书摘：C 嵌入式系统设计模式 03

本书的原著为：《Design Patterns for Embedded Systems in C ——An Embedded Software Engineering Toolkit 》，讲解的是嵌入式系统设计模式，是一本不可多得的好书。

本系列描述我对书中内容的理解。

书中大量使用了 UML 表示法，因此需要理解最基本的 UML 表示法含义。

什么是 UML

UML 本身并非是用于程序设计的语言，它本质上是一种表示法。UML（Unified Modeling Language），是统一建模语言的缩写，是一种由一整套图表组成的标准化建模语言。UML 主要使用图形符号来表示软件项目的设计，使用 UML 可以帮助项目团队沟通、探索潜在的设计和验证软件的架构设计。

UML 常见有九种图，借用《九种常见UML图（分类+图解）》这篇文章中的图来描述：

本书中用到的 UML

本书是讲解设计模式的，因此在本书中， UML 用来图形化地描述模式的 结构 和 行为 。这本书使用了 UML 的三种图：类图、序列图 和 状态图 。

本文讲述类图。

类图

类图用于显示系统的结构。它通过显示 类（class）、对象（object） 和各种 关系 （relation）来实现这一点。

类

类 包含 数据 和 函数，数据又称为属性（attribute），函数又称为操作（operation）。在嵌入式 C 中，类通常实现为包含属性的结构体。

下图展示的是一个类的元素：

图中的类有变量和函数。本书中的函数命名风格为：<Class_Name>_<Function_Name>，比如 SensorClass_getData()。

对象

对象 是类的实例（instance）。也就是类创建出的变量。
如果一个类定义为 Class_1，它的一个对象名为：itsClass_1，则在 UML 图中这样表示：

关系

在 UML中，关系是指类之间的连接，用于描述类之间的交互和依赖关系。UML定义了多种关系类型，它们分别是：

1. 关联（Association）：表示类与类之间的连接，关联关系使一个类知道另外一个类的属性和方法。
2. 泛化（Generalization）：定义了一般元素和特殊元素之间的分类关系，与 C++ 和 Java 中的继承关系有些类似。
3. 实现（Realization）：将一种类与接口连接起来，其中接口只是行为的说明，真正的实现由类来完成。
4. 聚合（Aggregation）：聚合关系是关联关系的一种，是一种强关联关系，表示整体和部分之间的关系。
5. 组合（Composition）：一种强的聚合关系，表示类与类之间的强依赖关系，其中一个类的修改可能会影响另一个类。
6. 依赖（Dependency）：表示一个类依赖于另一个类的定义。依赖关系仅仅描述了类与类之间的一种使用与被使用的关系。

关联（Association）

UML 中的 关联 表示类与类之间的连接，关联关系使一个类知道另外一个类的属性和方法。在 UML 图中，关联关系用一条直线来表示。关联关系又可分为多种情况：

1. 双向关联：默认情况下关联是双向的。
2. 单向关联：类之间的关联也可以是单向的关联，用带一个箭头的实线表示。
3. 多重性关联：表示一个类的对象和另一个类的对象之间的连接个数。
4. 自关联：类的属性对象类型为类本身

例如老师、学生和选修课程之间，老师可以有多个学生，学生也可以有多个老师，他们是双向关联;一个学生可以选择多门课程，课程是个抽象的东西，它不能拥有学生，所以是单向关联，之间是 1:n 的关系。

注意，这里关联的箭头指向被拥有者，也就是学生拥有课程，学生知道课程的相关信息。

泛化（Generalization）

UML 中的 泛化 定义了一般元素和特殊元素之间的分类关系，与 C++ 和 Java 中的继承关系有些类似。在 UML 图中用实线空心箭头表示，箭头指向更通用的类（父类）。子类可以继承父类的特性，包括属性、操作和关系。泛化是一种 is-a 类型的关系。

面向对象编程中的 is-a 和 has-a 是两种重要的关系，它们描述了类与类之间的关联，is-a 描述了泛化，has-a 描述了聚合或组合。

1. is-a 关系：
   • 定义：is-a 关系描述了一个类是另一个类的特殊类型的关系。换句话说，它表示一个类是另一个类的子类。
   • 示例：考虑一个“狗”类和“动物”类。狗是一种动物，所以“狗”类是“动物”类的子类。在这里，“狗”类和“动物”类之间存在is-a关系。
   • UML 表示：在 UML 中，is-a关系通常用带空心三角形的实线箭头表示，箭头指向父类。
2. has-a 关系：
   • 定义：has-a 关系描述了一个类拥有另一个类的对象作为其成员变量的关系。
   • 示例：考虑一个“电脑”类和一个“键盘”类。电脑有一个键盘，所以“电脑”类有一个“键盘”类的对象作为其成员变量。在这里，“电脑”类和“键盘”类之间存在 has-a 关系。
   • UML 表示：在 UML 中，has-a 关系通常用带实心菱形的实线箭头表示，箭头指向成员变量所属的类。

泛化（is-a）的例子如下图所示，聚合/组合（has-a）的例子后面会讲到。

实现（Realization）

UML 中的 实现 关系是一种接口与实现类之间的关系。在这种关系中，类实现了接口，类中的操作实现了接口中所声明的所有的抽象操作。在UML类图中，实现关系使用带空心三角箭头的虚线来表示，箭头从实现类指向接口。

例如，汽车和船实现了交通工具，其类图如下所示：

聚合（Aggregation）

UML 中的聚合关系是一种整体与部分的关系。在聚合关系中，整体与部分可以分开，部分可以离开整体而独立存在。在 UML 类图中，聚合关系用带空心菱形的实线表示。箭头指向整体。

例如，一个电脑与键盘的关系就是一种聚合关系。电脑是一个整体，而键盘是电脑的一部分。我们可以将键盘从电脑中移除，而电脑仍然可以正常运行。

组合（Composition）

UML 中的组合关系是一种强依赖关系，表示整体与部分之间的强连接。在这种关系中，部分与整体共存，如果整体不存在，部分也不存在。在 UML 类图中，组合关系用带实心菱形的实线表示。箭头指向整体。

例如，一个公司与部门的关系就是一种组合关系。公司是一个整体，而部门是公司的一部分。如果公司不存在，部门也无法独立存在。

依赖（Dependency）

UML 中的依赖关系表示一个类依赖于另一个类的定义。这种关系通常发生在两个类之间，其中一个类使用了另一个类的某些功能或属性。在UML类图中，依赖关系通常用带箭头的虚线表示，箭头指向被依赖的类。

例如，考虑一个“汽车”类和一个“引擎”类。汽车类依赖于引擎类的某些功能，如启动引擎、加速等。在这种情况下，汽车类对引擎类有依赖关系，因为汽车的功能需要引擎的功能来实现。