软件设计与体系结构 第四章 面向对象的软件设计方法

面向对象的软件设计共六十一页引言(yǐnyán)面向对象开发方法的核心是利用面向对象的概念和方法对软件需求分析和设计，建立面向对象的软件分析和设计模型。面向对象软件开发过程从领域概念到设计概念和代码实现都以类和对象为核心，是一个逐步精化的过程，因此需求分析和设计之间并没有严格的分界线。本章(běnzhānɡ)使用UML进行软件分析和设计。共六十一页教学内容基于UML的分析与设计过程用例分析与设计概念模型和顶层架构设计用户界面设计数据模型设计设计精化类设计部署(bùshǔ)模型设计共六十一页基于UML的分析与设计(shèjì)过程UML是独立于软件开发过程的，它几乎可以用于任何类型的软件开发过程，包括瀑布式、迭代式、螺旋式等不同模型。在软件分析和设计中，可以根据项目的特征、开发组织在已有实践中定义的相关规范、设计人员本身的偏好等因素(yīnsù)，对基于UML的软件设计过程进行定制。根据UML各种视图的特点，它们可能更适用于软件分析与设计的某些活动，形成了一些常用的设计方式与过程，起到一定的指导作用，但并没有强制性要求。共六十一页基于(jīyú)UML的分析与设计过程用例分析(fēnxī)与设计概念模型与顶层架构设计用户界面设计数据模型设计设计精化类设计部署模型设计UML设计模型类图包图构件图用例图交互图活动图类图包图交互图构件图部署图类图包图构件图类图状态图活动图共六十一页基于UML的分析(fēnxī)与设计过程用例分析与设计：需求获取，分析和描述的过程，它将利用例及用例图表示(biǎoshì)需求。概念模型与顶层架构设计：在用户需求和相关的业务领域中，概念及概念关系的抽取用户界面设计：设计每个界面中的所有界面元素，确定初步的界面布局，定义用户界面动作对软件系统中设计元素的要求数据模型的设计：确定设计模型中需要持久保存的类的对象及其属性，定义持久持久存储数据之间的组织方式，并明确数据模型中的操作行为。设计的精化：对上面的逻辑、界面、数据模型等不同侧重点的设计结果进行整理，合并相似的类，保证各模型之间的一到处性，并消除冗余，为了提高整全后模型的质量，可能需要引入继承、聚集等关系对类设计进行组织和精化，并可能需要引入新的关键类和控制类。交互图等设计模型进行精华，以更具体地描述场景交互过程。共六十一页基于(jīyú)UML的分析与设计过程类设计：对类进行细化设计，精化类之间的关系以及类的操作和属性，使它们能够直接提交给软件构造阶段进行编码实现。对重要控制类，采用状态图描述类的实例在生存周期中对外部事件的响应笔状态变化过程，并可以采用活动图对重要的方法过程开算法进行描述。部署模型设计：对软件最终的元素(yuánsù)结构以及运行的具体环境进行描述，包括刻画最终可能生成的运行文件、库文件或软件包以及这些元素(yuánsù)之间的静态关系，软件最终运行的物理平台拓朴结构，描述其中的物理节点以及它们之间的通信和交互方式，并说明软件包、运行文件，子系统等元素(yuánsù)在物理节点上的部署方案共六十一页用例的分析(fēnxī)与设计确定用例生成(shēnɡchénɡ)用例图用例设计描述共六十一页银行ATM自动(zìdòng)柜员机需求简述提供以下服务：取款。顾客用银行卡从对应的账户中支取现金，现金必须是存款。顾客可以把现金存入银行卡对应的账户中转账。顾客可以把一个(yīɡè)银行卡对应的赂中的款项转账到另一个(yīɡè)银行账户中查询。