Klassendiagramme sind eine Art von UML (Unified Modeling Language)-Diagramm, das in der Softwareentwicklung zur visuellen Darstellung der Struktur und Beziehungen von Klassen in einem System verwendet wird. UML ist eine standardisierte Modellierungssprache, die beim Entwerfen und Dokumentieren von Softwaresystemen hilft. Sie sind ein integraler Bestandteil des Softwareentwicklungsprozesses und helfen sowohl in der Entwurfs- als auch in der Dokumentationsphase.

Wichtige Themen für das Klassendiagramm

• Was sind Klassendiagramme?
• Was ist eine Klasse?
• UML-Klassennotation
• Beziehungen zwischen Klassen
• Zweck von Klassendiagrammen
• Vorteile von Klassendiagrammen
• So zeichnen Sie Klassendiagramme
• Anwendungsfälle von Klassendiagrammen

Was sind Klassendiagramme?

Klassendiagramme sind eine Art UML-Diagramm (Unified Modeling Language), das in der Softwareentwicklung zur visuellen Darstellung der Struktur und Beziehungen von Klassen innerhalb eines Systems verwendet wird, d. h. zur Konstruktion und Visualisierung objektorientierter Systeme.

In diesen Diagrammen werden Klassen als Kästchen dargestellt, die jeweils drei Fächer für den Klassennamen, Attribute und Methoden enthalten. Linien, die Klassen verbinden, veranschaulichen Assoziationen und zeigen Beziehungen wie Eins-zu-Eins oder Eins-zu-Viele an.

Klassendiagramme bieten einen allgemeinen Überblick über den Entwurf eines Systems und helfen dabei, die Struktur der Software zu kommunizieren und zu dokumentieren. Sie sind ein grundlegendes Werkzeug im objektorientierten Design und spielen eine entscheidende Rolle im Softwareentwicklungslebenszyklus.

Was ist eine Klasse?

Bei der objektorientierten Programmierung (OOP) ist eine Klasse ein Entwurf oder eine Vorlage zum Erstellen von Objekten. Objekte sind Instanzen von Klassen, und jede Klasse definiert eine Reihe von Attributen (Datenmitgliedern) und Methoden (Funktionen oder Prozeduren), über die die aus dieser Klasse erstellten Objekte verfügen. Die Attribute stellen die Merkmale oder Eigenschaften des Objekts dar, während die Methoden die Verhaltensweisen oder Aktionen definieren, die das Objekt ausführen kann.

UML-Klassennotation

Klassennotation ist eine grafische Darstellung zur Darstellung von Klassen und ihren Beziehungen in der objektorientierten Modellierung.

Entität relational

1. Klassenname:
   • Der Name der Klasse wird normalerweise im oberen Fach des Klassenfelds geschrieben und ist zentriert und fett.
2. Attribute:
   • Attribute, auch Eigenschaften oder Felder genannt, stellen die Datenelemente der Klasse dar. Sie werden im zweiten Fach des Klassenfelds aufgeführt und enthalten häufig die Sichtbarkeit (z. B. öffentlich, privat) und den Datentyp jedes Attributs.
3. Methoden:
   • Methoden, auch Funktionen oder Operationen genannt, stellen das Verhalten oder die Funktionalität der Klasse dar. Sie werden im dritten Fach des Klassenfelds aufgelistet und umfassen die Sichtbarkeit (z. B. öffentlich, privat), den Rückgabetyp und die Parameter jeder Methode.
4. Sichtbarkeitsnotation:
   • Sichtbarkeitsnotationen geben die Zugriffsebene von Attributen und Methoden an. Zu den gängigen Sichtbarkeitsnotationen gehören:
     • +>für die Öffentlichkeit (sichtbar für alle Klassen)
     • ->für privat (nur innerhalb der Klasse sichtbar)
     • #>für protected (sichtbar für Unterklassen)
     • ~>für Paket- oder Standardsichtbarkeit (sichtbar für Klassen im selben Paket)

Parameterdirektionalität

In Klassendiagrammen bezieht sich die Parameterdirektionalität auf die Angabe des Informationsflusses zwischen Klassen durch Methodenparameter. Es hilft anzugeben, ob ein Parameter eine Eingabe, eine Ausgabe oder beides ist. Diese Informationen sind entscheidend für das Verständnis, wie Daten bei Methodenaufrufen zwischen Objekten übergeben werden.

