UML 基礎: 類圖 |  |
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級別： 高
這是關於統一建模語言、即UML 裏採用的基本圖的一系列文章的一部分。在我 先前關於序列圖的文章 裏，我把重點從 UML 1.4 版，轉移到 OMG的採用UML 2.0版草案規範（又稱爲UML 2）。在這篇文章中，我將會討論結構圖，這是已經在 UML 2 中提出的一種新圖種類。由於本系列文章的目的是使人們瞭解記號元素及它們的含意，該文主要關注類圖。你很快就會知道這樣做的理由。隨後的文章將會覆蓋結構範疇中包含的其它圖。
我也想提醒讀者，這一系列文章是關於 UML 記號元素的，所以這些文章並不意味着爲建模的最好方式提供指導方針，或是該如何決定哪些內容應該首先被建模。相反的，該文及本系列文章的目的主要是幫助大家對於記號元素 -- 語法和含義有一個基本的理解。藉由這些知識，你應該可以閱讀圖，並使用正確的記號元素創建你自己的圖。
這篇文章假定你對面向對象的設計已經有了基本的理解。你們當中如果有人需要一些面向對象概念的幫助，那麼可以訪問 http://java.sun.com/docs/books/tutorial/java/concepts/，來獲得Sun公司關於面向對象編程的簡短指導。閱讀 “什麼是類？”和 什麼是繼承？” 章節，將提供給你足夠的理解，並對該文的閱讀會有所幫助。另外，David Taylor的書《 Object-Oriented Technologies: A Manager's Guide》提供了面向對象設計的優秀，高水平的說明，而無需對計算機編程有高深的理解。
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在 UML 2 中有二種基本的圖範疇：結構圖和行爲圖。每個 UML 圖都屬於這二個圖範疇。結構圖的目的是顯示建模系統的靜態結構。它們包括類，組件和（或）對象圖。另一方面，行爲圖顯示系統中的對象的動態行爲，包括如對象的方法，協作和活動之類的內容。行爲圖的實例是活動圖，用例圖和序列圖。
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如同我所說的，結構圖顯示建模系統的靜態結構。關注系統的元件，無需考慮時間。在系統內，靜態結構通過顯示類型和它們的實例進行傳播。除了顯示系統類型和它們的實例，結構圖至少也顯示了這些元素間的一些關係，可能的話，甚至也顯示它們的內部結構。
貫穿整個軟件生命週期，結構圖對於各種團隊成員都是有用的。一般而言，這些圖支持設計驗證，和個體與團隊間的設計交流。舉例來說，業務分析師可以使用類或對象圖，來爲當前的資產和資源建模，例如分類賬，產品或地理層次。架構師可以使用組件和部署圖，來測試/確認他們的設計是否充分。開發者可以使用類圖，來設計併爲系統的代碼（或即將成爲代碼的）類寫文檔。
特殊的類圖UML 2 把結構圖看成一個分類；這裏並不存在稱爲“結構圖”的圖。然而，類圖提供結構圖類型的一個主要實例，併爲我們提供一組記號元素的初始集，供所有其它結構圖使用。由於類圖是如此基本，本文的剩餘部分將會把重點集中在類圖記號集。在本文的結尾，你將對於如何畫UML 2類圖有所瞭解，而且對於理解在後面文章中將涉及的其他結構圖有一個穩固的基礎。
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如先前所提到的，類圖的目的是顯示建模系統的類型。在大多數的 UML 模型中這些類型包括：
- 類
- 接口
- 數據類型
- 組件
UML 爲這些類型起了一個特別的名字：“分類器”。通常地，你可以把分類器當做類，但在技術上，分類器是更爲普遍的術語，它還是引用上面的其它三種類型爲好。
類名
