计算机软件架构与设计模式知识要点梳理

计算机软件架构与设计模式知识要点梳理姓名_________________________地址_______________________________学号______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------线--------------------------1.请首先在试卷的标封处填写您的姓名，身份证号和地址名称。2.请仔细阅读各种题目，在规定的位置填写您的答案。一、选择题1.软件架构的核心目标是什么？

A.降低开发成本

B.提高开发效率

C.提升系统功能

D.提高系统的可维护性和可扩展性

答案：D

解题思路：软件架构的核心目标是为了保证系统的可维护性和可扩展性，使得系统在未来可以更容易地适应新的需求和环境。

2.下列哪一项不是软件架构的三个核心原则？

A.单一职责原则

B.开放封闭原则

C.李氏替换原则

D.组件重用原则

答案：D

解题思路：软件架构的三个核心原则通常包括单一职责原则、开放封闭原则和李氏替换原则，其中没有提及组件重用原则。

3.什么是SOA？

A.面向对象架构

B.服务导向架构

C.软件开发生命周期

D.数据库设计模型

答案：B

解题思路：SOA（ServiceOrientedArchitecture）即服务导向架构，它强调服务之间的交互，提供了一种组件化、模块化的系统架构。

4.在分层架构中，哪一层负责业务逻辑？

A.数据层

B.表示层

C.业务逻辑层

D.控制层

答案：C

解题思路：在分层架构中，业务逻辑层负责处理业务规则和业务逻辑，将数据和界面进行分离，保证系统可扩展性。

5.下列哪一项不是常见的架构风格？

A.分层架构

B.模块化架构

C.框架式架构

D.混合架构

答案：D

解题思路：常见的架构风格包括分层架构、模块化架构和框架式架构，混合架构并不是一种常见的架构风格。

6.什么是设计模式？

A.预先定义好的、可复用的解决方案

B.代码优化技巧

C.软件开发生命周期

D.系统功能优化方法

答案：A

解题思路：设计模式是预先定义好的、可复用的解决方案，它们是解决特定问题的通用方法。

7.设计模式的主要目的是什么？

A.优化代码结构

B.提高系统功能

C.降低维护成本

D.以上都是

答案：D

解题思路：设计模式的主要目的是为了优化代码结构，提高系统的可维护性和可扩展性，从而降低维护成本。

8.在设计模式中，单例模式属于哪种类型？

A.创建型模式

B.结构型模式

C.行为型模式

D.其他类型

答案：A

解题思路：单例模式属于创建型模式，其主要目的是保证一个类一个实例，并提供一个全局访问点。二、填空题1.软件架构的三个核心原则是：分离关注点、抽象、分层。

2.软件架构的四个核心关注点是：系统质量属性、系统分解、架构风格与架构模式、架构决策与架构评价。

3.以下哪些属于MVC架构的组件？（）

a.视图

b.控制器

c.模型

d.数据库

4.在设计模式中，观察者模式是一种行为型设计模式。

5.适配器模式的作用是将一个类的接口转换成客户期望的另一个接口，使得原本接口不兼容的类可以一起工作。

6.桥接模式主要解决的问题是将抽象部分与实现部分分离，使它们都可以独立地变化。

7.状态模式的主要作用是将对象的行为封装在不同的状态中，允许对象在其内部状态改变时改变其行为。

8.命令模式通常用于实现请求与执行分离。

答案及解题思路：

答案：

1.分离关注点、抽象、分层