In Klassendiagrammen werden hauptsächlich drei Parameterrichtungsnotationen verwendet:

• In (Eingabe):
  • Ein Eingabeparameter ist ein Parameter, der während eines Methodenaufrufs vom aufrufenden Objekt (Client) an das aufgerufene Objekt (Server) übergeben wird.
  • Es wird durch einen Pfeil dargestellt, der auf die empfangende Klasse (die Klasse, der die Methode gehört) zeigt.
• Out (Ausgabe):
  • Ein Ausgabeparameter ist ein Parameter, der nach der Methodenausführung vom aufgerufenen Objekt (Server) zurück an das aufrufende Objekt (Client) übergeben wird.
  • Es wird durch einen Pfeil dargestellt, der von der empfangenden Klasse weg zeigt.
• InOut (Eingabe und Ausgabe):
  • Ein InOut-Parameter dient sowohl als Eingabe als auch als Ausgabe. Es überträgt Informationen vom aufrufenden Objekt zum aufgerufenen Objekt und umgekehrt.
  • Es wird durch einen Pfeil dargestellt, der zur empfangenden Klasse hin und von ihr weg zeigt.

Beziehungen zwischen Klassen

In Klassendiagrammen beschreiben Beziehungen zwischen Klassen, wie Klassen innerhalb eines Systems verbunden sind oder miteinander interagieren. Bei der objektorientierten Modellierung gibt es verschiedene Arten von Beziehungen, die jeweils einem bestimmten Zweck dienen. Hier sind einige häufige Arten von Beziehungen in Klassendiagrammen:

1. Assoziation

Eine Assoziation stellt eine bidirektionale Beziehung zwischen zwei Klassen dar. Es zeigt an, dass Instanzen einer Klasse mit Instanzen einer anderen Klasse verbunden sind. Assoziationen werden normalerweise als durchgezogene Linie dargestellt, die die Klassen verbindet, wobei optionale Pfeile die Richtung der Beziehung angeben.

Lassen Sie uns die Assoziation anhand eines Beispiels verstehen:

Betrachten wir ein einfaches System zur Verwaltung einer Bibliothek. In diesem System gibt es zwei Haupteinheiten:Book>UndLibrary>. JedeLibrary>enthält mehrereBooks>, und jedeBook>gehört zu einem bestimmtenLibrary>. Diese Beziehung zwischenLibrary>UndBook>vertritt einen Verein.

Die Library-Klasse kann als Quellklasse betrachtet werden, da sie einen Verweis auf mehrere Instanzen der Book-Klasse enthält. Die Book-Klasse würde als Zielklasse betrachtet, da sie zu einer bestimmten Bibliothek gehört.

int zu verdoppeln

2. Gezielte Assoziation

Eine gerichtete Assoziation in einem UML-Klassendiagramm stellt eine Beziehung zwischen zwei Klassen dar, wobei die Assoziation eine Richtung hat, die angibt, dass eine Klasse mit einer anderen auf eine bestimmte Weise verknüpft ist.

• Bei einer gerichteten Assoziation wird der Assoziationslinie eine Pfeilspitze hinzugefügt, um die Richtung der Beziehung anzuzeigen. Der Pfeil zeigt von der Klasse, die die Assoziation initiiert, zu der Klasse, auf die die Assoziation abzielt oder die davon betroffen ist.
• Gezielte Assoziationen werden verwendet, wenn die Assoziation einen bestimmten Fluss oder eine bestimmte Richtung aufweist, z. B. um anzugeben, welche Klasse für die Initiierung der Assoziation verantwortlich ist oder welche Klasse von einer anderen abhängig ist.

