软件设计师知识点总结：面向对象技术（面向对象基础+UML）

[一. 面向对象基础](#一. 面向对象基础)

[1.1 面向对象基本概念](#1.1 面向对象基本概念)

[1.1.1 对象](#1.1.1 对象)

[1.1.2 消息](#1.1.2 消息)

[1.1.3 类](#1.1.3 类)

[1.1.4 继承](#1.1.4 继承)

[1.1.5 多态](#1.1.5 多态)

[1.1.6 覆盖（重写）](#1.1.6 覆盖（重写）)

[1.1.7 函数重载](#1.1.7 函数重载)

[1.1.8 封装](#1.1.8 封装)

[1.1.9 类型与绑定](#1.1.9 类型与绑定)

[1.2 面向对象分析、设计与测试](#1.2 面向对象分析、设计与测试)

[1.2.1 面向对象分析（OOA）](#1.2.1 面向对象分析（OOA）)

[1.2.2 面向对象设计（OOD）](#1.2.2 面向对象设计（OOD）)

[1.2.3 面向对象程序设计（OOP）](#1.2.3 面向对象程序设计（OOP）)

[1.2.4 面向对象测试（OOT）](#1.2.4 面向对象测试（OOT）)

[1.3 面向对象设计原则](#1.3 面向对象设计原则)

[二. UML（统一建模语言）](#二. UML（统一建模语言）)

[2.1 UML 三要素](#2.1 UML 三要素)

[2.2 UML 的基本构造块](#2.2 UML 的基本构造块)

[2.2.1 事物（模型的核心成分）](#2.2.1 事物（模型的核心成分）)

[2.2.2 关系（连接事物的纽带）](#2.2.2 关系（连接事物的纽带）)

补充：

[2.3 图（聚集相关事物的可视化载体）](#2.3 图（聚集相关事物的可视化载体）)

[2.3.1 类图（静态图）](#2.3.1 类图（静态图）)

[2.3.2 对象图（静态图）](#2.3.2 对象图（静态图）)

[2.3.3 用例图（静态图）](#2.3.3 用例图（静态图）)

[2.3.4 序列图（动态图，又称顺序图）](#2.3.4 序列图（动态图，又称顺序图）)

[2.3.5 通信图（动态图，又称协作图）](#2.3.5 通信图（动态图，又称协作图）)

[2.3.6 状态图（动态图）](#2.3.6 状态图（动态图）)

[2.3.7 活动图（动态图）](#2.3.7 活动图（动态图）)

[2.3.8 构件图（静态图，又称组件图）](#2.3.8 构件图（静态图，又称组件图）)

[2.3.9 部署图（静态图）](#2.3.9 部署图（静态图）)

[2.4 总结](#2.4 总结)

一. 面向对象基础

1.1 面向对象基本概念

1.1.1 对象

定义：基本的运行实体，为类的实例，封装了数据和行为的整体（如学生、汽车等真实存在的实体）。
特性：具有清晰的边界、良好定义的行为和可扩展性。

1.1.2 消息

定义：对象之间进行通信的一种构造，是对象交互的媒介，用于触发对象的行为。

1.1.3 类

定义：是对象的抽象，定义了一组大体相似的对象结构，包含数据（属性，状态，成员变量）和行为（方法，函数，成员函数）。
分类：
- 实体类：用于对必须存储的信息和相关行为建模的类，是需要长久保存且一直存在的类（如 "用户""订单" 类）。
- 边界类：系统内部与系统外部的业务主角之间进行交互建模的类（如 "登录界面""支付接口" 类）。
- 控制类：用于对一个或几个用例所特有的控制行为进行建模，在用例执行过程中被动出现的特定行为的类（如 "订单处理""权限验证" 类）。

1.1.4 继承

定义：父类（基类、超类）和子类（派生类）之间共享数据和方法的机制（子类拥有父类全部非私有化的属性和方法），是类之间的一种核心关系。
作用：减少代码冗余，实现代码复用，支持多态的基础。

1.1.5 多态

定义：不同的对象收到同一个消息时产生完全不同的反应。
分类：
- 参数多态：不同类型参数对应多种结构类型。
- 包含多态：基于父子类型关系（如子类重写父类方法）。
- 过载多态：类似于函数重载，一个名字对应不同含义（同一方法名不同参数列表）。
- 强制多态：通过强制类型转换实现（如将 int 类型强制转换为 double 类型）。
支撑机制：多态由继承机制支持，利用类的继承的层次关系，结合动态绑定实现。

