第7章-面向?qū)ο蠓治雠c設(shè)計

面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計第7章本章要點

理解面向?qū)ο蠓治龅闹饕蝿?wù)和一般過程；

初步掌握對象模型的建立方法；

了解動態(tài)模型和功能模型的建立方法；

理解面向?qū)ο笤O(shè)計的基本模型及主要內(nèi)容。面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計第7章項目任務(wù)學(xué)會利用面向?qū)ο笏枷雽D書管理系統(tǒng)進行需求分析；了解利用面向?qū)ο笏枷雽D書管理系統(tǒng)進行軟件設(shè)計的內(nèi)容和過程。7.1面向?qū)ο蠓治龅?章面向?qū)ο蠓治觯∣bjectOrientedAnalysis，OOA）是軟件開發(fā)過程中的問題定義和需求分析階段，這一階段最后得到的是對問題領(lǐng)域的清晰、精確的定義。OOA的目標是完成對所需求解問題的分析，確定目標系統(tǒng)所要做的工作，定義所有與待解決問題相關(guān)的類，并建立系統(tǒng)的模型。OOA的核心思想是利用面向?qū)ο蟮母拍詈头椒檐浖枨蠼ㄔ炷Ｐ?，以使用戶需求逐步精確化、一致化、完全化。為了達到這一目標，必須完成以下任務(wù)：（1）與用戶進行充分溝通，全面理解和分析用戶需求，明確所開發(fā)的軟件系統(tǒng)的職責(zé)，形成文件并規(guī)范地加以表述；（2）識別解決問題的對象集合及對象間的關(guān)系；（3）定義類（包括定義其屬性和操作）并建立類間的層次關(guān)系；（4）通過建立模型來表示對象之間的關(guān)系及行為特性。7.1.1面向?qū)ο蠓治龅哪繕撕腿蝿?wù)7.1面向?qū)ο蠓治龅?章7.1.2面向?qū)ο蠓治龅倪^程7.1面向?qū)ο蠓治龅?章1.分析需求文檔系統(tǒng)分析通常是從一個需求文檔(或稱需求陳述)和用戶一系列的討論開始的。大多數(shù)需求陳述都是有二義性的、不完整的甚至不一致的。通過分析可以發(fā)現(xiàn)和改正需求文檔中的歧義性、不一致性，剔除冗余的內(nèi)容，挖掘潛在的內(nèi)容，彌補不足，從而使需求文檔更完整、更準確。分析過程中，系統(tǒng)分析員除了要反復(fù)多次地與用戶討論溝通外，還應(yīng)調(diào)研、觀察和了解現(xiàn)有的類似系統(tǒng)，從而快速地建立一個原型系統(tǒng)，通過在計算機上運行原型系統(tǒng)，使得分析員和用戶盡快交流和相互理解，從而能更正確地、更完整地提取和確定用戶的需求。7.1.2面向?qū)ο蠓治龅倪^程7.1面向?qū)ο蠓治龅?章2.需求建模系統(tǒng)分析員根據(jù)所提取的用戶需求，深入地理解用戶需求，識別出問題域內(nèi)的對象，并分析它們之間相互的關(guān)系，抽象出目標系統(tǒng)應(yīng)該完成的任務(wù)，并用OOA模型準確地表示出來，即用面向?qū)ο笥^點建立對象模型、動態(tài)模型和功能模型。OOA模型是OOD的基礎(chǔ)，它應(yīng)該準確、簡潔地表示問題。通過建立模型，可以避免理解上的片面性，提高目標系統(tǒng)的正確性和可靠性，在此基礎(chǔ)上，編寫出面向?qū)ο蟮男枨笠?guī)格說明書。3.需求評審需求規(guī)格說明文檔經(jīng)用戶、領(lǐng)域?qū)＜摇⑾到y(tǒng)分析員和系統(tǒng)設(shè)計人員以及其他有關(guān)人員評審、并進行反復(fù)修改后形成定稿，該文檔將成為面向?qū)ο笤O(shè)計的依據(jù)。7.1.2面向?qū)ο蠓治龅倪^程7.1面向?qū)ο蠓治龅?章面向?qū)ο蠼Ｊ荗OA的關(guān)鍵。OOA的模型要表示出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、功能和行為三方面的基本特征，因此通常需要建立三種模型，分別是對象模型、動態(tài)模型和功能模型。其中：（1）對象模型描述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是用來描述系統(tǒng)包含的對象及對象之間關(guān)系的模型；（2）動態(tài)模型描述系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，它是用來確定各個對象之間交互及整體的控制結(jié)構(gòu)的模型；（3）功能模型描述系統(tǒng)的功能，它是用來描述系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能的模型。