Stellen Sie sich ein Szenario vor, in dem eine Lehrerklasse mit einer Kursklasse in einem Universitätssystem verknüpft ist. Der gerichtete Zuordnungspfeil zeigt möglicherweise von der Klasse „Lehrer“ zur Klasse „Kurs“, was darauf hinweist, dass ein Lehrer mit einem bestimmten Kurs verbunden ist oder einen bestimmten Kurs unterrichtet.

• Die Quellklasse ist die Teacher-Klasse. Die Lehrerklasse initiiert die Vereinigung, indem sie einen bestimmten Kurs unterrichtet.
• Die Zielklasse ist die Kursklasse. Die Kursklasse ist von der Zuordnung betroffen, da sie von einem bestimmten Lehrer unterrichtet wird.

3. Anhäufung

Aggregation ist eine spezielle Form der Assoziation, die eine Ganz-Teil-Beziehung darstellt. Es bezeichnet eine stärkere Beziehung, bei der eine Klasse (das Ganze) eine andere Klasse (den Teil) enthält oder aus ihr besteht. Die Aggregation wird durch eine Rautenform auf der Seite der gesamten Klasse dargestellt. In dieser Art von Beziehung kann die untergeordnete Klasse unabhängig von ihrer übergeordneten Klasse existieren.

Lassen Sie uns die Aggregation anhand eines Beispiels verstehen:

Das Unternehmen kann als Ganzes betrachtet werden, während die Mitarbeiter die Teile darstellen. Mitarbeiter gehören zum Unternehmen und das Unternehmen kann mehrere Mitarbeiter haben. Sollte das Unternehmen jedoch aufhören zu bestehen, können die Mitarbeiter weiterhin eigenständig weiterbestehen.

4. Komposition

Zusammensetzung ist eine stärkere Form der Aggregation, die auf eine bedeutendere Eigentums- oder Abhängigkeitsbeziehung hinweist. In der Komposition kann die Teilklasse nicht unabhängig von der gesamten Klasse existieren. Die Zusammensetzung wird durch eine gefüllte Raute auf der Seite der gesamten Klasse dargestellt.

Lassen Sie uns die Komposition anhand eines Beispiels verstehen:

Stellen Sie sich eine digitale Kontaktbuchanwendung vor. Das Kontaktbuch ist das Ganze und jeder Kontakteintrag ist ein Teil. Jeder Kontakteintrag ist vollständig Eigentum des Kontaktbuchs und wird von diesem verwaltet. Wenn das Kontaktbuch gelöscht oder zerstört wird, werden auch alle zugehörigen Kontakteinträge entfernt.

Dies verdeutlicht die Zusammensetzung, da die Existenz der Kontakteinträge vollständig von der Anwesenheit des Kontaktbuchs abhängt. Ohne das Kontaktbuch verlieren die einzelnen Kontakteinträge ihre Bedeutung und können nicht für sich allein existieren.

5. Verallgemeinerung (Vererbung)

Vererbung stellt eine Ist-A-Beziehung zwischen Klassen dar, bei der eine Klasse (die Unterklasse oder das Kind) die Eigenschaften und Verhaltensweisen einer anderen Klasse (der Oberklasse oder des Elternteils) erbt. Die Vererbung wird durch eine durchgezogene Linie mit einer geschlossenen, hohlen Pfeilspitze dargestellt, die von der Unterklasse zur Oberklasse zeigt.

Computerorganisation und -architektur

Am Beispiel von Bankkonten können wir durch Generalisierung verschiedene Arten von Konten wie Girokonten, Sparkonten und Kreditkonten abbilden.

Die Bankkontoklasse dient als verallgemeinerte Darstellung aller Arten von Bankkonten, während die Unterklassen (Girokonto, Sparkonto, Kreditkonto) spezialisierte Versionen darstellen, die die Funktionalität der Basisklasse erben und erweitern.

6. Realisierung (Schnittstellenimplementierung)

Die Realisierung gibt an, dass eine Klasse die Funktionen einer Schnittstelle implementiert. Es wird häufig in Fällen verwendet, in denen eine Klasse die von einer Schnittstelle definierten Operationen realisiert. Die Realisierung wird durch eine gestrichelte Linie mit offener Pfeilspitze dargestellt, die von der implementierenden Klasse zur Schnittstelle zeigt.