類的 UML 表示是一個長方形，垂直地分爲三個區，如圖 1 所示。頂部區域顯示類的名字。中間的區域列出類的屬性。底部的區域列出類的操作。當在一個類圖上畫一個類元素時，你必須要有頂端的區域，下面的二個區域是可選擇的（當圖描述僅僅用於顯示分類器間關係的高層細節時，下面的兩個區域是不必要的）。圖 1 顯示一個航線班機如何作爲 UML 類建模。正如我們所能見到的，名字是 Flight，我們可以在中間區域看到Flight類的3個屬性：flightNumber，departureTime 和 flightDuration。在底部區域中我們可以看到Flight類有兩個操作：delayFlight 和 getArrivalTime。
圖 1: Flight類的類圖
類屬性列表
類的屬性節（中部區域）在分隔線上列出每一個類的屬性。屬性節是可選擇的，要是一用它，就包含類的列表顯示的每個屬性。該線用如下格式：
繼續我們的Flight類的例子，我們可以使用屬性類型信息來描述類的屬性，如表 1 所示。
表 1：具有關聯類型的Flight類的屬性名字
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在業務類圖中，屬性類型通常與單位相符，這對於圖的可能讀者是有意義的（例如，分鐘，美元，等等）。然而，用於生成代碼的類圖，要求類的屬性類型必須限制在由程序語言提供的類型之中，或包含於在系統中實現的、模型的類型之中。
在類圖上顯示具有默認值的特定屬性，有時是有用的（例如，在銀行賬戶應用程序中，一個新的銀行賬戶會以零爲初始值）。UML 規範允許在屬性列表節中，通過使用如下的記號作爲默認值的標識：
舉例來說：
顯示屬性默認值是可選擇的；圖 2 顯示一個銀行賬戶類具有一個名爲 balance的類型，它的默認值爲0。
圖 2：顯示默認爲0美元的balance屬性值的銀行賬戶類圖。
類操作列表
類操作記錄在類圖長方形的第三個（最低的）區域中，它也是可選擇的。和屬性一樣，類的操作以列表格式顯示，每個操作在它自己線上。操作使用下列記號表現：
下面的表 2 中Flight類操作的映射。
表 2：從圖 2 映射的Flight類的操作
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圖3顯示，delayFlight 操作有一個Minutes類型的輸入參數 -- numberOfMinutes。然而，delayFlight 操作沒有返回值。 1當一個操作有參數時，參數被放在操作的括號內；每個參數都使用這樣的格式：“參數名：參數類型”。
圖 3：Flight類操作參數，包括可選擇的“in”標識。
當文檔化操作參數時，你可能使用一個可選擇的指示器，以顯示參數到操作的輸入參數、或輸出參數。這個可選擇的指示器以“in”或“out”出現，如圖3中的操作區域所示。一般來說，除非將使用一種早期的程序編程語言，如Fortran ，這些指示器可能會有所幫助，否則它們是不必要的。然而，在 C++和Java中，所有的參數是“in”參數，而且按照UML規範，既然“in”是參數的默認類型，大多數人將會遺漏輸入/輸出指示器。
繼承
在面向對象的設計中一個非常重要的概念，繼承，指的是一個類（子類）繼承另外的一個類（超類）的同一功能，並增加它自己的新功能（一個非技術性的比喻，想象我繼承了我母親的一般的音樂能力，但是在我的家裏，我是唯一一個玩電吉他的人）的能力。爲了在一個類圖上建模繼承，從子類（要繼承行爲的類）拉出一條閉合的，單鍵頭（或三角形）的實線指向超類。考慮銀行賬戶的類型：圖 4 顯示 CheckingAccount 和 SavingsAccount 類如何從 BankAccount 類繼承而來。
圖 4: 繼承通過指向超類的一條閉合的，單箭頭的實線表示。
在圖 4 中，繼承關係由每個超類的單獨的線畫出，這是在IBM Rational Rose和IBM Rational XDE中使用的方法。然而，有一種稱爲 樹標記的備選方法可以畫出繼承關係。當存在兩個或更多子類時，如圖 4 中所示，除了繼承線象樹枝一樣混在一起外，你可以使用樹形記號。圖 5 是重繪的與圖 4 一樣的繼承，但是這次使用了樹形記號。
圖 5: 一個使用樹形記號的繼承實例
抽象類及操作