2.系统质量属性、系统分解、架构风格与架构模式、架构决策与架构评价

3.a,b,c

4.行为型

5.将一个类的接口转换成客户期望的另一个接口，使得原本接口不兼容的类可以一起工作

6.将抽象部分与实现部分分离，使它们都可以独立地变化

7.将对象的行为封装在不同的状态中，允许对象在其内部状态改变时改变其行为

8.请求与执行分离

解题思路：

1.软件架构的三个核心原则是指导架构设计的基本原则，分离关注点强调模块化，抽象提供了一层抽象层，分层则是指系统分解为不同的层次。

2.软件架构的四个核心关注点涵盖了架构设计的各个方面，从系统质量属性到架构决策，每个点都是架构设计中的重要考量。

3.MVC架构是一种常见的软件架构模式，其中视图、控制器和模型是三个核心组件，数据库虽然与MVC紧密相关，但不是MVC架构的组件。

4.观察者模式属于行为型设计模式，它定义了对象之间的一对多依赖关系，当一个对象的状态发生变化时，所有依赖于它的对象都会得到通知。

5.适配器模式用于解决接口不兼容的问题，通过适配器使不同的接口能够协同工作。

6.桥接模式用于分离抽象和实现，使得它们可以独立变化，从而提高系统的灵活性和可扩展性。

7.状态模式通过封装对象的状态和相应的行为，使得对象可以在不同的状态下表现出不同的行为。

8.命令模式通过将请求封装成对象，从而允许用户对请求进行参数化、排队或记录请求，实现请求与执行分离。三、判断题1.软件架构的目的是为了提高软件的可维护性。（√）

解题思路：软件架构的设计目的是为了保证软件系统的结构清晰、模块化、可扩展，从而提高软件的可维护性。这是软件架构设计的重要目标之一。

2.在分层架构中，数据访问层负责处理与数据库的交互。（√）

解题思路：分层架构通常包括表示层、业务逻辑层、数据访问层等。数据访问层负责与数据库进行交互，如执行SQL语句、查询、更新数据等。

3.软件架构师的主要职责是保证软件架构的质量。（√）

解题思路：软件架构师负责制定软件系统的整体架构，保证架构的合理性和可行性，并保证软件架构的质量。

4.设计模式可以保证软件的可扩展性和可维护性。（√）

解题思路：设计模式是一套被反复使用的、多数人认可的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。合理运用设计模式可以提高软件的可扩展性和可维护性。

5.策略模式是一种行为型设计模式。（√）

解题思路：行为型设计模式关注系统各组件之间的通信和协作。策略模式是一种典型的行为型设计模式，它允许在运行时选择算法的行为。

6.模板方法模式是一种结构型设计模式。（√）

解题思路：结构型设计模式关注类和对象的组合。模板方法模式定义了一个算法的骨架，将一些步骤延迟到子类中实现，从而让子类在不改变算法结构的情况下重定义算法的某些步骤。

7.迭代器模式的主要作用是封装一个集合对象的遍历操作。（√）

解题思路：迭代器模式提供了一种方法，使得可以遍历集合对象而无需暴露其内部表示。它是封装遍历操作的关键。

8.门面模式可以隐藏子系统间的复杂性。（√）

解题思路：门面模式提供了一个统一的接口，用于访问子系统中的一组接口。通过使用门面模式，可以隐藏子系统间的复杂性，使得客户端只需与门面交互，无需关心子系统的具体实现细节。四、简答题1.简述软件架构与设计模式的关系。

软件架构是软件开发过程中的高层次设计，它定义了系统的整体结构和主要组件之间的关系。设计模式则是软件设计中的最佳实践，它们提供了解决常见问题的解决方案。软件架构与设计模式的关系是：设计模式是实现软件架构的具体手段，它们为架构设计提供了可重用的解决方案。

