第07章面向对象的分析和设计

1、软件工程软件工程内容摘要内容摘要 面向对象的基本概念面向对象的基本概念 面向对象的分析和设计过程面向对象的分析和设计过程 用况建模用况建模 静态建模静态建模 动态建模动态建模 物理体系结构建模物理体系结构建模7.1 面向对象的基本概念面向对象的基本概念 1. 对象（object） 对象是指一组属性以及这组属性上的专用操作的封装体。 属性（attribute）通常是一些数据，有时它也可以是另一个对象。每个对象都有它自己的属性值，表示该对象的状态。对象中的属性只能通过该对象所提供的操作来存取或修改。 操作（operation）（也称方法或服务）规定了对象的行为，表示对象所能提供的服务。 封装（en

2、capsulation）是一种信息隐蔽技术，用户只能看见对象封装界面上的信息，对象的内部实现对用户是隐蔽的。封装的目的是使对象的使用者和生产者分离，使对象的定义和实现分开。 一个对象通常可由对象名、属性和操作三部分组成。2. 类（class） 类是一组具有相同属性和相同操作的对象的集合。一个类中的每个对象都是这个类的一个实例（instance）。 类是创建对象的模板，从同一个类实例化的每个对象都具有相同的结构和行为。轿轿 车车型号：字符串型号：字符串颜色：字符串颜色：字符串牌照号：字符串牌照号：字符串张经理的轿车张经理的轿车型号型号= =桑塔纳桑塔纳颜色颜色= =红色红色牌照号牌照号= =沪沪

3、AN2037AN2037类类实例对象实例对象3. 继承（inheritance） 继承是类间的基本关系，它是基于层次关系的不同类共享数据和操作的一种机制。父类中定义了其所有子类的公共属性和操作，在子类中除了定义自己特有的属性和操作外，可以继承其父类（或祖先类）的属性和操作，还可以对父类（或祖先类）中的操作重新定义其实现方法。 矩形矩形长长宽宽对角线对角线计算面积计算面积计算对角线计算对角线 多边形多边形顶点数顶点数顶点坐标顶点坐标计算面积计算面积旋转旋转有时，我们定义一个类，它把一些类组织起来，提供一些公共的行为，但并不需要使用这个类的实例，而仅使用其子类的实例。我们把这种没有实例的类称为抽象

4、类（abstract class）。在抽象类中可以定义抽象操作，抽象操作指：只定义这个类的操作接口，不定义它的实现，其实现部分由其子类定义。交通工具交通工具飞行器飞行器汽汽 车车 船船轿轿 车车货货 车车 一般一般- -特殊关系特殊关系 如果一个子类只有唯一一个父类，这个继承称为单一继承。如果一个子类有一个以上的父类，这种继承称为多重继承。 水上交通工具水上交通工具 陆上交通工具陆上交通工具 水陆两栖交通工具水陆两栖交通工具多重继承多重继承4. 消息（message） 消息传递是对象间通信的手段，一个对象通过向另一个对象发送消息来请求其服务。一个消息通常包括接收对象名、调用的操作名和适当的参数

5、。消息只告诉接收对象需要完成什么操作，但并不指示接收者怎样完成操作。消息完全由接收者解释，接收者独立决定采用什么方法完成所需的操作。 5. 多态性（polymorphism） 多态性是指同一个操作作用于不同的对象上可以有不同的解释，并产生不同的执行结果。例如“画”操作，作用在“矩形”对象上，则在屏幕上画一个矩形，作用在“圆”对象上，则在屏幕上画一个圆。也就是说，相同操作的消息发送给不同的对象时，每个对象将根据自己所属类中定义的这个操作去执行，从而产生不同的结果。 6. 动态绑定（dynamic binding） 动态绑定是指在程序运行时才将消息所请求的操作与实现该操作的方法连接起来。 在一般与

6、特殊关系中，子类是父类的一个特例，在运行过程中，当一个对象发送消息请求服务时，要根据接收对象的具体情况将请求的操作与实现的方法进行连接，即动态绑定。getArea abstractpolygonareahexagongetArearectanglegetArealengthwidthtrianglegetArea7.2面向对象分析与设计面向对象分析与设计7.2.1面向对象分析面向对象分析 面向对象分析的一般步骤如下：1. 获取客户对系统的需求：包括标识场景（scenario）和用况（use case，也称用例），以及建造需求模型2. 用基本的需求为指南，来选择类和对象（包括属性和操作）。3.