7.1.3面向?qū)ο蠓治龅娜N模型7.1面向?qū)ο蠓治龅?章1.對象模型的五個層次復(fù)雜問題(大型系統(tǒng))的對象模型由五個層次組成，即主題層、類＆對象層、結(jié)構(gòu)層、屬性層和服務(wù)層，如圖7-3所示。7.1.4對象模型的層次7.1面向?qū)ο蠓治龅?章2.OOA的五項活動OOA對象模型的五個層次對應(yīng)著OOA過程中建立對象模型的五項活動。這五項活動是：確定類＆對象、識別結(jié)構(gòu)、識別主題、定義屬性、定義服務(wù)。需要說明的是，這五項工作完全沒有必要順序完成，也無需在徹底完成一項工作以后再開始另外一項工作，在分析過程中并不需要嚴格遵循自頂向下，逐步求精的原則。五項活動可以同時(并行)處理，也可以從較高抽象層轉(zhuǎn)移到較低的具體層，然后再返回到較高抽象層繼續(xù)處理。例如，當系統(tǒng)分析員在確定類＆對象時，想到了該類應(yīng)該包含的一個服務(wù)，于是把這個服務(wù)的名字寫在服務(wù)層，然后又返回到類＆對象層，繼續(xù)尋找另外的類＆對象。7.1.4對象模型的層次7.1面向?qū)ο蠓治龅?章3.OOA的主要流程面向?qū)ο蠓治龃篌w上按照如圖7-4所示的順序進行。7.1.4對象模型的層次7.2建立對象模型第7章OOA的核心是確定問題域中相關(guān)的對象，找出這些對象是個重要而復(fù)雜的過程。一般采用基于詞匯分析的方法：從目標系統(tǒng)的描述開始，找出其中的名詞作為候選對象類，此外，還可找出其中的動詞作為候選方法（即后面要介紹的服務(wù)），然后產(chǎn)生一個由對象（名詞）和方法（動詞）構(gòu)成的表格，作為詞匯分析的初步結(jié)果，最后從中選出確定的真正的對象類。如圖7-5所示。7.2.1確定對象和類7.2建立對象模型第7章采用系統(tǒng)詞匯法確定對象類，并進行建模的具體做法如下：（1）確定對象類（2）準備數(shù)據(jù)詞典（3）確定關(guān)聯(lián)（4）確定屬性（5）使用繼承來細化對象類（6）完善對象模型7.2.1確定對象和類7.2建立對象模型第7章主題是一種關(guān)于模型的抽象機制，起一種控制作用。引入主題有助于分解大型項目以便成立工作小組來承擔(dān)不同的主題任務(wù)。主題有兩種表示形式，如圖7-6所示。7.2.3確定主題圖7-6主題的兩種表示7.2建立對象模型第7章所謂服務(wù)是在接收到一條消息后所要進行的加工。定義服務(wù)時，首先定義行為，然后定義實例的通信。值得說明的是，確定服務(wù)和消息，只有在建立了動態(tài)模型和功能模型之后，才可能最后確定對象類的服務(wù)。本教材為保持案例的連續(xù)性，故將服務(wù)和消息在此介紹。確定一個類中的服務(wù)，主要取決于該類在問題中的實際作用以及求解過程中承擔(dān)的處理責(zé)任，確定的原則如下：（1）基本的屬性操作服務(wù)。即類中應(yīng)提供的訪問、修改自身屬性值的基本操作。這類操作屬于類的內(nèi)部操作，可不必在對象模型中顯式表示。（2）事件的處理操作。動態(tài)模型中狀態(tài)圖描述了對象應(yīng)接收的事件（消息），類和對象中必須提供處理相應(yīng)消息的服務(wù)，這些服務(wù)用于修改對象的狀態(tài)（屬性值）并啟動相應(yīng)的服務(wù)。7.2.4確定服務(wù)和消息7.2建立對象模型第7章（3）數(shù)據(jù)流圖中處理框?qū)?yīng)的操作。功能模型中的每個處理框代表了系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的部分功能，而這些功能都與一個或幾個對象中提供的服務(wù)相對應(yīng)。因此，要仔細分析狀態(tài)圖和數(shù)據(jù)流圖，以便正確地確定對象應(yīng)提供的服務(wù)。（4）利用繼承機制優(yōu)化服務(wù)集合，減少冗余服務(wù)。應(yīng)盡量抽取相似的公共屬性和服務(wù)，以建立這些相似類的新父類，并在類的不同層次中正確定義各個服務(wù)。7.2.4確定服務(wù)和消息7.3建立動態(tài)模型第7章動態(tài)模型描述系統(tǒng)的動態(tài)行為，表現(xiàn)對象在系統(tǒng)運行期間不同時刻的動態(tài)交互。下列三個因素有關(guān)：（1）狀態(tài)。狀態(tài)是對象在其生存周期中的某個特定階段所具有的行為模式，它是對影響對象行為的屬性值的一種抽象。