2.请列举至少三种常见的架构风格。

客户端服务器架构（ClientServerArchitecture）

模块化架构（ModularArchitecture）

微服务架构（MicroservicesArchitecture）

3.请列举至少三种常见的软件设计模式。

单例模式（SingletonPattern）

装饰者模式（DecoratorPattern）

状态模式（StatePattern）

4.请简述MVC架构的优点和缺点。

优点：

分离视图、控制器和模型，提高了系统的可维护性和可扩展性。

易于实现前后端分离，有利于开发团队分工合作。

缺点：

MVC模式可能会增加系统的复杂性。

模型、视图和控制器之间的通信可能变得复杂。

5.请简述工厂方法模式和抽象工厂模式之间的区别。

工厂方法模式（FactoryMethodPattern）：

只定义一个接口，让子类决定实例化哪一个类。

只生产一个产品。

抽象工厂模式（AbstractFactoryPattern）：

定义一个接口用于创建相关或依赖对象的家族，而不需要明确指定具体类。

可以生产多个产品。

6.请简述观察者模式在软件设计中的应用场景。

当一个对象的状态发生变化时，需要通知其他对象。

系统中的对象之间存在一对多的依赖关系。

需要实现事件监听和通知机制。

7.请简述桥接模式在软件设计中的应用场景。

当一个软件实体包含很多与其行为无关的相似对象，这些对象的状态依赖于其所属的类。

需要实现一个软件实体，使其可以在运行时动态地改变其接口。

8.请简述命令模式在软件设计中的应用场景。

需要将发出请求的对象和执行请求的对象解耦。

需要支持可撤销的操作。

需要实现操作队列，按顺序执行一系列操作。

答案及解题思路：

1.答案：软件架构与设计模式的关系是：设计模式是实现软件架构的具体手段，它们为架构设计提供了可重用的解决方案。

解题思路：从软件架构和设计模式的概念入手，分析它们之间的关系，得出结论。

2.答案：常见的架构风格有客户端服务器架构、模块化架构、微服务架构等。

解题思路：列举常见的架构风格，并结合实际案例说明每种架构风格的特点。

3.答案：常见的软件设计模式有单例模式、装饰者模式、状态模式等。

解题思路：列举常见的软件设计模式，并结合实际案例说明每种设计模式的应用场景。

4.答案：MVC架构的优点是提高系统的可维护性和可扩展性，缺点是可能会增加系统的复杂性。

解题思路：分析MVC架构的优点和缺点，从实际应用角度进行阐述。

5.答案：工厂方法模式只定义一个接口，让子类决定实例化哪一个类；抽象工厂模式定义一个接口用于创建相关或依赖对象的家族。

解题思路：比较工厂方法模式和抽象工厂模式，从接口定义和产品生产角度进行区分。

6.答案：观察者模式在软件设计中的应用场景包括：当一个对象的状态发生变化时，需要通知其他对象；系统中的对象之间存在一对多的依赖关系；需要实现事件监听和通知机制。

解题思路：从观察者模式的基本原理出发，结合实际应用场景进行阐述。

7.答案：桥接模式在软件设计中的应用场景包括：当一个软件实体包含很多与其行为无关的相似对象，这些对象的状态依赖于其所属的类；需要实现一个软件实体，使其可以在运行时动态地改变其接口。