7、定义类的结构和层次。4. 建造对象关系模型。5. 建造对象行为模型。6. 利用用况/场景来复审分析模型。 1. 获取客户对系统的需求 需求获取必须让客户与开发者充分地交流，这里介绍一种采用用况来收集客户需求的技术。分析员首先标识使用该系统的不同的执行者（actor），这些执行者代表使用该系统的不同的角色。每个执行者可以叙述他如何使用系统，或者说他需要系统提供什么功能。执行者提出的每一个使用场景（或功能）都是系统的一个用况的实例，一个用况描述了系统的一种用法（或一个功能），所有执行者提出的所有用况构成系统的完整的需求。 分析过程分析过程2. 标识类和对象 类和对象来自问题领域。可以先标识候选类，

8、然后进行筛选3. 定义类的结构和层次 类 的 结 构 主 要 有 两 种 ： 一 般 特 殊（generalizationspecialization）结构和整体部分（wholepart）结构。 一般特殊结构是一种分类结构，反映了类间的一般与特殊的关系。特殊类还可以分为更特殊的类，这样可形成类的层次结构。 整体部分结构反映了类间的整体与部分关系。值得注意的是，整体部分关系是对对象而言的，而不是对类的。整体部分关系是一种“has a ”的关系，如“汽车”有“发动机”。同样，整体部分结构也具有层次结构。4. 建造对象关系模型 对象-关系模型描述了系统的静态结构，它指出了类间的关系（relation

9、ship）。 类之间的关系有关联、依赖、泛化、实现等。5. 建立对象行为模型 对象-行为模型描述了系统的动态行为，它们指明系统如何响应外部的事件或激励（stimulus）。 建模的步骤如下： 评估所有的用况，以完全理解系统中交互的序列。 标识驱动交互序列的事件，理解这些事件如何和特定的对象相关联。 为每个用况创建事件轨迹（event trace）。 为系统建造状态机图。 复审对象-行为模型，以验证准确性和一致性。 7.2.2 面向对象设计面向对象设计（Object_Oriented Design） 面向对象设计的一般步骤如下：1.系统设计将子系统分配到处理器选择实现数据管理、界面支持和任务管理

10、的设计策略为系统设计合适的控制机制复审并考虑权衡（折衷）2. 对象设计 在过程级别（procedural lavel）设计每个操作，即设计每个操作的实现细节 定义内部类 为类属性设计内部数据结构3. 消息设计 使用对象间的协作和对象-关系模型，设计消息模型4. 复审 复审设计模型并在需要时迭代。 1. 系统设计1) 将分析模型划分成子系统 在OO系统设计中，把分析模型中紧密相关的类、关系等设计元素包装成子系统。 通常，子系统的所有元素共享某些公共的性质，它们可能都涉及完成相同的功能；它们可能驻留在相同的产品硬件中；或者它们可能管理相同的类和资源。子系统由它们的责任所刻画，即，一个子系统可以通过

11、它提供的服务来标识。在OOD中，这种服务是完成特定功能的一组操作。 子系统的设计准则是：(1) 子系统应具有定义良好的接口，通过接口和系统的其它部分通信；(2) 除了少数的“通信类” 外，子系统中的类应只和该子系统中的其它类协作；(3) 子系统的数量不宜太多；(4) 可以在子系统内部再次划分，以降低复杂性。2) 标识问题本身的并发性，并为子系统分配处理器 通过对对象-行为模型的分析，可发现系统的并发性。如果对象（或子系统）不是同时活动的，则它们不需并发处理，此时这些对象（或子系统）可以在同一个处理器上实现。反之，如果对象（或子系统）必须对一些事件同时异步地动作，则它们被视为并发的，此时，可以将

