📖 前言

在軟體開發的世界中，良好的溝通是成功的關鍵。想像一下，如果建築師沒有藍圖，要如何與工程團隊溝通建築設計？同樣地，軟體開發也需要一種標準化的「藍圖」來表達系統架構和設計想法。這就是 UML（Unified Modeling Language，統一塑模語言） 的價值所在。

🎯 什麼是 UML？

UML 是一種標準化的視覺化建模語言，用於：

• 規劃軟體系統的結構
• 視覺化系統的設計
• 記錄系統的架構
• 溝通開發團隊之間的想法

💡 UML 不是程式語言，而是一種圖形化的表達方式，讓複雜的系統設計變得容易理解。

📊 UML 圖表的分類

UML 2.x 定義了 14 種不同類型的圖表，主要分為兩大類：

1️⃣ 結構圖（Structure Diagrams）

描述系統的靜態結構：

• 類別圖（Class Diagram） ⭐
• 物件圖（Object Diagram）
• 元件圖（Component Diagram）
• 部署圖（Deployment Diagram）
• 套件圖（Package Diagram）
• 組合結構圖（Composite Structure Diagram）
• 輪廓圖（Profile Diagram）

2️⃣ 行為圖（Behavior Diagrams）

描述系統的動態行為：

• 使用案例圖（Use Case Diagram） ⭐
• 活動圖（Activity Diagram）
• 狀態機圖（State Machine Diagram）
• 循序圖（Sequence Diagram） ⭐
• 溝通圖（Communication Diagram）
• 互動總覽圖（Interaction Overview Diagram）
• 時序圖（Timing Diagram）

🌟 本篇重點：類別圖（Class Diagram）

類別圖是 UML 中最常用、最重要的圖表之一。它展示系統中的類別、屬性、方法，以及類別之間的關係。

📝 用途

• 設計系統的靜態結構
• 展示類別之間的關係
• 作為程式碼實作的藍圖
• 溝通系統架構設計

🏗️ 類別圖基本結構

單一類別的表示

┌─────────────────────┐
│    ClassName        │  ← 類別名稱
├─────────────────────┤
│ - attribute1: Type  │  ← 屬性（- 表示 private）
│ + attribute2: Type  │  ← 屬性（+ 表示 public）
│ # attribute3: Type  │  ← 屬性（# 表示 protected）
├─────────────────────┤
│ + method1(): void   │  ← 方法
│ - method2(): Type   │
│ # method3(): Type   │
└─────────────────────┘

可見性修飾符

特殊標記

• 抽象類別：類別名稱使用斜體或加上 {abstract}
• 介面：加上 <<interface>> 標籤
• 靜態成員：加底線
• 抽象方法：使用斜體

🔗 類別之間的關係

類別圖的精髓在於表達類別之間的關係，以下是六種主要關係：

1. 繼承（Inheritance / Generalization）

符號：───▷ （實線空心三角箭頭）

意義：子類別繼承父類別，"is-a" 關係

範例：

    ┌─────────┐
    │  動物   │
    └─────────┘
         △
         │
    ┌────┴────┐
    │         │
┌───────┐ ┌───────┐
│  貓   │ │  狗   │
└───────┘ └───────┘

貓 是一種 動物，狗 是一種 動物。

2. 實作（Realization / Implementation）

符號：┄┄▷ （虛線空心三角箭頭）

意義：類別實作介面

範例：

    ┌─────────────┐
    │<<interface>>│
    │   可飛行    │
    └─────────────┘
         △
         ┊
    ┌────┴────┐
    ┊         ┊
┌───────┐ ┌───────┐
│  鳥   │ │ 飛機  │
└───────┘ └───────┘