狀態(tài)規(guī)定了對象對輸入事件的響應(yīng)方式。對象對輸入事件的響應(yīng)，既可以執(zhí)行一個或一系列動作，也可以是僅僅改變對象本身的狀態(tài)。狀態(tài)有持續(xù)性，占用一段時間間隔。（2）事件。事件是一個觸發(fā)行為，是引起對象狀態(tài)轉(zhuǎn)換的控制信息，是引起對象從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)的事情的抽象。事件沒有持續(xù)的時間，是瞬間完成的。（3）行為。行為也稱服務(wù)，是指對象在某種狀態(tài)下所做的一系列處理操作，行為是需要消耗時間的7.3建立動態(tài)模型第7章1.構(gòu)建事件追蹤圖要建立一個事件追蹤圖，通常首先要編寫腳本。腳本是系統(tǒng)執(zhí)行某個功能的一系列事件。腳本通常起始于一個系統(tǒng)外部的輸入事件，結(jié)束于一個系統(tǒng)外部的輸出事件，它可以包括發(fā)生在此期間內(nèi)系統(tǒng)所有的內(nèi)部事件。表7-1使用移動手機通話的腳本7.3建立動態(tài)模型第7章圖7-7移動電話的事件追蹤圖7.4建立功能模型第7章功能模型主要用來說明系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)是如何傳送和處理的，表示變化的系統(tǒng)的“功能”性質(zhì)。功能模型描述了系統(tǒng)“做什么”，它更直接、明確地反映了用戶對目標系統(tǒng)的需求。建立功能模型有助于軟件開發(fā)人員更深入地理解整個問題域，改進和完善自己的設(shè)計。通常在建立對象模型和動態(tài)模型之后再建立功能模型。在UML中，用用例圖描述用例模型，用例圖包含系統(tǒng)、行為者、用例、用例之間的關(guān)系等元素。其中：系統(tǒng)是一個提供用例的黑盒子，可用方框表示；行為者是與系統(tǒng)交互的角色或其他外部系統(tǒng)；用例是一個完整的功能，完成系統(tǒng)內(nèi)部的計算及與行為者的交互，它對應(yīng)于對象模型中的類所提供的服務(wù)；行為者與用例之間的關(guān)系用直線連接，表示兩者之間有交換信息，稱為通信聯(lián)系。7.4建立功能模型第7章用數(shù)據(jù)流圖建立功能模型的主要步驟如下：(1)確定輸入和輸出值；(2)用數(shù)據(jù)流圖表示功能的依賴性；(3)具體描述每個功能；(4)確定對象的約束；(5)確定功能優(yōu)化的準則。功能模型中的數(shù)據(jù)流圖往往形成一個層次結(jié)構(gòu)。在這個層次結(jié)構(gòu)中，一個數(shù)據(jù)流圖中的過程（即處理）可以由下一層的數(shù)據(jù)流圖作進一步說明。7.5面向?qū)ο笤O(shè)計第7章1.面向?qū)ο蠓治雠c面向?qū)ο笤O(shè)計的關(guān)系面向?qū)ο笤O(shè)計（ObjectOrientedDesign，OOD）是根據(jù)面向?qū)ο蠓治鲋写_定的類和對象設(shè)計軟件系統(tǒng)。從OOA到OOD是一個逐步建立和擴充對象模型的過程。OOA是分析用戶需求并建立問題域模型的過程，是解決系統(tǒng)“做什么”問題的；OOD則是根據(jù)OOA得到的需求模型，建立求解域模型的過程，是解決系統(tǒng)“怎么做”問題的。OOA主要是模擬問題域和系統(tǒng)任務(wù)，而OOD則是對OOA的擴充，主要是增加各種組成部分。具體來說，OOA識別和定義類和對象。這些類和對象直接反映問題域和系統(tǒng)任務(wù)。而OOD識別和定義其他附加類和對象，它們反映需求的一種實現(xiàn)，當然，也可以交替進行這兩個階段的工作。從OOA到OOD是一個逐漸擴充模型的過程，分析和設(shè)計活動是一個多次反復(fù)迭代的過程。7.5.1面向?qū)ο笤O(shè)計概述7.5面向?qū)ο笤O(shè)計第7章2.面向?qū)ο笤O(shè)計的基本模型OOD是在OOA模型的基礎(chǔ)上建立對象模型的過程，兩個階段同樣是建立對象模型，但側(cè)重點不同，OOA建立問題域?qū)ο竽Ｐ?，而OOD建立求解域的對象模型。因此OOD模型同樣也由主題、類&對象、結(jié)構(gòu)、屬性和服務(wù)等五個層次組成，并且每個透明層在邏輯上都劃分為四個子系統(tǒng):問題域子系統(tǒng)（PDC）、人機交互子系統(tǒng)(HIC)、任務(wù)管理子系統(tǒng)(TMC)和數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)(DMC)，具體面向?qū)ο笤O(shè)計的五個層次、四個組成部分構(gòu)成的典型的面向?qū)ο笤O(shè)計模型如圖7-8所示。