12、并发的子系统分别分配到不同的处理器，或者分配在同一个处理器，而由操作系统提供并发支持。3) 任务管理设计Coad和Yourdon提出如下管理并发任务对象的设计策略：(1) 确定任务的类型；(2) 必要时，定义协调者任务和关联的对象；(3) 将协调者任务和其它任务集成。 通常可通过了解任务是如何被启动的来确定任务的类型，如事件驱动任务，时钟驱动任务。每个任务应该定义其优先级，并识别关键任务。当有多个任务时还可以考虑增加一个协调者任务，以控制这些任务协同工作。 4) 数据管理设计 通常数据管理设计成层次模式，其目的是将数据的物理存储及操纵与系统的业务逻辑加以分离。 数据管理的设计包括设计系统中各种

13、数据对象的存储方式（如内部数据结构、文件、数据库），以及设计相应的服务，即为要储存的对象增加所需的属性和操作。5) 资源管理设计 OO系统可利用一系列不同的资源（如磁盘驱动器、处理器、通信线路等外部实体或数据库、对象等抽象资源），很多情况下，子系统同时竞争这些资源，因此要设计一套控制机制和安全机制，以控制对资源的访问，避免对资源使用的冲突。 6）人机界面设计 对大多数应用系统而言，人机界面本身是一个非常重要的子系统。人机界面主要强调人如何命令系统，以及系统如何向人提交信息。它包括窗口、菜单、报告的设计。 7) 子系统间的通信 子系统之间可以通过建立客户/服务器连接进行通信，也可以通过端对端（p

14、eer to peer）连接进行通信。我们必须确定子系统间通信的合约（contract），合约提供了一个子系统和另一个子系统交互的方式。 2. 对象设计 对象设计是为每个类的属性和操作作出详细的设计，并设计连接类与它的协作者之间的消息规约。1) 对象描述 对象的设计描述可以采取以下形式之一：（1） 协议描述：描述对象的接口，即定义对象可以接收的消息以及当对象接收到消息后完成的相关操作；（2） 实现描述：描述传送给对象的消息所蕴含的每个操作的实现细节，实现细节包括有关对象私有部分的信息，即关于描述对象属性的数据结构的内部细节和描述操作的过程细节。 对对象的使用者来说，只需要协议描述就够了。2）设

15、计算法和数据结构 为对象中的属性和操作设计数据结构和实现算法。典型的面向对象方法 Coad & Yourdon 方法 OMT方法 Booch方法 OOSE方法7.3统一建模语言统一建模语言UMLUnified Modeling Language 模型元素 模型元素指模型中的实体以及实体间相互连接的关系 部分模型元素部分模型元素注解注解类类属性属性操作操作对象：类对象：类属性属性操作操作状态状态用况用况 结点结点供应接口供应接口包包依赖依赖关联关联泛化泛化主动类主动类属性属性操作操作请求接口请求接口构件构件实现实现用况图用况图展示了各类外部执行者与系统所提供的用况之间的连接。一个用况是系统所提供

16、的一个功能的描述；执行者是指那些可能使用这些用况的人或外部系统，执行者与用况的连接表示该执行者使用了那个用况。用况图给出了用户所感受到的系统行为，但不描述系统如何实现该功能。用况通常用普通正文描述，也可以用活动图来描述。 任何一个涉及到系统功能活动的人都会用到用况模型。 客户：用况模型指明了系统的功能，描述了系统能如何使用。用况建模时客户的积极参与是十分重要的。 开发者：用况模型帮助他们理解系统要做什么，同时为以后的其它模型建模、结构设计、实现等提供依据。 集成测试和系统测试人员：根据用况来测试系统，以验证系统是否完成了用况指定的功能。 用况建模步骤用况建模步骤创建用况模型的步骤包括：1定义系

17、统2确定执行者3确定用况4描述用况5定义用况间的关系，6确认模型用况模型由用况图组成，用况图展示了执行者、用况以及它们之间的关系。用况通常用正文形式来描述。一个用况模型可由若干幅用况图组成。一幅用况图包含的模型元素有系统、执行者、用况，以及表示它们间的不同关系，如关联、扩展、包含、泛化等。用况图用况图电话订购系统用况图电话订购系统用况图Telephone CatalogCustomerSalespersonnShipping ClerksupervisorestablishcreditFill orderArrangePaymentSupplyCustomerDataorderproductA