顾客能够查询一个银行卡对应的账户中的余额该ATM系统包括以下组成部分：读卡器交互的控制台存款的插槽打印机启动和关闭ATM系统的开关键盘ATM系统与银行服务通过特定的网络连接进行通信共六十一页银行(yínháng)ATM自动柜员机需求简述ATM系统在提供以上服务的过程中，必须满足以下要求一个顾客可以在最终确认前放弃一项交易ATM在执行交易过程中将与银行系统进行通信，对是否允许交易进行验证ATM为每次成功(chénggōng)的交易提供一个打印回执ATM需要维护一个内部日志，对每次交易进行记录共六十一页用例的分析(fēnxī)与设计确定(quèdìng)用例—确定场景从业务需求出发获取参与者（Actor)和场景，对场景进行汇总、分类、抽象，形成用例场景是用户与系统之间进行交互的一组具体的动作获取场景目标软件有哪些参与者参与者希望系统执行的任务有哪些？参与者希望获得哪些信息？这些信息由谁生成？由谁修改？参与者城要通知系统哪些事件？系统响应这些事件时会表现出哪些外部行为？系统将通告参与者哪些事件？共六十一页用例的分析(fēnxī)与设计确定用例—确认(quèrèn)参与者和责任不同的参与者系统管理员、程序员、会计、出纳员与系统通信的其他系统不同的责任系统配置、程序设计、财务管理、现金管理分析参与者的工作：使用案例各种使用过程、步骤共六十一页用例的分析(fēnxī)与设计用例的确认(quèrèn)围绕系统的一个工作过程，确认参与交互过程的参与者如：系统管理员、域控制器（计算机）用系列动作步骤描述交互过程参与者的动作、系统的执行步骤要点忽略内部细节，仅考虑外部因素共六十一页用例的分析(fēnxī)与设计ATM案例(ànlì)——参与者顾客（Customer）操作管理员（Operator）银行服务员（BankSystem）读卡器（CardReader）存款器（CashAcceptor）打印机（Printer）共六十一页用例的分析(fēnxī)与设计ATM系统(xìtǒng)—用例取款（Withdrawal）存款（Deposit）转账（Transfer）查询余额（Inquiry）开机（SystemStartup）关机（SystemShutdown）共六十一页用例的分析(fēnxī)与设计用例建模步骤(bùzhòu)1)描述各种使用案例描述交互过程的动作序列模拟系统工作的交互过程2）确认动作检查使用案例，引入并描述动作覆盖所有可能发生的动作共六十一页用例的分析(fēnxī)与设计用例建模步骤(bùzhòu)3)跟踪执行过程为每个使用案例制作序列图描述对象之间的消息传送过程4)构造状态转移图为每个对象构造的状态转移图反映对象接受和发送的消息考虑所有使用案例中的所有消息共六十一页用例的分析(fēnxī)与设计ATM系统(xìtǒng)初步用例图共六十一页用例的分析与设计(shèjì)-用例设计描述用例名称：Withdrawal参与者：Cudtomer,kBankSystem,CardReader,CashDispenser,Printer前置条件：顾客已插入银行卡，密码验证正确，顾客按下“取款”按钮主事件流：（1）顾客输入取款金额，并确认。（2）系统认可取款金额，并发送指令给取款器（3）取款器把相应金额的现金送出（4）打印机打印回执辅事件流：（1）如果取款金额不是100的整数倍，则显示信息“输入金额必须是100的整数倍，请重新输入”，并返回主事件流中步骤（1）（2）如果取款金额超过2000元，则显示信息“输入金额不能超2000元，请重新输入”，并返回主事件流中步骤（1）（3）如果账户余额小于取款金额，则显示信息“账户余额不足，请重新输入”，并返回主事件流中步骤（1）（4）顾客在确认取款金额前右以选择取消交易。