软件工程：第十章 面向对象设计

导学目标

• 了解面向对象设计的目的、设计准则以及启发式规则

• 掌握软件重用的三个层次、可重用的成分以及重用的好处

• 了解系统分解中的4个部分以及两种交互方式

第一节 面向对象设计的准则及启发式规则

• 分析：提取整理用户的需求，建立问题域精确模型(OOA)

• 设计：转变需求为系统实现方案，建立求解域模型(OOD)

• 在实际的软件开发中，分析和设计的界限是模糊的

• 分析和设计的活动是一个反复迭代的过程

• 面向对象方法学在概念和表示方法上的一致性，保证了在各项开发活动之间的平滑(无缝)过渡，领域专家和开发人员能够比较容易地跟踪整个系统开发过程，这是面向对象方法与传统方法比较起来所具有的一大优势

1、面向对象设计准则

1. 模块化

   • 对象就是模块

2. 抽象

   • 类抽象、提高可重用性

3. 信息隐蔽

   • 通过封装性实现、提高模块独立性

4. 弱耦合

   • 在面向对象方法中，耦合是指不同对象之间相互关联的紧密程度

   • 对象间耦合分为两大类：交互耦合和继承耦合

   • 交互耦合：对象间通过消息连接实现(松散)

     • 降低消息连接复杂度(减少参数个数，降低参数复杂度

     • 减少信息数

   • 继承耦合：一般类和特殊类之间耦合(紧密)

     • 有继承关系基类和派生类是系统中粒度更大模块

5. 强内聚

   • 服务内聚：只完成一个功能

   • 类内聚：一个类只有一个用途，否则分解

   • 一般特殊内聚：设计合理，是对领域知识正确抽取

6. 可重用性

   • 尽量利用已有类(类库、已创建类)

   • 创建新类考虑以后可重用性

2、启发式规则

1. 设计结果清晰易懂

   • 用词一致

   • 使用已有的协议

   • 较少消息模式的数目

   • 避免模糊的定义

2. 一般-特殊结构的深度要适当

   • 应该是类层级中包含的层次数适当

3. 设计简单的类

   • 避免包含过多的属性

   • 有明确的定义

   • 简化对象之间的合作关系

   • 不要提供太多服务

4. 使用简单的协议

   • 经验表明，通过复杂消息相互关联的对象是紧耦合的，对一个对象的修改往往导致其他对象的修改

5. 使用简单的服务

   • 本类中的操纵尽可能简单

6. 把设计变动减至最小

第二节 软件重用

重用也叫再用或复用，是指同一事物不做修改或稍加改动就多次重复使用

1、软件重用的三个层次

• 知识重用

• 方法和标准的重用

• 软件成分的重用

2、软件成分重用的三个层次

• 代码重用

  • 调用库中的模块

• 设计重用

  • 重用某个软件系统的设计模型

• 分析重用

  • 重用某个系统的分析模型

3、典型的可重用软件的成分

• 项目计划

• 成本估计

• 体系结构

• 需求模型和规格说明

• 设计

• 源代码

• 用户文档和技术文档

• 用户界面

• 数据

• 测试用例

3、类构件重用的三种方式

• 实例重用

  • 使用者无须了解实现细节就可以使用适当的构造函数创建类的实例

• 继承重用

  • 提供了一种安全地修改已有类构件

• 多态重用

  • 降低了消息连接的复杂程度，提供了简便可靠的软构件机制

4、软件重用的好处

• 质量

  • 每一次重用，软件质量都会有所改善

• 生产率

  • 软件开发全过程时间较少，带来生产率提高

• 成本

  • 软件重用可以减少净成本

第三节 系统分解

1、系统分解的定义

把系统分解成若干个比较小的部分，然后在分别设计每个部分

系统的主要组成部分是子系统，各个子系统之间应该具有尽可能简单、明确的接口，再划分和设计子系统时，应当尽量减少子系统之间的依赖

2、面向对象设计模型，逻辑上由4大部分组成

• 问题域

  • 直接负责实现客户需求子系统

• 人机交互

  • 实现用户界面子系统包括可复用的GUI子系统

• 任务管理

  • 确定各类任务，把任务分配给适当的硬件或软件去执行

• 数据管理

  • 负责对象的存储和检索的子系统

3、子系统间交互方式

• 客户－供应商关系

  • “客户”子系统了解“供应商”子系统接口，反之则不能

    

• 平等伙伴关系

  • 各子系统都有可能调用其它子系统，或为其它子系统提供服务。交互方式复杂，各子系统需要了解彼此接口

    