18、rrangeCreditPaycashplaceorderRequestCatalogincludeincludeincludeextendcheckstatus一. 确定执行者 执行者是指与系统交互的人或其它系统 执行者代表一种角色，而不是具体的某个人 执行者可分成主执行者和副执行者： 主执行者使用系统的主要功能 例如，保险系统中主执行者处理保险的注册和管理 副执行者处理系统的辅助功能 例如，管理数据库、通信、备份以及其它管理等系统维护我们可以通过回答下列问题来确定执行者： 谁使用系统的主要功能（主执行者）？ 谁需要从系统中得到对他们日常工作的支持？ 谁需要维护、管理和维持系统的日常运行（副

19、执行者）？ 系统需要控制哪些硬件设备？ 系统需要与哪些其它系统交互？ 哪些人或哪些系统对系统产生的结果（值）感兴趣？2 确定用况1） 用况的特征用况总是被执行者启动的（initiated），执行者必须直接或间接地指示系统去执行用况用况向执行者提供值，这些值必须是可识别的用况是完整的，一个用况必须是一个完整的描述 用况的实例称为场景2） 寻找用况可以通过让每个执行者回答以下问题来寻找用况：执行者需要系统提供哪些功能？执行者需要做什么？执行者是否需要读、创建、删除、修改或储存系统中的某类信息？执行者是否要被系统中的事件提醒，或者执行者是否要提醒系统中某些事情？从功能观点看，这些事件表示什么？执行者

20、的日常工作是否因为系统的新功能（尤其是目前尚未自动化的功能）而被简化或提高了效率？3. 用况的描述 用况通常用正文（text）来描述,也可用活动图来描述 。 用况的正文描述应包括以下内容： 用况的目的：用况的最终目的是什么？它试图达到什么？ 用况是如何启动（initiate）的：哪个执行者在什么情况下启动用况的执行？ 执行者和用况之间的消息流：用况与执行者之间交换什么消息或事件来通知对方改变或恢复信息？描述系统与执行者之间的主消息流是什么？以及系统中哪些实体被使用或修改？ 用况中可供选择的流：用况中的活动可根据条件或异常（exception）有选择地执行。 如何通过给执行者一个值来结束用况：描

21、述何时可认为用况已结束. 执行者的简要描述 如客户：向公司订购商品的人 客户代表：公司处理客户请求的雇员 库存系统：记录公司库存的软件 用况的简要描述 如订购货物：客户创建一个新的请求商品的订单，并为那些商品付费 取消订单：客户取消一个已经存在的订单 用况的详细描述前置条件和后置条件前置条件和后置条件表示用况开始和结束的条件事件流（flow of events）事件流是一系列陈述句，它是从执行者的角度看，列出用况的各个步骤用况描述中可以包含条件、分支和循环。例如：订购货物用况的描述如下用况名称：订购货物参与的执行者：客户、客户代表前置条件：一个合法的客户已经登录到这个系统事件流：1. 当客户选

22、择订购货物时，用况开始2. 客户输入他的姓名和地址3. 如果客户只输入邮编，系统将给出州和城市名4. 当客户输入产品代码a. 系统给出产品描述和价格b. 系统往客户订单中添加该物品的价格 循环结束5. 客户输入信用卡支付信息6. 客户选择提交7. 系统检验输入的信息，把该订单作为未完成的交易保存，同时向记账系统转发支付信息。如果客户提交的信息不正确，系统将提示客户修改。8. 当支付确认后，订单就被标记上已经确认，同时返回给客户一个订单ID，用况也就结束了。如果支付没有被确认，系统将提示客户改正支付信息或者取消。如果客户选择修改信息，就回到第5步；如果选择取消，用况结束。后置条件：如果订单没有被

23、取消，它将保存在系统中，并做上标记其他需求在用况中还可描述一些特殊的需求，这些需求常常是非功能性需求，如可用性、安全性、可维护性、负载、性能、自动防故障、数据需求等。如订购货物用况的其他需求：前置条件：（略）事件流： （略）特殊需求： 系统必须在一秒内响应客户的输入后置条件： （略） 事件流可分为两部分： 基本路径 基本路径是运转正常时的路径，是一系列没有分支和选择的简单陈述句 可选路径 可选路径是指不同于基本路径而允许不同的事件序列的路径。 对于明显有可能随时发生的事情来说，可选路径非常有效。如订购货物用况的基本路径：事件流：基本路径1.当客户选择订购货物时，用况开始2.客户输入他的姓名和地