1.1.6 覆盖（重写）

定义：子类在原有父类接口的基础上，用适合于自己要求的实现去置换父类中的相应实现。
规则：在子类中重定义一个与父类同名、同参数列表、同返回值类型的方法。

1.1.7 函数重载

定义：与覆盖区分，函数重载与子类、父类无关，指同一类中定义多个同名但参数列表不同的方法（参数个数、类型或顺序不同）。

1.1.8 封装

定义：一种信息隐蔽技术，目的是使对象的使用者和生产者分离，开发者无需了解组件内部工作机制，只需知道如何使用（通过公开接口）。
作用：提高代码安全性、可维护性，降低耦合度。

1.1.9 类型与绑定

静态类型：一个对象的类型在编译时就确定。
动态类型：对象类型在运行时才能确定。
静态绑定（静态分配）：基于静态类型，在程序执行前（编译时）方法已被绑定（如静态方法、私有方法的调用）。
动态绑定：基于动态类型，运行时根据变量实际引用的对象类型决定调用哪个方法，是多态的核心实现方式。

1.2 面向对象分析、设计与测试

1.2.1 面向对象分析（OOA）

目标：确定问题域，理解问题需求。
核心活动（五步法）：
1. 认定对象：按自然存在的实体确定对象（如 "图书馆管理系统" 中的 "图书""读者" 对象）。
2. 组织对象：分析对象间的关系，抽象成类（如 "图书" 和 "期刊" 抽象为 "出版物" 类）。
3. 对象间的相互作用：描述各对象在应用系统中的交互关系（如 "读者" 借阅 "图书" 的交互）。
4. 确定对象的操作：定义对象的行为（如 "图书" 的 "借出""归还" 操作）。
5. 定义对象的内部信息：确定对象的属性（如 "图书" 的 "ISBN 号""书名""作者" 属性）。

1.2.2 面向对象设计（OOD）

目标：设计分析模型，实现相应源代码，制定问题域的解决方案。
核心任务：确定类的结构、接口设计、对象交互流程设计、数据存储设计等。
活动：

1.2.3 面向对象程序设计（OOP）

目标：用面向对象程序设计语言（如 Java、C++）实现设计方案，编写可执行代码。
核心工作：类的实现、对象的创建与交互、继承与多态的代码实现。

1.2.4 面向对象测试（OOT）

特点：与普通测试步骤一致，但测试对象聚焦于类、对象及交互关系。
测试层次（从低到高）：
1. 算法层：测试类中定义的每个方法，类似单元测试（如测试 "计算器" 类的 "加法""减法" 方法）。
2. 类层：测试同一个类中所有方法与属性的相互作用，是面向对象特有的模块测试（如测试 "订单" 类中 "计算总价""添加商品" 方法的协同）。
3. 模板层：测试一组协同工作的类之间的相互作用，类似集成测试（如测试 "购物车""商品""用户" 类的交互）。
4. 系统层：类似系统测试，验证整个系统是否满足需求（如测试 "电商系统" 的下单、支付、物流全流程）。

1.3 面向对象设计原则

二. UML（统一建模语言）

UML 是统一建模语言，与程序设计语言无关，用于可视化描述面向对象系统的结构与行为。

2.1 UML 三要素

UML 的基本构造块 ：构成模型的核心元素（事物、关系、图）。
支配构造块的规则：构造块的放置、组合规则（如类图中关联关系的表示规则）。
公共机制：贯穿整个语言的通用特性（如注释、约束、命名规则）。

2.2 UML 的基本构造块

2.2.1 事物（模型的核心成分）

UML 中有 4 种事物，分别对应模型的静态与动态部分：

事物类型	定义	示例
结构事物	模型的静态部分，描述系统的结构成分	类、接口、用例、构件、制品、结点
行为事物	模型的动态部分，描述系统的行为动作	交互（消息流）、活动（流程步骤）、状态机（状态转换）
分组事物	模型的组织部分，用于划分模型结构	包（Package），用于归类相关元素
注释事物	模型的解释部分，用于添加说明	注释（Comment），依附于元素上的说明文本

结构事物的具体表示 ：
- 类：矩形（包含类名、属性、方法），如 "Person" 类（属性：name/age，方法：eat ()/sleep ()）。
- 接口：圆形或带 "<<interface>>" 标识的矩形，定义类的对外服务（如 "Payment" 接口，方法：pay (double amount)）。
- 用例：椭圆形，描述参与者与系统的交互（如 "登录系统" 用例）。
- 构件：带 "<<component>>" 标识的矩形，描述系统的物理模块（如 "订单处理构件"）。
- 制品：带 "<<artifact>>" 标识的矩形，描述可部署的物理文件（如 "MySQL 数据库""HTML 页面"）。
- 结点：立方体，描述系统的物理设备（如 "Web Server""Client" 结点）。