第四节 设计问题域子系统

1、设计基础

面向对象分析所得出的问题域模型

2、设计任务

对问题域模型做相应的补充或者修改

3、补充或者修改的内容

1. 调整需求

   • 用户需求或外部环境变化

   • 分析模型不完整、不准确

2. 重用已有的类

   • 根据问题解决的需要，把从类库或其他来源得到既存类增加到问题解决方案中去

   • 重用已有类的典型过程：

     • 标出候选类中对本问题无用的属性和服务

     • 在重用类和问题域类之间添加泛化关系

     • 标出问题域类从已有类继承来的属性和服务

     • 修改与问题域类的关联

3. 把问题域类组合到一起

   • 设计者往往通过引入一个根类而把问题域类组合到一起

4. 添加一般化类

   • 某些特殊类要求一组类似的服务，应加入一般化的类，定义为所有特殊类共用的一组服务名，服务都是虚函数；在特殊类中定义其实现

5. 调整继承的层次

   • 在OOA阶段建立的对象模型中可能包括多继承关系，但实现时使用程序设计语言可能只有单继承，需对分析结果修改

4、示例

ATM系统实例

• ATM系统问题域子系统划分成三个更小的子系统，分别是ATM站子系统、中央计算机子系统、分行计算机子系统

• 星型拓扑结构

• 以专用电话线连接

  

第五节 设计人机交互子系统

1、设计基础

在面向对象分析过程中对用户需求做的初步分析

2、设计任务

确定人机交互细节，窗口报表形式，命令层次等

3、设计策略：

1. 分类用户

   • 通常可以按照技能水平、职位、所属集团进行分类

2. 描述用户

   • 应该将使用系统的每类用户情况详细的记录下来

3. 设计命令的层次

   • 研究现有的人机交互的含义和准则

   • 确定初始的命令层次

   • 精化命令层次

4. 设计人机交互类

第六节 设计任务管理子系统

在实际系统中，许多对象之间往往存在相互依赖关系。设计工作的一项重要内容就是，确定哪些是必须同时动作的对象，哪些是相互排斥的对象。进一步设计任务管理子系统

系统总有许多并发行为，需按照各自行为的协调和通信关系，划分各种任务(进程)，简化并发行为的设计和编码

确定各类任务，把任务分配给适当的硬件和软件去执行

根据动态模型去分析、定义

1、分析并发性

• 并发对象

  • 无交互行为的对象

  • 同时接受事件的对象

• 定义任务

  • 检查各个对象的状态图，找没并发对象的路径(任何时候路径中只有单个对象是活跃的)，称控制线

  • 通过分离出控制线设计任务

• 并发任务分配

  • 每个任务分配到独立的处理器

  • 配到相同处理器，通过操作系统提供并发支持

2、设计任务管理子系统

• 确定事件驱动型任务

  • 指睡眠任务(不占用cpu)，某个事件发生，任务被触发，醒来做相应处理，又回到睡眠状态

• 确定时钟驱动型任务

  • 按特定时间间隔去触发任务进行处理。如某些设备需要周期性获取数据

• 确定优先任务

  • 高优先级任务分离出独立的任务，在规定时间内完成

• 确定关键任务

  • 严格可靠性、精心设计和编码、严格测试

• 确定协调任务

  • 三个以上任务，引入协调任务，控制封装任务间协调

• 尽量减少任务数

  • 任务多，设计复杂、不易理解、难维护

• 确定资源需求

  • 计算系统载荷，每秒处理业务数，处理一个业务花费时间，估算所需cpu (或其他固件)处理能力

  • 综合考虑，确定哪些任务硬件实现，哪些任务软件实现

第七节 设计数据管理子系统

1、选择数据存储管理的模式

1. 文件管理系统

   • 成本低、简单

   • 操作级别低，不同操作系统的文件系统差别大

2. 关系数据库管理系统

   • 优点：

     • 提供了各种最基本的数据管理功能

     • 为多种应用提供一致的接口

     • 标准化的语言

   • 缺点：

     • 运行开销大

     • 不能满足高级应用的需求

     • 与程序设计语言连接不自然

3. 面向对象数据库管理系统

   • 扩展的关系型数据库：

     • 增加抽象数据类型，继承等机制

     • 增加了创建管理类和对象的通用服务

   • 扩展的面向对象语言

     • 扩充了面向对象程序设计语言的语法和功能

     • 增加数据库存储和管理对象机制

2、设计数据管理子系统

1. 设计数据格式

   • 设计数据格式与数据存储管理模式密切相关

   • 文件系统：达到第一范式、减少文件数量、减小存储空间

   • 关系型数据库管理系统：达到第三范式、满足性能及存储需求

   • 面向对象数据库管理系统：对于扩展性关系型数据库使用与关系型数据库相同的方法；对于扩展性面向对象程序设计语言，不需要规范化属性的步骤

2. 设计相应的服务

   • 文件系统：打开文件、记录定位、检索记录、更新

   • 关系型数据库管理系统：访问那些数据库表、怎样访问所需要的行、怎样检索出旧值、怎样用现有值更新

   • 面向对象数据库管理系统：对于扩展性关系型数据库使用与关系型数据库相同的方法；对于扩展性面向对象程序设计语言，不需要增加服务设计数据管理子系统

3、示例：ATM系统

• 永久性数据存储在分行计算机

  • 保持数据一致性、完整性、满足并发性

• 用商品化关系数据库管理系统

  • 每个事务不可分割，事务封锁账户

• ATM系统中需存储对象主要是账户类对象，两种方法

  • 每个对象自己保存自己

    • 账户类对象接到“存储自己”通知，把自身存储起来

  • 由数据管理子系统负责存储对象

    • 账户类对象接到“存储自己”通知，向数据管理子系统发消息，由数据管理子系统将状态保存起来