(11, 3));     System.out.println("1-8=" + b.func1(1, 8));     System.out.println("11+3+9=" + b.func2(11, 3)); } class A {          public int func1(int num1, int num2) {         return num1 - num2;     } } class B extends A {     @Override     public int func1(int num1, int num2) {         return num1 + num2;     }            public int func2(int num1, int num2) {         return func1(num1, num2) + 9;     } }
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改进方案:原来的父类和子类都继承一个更通俗的基类,原有的继承关系去掉,采用依赖、聚合、组合等关系代替
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   |  class Base {      } class A extends Base {          public int func1(int num1, int num2) {         return num1 - num2;     } } class B extends Base {          private A a;     public int func1(int num1, int num2) {         return num1 + num2;     }          public int func2(int num1, int num2) {         return func1(num1, num2) + 9;     }     public int func3(int num1, int num2) {         return this.a.func1(num1, num2);     } }
 
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开闭原则(Open Closed Principle)
开:对扩展开放。
闭: 对修改关闭。
开闭原则是编程中最基础、最重要的设计原则
 
一个软件实体如类、模块和函数应该对扩展开放(对提供者而言),对修改关闭(对使用者而言)。用抽象构建框架,用实现扩展细节。增加了新功能后,原来使用的代码并没有做更改。
 
当软件需要变化时,尽量通过扩展软件实体的行为来实现变化,而不是通过修改已有的代码来实现变化。
 
编程中遵循其它原则,以及使用设计模式的目的就是遵循开闭原则
 
方案一:传统方案,一个画图形的功能:
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   | class GraphicEditor {     public void drawShape(Shape s) {         if (s.m_type == 1) {             drawRectangle(s);         } else if (s.m_type == 2) {             drawCircle(s);         } else if (s.m_type == 3) {             drawTriangle(s);         }     }     public void drawRectangle(Shape r) {         System.out.println("矩形");     }     public void drawCircle(Shape r) {         System.out.println("圆形");     }     public void drawTriangle(Shape r) {         System.out.println("三角形");     } }   class Shape {     public int m_type; } class RectangleShape extends Shape {     RectangleShape() {         m_type = 1;     } } class CircleShape extends Shape {     CircleShape() {         m_type = 2;     } } class TriangleShape extends Shape {     TriangleShape() {         m_type = 3;     } }
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方式 1 的优缺点
方式 1 的改进的思路分析
把创建 Shape 类做成抽象类,并提供一个抽象的 draw 方法,让子类去实现即可
这样我们有新的图形种类时,只需要让新的图形类继承 Shape,并实现 draw 方法即可
使用方的代码就不需要修改,满足了开闭原则
方式 2 开闭原则:画图功能设为基类的抽象方法,新增实现类只需要继承基类并实现画图的抽象方法即可。
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   | class GraphicEditor {     public void drawShape(Shape s) {         s.draw();     } } abstract class Shape {     int m_type;     public abstract void draw(); } class RectangleShape extends Shape {     RectangleShape() {         m_type = 1;     }     @Override     public void draw() {         System.out.println("矩形");     } } class CircleShape extends Shape {     CircleShape() {         m_type = 2;     }       @Override     public void draw() {         System.out.println("圆形");     } } class TriangleShape extends Shape {     TriangleShape() {         m_type = 3;     }     @Override     public void draw() {         System.out.println("三角形");     } }
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迪米特法则(Demeter Principle)
基本介绍
一个对象应该对其他对象保持最少的了解
 
类与类关系越密切,耦合度越大
 
迪米特法则又叫最少知道原则,即一个类对自己依赖的类知道的越少越好。也就是说,对于被依赖的类不管多么复杂,都尽量将逻辑封装在类的内部。对外除了提供的 public 方法,不对外泄露任何信息
 
迪米特法则还有个更简单的定义:只与直接的朋友通信
 
直接的朋友:每个对象都会与其他对象有耦合关系,只要两个对象之间有耦合关系,我们就说这两个对象之间是朋友关系。耦合的方式很多:依赖、关联、组合、聚合等。其中,我们称出现成员变量,方法参数,方法返回值中的类为直接的朋友,而出现在局部变量中的类不是直接的朋友。也就是说,陌生的类最好不要以局部变量的形式出现在类的内部。
 