后置条件：如果取款成功，系统从账户余额中减去相应数额，并返回等待(děngdài)状态；如果顾客取消交易，则返回等待(děngdài)状态共六十一页用例的分析(fēnxī)与设计Startup用例的顺序(shùnxù)图描述共六十一页用例的分析(fēnxī)与设计Session用例的顺序(shùnxù)图描述共六十一页用例的分析(fēnxī)与设计Transaction用例的顺序(shùnxù)图描述共六十一页用例的分析(fēnxī)与设计Withdrawal用例的顺序(shùnxù)图描述共六十一页概念模型和顶层(dǐnɡcénɡ)架构设计概念模型的设计标识领域概念模型分析类：直接服务于用户功能性需求的概念层面的类，与具体技术没有关系顶层架构的设计目的：为后续(hòuxù)的分析和设计活动建立一种结构和划分共六十一页概念模型和顶层(dǐnɡcénɡ)架构设计关键概念来源：为建立以UML类图表示(biǎoshì)的领域概念模型，首先必须标识关键概念。关键概念的来源包括：（1）业务需求描述、用例说明；（2）业务领域中的相关规范、标准、术语定义。（3）反映业务领域知识的既往经验。业务需求描述业务领域中的相关规范、标准、述评呼定义反映业务领域知识的既往经验共六十一页概念模型和顶层(dǐnɡcénɡ)架构设计分析类：（1）边界类：负责目标软件系统与参与者之间的交互。（2）控制(kòngzhì)类：完成用例任务的责任承担者，负责协调、控制(kòngzhì)其他类共同完成用例规定的功能或行为。（3）实体类：负责保存目标软件系统中具有持久意义的信息项并向其他类提供读、写信息项内容的必要操作接口，一般不涉及业务逻辑。共六十一页概念模型和顶层(dǐnɡcénɡ)架构设计边界类：其职责包括：边界控制：包括定义数据的格式及内容转换，输出结果的呈现，软件(ruǎnjiàn)运行过程中界面的变化与切换等。外部接口：实现目标软件系统与外部系统或外部设备之间的信息交流和互操作，主要关注跨越目标软件系统边界的通信协议环境隔离：对目标软件系统与操作系统、数据库管理系统、中间件等环境软件进行交互的功能与特性进行封装，使目标软件系统的其余部分尽右能独立于环境软件。共六十一页概念模型和顶层(dǐnɡcénɡ)架构设计ATM系统(xìtǒng)的概念模型——分析模型图共六十一页概念模型和顶层(dǐnɡcénɡ)架构设计顶层(dǐnɡcénɡ)架构设计顶层架构是分析和设计阶段成果的承载体可以把体系结构设计方法与上述概念模型得到的结果结合起来考虑，利用一定的体系结构模式（例如分层模式、模型-视图—控制器MVC模式等）对概念模型中的相关元素进行组织，同时需要考虑目标软件系统与其他参与者的外部系统之间的联系和交互方式。共六十一页概念模型和顶层(dǐnɡcénɡ)架构设计ATM系统(xìtǒng)的顶层架构图共六十一页用户界面(yònɡhùjièmiàn)设计基于UML的分析与设计过程用例分析与设计概念模型和顶层架构设计用户界面设计数据模型设计设计精化(jīnɡhuà)类设计部署模型设计共六十一页用户界面(yònɡhùjièmiàn)设计用户界面是对于用户的直接表现，直接影响到用户对软件易用性、友好性的感觉。用户界面包含两方面内容：首先要完整地包括用户在使用软件过程(guòchéng)中所需的各种元素，例如窗口、菜单、按钮、输入文本框、选择列表、提示信息等，缺乏这些元素中的某些将会导致软件功能无法被用户正常完成；其次要求具有良好的外观和布局，例如背景颜色、按钮等元素的位置、选择列表中条目的顺序等，这些因素的不足可能不会影响软件功能的正确使用，但会给用户带来不便、迷惑甚至反感。共六十一页用户界面(yònɡhùjièmiàn)设计用户界面元素分为两个层次：屏幕:用构造型<<screen>>表示窗口：屏幕上的组成部分（文本框、按钮等）统一称为窗口。用构造型<<window>>表示用户界面的结构可以由UML类图描述，屏幕和窗口用类进行表示，并给出它们之间的关系。屏幕之间的切换过程可以用UML状态图表示。每个状态表示当时所处的屏幕，迁移表示用户激励。当屏幕中有许多窗口时，可以对窗口划分层次，一些简单的窗口可以作为复杂窗口的属性(shǔxìng)和操作。