3. 關聯（Association）

符號：─── （實線）

意義：類別之間有某種關聯，"has-a" 或 "uses" 關係

範例：

┌─────┐       ┌─────┐
│教師 │──────>│學生 │
└─────┘ 1  *  └─────┘

一位教師可以教導多位學生。

多重性標記：

• 1 : 正好一個
• 0..1 : 零或一個
• * 或 0..* : 零或多個
• 1..* : 一或多個
• n..m : n 到 m 個

4. 聚合（Aggregation）

符號：───◇ （實線空心菱形）

意義：整體包含部分的關係，但部分可以獨立存在（弱擁有關係）

範例：

┌─────┐       ┌─────┐
│部門 │◇──────│員工 │
└─────┘       └─────┘

部門包含員工，但員工離開部門後仍然存在。

5. 組合（Composition）

符號：───◆ （實線實心菱形）

意義：整體包含部分的關係，部分不能獨立於整體存在（強擁有關係）

範例：

┌─────┐       ┌─────┐
│房子 │◆──────│房間 │
└─────┘       └─────┘

房子包含房間，房子不存在了，房間也就不存在了。

6. 相依（Dependency）

符號：┄┄> （虛線箭頭）

意義：一個類別使用另一個類別，通常是暫時性的關係

範例：

┌─────┐       ┌──────────┐
│訂單 │ ┄┄┄┄┄> │折扣計算器│
└─────┘       └──────────┘

訂單在計算價格時會使用折扣計算器。

💼 範例：RPG 遊戲角色系統

系統需求

設計一個 RPG 遊戲的角色系統：

• 有不同類型的角色：戰士、法師
• 所有角色都有基本屬性：名字、等級、生命值
• 所有角色都能攻擊、防禦、升級
• 戰士有專屬武器和技能
• 法師有專屬法杖和魔法

UML 類別圖

┌─────────────────────────┐
│   <<abstract>>          │
│      Character          │
├─────────────────────────┤
│ - name: String          │
│ - level: int            │
│ - hp: int               │
├─────────────────────────┤
│ + Character(name)       │
│ + attack(): void        │ ← 抽象方法
│ + defend(): void        │
│ + levelUp(): void       │
└─────────────────────────┘
           △
           │ (繼承)
    ┌──────┴──────┐
    │             │
┌───────────┐ ┌───────────┐
│  Warrior  │ │   Mage    │
├───────────┤ ├───────────┤
│-sword:    │ │-staff:    │
│ String    │ │ String    │
├───────────┤ ├───────────┤
│+Warrior() │ │+Mage()    │
│+attack()  │ │+attack()  │
│+slash()   │ │+cast()    │
└───────────┘ └───────────┘

Java 程式碼實作

Character 抽象父類別

// 抽象父類別
public abstract class Character {
    private String name;
    private int level;
    private int hp;
    
    public Character(String name) {
        this.name = name;
        this.level = 1;
        this.hp = 100;
    }
    
    // 抽象方法，子類別必須實作
    public abstract void attack();
    
    // 具體方法
    public void defend() {
        System.out.println(name + " 防禦中...");
    }
    
    public void levelUp() {
        level++;
        hp += 50;
        System.out.println(name + " 升級到 Lv." + level + "！生命值: " + hp);
    }
    
    // Getters
    public String getName() {
        return name;
    }
    
    public int getLevel() {
        return level;
    }
    
    public int getHp() {
        return hp;
    }
}

Warrior 戰士類別

// 戰士子類別
public class Warrior extends Character {
    private String sword;
    
    public Warrior(String name) {
        super(name);
        this.sword = "鐵劍";
    }
    
    @Override
    public void attack() {
        System.out.println(getName() + " 戰士揮劍斬擊！");
    }
    
    // 戰士專屬技能
    public void slash() {
        System.out.println(getName() + " 使用 " + sword + " 進行強力斬擊！造成 150% 傷害！");
    }
    
    // 升級時可以強化武器
    public void upgradeSword() {
        if (getLevel() >= 5) {
            this.sword = "鋼劍";
            System.out.println("武器升級為：" + sword);
        } else if (getLevel() >= 10) {
            this.sword = "神劍";
            System.out.println("武器升級為：" + sword);
        }
    }
}

Mage 法師類別

// 法師子類別
public class Mage extends Character {
    private String staff;
    private int mana;
    
    public Mage(String name) {
        super(name);
        this.staff = "木杖";
        this.mana = 100;
    }
    
    @Override
    public void attack() {
        System.out.println(getName() + " 法師施放魔法攻擊！");
        useMana(10);
    }
    