7.5.1面向?qū)ο笤O(shè)計概述圖7-8典型的面向?qū)ο笤O(shè)計模型7.5面向?qū)ο笤O(shè)計第7章3.面向?qū)ο笤O(shè)計的主要工作面向?qū)ο笤O(shè)計技術(shù)進行問題解決方案的設(shè)計工作的大致做法是，它將問題的解決方案表述為：“類＋關(guān)聯(lián)”的形式，其中，類包括問題空間（域）類、用戶界面類（即人機交互類）、任務(wù)管理類和數(shù)據(jù)管理類，是從設(shè)計的角度出發(fā)對問題解決方案中的對象的抽象和描述，關(guān)聯(lián)則用于描述這些類和類之間的關(guān)系。7.5.1面向?qū)ο笤O(shè)計概述圖7-9OOD的工作內(nèi)容及步驟7.5面向?qū)ο笤O(shè)計第7章1．面向?qū)ο笤O(shè)計的準則在進行面向?qū)ο笤O(shè)計的過程中，應(yīng)該遵循軟件設(shè)計的基本原理，此外，還要考慮面向?qū)ο蟮奶攸c。面向?qū)ο笤O(shè)計準則主要包括模塊化、抽象、信息隱藏、低耦合、高內(nèi)聚和復(fù)用性幾點。具體內(nèi)容如下：（1）模塊化（2）抽象（3）信息隱藏（4）低耦合（5）高內(nèi)聚（6）復(fù)用性7.5.2面向?qū)ο笤O(shè)計的準則和啟發(fā)式規(guī)則7.5面向?qū)ο笤O(shè)計第7章2．面向?qū)ο笤O(shè)計的啟發(fā)式規(guī)則（1）設(shè)計結(jié)果應(yīng)該清晰易懂（2）一般/特殊結(jié)構(gòu)的深度應(yīng)適當（3）設(shè)計簡單的類（4）使用簡單的協(xié)議（5）設(shè)計簡單的服務(wù)（6）最小設(shè)計變動7.5.2面向?qū)ο笤O(shè)計的準則和啟發(fā)式規(guī)則7.6系統(tǒng)設(shè)計第7章系統(tǒng)設(shè)計確定實現(xiàn)系統(tǒng)的策略和目標系統(tǒng)的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計是要將系統(tǒng)分解為若干個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間通過接口進行聯(lián)系。系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟如圖7-10所示：圖7-10系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟7.6系統(tǒng)設(shè)計第7章1．將系統(tǒng)分解為子系統(tǒng)（1）子系統(tǒng)之間的交互方式在應(yīng)用系統(tǒng)中，子系統(tǒng)之間的關(guān)系可分為客戶/服務(wù)器（供應(yīng)商）關(guān)系和同等伙伴（端對端）關(guān)系。①在客戶/服務(wù)器關(guān)系中，“客戶”的子系統(tǒng)調(diào)用作為“服務(wù)器”的子系統(tǒng)，“服務(wù)器”完成某些服務(wù)工作并返回結(jié)果。每個子系統(tǒng)只承擔(dān)一個角色，服務(wù)只是單向地從服務(wù)器流向客戶端。②在同等伙伴關(guān)系中，每個子系統(tǒng)都可能調(diào)用其他子系統(tǒng)，因此每個子系統(tǒng)都必須了解其他子系統(tǒng)的接口，該方案比客戶/服務(wù)器方案交互復(fù)雜，易發(fā)生設(shè)計錯誤。因此推薦盡量使用客戶/服務(wù)器關(guān)系7.6系統(tǒng)設(shè)計第7章（2）系統(tǒng)組織通常，系統(tǒng)中子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組織有兩種方式：水平層次組織和垂直塊狀組織。①層次組織層次組織是將子系統(tǒng)按層組織成為一個層次軟件系統(tǒng)，每層是一個子系統(tǒng)。②塊組織塊組織將系統(tǒng)垂直地分解成若干個相對獨立的、弱耦合的子系統(tǒng)，一個子系統(tǒng)相當于一塊，每塊提供一種類型的服務(wù)。