解题思路：从桥接模式的基本原理出发，结合实际应用场景进行阐述。

8.答案：命令模式在软件设计中的应用场景包括：需要将发出请求的对象和执行请求的对象解耦；需要支持可撤销的操作；需要实现操作队列，按顺序执行一系列操作。

解题思路：从命令模式的基本原理出发，结合实际应用场景进行阐述。五、论述题1.请论述软件架构在设计阶段的重要性。

答案：

软件架构在设计阶段的重要性体现在以下几个方面：

a.保证系统满足业务需求：软件架构能够从整体上规划系统功能，保证系统设计能够满足用户和业务需求。

b.提高开发效率：合理的架构可以减少重复设计，提高开发效率。

c.降低维护成本：良好的架构设计可以使系统易于维护和升级，降低长期维护成本。

d.提高系统可扩展性：架构设计时应考虑系统的可扩展性，以便在未来能够适应业务变化。

e.提升系统功能：合理的架构有助于提高系统功能，保证系统稳定高效运行。

解题思路：

本题要求论述软件架构在设计阶段的重要性，可以从以下几个方面展开论述：满足业务需求、提高开发效率、降低维护成本、提高系统可扩展性以及提升系统功能。

2.请论述设计模式在软件设计中的重要性。

答案：

设计模式在软件设计中的重要性主要体现在：

a.提高代码可读性和可维护性：设计模式提供了一套规范和最佳实践，有助于提高代码质量。

b.复用代码和解决方案：设计模式可以复用代码和设计，减少重复劳动。

c.提高软件系统的可扩展性：通过使用设计模式，可以更好地应对系统需求的变更。

d.提高软件开发效率：设计模式能够帮助开发者快速解决问题，提高软件开发效率。

解题思路：

本题要求论述设计模式在软件设计中的重要性，可以从以下几个方面进行论述：提高代码可读性和可维护性、复用代码和解决方案、提高软件系统的可扩展性以及提高软件开发效率。

3.请论述分层架构的优势和局限性。

答案：

分层架构的优势包括：

a.降低模块耦合度：通过分层，可以降低不同模块之间的耦合度，提高系统可维护性。

b.提高系统可扩展性：分层架构有利于系统各层的扩展，适应未来需求变化。

c.提高代码复用性：分层设计可以使代码在不同层之间复用，提高开发效率。

d.降低维护成本：分层架构有助于降低系统的维护成本。

局限性包括：

a.需要合理划分层次：层次划分不合理会影响系统功能和可维护性。

b.层与层之间的交互：层与层之间的交互可能导致系统复杂性增加。

c.难以实现跨层次依赖：跨层次依赖可能导致设计模式难以运用。

解题思路：

本题要求论述分层架构的优势和局限性，可以从优势（降低模块耦合度、提高系统可扩展性、提高代码复用性、降低维护成本）和局限性（层次划分、层与层之间的交互、跨层次依赖）两个方面展开论述。

4.请论述设计模式在软件重构中的应用。

5.请论述设计模式在软件可维护性方面的作用。

6.请论述设计模式在软件可扩展性方面的作用。

7.请论述设计模式在软件可复用性方面的作用。

8.请论述设计模式在软件功能优化方面的作用。

（由于篇幅限制，此处仅展示部分题目及解题思路。完整答案及解题思路请参考上述格式。）六、编程题1.请实现单例模式。

描述：单例模式保证一个类一个实例，并提供一个全局访问点。

代码示例：

classSingleton:

_instance=None

staticmethod

defgetInstance():

ifSingleton._instanceisNone:

Singleton._instance=Singleton()

returnSingleton._instance

使用单例

singleton1=Singleton.getInstance()

singleton2=Singleton.getInstance()

assertsingleton1issingleton2验证是否为同一个实例

2.请实现观察者模式。

描述：观察者模式定义对象间的一对多依赖关系，当一个对象改变状态时，所有依赖于它的对象都会得到通知并自动更新。

代码示例：

classObserver:

defupdate(self,subject):

pass

classSubject:

def__init__(self):

self._observers=

defregister(self,observer):

self._observers.append(observer)

defnotify(self):

forobserverinself._observers:

observer.update(self)

使用观察者模式

classConcreteObserver(Observer):

defupdate(self,subject):

print(f"Observerreceivednotificationfrom{subject.__class__.__name__}")

subject=Subject()

observer=ConcreteObserver()

subject.register(observer)

subject.notify()观察者将接收到通知

3.请实现策略模式。

描述：策略模式定义一系列算法，把它们一个个封装起来，并使它们可以互相替换。

代码示例：

classStrategy:

defexecute(self,data):

pass

classConcreteStrategyA(Strategy):

defexecute(self,data):

returndata2

classConcreteStrategyB(Strategy):

defexecute(self,data):

returndata10

使用策略模式

context=Context(ConcreteStrategyA())

result=context.execute(5)

print(result)输出10

context=Context(ConcreteStrategyB())

result=context.execute(5)

print(result)输出15

4.请实现模板方法模式。

描述：模板方法模式定义一个操作中的算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中。

代码示例：

classTemplateMethod:

deftemplate_method(self):

self.hook()

self.step1()

self.step2()

self.step3()

defhook(self):

pass

defstep1(self):

pass

defstep2(self):

pass

defstep3(self):

pass

classConcreteTemplateMethod(TemplateMethod):

defstep1(self):

print("Step1executed")

defstep2(self):

print("Step2executed")

defstep3(self):

print("Step3executed")

