面向对象设计主要使用UML的类图，它是一种图形化工具，用于描述系统中所包含的类以及它们之间的相互关系。类图有助于简化对系统的理解，是系统分析和设计阶段的重要产物，同时也为系统编码和测试提供了重要的模型依据。
一、UML类图简介
统一建模语言(UML)类图是一种用于描述系统结构的图形化工具。它以类和对象为基础，主要用于表示系统中的类、接口、继承关系、关联关系等元素，以及它们之间的静态结构和关系。本文将深入介绍UML类图的基本元素、关系类型以及如何创建一个简单而有效的类图。
类图的主要作用是对系统的词汇进行建模、对简单的协作进行建模和对逻辑数据库模式进行建模。它描述了软件系统的结构，是一种静态建模方法。类图用来描述系统中有意义的概念，包括具体的概念、抽象的概念、实现方面的概念等，是对现实世界中事物的抽象。类图的主要作用是对系统的词汇进行建模、对简单的协作进行建模和对逻辑数据库模式进行建模。类图显示集合的类，接口，关联，协作和约束，它也被称为作为结构图。
UML类图是在设计程序之前画的，而不是等写完程序再画！在Java中有接口，而在C++中没有接口，只有抽象类。
二、类的UML画法
可以使用工具Visio或者processon在线作图来绘制UML类图。以下是一个关于猎人类的类图示例：
```
+----------------+ +----------------+ +---------------------+ +-------------------+ +------------------------+
| Person | | Animal | | Hunt | | HuntResult | | Person |
+----------------+ +----------------+ +---------------------+ +-------------------+ +------------------------+
| name | | name | | purpose() | | result | | _name |
| age | | age | | (return type) | | (return type) | | _age |
| gender | | gender | | | | | | _gender |
| ... | | ... | | | | | | ... |
+----------------+ +----------------+ +---------------------+ +-------------------+ +------------------------+
```
在这个示例中，我们定义了一个名为Person的类，它与Animal类存在继承关系。Person类具有name、age、gender等属性以及purpose()和result()等操作方法。Hunt类表示猎杀行为，其目的是捕获动物。HuntResult类表示猎杀结果。通过这个类图，我们可以清晰地了解到系统中各个类之间的关系和属性。
类图如下：
```
+----------------+
| Hunter |
+----------------+
| -m_age: int |
| -m_times: static int|
| m_name: string |
+----------------+
| goHunting(): void |
+----------------+
| aim(): void |
| shoot(): void |
| saySorry(): void |
+----------------+
| getName(): string |
+----------------+
```
在UML类图中，可见性有以下几种：public、private、protected和default。其中，public表示当前类、当前包、子孙类和其他包；protected表示当前类、当前包和子孙类；default表示无，只有当前类和当前包可以访问。
方法名称后面的括号中包含参数名和参数类型，返回值类型用冒号表示。如果一个类中有纯虚函数，那么在画UML类图时，类名需要使用斜体显示，并且如果是纯虚函数则需要在最后给函数指定=0。
在UML中的关系是面向对象关系。继承关系指向子类，被指向方为父类；实现接口的实现关系指向实现类，被指向方为接口类；整体和部分关系指向整体类，被指向方为部分类；聚合整体和部分关系指向整体类，被指向方为部分类；关联是类与类之间的联结，将一个类的对象作为另一个类的属性；依赖是使用关系，指向方使用类，被指向方为被使用类。继承(泛化)关系有两种：普通继承关系和抽象继承关系。不论哪一种表示继承关系的线的样式是不变的。
```cpp
#include
using namespace std;
class Bird {
public:
string getName() {
return m_name;
}
void setName(string name) {
m_name = name;
}
virtual void fly() {}
virtual void eat() {}
protected: // 可以被子类继承
string m_name;
};
class Parrot : public Bird {
public:
void fly() override {
cout << "我拍打翅膀飞行..." << endl;
}
void eat() override {
cout << "我喜欢吃肉肉的小虫子..." << endl;
}
};
class Eagle : public Bird {
public:
void fly() override {
cout << "我展翅翱翔..." << endl;
}
void eat() override {
cout << "我喜欢吃小动物..." << endl;
}
};
```
```cpp
class Root { };
class Trunk { };
class Branch { };
class Leaf { };
class Tree {
public:
Tree() {
m_root = new Root;
m_trunk = new Trunk;
m_branch = new Branch;
m_leaf = new Leaf;
}
~Tree() {
delete m_root;
delete m_trunk;
delete m_branch;
delete m_leaf;
}
private:
Root* m_root;
Trunk* m_trunk;
Branch* m_branch;
Leaf* m_leaf;
};
```
```cpp
class Plant { // 植物 };
class Animal { // 动物 };
class Water { // 水 };
class Sunshine { // 阳光 };
// 森林类
class Forest {
public:
Forest(Plant p, Animal a, Water w, Sunshine s) : m_plant(p), m_animal(a), m_water(w), m_sun(s) {}
private:
Plant m_plant;
Animal m_animal;
Water m_water;
Sunshine m_sun;
};
```
在UML中，单向链表和双向链表的表示方法如下：
1. 单向链表：在UML类图中，单向链表通常使用带箭头的实线来表示。箭头从链表的头部指向尾部，表示节点之间的自关联关系。例如，对于双向链表节点类Node,其C++写法为：
```cpp
class Node {
private:
int m_data = 0;
Node* m_prev;
Node* m_next;
};
```
对应的UML类图应当是：
- 一般使用带箭头的实线来描述自关联关系，即我中有我，独角戏。
- 有些UML绘图软件表示类与类的关联关系时，使用的就是一条实线，没有箭头。
2. 双向链表：在UML中，双向链表同样使用带箭头的实线来表示。箭头从链表的头部指向尾部，表示节点之间的自关联关系。例如，对于双向链表节点类Node,其C++写法为：
```cpp
class Node {
private:
int m_data = 0;
Node* m_prev;
Node* m_next;
};
```
对应的UML类图应当是：
- 一般使用带箭头的实线来描述自关联关系，即我中有我，独角戏。
- 有些UML绘图软件表示类与类的关联关系时，使用的就是一条实线，没有箭头。
在创建UML类图时，我们需要考虑组合、聚合和关联这三种关系。以下是重构后的段落结构：
1. 组合关系：
在创建之后，创建的关系需要在组合对象销毁之前销毁。被组合对象不能脱离组合对象独立存在，而且也只能属于一个组合对象。实际应用中，这三种关系的界限划分其实没有那么清楚，有些时候我们会感觉组合和聚合没什么区别，所以，在设计的时候没必要死抠细节，只要能够利用对象之间的关系设计出可行的解决方案即可。如果同时有多个关系，只需画出最强的关系即可。
2. 聚合关系：
聚合关系与组合关系的区别主要在于语义上：关联的两个对象之间一般是平等的，而聚合则一般是不平等的。例如，人和自己的心脏属于组合关系，因为心脏不能脱离人体而独自存在；图书馆看书的时候，人和书属于聚合关系，因为书是可以独立存在的，而且书不仅可以属于自己，也可以属于别人；朋友之间属于关联关系，因为这种关系是平等的，关联关系只是用于表示两个对象之间的一种简单的联系而已。
3. 关联关系：
最后，再举例子来描述一下这三种关系：人和自己的心脏属于组合关系；图书馆看书的时候，人和书属于聚合关系；朋友之间属于关联关系。使用右上角的带三角折痕的矩形加虚线来表示注释。参考自：https://subingwen.cn/design-patterns/UML-class-diagrams/。注：仅供学习参考，如有不足，欢迎指正！