2.2.2 关系（连接事物的纽带）

UML 中有 4 种核心关系，描述事物间的关联方式：

关系类型	定义	表示方式	示例
依赖	一个事物的语义依赖于另一个事物的语义（如 "类 A 调用类 B 的方法，A 依赖 B"）	带箭头的虚线（箭头指向被依赖方）	"订单类" 依赖 "日期工具类"（订单需调用日期工具获取当前时间）
关联	结构关系，描述对象间的连接（"链" 的集合），分为聚合、组合（均为 "部分 - 整体" 关系），在关联上可以标注重复度（多重度）和角色	实线（聚合：空心菱形 + 实线；组合：实心菱形 + 实线，菱形指向 "整体"）	聚合："汽车" 与 "轮胎"（轮胎可脱离汽车存在）；组合："公司" 与 "部门"（部门不可脱离公司存在）
泛化	一般 - 特殊关系（父类 - 子类），子类继承父类的属性与方法	带空心三角的实线（三角指向父类）	"动物" 类泛化为 "猫""狗" 类
实现	一个类元（如接口）指定另一个类元（如实现类）的契约（接口的方法由实现类完成）	带空心三角的虚线（三角指向接口）	"Payment" 接口由 "

补充：

2.3 图（聚集相关事物的可视化载体）

UML 包含 9 种核心图，分别对应系统的静态与动态视图：

2.3.1 类图（静态图）

作用：为系统的静态设计视图，展现一组对象、接口、协作及它们之间的关系。
核心元素：类、接口、关联（聚合 / 组合）、泛化、依赖。
示例："Company" 类（整体）通过聚合关系包含 "Department" 类（部分），"Department" 类泛化为 "HRDepartment""TechDepartment" 类。

适用情况：对系统的词汇建模、对简单的协作建模、对逻辑数据库模式建模。

2.3.2 对象图（静态图）

作用：展现某一时刻一组对象及它们之间的关系，是类图的 "快照"。
特点：在无类图时，对象图可作为静态设计视图；对象需标注属性值（如 "Li:Student" 对象，属性 "age=20""major = 计算机"）。

2.3.3 用例图（静态图）

作用：展现一组用例、参与者及它们之间的关系，描述系统的功能范围。
核心元素：
- 参与者：人、硬件或其他系统的角色（如 "读者""管理员"）。
- 用例：参与者完成的一系列操作（如 "借阅图书""归还图书"）。
- 关系：包含（<<include>> ，必须执行的用例，如 "借阅图书" 包含 "用户登录"）、扩展（<<extend>> ，可选执行的用例，如 "查询图书" 扩展 "修改图书信息"）、泛化（参与者或用例的一般 - 特殊关系，如 "普通读者" 泛化为 "VIP 读者"）。
- 适用情况：对系统的语境建模、对系统的需求建模。

2.3.4 序列图（动态图，又称顺序图）

作用：场景的图形化表示，按消息时间顺序描述对象之间的交互活动。
核心元素：
- 对象：顶部横向排列，标注对象名（如 "c:Client""p:ODBCProxy"）。
- 生命线：对象下方的垂直虚线，标识对象的存在时间。
- 消息：对象间的交互指令，分为：
  - 同步消息：实心三角箭头，调用者阻塞等待返回（如 "setAction (a,d,o)"）。
  - 异步消息：空心三角箭头，调用者不阻塞（如 "destroy"）。
  - 返回消息：虚线箭头，从被调用者指向调用者（如 "commited message"）。
- 对象创建 / 销毁：<<create>> 标识创建，"X" 标识销毁。
- 特征：序列图有生命线、控制焦点。

2.3.5 通信图（动态图，又称协作图）

作用：是序列图的替代表示，不强调时间顺序，仅强调接收和发送消息的对象的结构组织、事件之间的通信。
核心元素：对象、链（对象间的连接）、消息（标注序号，如 "1:create ()""2:setActions (a,d,o)"）。
特点：无固定画法，与序列图统称为 "交互图"，可互换使用。
特征：通信图有路径、顺序号、交互概览图。

2.3.6 状态图（动态图）

作用：展现一个状态机 ，它是由状态、转换、事件、活动 组成。强调对象行为的事件顺序。描述单个对象在多个用例中的行为（状态转换）。
核心元素：
- 状态：矩形（简单状态如 "Idle""Connected"；组合状态如 "Processing" 包含 "Transmitting""Checking" 子状态）。
- 转换：带触发事件的箭头（如 "turnOn [有水]/ 烧水"，"turnOn" 为触发事件，"[有水]" 为监护条件，"烧水" 为动作）。
- 起点 / 终点：实心圆点（起点）、实心圆点 + 圆圈（终点）。
- 包括简单状态、组合状态、转换。
适用情况：对系统的动态方面建模、对反应型对象建模。