使用模板方法模式

concrete=ConcreteTemplateMethod()

concrete.template_method()

5.请实现迭代器模式。

描述：迭代器模式提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素，而又不暴露该对象的内部表示。

代码示例：

classIterator:

def__init__(self,collection):

self._index=0

self._collection=collection

defhas_next(self):

returnself._indexlen(self._collection)

defnext(self):

ifself.has_next():

result=self._collection[self._index]

self._index=1

returnresult

else:

raiseStopIteration

classCollection:

def__init__(self,items):

self._items=items

defget_iterator(self):

returnIterator(self._items)

使用迭代器模式

collection=Collection([1,2,3,4,5])

iterator=collection.get_iterator()

whileiterator.has_next():

print(iterator.next())

6.请实现命令模式。

描述：命令模式将请求封装为一个对象，从而允许用户使用不同的请求、队列或日志请求来参数化其他对象。

代码示例：

classCommand:

defexecute(self):

pass

classLight:

defturn_on(self):

print("Lightison")

defturn_off(self):

print("Lightisoff")

classLightOnCommand(Command):

def__init__(self,light):

self._light=light

defexecute(self):

self._light.turn_on()

classLightOffCommand(Command):

def__init__(self,light):

self._light=light

defexecute(self):

self._light.turn_off()

使用命令模式

light=Light()

on_mand=LightOnCommand(light)

off_mand=LightOffCommand(light)

on_mand.execute()Lightison

off_mand.execute()Lightisoff

7.请实现适配器模式。

描述：适配器模式允许将一个类的接口转换成客户期望的另一个接口，适配器让原本接口不兼容的类可以一起工作。

代码示例：

classTarget:

defrequest(self):

return"Targetrequest"

classAdaptee:

defspecific_request(self):

return"Adapteespecificrequest"

classAdapter(Target):

def__init__(self,adaptee):

self._adaptee=adaptee

defrequest(self):

returnself._adaptee.specific_request()

使用适配器模式

adaptee=Adaptee()

adapter=Adapter(adaptee)

print(adapter.request())输出"Adapteespecificrequest"

8.请实现工厂方法模式。

描述：工厂方法模式定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。

代码示例：

classCreator:

deffactory_method(self):

pass

defsome_operation(self):

product=self.factory_method()

returnproduct.use_product()

classConcreteCreatorA(Creator):

deffactory_method(self):

returnConcreteProductA()

classConcreteCreatorB(Creator):

deffactory_method(self):

returnConcreteProductB()

classProduct:

defuse_product(self):

pass

classConcreteProductA(Product):

defuse_product(self):

return"UsingConcreteProductA"

classConcreteProductB(Product):

defuse_product(self):

return"UsingConcreteProductB"

使用工厂方法模式

creator_a=ConcreteCreatorA()

result_a=creator_a.some_operation()

print(result_a)输出"UsingConcreteProductA"

creator_b=ConcreteCreatorB()

result_b=creator_b.some_operation()

print(result_b)输出"UsingConcreteProductB"

答案及解题思路：

答案：以上代码块分别实现了单例模式、观察者模式、策略模式、模板方法模式、迭代器模式、命令模式、适配器模式和工厂方法模式。

解题思路：每个模式都有其特定的使用场景和实现方式。在实现时，我们需要根据模式的要求设计相应的类和接口，并在代码中体现这些模式的核心思想。例如单例模式通过静态变量和静态方法保证全局一个实例；观察者模式通过注册和通知机制实现对象间的依赖关系；策略模式通过定义策略接口和具体策略类实现算法的封装和替换；模板方法模式通过定义模板方法和具体步骤实现算法的骨架；迭代器模式通过迭代器接口和集合类实现元素的顺序访问；命令模式通过命令接口和具体命令类实现请求的封装；适配器模式通过适配器类实现接口转换；工厂方法模式通过工厂类和产品类实现对象的创建。七、综合题1.用户管理系统设计