    // 法師專屬技能
    public void cast() {
        if (mana >= 30) {
            System.out.println(getName() + " 使用 " + staff + " 施放火球術！造成 200% 傷害！");
            useMana(30);
        } else {
            System.out.println("魔力不足！");
        }
    }
    
    private void useMana(int amount) {
        mana -= amount;
        System.out.println("剩餘魔力: " + mana);
    }
    
    public void restoreMana() {
        mana = 100;
        System.out.println("魔力已恢復！");
    }
}

測試程式

public class RPGGameExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創建戰士角色
        Warrior warrior = new Warrior("亞瑟");
        System.out.println("=== 戰士 " + warrior.getName() + " ===");
        warrior.attack();      // 一般攻擊
        warrior.slash();       // 專屬技能
        warrior.defend();      // 防禦
        warrior.levelUp();     // 升級
        
        System.out.println();
        
        // 創建法師角色
        Mage mage = new Mage("梅林");
        System.out.println("=== 法師 " + mage.getName() + " ===");
        mage.attack();         // 一般攻擊
        mage.cast();           // 專屬技能
        mage.attack();         // 再次攻擊
        mage.attack();         // 魔力不足
        mage.restoreMana();    // 恢復魔力
        mage.levelUp();        // 升級
    }
}

執行結果

=== 戰士 亞瑟 ===
亞瑟 戰士揮劍斬擊！
亞瑟 使用 鐵劍 進行強力斬擊！造成 150% 傷害！
亞瑟 防禦中...
亞瑟 升級到 Lv.2！生命值: 150

=== 法師 梅林 ===
梅林 法師施放魔法攻擊！
剩餘魔力: 90
梅林 使用 木杖 施放火球術！造成 200% 傷害！
剩餘魔力: 60
梅林 法師施放魔法攻擊！
剩餘魔力: 50
梅林 法師施放魔法攻擊！
剩餘魔力: 40
魔力已恢復！
梅林 升級到 Lv.2！生命值: 150

📌 類別圖設計原則

1. 單一職責原則（Single Responsibility Principle）

每個類別應該只有一個職責。

❌ 不好的設計：

public class User {
    private String name;
    
    public void saveToDatabase() { }     // 資料庫操作
    public void sendEmail() { }          // 郵件發送
    public void generateReport() { }     // 報告生成
}

✅ 好的設計：

public class User {
    private String name;
    // 只負責使用者資料
}

public class UserRepository {
    public void save(User user) { }  // 負責資料庫操作
}

public class EmailService {
    public void send(User user) { }  // 負責郵件發送
}

2. 優先使用組合而非繼承（Composition over Inheritance）

繼承建立了強耦合關係，組合更加靈活。

❌ 過度使用繼承：

    Animal
      │
  ┌───┴───┐
  │       │
 Bird    Fish
  │       │
┌─┴─┐     │
│   │     │
Duck Swan Shark

✅ 使用組合：

┌─────────┐      ┌──────────────┐
│ Animal  │◇────>│ MoveBehavior │
└─────────┘      └──────────────┘
                       △
                  ┌────┴────┐
            ┌──────┐    ┌──────┐
            │ Fly  │    │ Swim │
            └──────┘    └──────┘

3. 介面隔離原則（Interface Segregation Principle）

不要強迫類別實作它們不需要的方法。

❌ 過大的介面：

public interface Worker {
    void work();
    void eat();
    void sleep();
    void fly();  // 不是所有 worker 都會飛
}

✅ 分離介面：

public interface Workable {
    void work();
}

public interface Eatable {
    void eat();
}

public interface Flyable {
    void fly();
}

本篇總結

1. UML 的定義與用途

   • 標準化的視覺建模語言
   • 溝通、設計、文件化的工具

2. UML 圖表分類

   • 結構圖：描述靜態結構
   • 行為圖：描述動態行為

3. 類別圖的完整知識

   • 基本結構：類別名稱、屬性、方法
   • 六種關係：繼承、實作、關聯、聚合、組合、相依
   • 可見性修飾符：public、private、protected