共六十一页用户界面(yònɡhùjièmiàn)设计CustomerConsole用户通过控制台使用ATM的过程中，可分为5个相对独立的过程（1）插入银行卡到输入正确密码并进入选择交易类型的屏幕（2）选择“取款”交易，并到完成(wánchéng)后退出或返回选择交易类型的屏幕（3）选择“存款”交易，并到完成后退出或返回选择交易类型的屏幕（4）选择“转帐”交易，并到完成后退出或返回选择交易类型的屏幕（5）选择“查询”交易，并到完成后退出或返回选择交易类型的屏幕共六十一页用户界面(yònɡhùjièmiàn)设计屏幕(píngmù)结构类图共六十一页用户界面(yònɡhùjièmiàn)设计屏幕(píngmù)变化状态图“插卡”过程的屏幕转换状态图：每个状态表示一个屏幕，迁移表示当前屏幕用户的激励。共六十一页用户界面(yònɡhùjièmiàn)设计屏幕(píngmù)结构类图InputPin屏幕的结构图。每个屏幕的结构可以用类图设计，即屏幕上有什么（窗口），如：文本框、按钮等共六十一页用户界面(yònɡhùjièmiàn)设计屏幕(píngmù)结构包图顾客控制台包含丰富的元素，可以进一步细化形成一个对应的包，专门描述界面元素其中有分为5个子包，分别对应“插卡”、“取款”、“存款”、“转账”、“查询”5个独立的过程。每个子包又对应一些列的屏幕，并对应到表示屏幕切换的状态图共六十一页用户界面(yònɡhùjièmiàn)设计一个独立(dúlì)的过程包含若干屏幕变换状态图表示屏幕间的变换状态图的一个状态表示一个屏幕一个屏幕的结构用屏幕结构（类）图表示共六十一页数据模型设计(shèjì)数据模型设计包括数据结构设计、数据库设计、数据文件设计等，本节主要关注持久数据存储设计。持久数据模型设计步骤为：（1）确定设计模型中需要持久保存的类的对象及其属性，其中实体类是主要关注对象。（2）确定持久存储的数据之间的组织方式。（3）确定数据模型中的操作(cāozuò)行为，例如数据完整性验证、数据读取、存储与更新、数据求和、求数据平均值等。（3）进一步优化持久数据操作的性能，如使用数据索引、存储过程、触发器等方式。数据模型设计的输出制品是数据模型，包括以UML类图表示的数据库表格以及它们之间的关系。数据模型必须满足设计模型对持久数据存储的要求。共六十一页数据模型设计(shèjì)-关系数据库建模类对应于关系数据模型中的表格（table），对象对应于记录(jìlù)（record），属性对应于表格中的字段（field）或者列（column），类中的方法实现可以用SQL语句对数据库表格进行操作。<<table>>表示表格，<<key>>表示关键字，<<>foreignkey>表示外键共六十一页数据模型设计(shèjì)-数据模型共六十一页设计(shèjì)精化精化任务：1，精化软件架构2，调整软件构成(gòuchéng)的类3，精化交互模型4，精化类之间关系共六十一页设计(shèjì)精化-精化软件架构目的：寻找理想的包划分方案，包中类数量适中，边界清晰的，自然，耦合度低降低耦合度拆分成子包调整类的摆放位置，移到另外的包合并包或合并后重新划分原则避免包间的循环依赖位于(wèiyú)较低层次的通用包不应当依赖于较高层次中的专用包在层次结构中，较高层次的包可以依赖较低层次的包，但应尽量在相邻的层次间发生如果针对某些子系统专门划分了接口包和实现包，那么，其他与该子系统相关的包吸能依赖于接口包，不能依赖于实现包共六十一页设计(shèjì)精化-精化软件架构用户交互(jiāohù)层包精化后的模型共六十一页设计(shèjì)精化-精化软件架构用户交互层中子(zhōngzǐ)包精化后的模型共六十一页设计(shèjì)精化调整软件(ruǎnjiàn)构成类增加辅助类引