设计目标：设计一个简单的用户管理系统，实现用户注册、登录和修改密码等功能。

功能模块：

用户注册：包括用户名、密码、邮箱等信息的录入和验证。

用户登录：验证用户名和密码，提供登录功能。

修改密码：允许用户更改登录密码。

技术选型：

后端：使用JavaSpringBoot框架。

前端：使用HTML、CSS和JavaScript，可选框架如React或Vue.js。

数据库：MySQL或MongoDB。

架构设计：

使用MVC模式，将业务逻辑、数据访问和界面展示分离。

用户注册和登录通过认证服务进行，实现用户信息的加密存储和验证。

修改密码通过权限控制，保证合法用户才能修改。

2.在线购物系统设计

设计目标：设计一个在线购物系统，实现商品展示、购物车和订单处理等功能。

功能模块：

商品展示：展示商品信息，包括名称、价格、描述等。

购物车：用户可以将商品添加到购物车，并管理购物车中的商品。

订单处理：用户可以创建订单，系统订单并处理支付。

技术选型：

后端：使用JavaSpringBoot框架。

前端：使用HTML、CSS和JavaScript，可选框架如React或Vue.js。

数据库：MySQL或MongoDB。

架构设计：

采用微服务架构，将商品管理、购物车和订单处理分离为不同的服务。

使用RESTfulAPI进行前后端通信。

集成支付网关，如或支付。

3.银行系统设计

设计目标：设计一个银行系统，实现账户管理、转账和查询等功能。

功能模块：

账户管理：创建和管理用户账户，包括基本信息和余额查询。

转账：允许用户在不同账户之间进行转账操作。

查询：提供账户余额查询和历史交易记录查询。

技术选型：

后端：使用JavaSpringBoot框架。

前端：使用HTML、CSS和JavaScript，可选框架如React或Vue.js。

数据库：Oracle或SQLServer。

架构设计：

采用CQRS（CommandQueryResponsibilitySegregation）模式，分离命令和查询操作。

实施事务管理，保证转账操作的一致性和安全性。

使用消息队列处理高并发转账请求。

4.企业资源计划（ERP）系统设计

设计目标：设计一个企业资源计划系统，实现财务管理、供应链管理和人力资源管理等功能。

功能模块：

财务管理：处理会计事务，包括账单、发票和报表。

供应链管理：管理采购、库存和物流。

人力资源管理：处理员工信息、薪资和招聘。

技术选型：

后端：使用JavaSpringBoot框架。

前端：使用HTML、CSS和JavaScript，可选框架如React或Vue.js。

数据库：Oracle或SQLServer。

架构设计：

采用分层架构，将数据访问层、业务逻辑层和表示层分离。

使用ORM（ObjectRelationalMapping）框架，如Hibernate。

实施模块化设计，方便系统扩展和维护。

5.博客系统设计

设计目标：设计一个博客系统，实现文章发布、评论和分类等功能。

功能模块：

文章发布：用户可以发布新的文章。

评论：用户可以在文章下发表评论。

分类：对文章进行分类管理。

技术选型：

后端：使用JavaSpringBoot框架。

前端：使用HTML、CSS和JavaScript，可选框架如React或Vue.js。

数据库：MySQL或MongoDB。

架构设计：

使用RESTfulAPI实现前后端分离。

实施缓存策略，提高系统功能。

使用或富文本编辑器实现文章编辑。

6.在线教育平台设计

设计目标：设计一个在线教育平台，实现课程管理、学习进度跟踪和在线测试等功能。

功能模块：

课程管理：创建和管理在线课程。

学习进度跟踪：跟踪学生的学习进度。

在线测试：提供在线测试功能，包括题库管理和考试。

技术选型：

后端：使用JavaSpringBoot框架。

前端：使用HTML、CSS和JavaScript，可选框架如React或Vue.js。

数据库：MySQL或MongoDB。

架构设计：

采用模块化设计，每个功能模块独立开发。

使用WebSoc