細心的讀者會注意到，在圖 4 和 圖5 中的圖中,類名BankAccount和withdrawal操作使用斜體。這表示，BankAccount 類是一個抽象類，而withdrawal方法是抽象的操作。換句話說，BankAccount 類使用withdrawal規定抽象操作，並且CheckingAccount 和 SavingsAccount 兩個子類都分別地執行它們各自版本的操作。
然而，超類（父類）不一定要是抽象類。標準類作爲超類是正常的。
關聯
當你係統建模時，特定的對象間將會彼此關聯，而且這些關聯本身需要被清晰地建模。有五種關聯。在這一部分中，我將會討論它們中的兩個 -- 雙向的關聯和單向的關聯，而且我將會在Beyond the basics部分討論剩下的三種關聯類型。請注意，關於何時該使用每種類型關聯的詳細討論，不屬於本文的範圍。相反的，我將會把重點集中在每種關聯的用途，並說明如何在類圖上畫出關聯。
雙向（標準）的關聯
關聯是兩個類間的聯接。關聯總是被假定是雙向的；這意味着，兩個類彼此知道它們間的聯繫，除非你限定一些其它類型的關聯。回顧一下Flight 的例子，圖 6 顯示了在Flight類和Plane類之間的一個標準類型的關聯。
圖 6：在一個Flight類和Plane類之間的雙向關聯的實例
一個雙向關聯用兩個類間的實線表示。在線的任一端，你放置一個角色名和多重值。圖 6 顯示Flight與一個特定的Plane相關聯，而且Flight類知道這個關聯。因爲角色名以Plane類表示，所以Plane承擔關聯中的“assignedPlane”角色。緊接於Plane類後面的多重值描述0...1表示，當一個Flight實體存在時，可以有一個或沒有Plane與之關聯（也就是，Plane可能還沒有被分配）。圖 6 也顯示Plane知道它與Flight類的關聯。在這個關聯中，Flight承擔“assignedFlights”角色；圖 6 的圖告訴我們，Plane實體可以不與flight關聯（例如，它是一架全新的飛機）或與沒有上限的flight（例如，一架已經服役5年的飛機）關聯。
由於對那些在關聯尾部可能出現的多重值描述感到疑惑，下面的表3列出了一些多重值及它們含義的例子。
表 3: 多重值和它們的表示
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單向關聯
在一個單向關聯中，兩個類是相關的，但是隻有一個類知道這種聯繫的存在。圖 7 顯示單向關聯的透支財務報告的一個實例。
圖 7: 單向關聯一個實例：OverdrawnAccountsReport 類 BankAccount 類，而 BankAccount 類則對關聯一無所知。
一個單向的關聯，表示爲一條帶有指向已知類的開放箭頭（不關閉的箭頭或三角形，用於標誌繼承）的實線。如同標準關聯，單向關聯包括一個角色名和一個多重值描述，但是與標準的雙向關聯不同的時，單向關聯只包含已知類的角色名和多重值描述。在圖 7 中的例子中，OverdrawnAccountsReport 知道 BankAccount 類，而且知道 BankAccount 類扮演“overdrawnAccounts”的角色。然而，和標準關聯不同，BankAccount 類並不知道它與 OverdrawnAccountsReport 相關聯。 2
軟件包
不可避免，如果你正在爲一個大的系統或大的業務領域建模，在你的模型中將會有許多不同的分類器。管理所有的類將是一件令人生畏的任務；所以，UML 提供一個稱爲 軟件包的組織元素。軟件包使建模者能夠組織模型分類器到名字空間中，這有些象文件系統中的文件夾。把一個系統分爲多個軟件包使系統變成容易理解，尤其是在每個軟件包都表現系統的一個特定部分時。 3
在圖中存在兩種方法表示軟件包。並沒有規則要求使用哪種標記，除了用你個人的判斷：哪種更便於閱讀你畫的類圖。兩種方法都是由一個較小的長方形（用於定位）嵌套在一個大的長方形中開始的，如圖 8 所示。但是建模者必須決定包的成員如何表示，如下：
- 如果建模者決定在大長方形中顯示軟件包的成員，則所有的那些成員 4需要被放置在長方形裏面。另外，所有軟件包的名字需要放在軟件包的較小長方形之內（如圖 8 的顯示）。