24、址3.当客户输入产品代码时a. 系统给出产品描述和价格b. 系统往客户订单中添加该物品的价格 循环结束4. 客户输入信用卡支付信息5. 客户选择提交6. 系统检验输入的信息，把该订单作为未完成的交易保存，同时向记账系统转发支付信息7. 当支付确认后，订单就被标记上已经确认，同时返回给客户一个订单ID，用况结束 如果在订购货物用况中，客户可以在提交订单前随时取消订单，其可选路径如下：可选路径： 在选择提交前的任何时候，客户都可以选择cancel。这次订购没有被保存，用况结束。 在基本路径第6步，如果有任何不正确的信息，系统提示客户去修改这些信息。 在基本路径第7步，如果支付没有被确认，系统将提示

25、客户改正支付信息或者取消。如果客户选择修改信息，就回到基本路径第4步；如果选择取消，用况结束。3确定用况之间的关系关系说明记号关联执行者与他所参与的一个用况之间的通信路径 扩展扩展的用况到基本用况的一种关系，它指出扩展的用况所定义的行为如何插入到基本用况所定义的行为中。扩展的用况通过模块化方式增量地修改基本用况 extend关系说明记号包含从基本用况到另一个用况（称为包含用况，inclusion use case）的一种关系，它指出包含用况定义的行为被包含在基本用况所定义的行为中。基本用况能看到包含用况，并依赖于执行包含用况后的结果，但两者相互间不能访问其它属性 用况泛化 一个一般用况与一个更

26、特殊的用况之间的关系，特殊用况可继承一般用况的特征 include实例实例本实例实现一个简化了的银行储蓄账户管理系统，该系统是在银行的柜台上对客户办理活期储蓄业务。系统的需求陈述如下：一个客户可以在多个银行中开设账户，一个客户也可在同一银行中开设多个不同的账户。客户可以通过银行职员进行开户、存款、取款、转账、注销账户等活动。其中转账指客户将自己的某个账户上的钱款转入同一银行的不同账户（称为银行内转账）或转入不同银行的账户（称为银行间转账）。系统管理员负责系统的账户管理及业务报表的生成。识别执行者客户：到银行办理储蓄业务的人，负责输入密码银行职员（客户代理）：银行工作人员，代表客户进行储蓄业务的

27、操作银行职员（管理人员）：银行工作人员，根据客户的储蓄业务更新账户管理员：银行计算机的管理人员，负责账户的管理和业务报表的生成识别用况从系统的需求陈述可知，银行职员（客户代理）需要系统提供开户、存款、取款、转账、注销账户等功能，这些功能都包含了校验密码的功能。系统管理员需要系统提供账户管理和报表生成功能。银行职员（管理人员）则参与了账户管理中的更新账户的功能。此外，转账功能可分为银行内转账和银行间转账，可将它们设计成三个用况，其中银行内转账用况和银行间转账用况都继承了基本转账用况。据此分析，得到该系统的用况图如下图所示。银行储蓄账户管理系统银行储蓄账户管理系统包含包含包含包含包含包含银行职员银

28、行职员（用户代理）（用户代理）账户管理账户管理银行间转账银行间转账开户开户取款取款银行内转账银行内转账注销注销存款存款校验密码校验密码转账转账报表生成报表生成其它银行其它银行账户管理系统账户管理系统客户客户系统管理员系统管理员银行职员银行职员（管理人员）（管理人员）开户用况描述用况名称：开户参与的执行者：银行职员（客户代理），客户前置条件：一个合法的银行职员（客户代理）已登录到该系统事件流：1.当选择开户功能时用况开始2.输入客户信息（姓名、地址、身份证号等）3.从账户管理系统获取新的账号4.请客户输入密码5.请客户再次输入密码6.如果两次密码不一致则回到第4步，否则继续7.在账户库中添加新账