入新类以弥补不足合并相互通信频繁的类若类的属性和操作简单，但与其他类通信非常用频繁，即耦合度很高，这样的类可以合并到其他类中分拆规模过大的类若一个类的属性可以区分为常用和罕用，为提高效率，拆分为“常用”类和数个“罕用”类，建立聚合关系若一个类既要负责业务逻辑，又要实现与外部数据通信，那么可以拆分为，业务逻辑类和通信类共六十一页设计(shèjì)精化精化(jīnɡhuà)过程中新增加的类共六十一页设计(shèjì)精化精化交互(jiāohù)模型交互图进行精化时，需要考虑以下内容软件架构的组成类被迫调整之后对交互模型产生的影响，新出现的对象可拆分后的对象如何参与交互过程，在其中起到什么样的作用对象在交互过程中的消息传递需要哪些参数和返回值交互过程是否需要细化，例如如增加必要的消息，或对局部引用一个更加具体的交互图共六十一页设计(shèjì)精化精化(jīnɡhuà)后的Withdrawal顺序图共六十一页设计(shèjì)精化-精化类之间的关系详细研究类之间的连接关系精确判定关系：依赖、关联、聚合、构成确定连接的方向吸参与连接的类对象之间的数量对应关系根据软件(ruǎnjiàn)复用的要求及软件(ruǎnjiàn)结构简洁化、清晰化的要求，优化类之间的关系连接关系，主要是构筑消息通道。面向对象的程序设计机制提供4种手段：引用全局对象：obj1直接引用作为全局对象的obj2通过参数传递:obj2作为obj1的某项操作的实际参数引用局部对象：在obj1的某项操作的数数体中创建或获取obj2通过类的成员变量：obj2作为obj1所属类的司性的取值共六十一页设计(shèjì)精化-精化类之间的关系利用继承关系精化设计模型寻找类之间的公共属性和操作，引进父类捕获公共性，简化模型将类划分为集合，针对每个集合特性设计一个父类，让集合中的所有类成为该父类的子类可能需要将多重继承化解为间重继承对业务逻辑、界面、数据模型等不同(bùtónɡ)的设计模型进行整理和融合合交相似类消除设计模型之间的冗余保证一致性共六十一页类设计(shèjì)类设计的任务是对各种设计模型中出现的类进行细化设计，以使它们精细(jīngxì)至能够直接提交给软件构造阶段进行代码实现，类设计也是一种对设计的精化，类设计主要包括：（1）对类的属性与操作进行精化。（2）对类的对象实例在其生命周期中对外部消息的响应和状态变化过程进行建模。（3）对类中重要操作的实现过程或算法进行描述。(1)关注单个类的内部细节的设计；(2)和(3)属于类的行为模型设计。共六十一页类设计-精化(jīnɡhuà)类的属性与操作对于类的每项属性，在设计模型中，可以定义属性的名称、类型、初始值、取值范围及属性说明（后三项内容是可选的）。操作(cāozuò)的基本内容包括名称、参数表（含参数的名称和类型）、返回类型、功能描述。如果操作比较复杂，还需要用文字或UML活动图说明操作的实现算法。共六十一页类设计(shèjì)-精化类的属性与操作属性(shǔxìng)和操作的作用范围：（1）public：对系统中所有类可见（2）protected：对本类及其子类可见（3）private：仅对本类可见确定属性和操作作用范围的原则：尽量缩小作用范围，每个类仅公开那些直接响应消息所必需的操作。原则上属性不宜公开，如果确有必要让其他类读取或者设置该属性的值，应通过本类增加get/set函数实现。共六十一页类设计-精化(jīnɡhuà)类之间的关系在类中设置相应属性(shǔxìng)，实现类之间的关联、聚合、构成关系:a、类型为B的指针或引用b、集合类型，集合元素的类型为B的指针或引用c、类型为B的指针或引用d、集合类型，集合元素的类型为B

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