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前言

在软件开发过程中，设计模式是一种被广泛应用的方法，它为解决特定问题提供了可复用的、经过验证的解决方案。C++是一种支持面向对象编程的语言，因此在C++中应用设计模式是非常常见的。为了更好地理解和交流设计模式，人们通常使用UML（Unified Modeling Language）图来描述和表示设计模式的结构和行为。

一、UML图的介绍

1.1 UML图是什么

UML（Unified Modeling Language）图是一种标准化的图形化建模语言，用于描述、可视化、规范和构建软件系统的不同方面。它提供了一套丰富的符号和标准，用于表示系统的结构、行为、交互等，从而帮助软件开发人员更好地理解、设计和实现复杂系统。

1.2 UML图的作用

提供了一种统一的建模语言： UML图提供了一种通用的语言和标准，使得不同团队和开发者能够使用相同的术语和符号来描述系统，从而促进了沟通和理解。

帮助分析和设计系统： 通过使用UML图，开发人员可以更清晰地分析系统的需求，并进行系统的设计。不同类型的UML图（如用例图、类图、时序图等）可以帮助开发人员从不同的角度理解系统，并确定系统的结构和行为。

支持系统的可视化和可理解性： UML图以图形化的方式展示系统的不同方面，使得系统的结构、功能、交互等更直观地呈现在开发人员和相关利益相关者面前，从而提高了系统的可视化和可理解性。

促进了软件开发过程中的沟通和协作： UML图作为一种通用的建模语言，可以帮助团队成员之间更好地交流和协作。通过共享UML图，团队成员可以更容易地理解彼此的想法和设计，从而更好地协作完成软件开发任务。

支持系统的文档化和维护： 使用UML图可以帮助开发团队创建系统的详细文档，并对系统进行文档化。这些文档可以作为后续系统维护和迭代的参考，帮助开发团队更好地理解和维护系统。

总的来说，UML图作为一种标准的建模语言，在软件开发过程中起着至关重要的作用，它帮助开发人员更好地理解、设计和构建系统，促进了团队之间的沟通和协作，同时支持系统的文档化和维护。

二、UML图的画法

2.1 最简单的UML图

#include <iostream>

class UMLClass {
public:
    // 公有成员函数
    void publicFunction() {
        std::cout << "This is a public function." << std::endl;
    }

protected:
    // 保护成员变量
    int protectedMember;

    // 保护成员函数
    void protectedFunction() {
        std::cout << "This is a protected function." << std::endl;
    }

private:
    // 私有成员变量
    float privateMember;

    // 私有成员函数
    void privateFunction() {
        std::cout << "This is a private function." << std::endl;
    }
};

比如我们有上面这个简单的类，他的UML图如下：

可以看到该图分为上中下三部分：上层是类名，中间层是属性（类的成员变量），下层是方法（类的成员函数）。
可见性：+ 表示public、# 表示protected、- 表示private、__(下划线)表示static
属性的表示方式：【可见性】【属性名称】:【类型】= { 缺省值，可选 }
方法的表示方式：【可见性】【方法名称】(【参数名 : 参数类型，……】）:【返回值类型】

• 如果我们定义的类是一个抽象类（类中有纯虚函数），在画UML类图的时候，类名需要使用斜体显示。

class UMLClass {
public:
    // 公有成员函数
    void publicFunction() {
        std::cout << "This is a public function." << std::endl;
    }

    virtual void Say(int a) = 0;

protected:
    // 保护成员变量
    int protectedMember = 20;

    // 保护成员函数
    void protectedFunction() {
        std::cout << "This is a protected function." << std::endl;
    }

private:
    // 私有成员变量
    float privateMember;

    // 私有成员函数
    void privateFunction() {
        std::cout << "This is a private function." << std::endl;
    }
};

2.2 继承的UML图

class UMLClass {
public:
    // 公有成员函数
    void publicFunction() {
        std::cout << "This is a public function." << std::endl;
    }

    virtual void Say();

protected:
    // 保护成员变量
    int protectedMember = 20;

    // 保护成员函数
    void protectedFunction() {
        std::cout << "This is a protected function." << std::endl;
    }

private:
    // 私有成员变量
    float privateMember;

    // 私有成员函数
    void privateFunction() {
        std::cout << "This is a private function." << std::endl;
    }
};

class Son
{
public:

};

上面这个类Son继承UMLClass ，他的UML图这样画：

继承也叫作泛化（Generalization），用于描述父子类之间的关系，父类又称为基类或者超类，子类又称作派生类。在UML中，泛化关系用带空心三角形的实线来表示。

关于继承关系一共有两种：普通继承关系和抽象继承关系，但是不论哪一种表示继承关系的线的样式是不变的。

2.3 关联关系

关联关系简单来说就是一个类使用到了另一个类的东西。
比如说下面这个代码：

class BaseA
{

};

class BaseB
{
private:
    BaseA base;
};

除了这个还有双向关联、自关联
双向关联有的是一条直线，有的是双向箭头

2.4 聚合关系

聚合（Aggregation）关系表示整体与部分的关系。在聚合关系中，成员对象是整体的一部分，但是成员对象可以脱离整体对象独立存在。在UML中，聚合关系用带空心菱形的直线表示

class Plant
{
    // 植物
};

class Animal
{
    // 动物
};

class Water
{
    // 水
};

class Sunshine
{
    // 阳光
};

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;
};

由于这个软件，所以并不是菱形的，但是我选的是聚合

2.5 组合关系

组合（Composition）关系也表示的是一种整体和部分的关系，但是在组合关系中整体对象可以控制成员对象的生命周期，一旦整体对象不存在，成员对象也不存在，整体对象和成员对象之间具有同生共死的关系。

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;
};

2.6 依赖关系

依赖（Dependency）关系是一种使用关系，特定事物的改变有可能会影响到使用该事物的其他事物，在需要表示一个事物使用另一个事物时使用依赖关系，大多数情况下依赖关系体现在某个类的方法使用另一个类的对象作为参数。

在UML中，依赖关系用带箭头的虚线表示，由依赖的一方指向被依赖的一方.

class Water
{
};

class Air
{
};

class Soil
{
};

class Tree
{
public:
    void grow(Water w, Air a, Soil s) 
    {
        cout << "借助 w 中的水分, s 中的养分和 a 中的二氧化碳, 我就可以茁壮成长了";
    }
};

总结

通过使用UML图，特别是类图和时序图，我们能够更清晰地理解和表达设计模式在系统中的结构和行为。类图展示了类之间的关系和结构，而时序图则展示了对象之间的交互和消息传递。这种图形化的表示方式不仅有助于开发人员更好地理解和沟通设计模式，还能提高系统的可维护性和可扩展性。在C++设计模式的实践中，结合UML图的使用，可以更有效地应用和实现设计模式，提升软件开发的质量和效率。