Betrachten wir das Szenario, in dem sowohl eine Person als auch ein Unternehmen eine Eigentümerschnittstelle realisieren.

• Eigentümerschnittstelle: Diese Schnittstelle umfasst jetzt Methoden wie „acquire(property)“ und „dispose(property)“, um Aktionen im Zusammenhang mit dem Erwerb und der Veräußerung von Eigentum darzustellen.
• Personenklasse (Realisierung): Die Person-Klasse implementiert die Owner-Schnittstelle und stellt konkrete Implementierungen für die Methoden „acquire(property)“ und „dispose(property)“ bereit. Beispielsweise kann eine Person das Eigentum an einem Haus erwerben oder ein Auto veräußern.
• Unternehmensklasse (Realisierung): In ähnlicher Weise implementiert die Corporation-Klasse auch die Owner-Schnittstelle und bietet spezifische Implementierungen für die Methoden „acquire(property)“ und „dispose(property)“. Beispielsweise kann eine Kapitalgesellschaft Eigentum an Immobilien erwerben oder Firmenfahrzeuge veräußern.

Sowohl die Person- als auch die Corporation-Klasse realisieren die Owner-Schnittstelle, was bedeutet, dass sie konkrete Implementierungen für die in der Schnittstelle definierten Methoden „acquire(property)“ und „dispose(property)“ bereitstellen.

7. Abhängigkeitsbeziehung

Zwischen zwei Klassen besteht eine Abhängigkeit, wenn eine Klasse von einer anderen abhängig ist, die Beziehung jedoch nicht so stark ist wie eine Assoziation oder Vererbung. Es stellt eine lockerer gekoppelte Verbindung zwischen Klassen dar. Abhängigkeiten werden oft als gestrichelter Pfeil dargestellt.

Algorithmus-Tiefensuche

Betrachten wir ein Szenario, in dem eine Person auf ein Buch angewiesen ist.

• Personenklasse: Stellt eine Person dar, die ein Buch liest. Die Person-Klasse ist auf die Book-Klasse angewiesen, um auf den Inhalt zuzugreifen und ihn zu lesen.
• Buchklasse: Stellt ein Buch dar, das Inhalte enthält, die von einer Person gelesen werden sollen. Die Book-Klasse ist unabhängig und kann ohne die Person-Klasse existieren.

Die Person-Klasse hängt von der Book-Klasse ab, da sie Zugriff auf ein Buch benötigt, um dessen Inhalt zu lesen. Allerdings ist die Klasse „Book“ nicht von der Klasse „Person“ abhängig; Es kann unabhängig existieren und ist für seine Funktionalität nicht auf die Person-Klasse angewiesen.

8. Nutzungsbeziehung (Abhängigkeit).

Eine Nutzungsabhängigkeitsbeziehung in einem UML-Klassendiagramm gibt an, dass eine Klasse (der Client) eine andere Klasse (den Lieferanten) nutzt oder von dieser abhängig ist, um bestimmte Aufgaben auszuführen oder auf bestimmte Funktionen zuzugreifen. Die Client-Klasse ist auf die von der Lieferantenklasse bereitgestellten Dienste angewiesen, besitzt jedoch keine Instanzen davon und erstellt auch keine Instanzen davon.

• Nutzungsabhängigkeiten stellen eine Form der Abhängigkeit dar, bei der eine Klasse von einer anderen Klasse abhängt, um einen bestimmten Bedarf oder eine bestimmte Anforderung zu erfüllen.
• Die Client-Klasse benötigt Zugriff auf bestimmte Funktionen oder Dienste, die von der Lieferantenklasse bereitgestellt werden.
• In UML-Klassendiagrammen werden Nutzungsabhängigkeiten typischerweise durch eine gestrichelte Pfeillinie dargestellt, die von der Client-Klasse zur Lieferantenklasse zeigt.
• Der Pfeil gibt die Richtung der Abhängigkeit an und zeigt an, dass die Client-Klasse von den von der Lieferantenklasse bereitgestellten Diensten abhängt.