注意事项和细节
- 主要A类里存在方法里B类是直接朋友,那么A类所有方法局部变量出现的B类都是直接朋友。
 
- 迪米特法则的核心是降低类之间的耦合
 
- 注意:由于每个类都减少了不必要的依赖,因此迪米特法则只是要求降低类间(对象间)耦合关系,并不是要求完全没有依赖关系
 
传统方案:有一个学校,下属有各个学院和总部,现要求打印出学校总部员工 ID 和学院员工的 id
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   |  class Employee {     private String id;     public String getId() {         return id;     }     public void setId(String id) {         this.id = id;     } }
  class CollegeEmployee {     private String id;     public String getId() {         return id;     }     public void setId(String id) {         this.id = id;     } }
  class CollegeManager {     public List<CollegeEmployee> getAllEmployee() {         List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<>();                     CollegeEmployee collegeEmployee;                                 for (int i = 0; i < 10; i++) {             collegeEmployee = new CollegeEmployee();             collegeEmployee.setId("学院员工id=" + i);             list.add(collegeEmployee);         }         return list;     } }
  class SchoolManager {     public List<Employee> getAllEmployee() {                  List<Employee> list = new ArrayList<>();                         Employee employee;                                                 for (int i = 0; i < 5; i++) {             employee = new Employee();             employee.setId("总部员工id=" + i);             list.add(employee);         }         return list;     }     public void printAllEmployee(CollegeManager sub) {         System.out.println("--------------学院员工--------------");         List<CollegeEmployee> list1 = sub.getAllEmployee();                 for (CollegeEmployee collegeEmployee : list1) {             System.out.println(collegeEmployee.getId());         }         System.out.println("---------------总部员工-------------");         List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();         for (Employee employee : list2) {             System.out.println(employee.getId());         }     } }
 
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应用实例改进
前面设计的问题在于 SchoolManager 中,CollegeEmployee 类并不是 SchoolManager 类的直接朋友(分析)
 
按照迪米特法则,应该避免类中出现这样非直接朋友关系的耦合
 
对代码按照迪米特法则进行改进,将局部对象变量封装进参数里。
 
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   |  class CollegeManager {     public List<CollegeEmployee> getAllEmployee() {         List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<>();                     CollegeEmployee collegeEmployee;                                 for (int i = 0; i < 10; i++) {             collegeEmployee = new CollegeEmployee();             collegeEmployee.setId("学院员工id=" + i);             list.add(collegeEmployee);         }         return list;     }          public void printEmployee(){         System.out.println("--------------学院员工--------------");                   List<CollegeEmployee> list1 = getAllEmployee();            for (CollegeEmployee collegeEmployee : list1) {             System.out.println(collegeEmployee.getId());         }             }     }
  class SchoolManager {     public List<Employee> getAllEmployee() {                  List<Employee> list = new ArrayList<>();                     Employee employee;                                             for (int i = 0; i < 5; i++) {             employee = new Employee();             employee.setId("总部员工id=" + i);             list.add(employee);         }         return list;     }       public void printAllEmployee(CollegeManager sub) {         sub.printEmployee();                                         System.out.println("---------------总部员工-------------");         List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();         for (Employee employee : list2) {             System.out.println(employee.getId());         }     } }
 
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合成复用原则(Composite Reuse Principle)
基本介绍
原则是尽量使用合成/聚合的方式,而不是使用继承。也就是把需要用到的类作为本类的参数、成员变量、局部变量。
- 依赖(Dependency):指的是一个对象使用另一个对象的情况。通常是在一个对象的方法中传入另一个对象作为参数,或者在方法中创建另一个对象的实例。依赖关系是一种“短暂”的引用关系,一旦不再需要依赖对象就可以释放掉。
 
- 合成(Composition):指的是两个或多个对象之间一种包含与被包含的关系。其中包含对象是整体,被包含对象是零部件,它们的生命周期是一致的,无法单独存在。例如,一辆汽车是由发动机、车轮、底盘等组成的,这些组成部分与它们组合成的整体汽车具有相同的生命周期。当整体消亡时,所有零部件也随之消亡。
 
- 聚合(Aggregation):指的是两个或多个对象之间一种包含与被包含的关系,被包含对象可以存在于多个包含对象之间。在聚合关系中,被包含对象可以独立于包含对象存在,生命周期也不一定相同。例如,大学是由系部、学院、图书馆等组成的,这些部分可以独立存在,而且它们也可以属于不同的大学。即使整个大学消亡,它们仍然可以存在。
 
总之,依赖、合成和聚合是面向对象编程中描述对象关系的重要概念,它们有助于设计和实现具有良好扩展性和可维护性的应用程序。
案例
B类想用A类方法,如果直接继承,那么耦合性会提高,之后A类修改后B类也得跟着修改。
解决办法:
- 把A类作为B类普通方法的形参;
 
- 把A类作为B类成员变量,用setter方法
 
- B类的普通方法里创建A类的对象;
 