- 如果建模者決定在大的長方形之外顯示軟件包成員，則所有將會在圖上顯示的成員都需要被置於長方形之外。爲了顯示屬於軟件包的分類器屬於，從每個分類器畫一條線到裏面有加號的圓周，這些圓周粘附在軟件包之上（圖9）。
圖 8：在軟件包的長方形內顯示軟件包成員的軟件包元素例子
圖 9：一個通過連接線表現軟件包成員的軟件包例子
瞭解基礎重要性
在 UML 2 中，瞭解類圖的基礎更爲重要。這是因爲類圖爲所有的其他結構圖提供基本的構建塊。如組件或對象圖（僅僅是舉了些例子）。
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到此爲止，我已經介紹了類圖的基礎，但是請繼續往下讀！在下面的部分中，我將會引導你到你會使用的類圖的更重要的方面。這些包括UML 2 規範中的接口，其它的三種關聯類型，可見性和其他補充。
接口
在本文的前面，我建議你以類來考慮分類器。事實上，分類器是一個更爲一般的概念，它包括數據類型和接口。
關於何時、以及如何高效地在系統結構圖中使用數據類型和接口的完整討論，不在本文的討論範圍之內。既然這樣，我爲什麼要在這裏提及數據類型和接口呢？你可能想在結構圖上模仿這些分類器類型，在這個時候，使用正確的記號來表示，或者至少知道這些分類器類型是重要的。不正確地繪製這些分類器，很有可能將使你的結構圖讀者感到混亂，以後的系統將不能適應需求。
一個類和一個接口不同：一個類可以有它形態的真實實例，然而一個接口必須至少有一個類來實現它。在 UML 2 中，一個接口被認爲是類建模元素的特殊化。因此，接口就象類那樣繪製，但是長方形的頂部區域也有文本“interface”，如圖 10 所示。 5
圖 10：Professor類和Student類實現Person接口的類圖實例
在圖 10 中顯示的圖中，Professor和Student類都實現了Person的接口，但並不從它繼承。我們知道這一點是由於下面兩個原因：1) Person對象作爲接口被定義 -- 它在對象的名字區域中有“interface”文本，而且我們看到由於Professor和Student對象根據畫類對象的規則（在它們的名字區域中沒有額外的分類器文本）標示，所以它們是 類對象。 2) 我們知道繼承在這裏沒有被顯示，因爲與帶箭頭的線是點線而不是實線。如圖 10 所示，一條帶有閉合的單向箭頭的點 線意味着實現（或實施）；正如我們在圖 4 中所見到的，一條帶有閉合單向箭頭的實線表示繼承。
更多的關聯
在上面，我討論了雙向關聯和單向關聯。現在，我將會介紹剩下的三種類型的關聯。
關聯類
在關聯建模中，存在一些情況下，你需要包括其它類，因爲它包含了關於關聯的有價值的信息。對於這種情況，你會使用 關聯類 來綁定你的基本關聯。關聯類和一般類一樣表示。不同的是，主類和關聯類之間用一條相交的點線連接。圖 11 顯示一個航空工業實例的關聯類。
圖 11：增加關聯類 MileageCredit
在圖 11 中顯示的類圖中，在Flight類和 FrequentFlyer 類之間的關聯，產生了稱爲 MileageCredit的關聯類。這意味當Flight類的一個實例關聯到 FrequentFlyer 類的一個實例時，將會產生 MileageCredit 類的一個實例。
聚合
聚合是一種特別類型的關聯，用於描述“總體到局部”的關係。在基本的聚合關係中， 部分類 的生命週期獨立於 整體類 的生命週期。
舉例來說，我們可以想象，車 是一個整體實體，而 車輪 輪胎是整輛車的一部分。輪胎可以在安置到車時的前幾個星期被製造，並放置於倉庫中。在這個實例中，Wheel類實例清楚地獨立地Car類實例而存在。然而，有些情況下， 部分 類的生命週期並 不 獨立於 整體 類的生命週期 -- 這稱爲合成聚合。舉例來說，考慮公司與部門的關係。 公司和部門 都建模成類，在公司存在之前，部門不能存在。這裏Department類的實例依賴於Company類的實例而存在。
讓我們更進一步探討基本聚合和組合聚合。
基本聚合