7.6系統(tǒng)設(shè)計第7章（3）設(shè)計系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)由子系統(tǒng)組成完整的系統(tǒng)時，典型的拓撲結(jié)構(gòu)有管道型、樹型、星型等。設(shè)計者應(yīng)該采用與問題結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的、盡可能簡單的拓撲結(jié)構(gòu)，以減少子系統(tǒng)之間的交互數(shù)量。7.6系統(tǒng)設(shè)計第7章2.設(shè)計問題域類子系統(tǒng)問題域類是指那些直接從OOA分析結(jié)果模型得到的類，它是讓軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)用問題求解的最基本的類，也是面向?qū)ο筌浖到y(tǒng)的核心類。對問題域子系統(tǒng)的設(shè)計，即定義這些類或?qū)ο蟮募毠?jié)。雖然在OOA階段已經(jīng)標識和定義了系統(tǒng)的類與對象，以及它們之間的各種關(guān)系，但是隨著對需求理解的加深和對系統(tǒng)認識程度的逐步提高，開發(fā)人員還需要在OOD階段對OOA階段得到的模型進行改進和增補，主要是對OOA模型增添、合并或分解類與對象、屬性及服務(wù)，調(diào)整繼承關(guān)系等。7.6系統(tǒng)設(shè)計第7章3.設(shè)計用戶界面類子系統(tǒng)用戶界面類是指那些為實現(xiàn)人機交互接口而設(shè)計的類，它是使軟件系統(tǒng)能夠接收用戶的命令，并能夠為用戶提供信息所需要的類，所以也叫人機交互類。該類用以確定人機交互的細節(jié)，對圖形用戶界面（GUI），則包括指定窗口和報表的形式、設(shè)計命令層次等。盡管在OOA過程中已經(jīng)對用戶界面方面進行了分析，但是在OOD過程中仍需繼續(xù)完成這項工作，必須具體設(shè)計確定交互作用的時間、交互的方式和交互的技術(shù)等。7.6系統(tǒng)設(shè)計第7章4.設(shè)計任務(wù)管理類子系統(tǒng)任務(wù)（Task）是一個處理過程或進程，它可能包含不同類的多個操作的執(zhí)行。而任務(wù)管理類是指那些為實現(xiàn)對多操作并發(fā)執(zhí)行的管理任務(wù)而設(shè)計的類，它是使軟件系統(tǒng)能夠同時處理多個并發(fā)行為所需要的類。當軟件系統(tǒng)中有并發(fā)行為時，需要依據(jù)各個行為的協(xié)調(diào)和通信關(guān)系，劃分各種任務(wù)，以簡化軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計及部分編碼工作。設(shè)計任務(wù)管理子系統(tǒng)主要有以下工作：（1）設(shè)計任務(wù)管理子系統(tǒng)（2）分析評審各個任務(wù)（3）定義各個任務(wù)7.6系統(tǒng)設(shè)計第7章5.設(shè)計數(shù)據(jù)管理類子系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理類是指為實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行管理而設(shè)計的類，它是使軟件系統(tǒng)能夠?qū)ο蟮膶傩灾颠M行存貯和檢索所需要的類。設(shè)計數(shù)據(jù)管理類的目的是為了使得對對象屬性值的管理獨立于各種不同的數(shù)據(jù)管理模式，包括對永久性數(shù)據(jù)的訪問和管理。數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)是系統(tǒng)存貯和檢索對象的基本設(shè)施，它建立在某種數(shù)據(jù)存儲管理模式(文件、關(guān)系數(shù)據(jù)庫或面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫)之上，而隔離了數(shù)據(jù)存儲管理模式對對象存儲或檢索的影響。（1）選擇數(shù)據(jù)存儲管理模式（2）設(shè)計數(shù)據(jù)管理類的操作（3）數(shù)據(jù)的存儲管理7.7類&對象設(shè)計第7章OOA階段中得到的對象模型，通常并沒有描述類中的服務(wù)。OOD階段主要是擴充、完善和細化對象模型的過程。類&對象設(shè)計是低層設(shè)計，設(shè)計類中的服務(wù)、實現(xiàn)服務(wù)的算法是OOD的重要任務(wù)，