面向對象設計

自從面向對象編程語言在軟件開發中成為主流之后，遵循面向對象技術特點的軟件設計工作，也一并發展了起來。

首先要提出一個問題，就是設計的工作是要做什么？

它包括的范圍其實是很廣泛的，從搜集用戶需求，進行業務分析，到繪制系統流程圖等。可以說，在動手編寫代碼之前，程序員要做的都屬于設計工作。

就像建造房屋一樣，先確定要造的房屋類型，然后是選址，設計樣式。最后工程師帶領施工隊按照設計圖紙將房子造出來。

而面向對象技術，因為其封裝、繼承、多態等特點，在對現實世界建模時，可以方便地以自然思維將事物抽象為計算機可處理的數據。關于面向對象技術的詳細說明，可參看往期文章學好面向對象編程語言的關鍵，在于掌握它們的共通結構與特性 。

要做的事情清楚了，思維工具也有了，接下來就是如何將工作成果表述出來。一個相當有力的工具就是統一建模語言（Unified Modeling Language，簡稱UML），下一節會對其進行入門級的介紹。

最后會以一個示例講述在面向對象設計中，如何應用UML來完成建模工作。

UML概述

UML雖然也是一門“語言”，但它其實是一套圖形化的符號系統。UML最主要的作用，就是在現實世界與程序代碼之間建起一座橋梁。

這就是UML的“統一”所要求的，所以它的各種圖形都有著嚴格的定義。包括形狀、連接線的方向、方法與屬性的標明等。

遵循統一標準的好處，就是方便了溝通。當設計的各個階段的成果繪制成UML圖保存下來時，那么無論是團隊內部協作，還是對外交流，大家都省去了學習符號表示法的時間，可以直接掌握設計意圖。

UML 2 定義了13種圖形，我們可以了解一下，對于重要的圖形，會給出圖示。所有圖形采用bouml工具繪制。

用例圖：表示系統提供的功能和使用者之間的關系。

用例圖

類圖：表示類的規格和類之間的關系。

類圖

對象圖：表示實例之間的關系。

對象圖

時序圖：將實例之間的相互作用表示為時間序列。

時序圖

活動圖：表示一系列處理中的控制流程。

活動圖

通信圖：將實例之間的相互作用表示為組織結構。

通信圖

狀態機圖：表示實例的狀態變化。

狀態機圖

組件圖：表示文件和數據庫、進程和線程等軟件的實現結構。

組件圖

部署圖：表示硬件、網絡等系統的物理結構。

部署圖

復合結構圖：表示具有整體-部分結構的類的運行時結構。

包圖：表示包之間的關系。

交互概覽圖：將根據不同條件執行不同動作的時序圖放到活動圖中進行表示。

定時圖：采用帶數字刻度的時間軸來表示實例之間的狀態遷移和相互作用。

建模

什么是統一說了，用到的圖形語言也說了，最后就得說一說怎么建模了。我們進行面向對象的設計工作，終歸是要讓計算機來幫助我們處理那些繁瑣、重復性的工作。

那么，接下來我們就以一個租車業務為示例，使用UML工具進行設計過程吧。我們模仿實現一個線上租車應用，為了簡化討論，只提及最關鍵的幾個功能點。

業務分析階段

用戶想要租一輛車開，第一步是要先挑選合適的車。例如是城市代步，還是郊游遠行等。選好車之后，就是預約下單。用戶辦理好手續，將車開走使用，最后完成歸還手續。

那么，對以上場景分析之后，可以通過活動圖把整體流程畫出來。

租車業務整體流程

需求定義階段

從上述業務分析可知，這個線上租車系統可以承擔的自動化工作，包括展示車輛信息，處理預訂訂單，車輛出庫，跟蹤車輛行駛情況，以及車輛歸還入庫這些功能。

使用用例圖展示客戶與服務提供商可以使用的功能。

租車業務功能用例

系統設計階段

系統功能點梳理出來之后，就是對系統中的各個關鍵對象進行定義。車輛對象（Car）是基本單元，所有的租賃業務都要圍繞它展開。接下來是汽車展示對象（ShowCar），它可以從車輛對象取得可供展示的信息，例如車型、廠商、顏色等。

當用戶選定車輛之后，就可以執行預訂功能。租賃管理對象（RentServer）將會接受訂單、收取押金和預付款。用戶取車時RentServer則進行出庫處理，并通知車輛跟蹤對象（TraceCar）持續監控車輛運行情況。

用戶使用完，歸還車輛時，RentServer則從TraceCar查詢車況，確認無誤后則執行入庫處理，退還用戶押金。

據以上描述，我們可以先畫出類圖。

租車業務類圖

從上圖可以看到，Car作為系統的基本單元，被其他類聚合使用。關于聚合，這是一種整體與個體之間的關系，即has-a關系。而組合則要更高一級，是包含關系。例如汽車與發動機就是組合關系，因為離開了發動機，汽車就不可用了。

關聯關系則比聚合還要弱一級，但需要注意的是，在程序代碼中，關聯與聚合的語法是一樣的，它們的差異是存在于語義上的。這也是UML設計能比代碼包含更多信息的優勢。

類圖表示的是類之間的靜態關系，要看到對象實例之間的消息調用，則還要使用時序圖。下面分步驟繪制，先看預訂流程的時序圖。

租車預訂時序圖

接下來是用戶歸還車輛的時序圖。

歸還車輛時序圖

對象間的交互已經有了，接下來就是具體方法的實現過程。說明方法的執行過程，使用活動圖比較適合。下面選取CheckOut方法，對其繪制活動圖進行說明。

CheckOut流程活動圖

至于其他功能，有興趣的同學們可以自行繪制。實際項目所產出的UML設計，則會復雜得多，但只要掌握好面向對象設計的理念，以及UML工具的圖形細節，那么無論是閱讀既有設計，還是自己通過繪圖表達設計想法，都能夠做到得心應手。