有聚合關係的關聯指出，某個類是另外某個類的一部分。在一個聚合關係中，子類實例可以比父類存在更長的時間。爲了表現一個聚合關係，你畫一條從父類到部分類的實線，並在父類的關聯末端畫一個未填充棱形。圖 12 顯示車和輪胎間的聚合關係的例子。
圖 12: 一個聚合關聯的例子
組合聚合
組合聚合關係是聚合關係的另一種形式，但是子類實例的生命週期依賴於父類實例的生命週期。在圖13中，顯示了Company類和Department類之間的組合關係，注意組合關係如聚合關係一樣繪製，不過這次菱形是被填充的。
圖 13: 一個組合關係的例子
在圖 13 中的關係建模中，一個Company類實例至少總有一個Department類實例。因爲關係是組合關係，當Company實例被移除/銷燬時，Department實例也將自動地被移除/銷燬。組合聚合的另一個重要功能是部分類只能與父類的實例相關（舉例來說，我們例子中的Company類）。
反射關聯
現在我們已經討論了所有的關聯類型。就如你可能注意到的，我們的所有例子已經顯示了兩個不同類之間的關係。然而，類也可以使用反射關聯與它本身相關聯。起先，這可能沒有意義，但是記住，類是抽象的。圖 14 顯示一個Employee類如何通過manager / manages角色與它本身相關。當一個類關聯到它本身時，這並不意味着類的實例與它本身相關，而是類的一個實例與類的另一個實例相關。
圖 14：一個反射關聯關係的實例
圖 14 描繪的關係說明一個Employee實例可能是另外一個Employee實例的經理。然而，因爲“manages”的關係角色有 0..*的多重性描述；一個僱員可能不受任何其他僱員管理。
可見性
在面向對象的設計中，存在屬性及操作可見性的記號。UML 識別四種類型的可見性：public，protected，private及package。
UML 規範並不要求屬性及操作可見性必須顯示在類圖上，但是它要求爲每個屬性及操作定義可見性。爲了在類圖上的顯示可見性，放置可見性標誌於屬性或操作的名字之前。雖然 UML 指定四種可見性類型，但是實際的編程語言可能增加額外的可見性，或不支持 UML 定義的可見性。表4顯示了 UML 支持的可見性類型的不同標誌。
表 4：UML 支持的可見性類型的標誌
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現在，讓我們看一個類，以說明屬性及操作的可見性類型。在圖 15 中，所有的屬性及操作都是public，除了 updateBalance 操作。updateBalance 操作是protected。
圖 15：一個 BankAccount 類說明它的屬性及操作的可見性
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既然我們已經覆蓋了基礎和高級主題，我們將覆蓋一些由UML 1. x增加的類圖的新記號。
實例
當一個系統結構建模時，顯示例子類實例有時候是有用的。爲了這種結構建模，UML 2 提供 實例規範 元素，它顯示在系統中使用例子（或現實）實例的值得注意的信息。
實例的記號和類一樣，但是取代頂端區域中僅有的類名，它的名字是經過拼接的:
舉例來說：
因爲顯示實例的目的是顯示值得注意的或相關的信息，沒必要在你的模型中包含整個實體屬性及操作。相反地，僅僅顯示感興趣的屬性及其值是完全恰當的。如圖16所描述。
圖 16：Plane類的一個實例例子（只顯示感興趣的屬性值）
然而，僅僅表現一些實例而沒有它們的關係不太實用；因此，UML 2 也允許在實體層的關係/關聯建模。繪製關聯與一般的類關係的規則一樣，除了在建模關聯時有一個附加的要求。附加的限制是，關聯關係必須與類圖的關係相一致，而且關聯的角色名字也必須與類圖相一致。它的一個例子顯示於圖 17 中。在這個例子中，實例是圖 6 中類圖的例子實例。
圖 17：圖 6 中用實例代替類的例子
圖 17 有Flight類的二個實例，因爲類圖指出了在Plane類和Flight類之間的關係是 0或多。因此，我們的例子給出了兩個與NX0337 Plane實例相關的Flight實例。
角色