29、户8.打印存折，用况结束后置条件：在账户库中增加了一个新账户，得到一张新存折 取款用况描述用况名称：取款参与的执行者：银行职员（客户代理）前置条件：一个合法的银行职员（客户代理）已登录到该系统事件流：基本路径：1.当选择取款功能时用况开始2.当输入客户信息（姓名、账号等）后 a）如果客户信息与账户不一致，显示错误信息，可以重新输入或结束用况 b）如果该账户被冻结（如因挂失而冻结），显示冻结信息并结束用况3.输入并校验密码4.输入取款金额，如果该账户的余款小于取款金额，显示错误信息，要求重新输入5.打印取款单，交客户签字6.建立取款事件记录，更新账户信息7. 打印存折，用况结束可选路径：1.在第

30、5步客户签字之前的任何时刻，客户可以取消本次取款，用况结束2.第3步校验密码时，如发现密码不一致，则重新输入密码，或用况结束后置条件：如果取款成功，客户账户中的余额被更新（减少），否则余额不变。描述取款用况的活动图客户不确认客户不确认客户确认客户确认余额余额取款取款额额未冻结未冻结不一致不一致一致一致选择重新输入选择重新输入选择结束选择结束冻结冻结余额取款额余额取款额打印取款单打印取款单输入客户信息输入客户信息显示显示错误信息错误信息建立取款记录建立取款记录更新账户信息更新账户信息打印存折打印存折显示显示错误信息错误信息输入取款金额输入取款金额输入并校验密码输入并校验密码显示显示冻结信息冻结信

31、息2022-6-2165在线会议审稿系统:主要处理会议前期的投稿和审稿事务，其功能描述如下：1用户在初始使用系统时，必须在系统中注册(register)成为作者或审稿人。2作者登录(login)后提交稿件和浏览稿件审阅结果。提交稿件必须在规定提交时间范围内，其过程为先输入标题和摘要、选择稿件所属主题类型、选择稿件所在位置 (存储位置)。上述几步若未完成，则重复；若完成，则上传稿件至数据库中，系统发送通知。3审稿人登录后可设置兴趣领域、审阅稿件给出意见以及罗列录用和(或)拒绝的稿件。4会议委员会主席是一个特殊审稿人，可以浏览提交的稿件、给审稿人分配稿件、罗列录用和(或)拒绝的稿件以及关闭审稿过程

32、。其中，关闭审稿过程须包括罗列录用和(或)拒绝的稿件。系统采用面向对象方法开发，使用UML进行用例建模。2022-6-21662022-6-2167结构图结构图(SC)(SC)举例举例医院管理系统医院管理系统门诊门诊管理管理药房药房管理管理药库药库管理管理病房病房管理管理财务财务管理管理处处方方挂号挂号处理处理挂挂号号费费总总计计挂挂号号单单挂挂号号费费总总计计出库出库处理处理进药进药管理管理病历病历管理管理处方处方管理管理常规常规处理处理2022-6-2168酒店管理信息系统功能结构图酒店管理信息系统功能结构图H M I S收银管理子系统收银管理子系统收银管理子系统收银管理子系统收银管理子系

33、统收银管理子系统客客人人登登记记预预定定登登记记客客房房处处理理历历史史记记录录客客房房查查询询预预定定查查询询餐餐桌桌安安排排菜菜单单作作业业营营业业结结帐帐汇汇总总打打印印各各类类查查询询初初始始设设置置客客帐帐处处理理退退房房处处理理夜夜审审处处理理客客帐帐查查询询报报表表打打印印2022-6-2169大型零售商场管理信息系统功能大型零售商场管理信息系统功能结构图结构图TM M I S系系统统维维护护POS系系统统零零售售实实时时系系统统商商品品进进货货管管理理商商品品批批发发管管理理商商品品库库存存管管理理商商品品及及商商品品帐帐管管理理顾顾客客管管理理连连锁锁店店管管理理财财务务管管理理人人事事工工资资管管理理计计划划统统计计管管理理经经理理查查询询2022-6-2170(4) (4) 减少高扇出争取高扇入减少高扇出争取高扇入编外编外人员人员工资工资取得取得工资工资数据数据 计时计时制工制工资额资额薪金薪金制工制工资额资额编外编外人员人员税款税款编外编外人员人员扣款扣款常规常规扣款扣款税收税收扣款扣款计算实发工资计算实发工资避免平铺结构避免平铺结构2022-6-2171(4) (4) 减少高扇出争取高扇入减少高扇出争取高扇入编外编外人员人员工资工资取得取得工资工资