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UML之泛化、特化和继承

article 2025/1/5 21:50:25

在UML（统一建模语言）中，泛化（Generalization）和特化（Specialization）是面向对象思想中继承（Inheritance）关系的重要概念，它们描述类与类（或用例与用例、参与者与参与者等）之间的一般与特殊的关系。

泛化是一种表示类之间继承关系的方式，它指定了子类如何特化超类（父类）的所有特征和行为。在UML中，泛化关系通过带空心三角箭头的实线表示，箭头指向超类。这种关系表明，子类是一种特殊的超类，它继承了超类的所有属性、操作（方法）以及与其他类的关系，并且可能添加新的属性、操作或改变超类某些行为的具体实现。泛化关系支持代码重用和多态，是实现软件设计复用性和灵活性的重要手段。

特化是泛化的逆过程，即从一般到特殊的过程。虽然UML中更常用“泛化”来描述这种关系，但“特化”一词在面向对象编程和UML的语境下，也常被用来描述子类如何成为超类的一个特定版本或实现。特化意味着子类不仅继承了超类的所有属性和操作，还可能对这些属性和操作进行特定的实现或限制，以满足特定的需求。特化是面向对象编程中实现多态性和代码复用的基础之一。

简而言之，泛化和特化是同一继承关系的两个不同视角：泛化沿空心三角箭头向上移动，它从父类的角度描述子类如何成为其特殊化版本，而特化则沿空心三角箭头向下移动，它从子类的角度描述其如何特化或具体化父类的属性和行为。这两个概念在UML中用于清晰地表示类之间的继承关系，促进软件设计的复用性和可维护性。

当然，泛化和特化这种继承关系不只可以用于描述类的关系，也可以应用于用例、参与者等UML元素。

下图使用继承关系描述了UML中不同图之间的关系。

在上图中，对其顶层关系可以做出如下解读：

结构图（Structure Diagram）是一种图（Diagram）。
结构图（Structure Diagram）是图（Diagram）的一种（或某类图）。
结构图（Structure Diagram）是图（Diagram）的一种特化。
图（Diagram）是结构图（Structure Diagram）的泛化。
结构图（Structure Diagram）和行为图（Behavior Diagram）是图（Diagram）的子类型。
图（Diagram）是结构图（Structure Diagram）和行为图（Behavior Diagram）的父类型。

特化关系允许子类替代超类，为了实现替代，超类上所有可用的特性（属性、操作、约束、信号、接收和关联）也必须在子类上可用。

在UML图中描述这种继承关系时，可以让所有子类在超类侧共享一个空心三角形，令其整体呈树状结构。当然，也完全可以让每个子类在超类侧使用自己独有的空心三角形。并且空心三角的位置只要是指向并紧贴对应的超类即可，其与超类的接触点及方向可以是任意的，我们可以基于布局需要和美观因素进行选择与调整。

下图展示了继承关系中的一些细节，通过阅读这张图我们可以了解继承是如何进行工作的。

注：在UML中如果类名是斜体，如图中的“Borrowable Material”则表示该类是一个抽象类。

超类“可借阅材料（Borrowable Material）”的特性，包含属性编号（number）、标题（title）及操作借阅（borrow()），被所有子类继承，即它们在所有子类上都是可用的。

子类“音频CD（Audio CD）”和“书籍（Book）”的类图描述中，上述属性编号（number）、标题（title）被重复描述了。UML建议使用插入符号（^）标记继承的特性，子类“音频CD（Audio CD）”遵循这个规则在属性number和title前添加了“^”符号表明这两个属性是继承自超类。但并非所有UML工具都遵循了这一建议，例如Enterprise Architect，它将属性列表按所属类进行分段，源自超类的属性它将使用“::超类名”进行命名空间标注，正如图中子类“书籍（Book）”那样，超类的属性number和title被展示在了“::Borrowable Material”之下的区域；而Visual Paradigm则在表示时不区分该特性是继承自超类还是当前类所特有的。

实际上，在描绘UML图形时，并不需要描画所有继承自超类的特性，例如上图中在超类“可借阅材料（Borrowable Material）”中的操作借阅borrow()在两个子类（Audio CD和Book）中均未展示，但子类确实会继承借阅borrow()这个操作。

在子类Audio CD中我们添加了另外一个新的属性ISRC，在子类Book中我们也添加了新的属性ISBN。这使得这两个子类均拥有三个属性，其中两个继承自它们的超类Borrowable Material，另外一个是这两个子类所特有的属性。

类Juvenile Book和类Adult Book均继承自类Book。它们又各自添加了一条自己特有属性，而继承自超类的属性类Juvenile Book采用了在属性前添加插入符号（^）的形式进行说明，此时，只能通过这个符号表明属性是继承自超类，而具体是继承自类Book还是Borrowable Material并没有办法进行区分；类Adult Book在表示属性时由于采用了命名空间的方式，它则可以明确地表明继承的属性来自哪个超类。

对于类Book，在图中还通过关联的方式与类Person建立关系，在关联的末端的“+author”表明在类Book中还有一个多重性为任意、有序的、类型为Person、名为author的属性；类似的，类Peron也有一个多重性为任意、类型为Book的名为myBook的属性。

对于类Book的子类Juvenile Book与Adult Book，上述类Book与类Person的关联关系也会由于存在继承关系而自动拥有。不过需要特别注意的是，子类Juvenile Book与Adult Book从关联中会继承角色名称author（作为属性author），而myBook是存在于类Person中的角色名称，它并不会产生任何继承关系。子类Juvenile Book采用在属性区域描画的方式展示了它继承于关联的角色名称author；而子类Adult Book则通过添加与类Person关联的方式展示它继承于关联的角色名称author，并且，它更改了它在类Person中的对应的角色名称（属性名称）。

当在一个子类中请求一个特性时，它会检索该特性的定义。如果在当前子类中找不到该特性的定义，它就会检索该子类的直接超类（父类），如果依然没有找到，则继续向上层超类检索，直到找到最近的该特性的定义为止。如果检索到超类链的顶端也未找到该特性的定义，UML规范并未说明这会发生什么，通常这是实现或者说编程语言层面的问题。

注：在具体的编程语言中，可能会面临更加复杂情况，例如在一个子类中定义与超类完全相同的属性与操作，而在实例化时，又通过超类类型的变量名指向一个子类的实例。此时，通过这个变量访问属性与操作将变得更加难以理解。

通过继承关系与其他关系结合，可以精确描述更为复杂的场景。例如继承关系与组合关系一起使用，可以描述复杂结构的构成。例如一个系统中包含有两种类型的结构：简单结构和复合结构。简单结构是单一结构，而复合结构由多个结构构成，这些结构既可以是简单结构也可以是复合结构。基于此，我们可以用下图来描述这个结构的关系。