其他原则
DRY原则
DRY原则(Don’t Repeat Yourself):即不要写重复的代码。
代码重复的三种情况:
实现逻辑重复:多段代码实现了相同的逻辑。例如有两个方法,虽然变量名和方法名不一样,但实际逻辑一模一样。
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   | public void addUserToDatabase(User user) {     if (user != null && user.isValid()) {         database.save(user);     } } public void addAdminToDatabase(User admin) {     if (admin != null && admin.isValid()) {         database.save(admin);     } }
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功能语意重复:多段代码实现了相同的功能。例如有两个方法,一个是遍历集合,一个是stream流遍历集合,只是表现形式不一样,实际功能医院。
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   |  public int calculateTotal(int[] numbers) {     int sum = 0;     for (int number : numbers) {         sum += number;     }     return sum; }  public int calculateSum(int[] numbers) {     return Arrays.stream(numbers).sum(); }
 
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代码执行重复:多处地方调用了相同的多段代码。例如完全不抽取方法,一个service方法几千行,很多重复的代码没抽取方法。 
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   | public void processOrder() {     log.info("Order started");          log.info("Order started"); }
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解决方案:
- 三层架构:开发过程中,我们把后端服务器Servlet拆分成三层,分别是web、service和dao,这也是程序员常提到的“Java味”
 
- 模块化:将项目按业务分成相互隔离的多模块,然后抽取出一个common模块让其他模块调用,降低耦合;
 
- 满足单一职责:即一个类应该只负责一项职责、一个接口只实现一个功能。
 
- 封装继承多态:抽取公用代码为新方法、使用继承的方式替代重复成员变量、方法的编写。
 
- 模板等设计模式:将通用逻辑抽取成新方法。
 
UML类图:统一建模语言
- UML—-Unified modeling language UML(统一建模语言),是一种用于软件系统分析和设计的语言工具,它用于帮助软件开发人员进行思考和记录思路的结果
 
- UML 本身是一套符号的规定,就像数学符号和化学符号一样,这些符号用于描述软件模型中的各个元素和他们之间的关系,比如类、接口、实现、泛化、依赖、组合、聚合等
 
- 使用 UML 来建模,常用的工具有 Rational Rose,也可以使用一些插件来建模
 
UML 类图
依赖(dependence)
只要是在类中用到了对方,那么他们之间就存在依赖关系。如果没有对方,连编译都通过不了。A用到B,那么A依赖B,即A——->B。
类中用到了对方
 
类的成员属性
 
方法的返回类型
 
方法接收的参数类型
 
方法中使用到 
 
泛化(Generalization)
泛化关系实际上就是继承关系,它是依赖关系的特例。A继承B,那么A➞B。
关联(Association)
关联关系实际上就是类与类之间的联系,它是依赖关系的特例
关联具有导航性:即双向关系或单向关系
关系具有多重性:如“1”(表示有且仅有一个),“0…”(表示0个或者多个),“0,1”(表示0个或者一个),“n…m”(表示n到m个都可以),“m…*”(表示至少m个)
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   |  public class Person {     private IDCard card; } public class IDCard {}
 
  public class Person {     private IDCard card; } public class IDCard {     private Person person; }
 
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聚合(Aggregation)
聚合关系表示的是整体和部分的关系,整体与部分可以分开。聚合关系是关联关系的特例,所以它具有关联的导航性与多重性
B是A的未实例化成员变量,则B—◇A
如:一台电脑由键盘(keyboard)、显示器(monitor),鼠标等组成;组成电脑的各个配件是可以从电脑上分离出来的,使用带空心菱形的实线来表示:Mouse—◇Computer,Monitor—◇Computer
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   | public class Mouse {} public class Monitor {} public class Computer {     private Mouse mouse;     private Monitor monitor;     public void setMouse(Mouse mouse) {         this.mouse = mouse;     }     public void setMonitor(Monitor monitor) {         this.monitor = monitor;     } }
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组合(Composition)
组合关系也是整体与部分的关系,但是整体与部分不可以分开
B是A的实例化成员变量,则B<—◇A
如果我们认为 Mouse、Monitor 和 Computer 是不可分离的,则升级为组合关系
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   | public class Mouse {} public class Monitor {} public class Computer {     private Mouse mouse = new Mouse();     private Monitor monitor = new Monitor(); }
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再看一个案例,在程序中我们定义实体:Person 与 IDCard、Head,那么 Head 和 Person 就是组合,IDCard 和 Person 就是聚合
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   | public class IDCard{} public class Head{} public class Person{     private IDCard card;     private Head head = new Head(); }
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