2.3.7 活动图（动态图）

作用：特殊的状态图，展现系统内从一个活动到另一个活动 的流程（如业务流程、算法步骤），对系统的功能建模非常重要，强调对象间的控制流程。
核心元素：
- 活动：圆角矩形（如 "Receive Order""Fill Order"）。
- 流：带箭头的实线，连接活动。
- 分岔 / 汇合：水平粗线，分岔表示并发（如 "Fill Order" 与 "Send Invoice" 并行），汇合表示并发结束。
- 分支：带监护条件的箭头（如 "[not complete]""[else]"）。
- 起点 / 终点：实心圆点（起点）、实心圆点 + 圆圈（终点）。
- 包括活动状态，动作状态，转换，对象。
适用情况 ：对工作流（业务）建模、对操作建模。

2.3.8 构件图（静态图，又称组件图）

作用：为系统静态实现视图，展现一组构件之间的组织和依赖，通常把构件映射成一个或多个类、接口或协作。
核心元素：
- 构件：带 "<<component>>" 标识的矩形（如 "OrderSystem""CustomerRepository"）。
- 接口：供接口（带 "<<provide>>" 标识，构件提供的服务）、需接口（带 "<<require>>" 标识，构件依赖的服务）。
- 依赖：虚线箭头，标识构件间的依赖关系（如 "OrderSystem" 依赖 "CustomerLookup" 构件）。

2.3.9 部署图（静态图）

作用：为系统静态部署视图，展现物理模块的节点分布（构件与物理设备的映射）。
核心元素：
- 节点：立方体，标识物理设备（如 "DB Server""Web Server""User Client"）。
- 制品：节点内的物理文件（如 "MySQL""HTML"）。
- 依赖：虚线箭头，标识节点间的依赖（如 "User Client" 依赖 "Web Server"）。
适用情况：用来面向对象系统的物理方面的建模，对系统的静态部署视图进行建模。
注意：部署图展现了系统软件和硬件之间的关系在实施阶段。

2.4 总结

图类型	性质	核心作用	核心元素	适用情况
类图	静态图	展现系统静态设计视图，呈现对象、接口、协作及它们之间的关系	类、接口、关联（聚合 / 组合）、泛化、依赖	1. 对系统的词汇建模；2. 对简单的协作建模；3. 对逻辑数据库模式建模
对象图	静态图	展现某一时刻一组对象及关系，是类图的 "快照"	对象（需标注属性值，如 "Li:Student"，age=20、major = 计算机）	无类图时，可作为静态设计视图
用例图	静态图	展现用例、参与者及关系，描述系统功能范围	参与者（人、硬件或其他系统角色，如 "读者""管理员"）、用例（如 "借阅图书"）、关系（包含、扩展、泛化）	1. 对系统的语境建模；2. 对系统的需求建模
序列图（顺序图）	动态图	按消息时间顺序，描述对象间交互活动，是场景的图形化表示	对象、生命线、消息（同步、异步、返回）、对象创建 / 销毁（<<create>>、"X"）	描述对象按时间顺序的交互场景
通信图（协作图）	动态图	强调接收和发送消息的对象结构组织，不强调时间顺序，是序列图的替代表示	对象、链（对象间连接）、消息（标注序号，如 "1:create ()"）	与序列图互换使用，用于展示对象间通信的结构关系
状态图	动态图	展现状态机，描述单个对象在多个用例中的行为（状态转换），强调事件顺序	状态（简单、组合）、转换（带触发事件、监护条件、动作）、起点 / 终点（实心圆点、实心圆点 + 圆圈）	1. 对系统的动态方面建模；2. 对反应型对象建模
活动图	动态图	展现从一个活动到另一个活动的流程，强调对象间控制流程，是特殊的状态图	活动（圆角矩形）、流（带箭头实线）、分岔 / 汇合（水平粗线）、分支（带监护条件箭头）、起点 / 终点	1. 对工作流（业务）建模；2. 对操作建模
构件图（组件图）	静态图	展现构件间的组织和依赖，将构件映射为类、接口或协作，是系统静态实现视图	构件（带 "<<component>>" 标识）、接口（供 "<<provide>>"、需 "<<require>>"）、依赖（虚线箭头）	展现系统静态实现层面的构件关系
部署图	静态图	展现物理模块的节点分布，即构件与物理设备的映射，是系统静态部署视图	节点（立方体，如 "DB Server"）、制品（节点内物理文件，如 "MySQL"）、依赖（虚线箭头）	1. 对面向对象系统的物理方面建模；2. 对系统的静态部署视图建模