建模類的實例有時比期望的更爲詳細。有時，你可能僅僅想要在一個較多的一般層次做類關係的模型。在這種情況下，你應該使用 角色 記號。角色記號類似於實例記號。爲了建立類的角色模型，你畫一個方格，並在內部放置類的角色名及類名，作爲實體記號，但是在這情況你不能加下劃線。圖 18 顯示一個由圖 14 中圖描述的僱員類扮演的角色實例。在圖 18 中，我們可以認爲，即使僱員類與它本身相關，關係確實是關於僱員之間扮演經理及團隊成員的角色。
圖 18：一個類圖顯示圖14中扮演不同角色的類
注意，你不能在純粹類圖中做類角色的建模，即使圖 18顯示你可以這麼做。爲了使用角色記號，你將會需要使用下面討論的內部結構記號。
內部的結構
UML 2 結構圖的更有用的功能之一是新的內部結構記號。它允許你顯示一個類或另外的一個分類器如何在內部構成。這在 UML 1. x 中是不可能的，因爲記號限制你只能顯示一個類所擁有的聚合關係。現在，在 UML 2 中，內部的結構記號讓你更清楚地顯示類的各個部分如何保持關係。
讓我們看一個實例。在圖 18 中我們有一個類圖以表現一個Plane類如何由四個引擎和兩個控制軟件對象組成。從這個圖中省略的東西是顯示關於飛機部件如何被裝配的一些信息。從圖 18 的圖，你無法說明，是每個控制軟件對象控制兩個引擎，還是一個控制軟件對象控制三個引擎，而另一個控制一個引擎。
圖 19: 只顯示對象之間關係的類圖
繪製類的內在結構將會改善這種狀態。開始時，你通過用二個區域畫一個方格。最頂端的區域包含類名字，而較低的區域包含類的內部結構，顯示在它們父類中承擔不同角色的部分類，角色中的每個部分類也關係到其它類。圖 19 顯示了Plane類的內部結構；注意內部結構如何澄清混亂性。
圖 20：Plane類的內部結構例子。
在圖 20 中Plane有兩個 ControlSoftware 對象，而且每個控制二個引擎。在圖左邊上的 ControlSoftware（control1）控制引擎 1 和 2 。在圖右邊的 ControlSoftware（control2）控制引擎 3 和 4 。
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至少存在兩個瞭解類圖的重要理由。第一個是它顯示系統分類器的靜態結構；第二個理由是圖爲UML描述的其他結構圖提供了基本記號。開發者將會認爲類圖是爲他們特別建立的；但是其他的團隊成員將發現它們也是有用的。業務分析師可以用類圖，爲系統的業務遠景建模。正如我們將會在本系列關於 UML 基礎的文章中見到的，其他的圖 -- 包括活動圖，序列圖和狀態圖——參考類圖中的類建模和文檔化。
關於“UML 基礎”的本系列的後面的元件圖。
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1 delayFlight沒有返回值，因爲我作出了設計決定，不要返回值。有一點可以爭論的是，延遲操作應該返回新的到達時間，而且，如果是這種情形，操作屬性將顯示爲 delayFlight(numberOfMinutes : Minutes) : Date。
2可能看起來很奇怪， BankAccount 類不知道 OverdrawnAccountsReport 類。這個建模使報表類可以知道它們報告的業務類，但是業務類不知道它們正在被報告。這解開兩個對象的耦合，並因此使系統變得更能適應變化。
3 軟件包對於組織你的模型類是龐大的，但是記住重要的一點是，你的類圖應該是關於建模系統的容易交流的信息。在你的軟件包有許多類的情況下，最好使用多個主題類圖，而不是僅僅產生一個大的類圖。
4 要理解重要一點，當我說“所有的那些成員”時，我僅僅意味着在當前圖中的類將顯示出來。顯示一個有內容的軟件包的圖，不需要顯示它的所有內容。它可以依照一些準則，顯示包含元素的子集，這個準則就是並非所有的軟件包分類器都是必需的。
5 當畫一個類圖時，在 UML 規範中，全部要做的只是把類放入長方形的頂部區域，而你同理處理接口；然而，UML 規範認爲，在這個區域放置“class”文本是可選的，如果類沒有顯示，那麼它應該被假設。
腳註