Stellen Sie sich ein Szenario vor, in dem eine Car-Klasse zur Verwaltung des Kraftstoffverbrauchs von einer FuelTank-Klasse abhängt.

• Die Car-Klasse muss möglicherweise auf Methoden oder Attribute der FuelTank-Klasse zugreifen, um den Kraftstoffstand zu überprüfen, Kraftstoff nachzufüllen oder den Kraftstoffverbrauch zu überwachen.
• In diesem Fall weist die Klasse „Car“ eine Nutzungsabhängigkeit von der Klasse „FuelTank“ auf, da sie deren Dienste nutzt, um bestimmte Aufgaben im Zusammenhang mit dem Kraftstoffmanagement auszuführen.

Zweck von Klassendiagrammen

Der Hauptzweck der Verwendung von Klassendiagrammen ist:

• Dies ist die einzige UML, die verschiedene Aspekte des OOPs-Konzepts angemessen abbilden kann.
• Die ordnungsgemäße Gestaltung und Analyse von Anwendungen kann schneller und effizienter erfolgen.
• Es ist die Basis für die Bereitstellung und das Komponentendiagramm.
• Es umfasst Forward- und Reverse-Engineering.

Vorteile von Klassendiagrammen

• Struktur der Modellierungsklasse:
  • Klassendiagramme helfen bei der Modellierung der Struktur eines Systems, indem sie Klassen und ihre Attribute, Methoden und Beziehungen darstellen.
  • Dies bietet eine klare und organisierte Sicht auf die Systemarchitektur.
• Beziehungen verstehen:
  • Klassendiagramme stellen Beziehungen zwischen Klassen dar, z. B. Assoziationen, Aggregationen, Zusammensetzungen, Vererbung und Abhängigkeiten.
  • Dies hilft Stakeholdern, einschließlich Entwicklern, Designern und Geschäftsanalysten, zu verstehen, wie verschiedene Komponenten des Systems miteinander verbunden sind.
• Kommunikation:
  • Klassendiagramme dienen als Kommunikationsinstrument zwischen Teammitgliedern und Stakeholdern. Sie bieten eine visuelle und standardisierte Darstellung, die sowohl für technisch versierte als auch für nichttechnische Zielgruppen leicht verständlich ist.
• Blaupause für die Umsetzung:
  • Klassendiagramme dienen als Blaupause für die Softwareimplementierung. Sie unterstützen Entwickler beim Schreiben von Code, indem sie die Klassen, ihre Attribute, Methoden und die Beziehungen zwischen ihnen veranschaulichen.
  • Dies kann dazu beitragen, die Konsistenz zwischen dem Entwurf und der tatsächlichen Implementierung sicherzustellen.
• Codegenerierung:
  • Einige Softwareentwicklungstools und Frameworks unterstützen die Codegenerierung aus Klassendiagrammen.
  • Entwickler können einen erheblichen Teil des Codes aus der visuellen Darstellung generieren, wodurch die Wahrscheinlichkeit manueller Fehler verringert und Entwicklungszeit gespart wird.
• Identifizierung von Abstraktionen und Kapselung:
  • Klassendiagramme fördern die Identifizierung von Abstraktionen und die Kapselung von Daten und Verhalten innerhalb von Klassen.
  • Dies unterstützt die Prinzipien des objektorientierten Designs, wie Modularität und Informationsverbergung.

So zeichnen Sie Klassendiagramme

Beim Zeichnen von Klassendiagrammen wird die Struktur eines Systems visualisiert, einschließlich Klassen, ihrer Attribute, Methoden und Beziehungen. Hier sind die Schritte zum Zeichnen von Klassendiagrammen:

1. Klassen identifizieren:
   • Beginnen Sie mit der Identifizierung der Klassen in Ihrem System. Eine Klasse stellt einen Entwurf für Objekte dar und sollte zugehörige Attribute und Methoden kapseln.
2. Attribute und Methoden auflisten:
   • Listen Sie für jede Klasse ihre Attribute (Eigenschaften, Felder) und Methoden (Funktionen, Operationen) auf. Fügen Sie Informationen wie Datentypen und Sichtbarkeit (öffentlich, privat, geschützt) hinzu.
3. Beziehungen identifizieren:
   • Bestimmen Sie die Beziehungen zwischen Klassen. Zu den allgemeinen Beziehungen gehören Assoziationen, Aggregationen, Zusammensetzungen, Vererbung und Abhängigkeiten. Verstehen Sie die Natur und Vielfältigkeit dieser Beziehungen.
4. Klassenboxen erstellen:
   • Zeichnen Sie für jede identifizierte Klasse ein Rechteck (Klassenfeld). Platzieren Sie den Klassennamen im oberen Fach der Box. Unterteilen Sie die Box in Fächer für Attribute und Methoden.
5. Attribute und Methoden hinzufügen:
   • Listen Sie in jedem Klassenfeld die Attribute und Methoden in ihren jeweiligen Fächern auf. Verwenden Sie Sichtbarkeitsnotationen (+ für öffentlich, – für privat, # für geschützt, ~ für Paket/Standard).
6. Beziehungen zeichnen:
   • Zeichnen Sie Linien, um Beziehungen zwischen Klassen darzustellen. Verwenden Sie Pfeile, um die Richtung von Assoziationen oder Abhängigkeiten anzuzeigen. Für verschiedene Beziehungen können unterschiedliche Linientypen oder Notationen verwendet werden.
7. Label-Beziehungen:
   • Beschriften Sie die Beziehungen bei Bedarf mit Multiplizität und Rollennamen. Die Multiplizität gibt die Anzahl der an der Beziehung beteiligten Instanzen an, und Rollennamen verdeutlichen die Rolle jeder Klasse in der Beziehung.
8. Überprüfen und verfeinern:
   • Überprüfen Sie Ihr Klassendiagramm, um sicherzustellen, dass es die Struktur und Beziehungen des Systems genau darstellt. Verfeinern Sie das Diagramm nach Bedarf basierend auf Feedback und Anforderungen.
9. Verwenden Sie Tools zum digitalen Zeichnen:
   • Während Sie Klassendiagramme auf Papier zeichnen können, bietet die Verwendung digitaler Tools mehr Flexibilität und einfachere Änderungen. UML-Modellierungstools, Zeichensoftware oder sogar spezielle Diagrammtools können hilfreich sein.

Anwendungsfälle von Klassendiagrammen

• System-Design:
  • Während der Systementwurfsphase werden Klassendiagramme verwendet, um die statische Struktur eines Softwaresystems zu modellieren. Sie helfen bei der Visualisierung und Organisation von Klassen, ihren Attributen, Methoden und Beziehungen und liefern einen Entwurf für die Systemimplementierung.
• Kommunikation und Zusammenarbeit:
  • Klassendiagramme dienen als visuelles Kommunikationsinstrument zwischen Beteiligten, darunter Entwicklern, Designern, Projektmanagern und Kunden. Sie erleichtern Diskussionen über die Struktur und das Design des Systems und fördern so ein gemeinsames Verständnis unter den Teammitgliedern.
• Codegenerierung:
  • Einige Softwareentwicklungsumgebungen und -tools unterstützen die Codegenerierung auf Basis von Klassendiagrammen. Entwickler können Codegerüste generieren, wodurch der manuelle Codierungsaufwand reduziert und die Konsistenz zwischen Design und Implementierung sichergestellt wird.
• Testen und Testplanung:
  • Tester verwenden Klassendiagramme, um die Beziehungen zwischen Klassen zu verstehen und Testfälle entsprechend zu planen. Die visuelle Darstellung von Klassenstrukturen hilft bei der Identifizierung von Bereichen, die einer gründlichen Prüfung bedürfen.
• Reverse Engineering:
  • Klassendiagramme können für Reverse Engineering verwendet werden, bei dem Entwickler vorhandenen Code analysieren, um visuelle Darstellungen der Softwarestruktur zu erstellen. Dies ist besonders hilfreich, wenn die Dokumentation knapp oder veraltet ist.