软件设计与体系结构 第四章 面向对象的软件设计方法

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,面向对象的软件设计,引言,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。,本章使用,UML,进行软件分析和设计。,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,部署模型设计,基于,UML,的分析与设计过程,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，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。,基于,UML,的分析与设计过程,用例分析与设计,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,基于,UML,的分析与设计过程,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。,基于,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，子系统等元素在物理节点上的部署方案,用例的分析与设计,确定用例,生成用例图,用例设计描述,银行,ATM,自动柜员机需求简述,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。顾客可以把一个银行卡对应的赂中的款项转账到另一个银行账户中,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,银行,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,用例的分析与设计,确定用例,确定场景,从业务需求出发获取参与者（,A,ctor),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？,用例的分析与设计,确定用例,确认参与者和责任,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,用例的分析与设计,用例的确认,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,用例的分析与设计,ATM,案例,参与者,顾客（,Customer,）,操作管理员（,Operator,）,银行服务员（,Bank System,）,读卡器（,Card Reader,）,存款器（,Cash Acceptor,）,打印机（,Printer,）,用例的分析与设计,ATM,系统,用例,取款（,Withdrawal,）,存款（,Deposit,）,转账（,Transfer,）,查询余额（,Inquiry,）,开机（,System Startup,）,关机（,System Shutdown,）,用例的分析与设计,用例,建模,步骤,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,用例的分析与设计,用例,建模,步骤,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,用例的分析与设计,ATM,系统初步用例图,用例的分析与设计,-,用例设计描述,用例名称：,W,ithdrawal,参与者：,Cudtomer,kBankSystem,Card Reader,Cash Dispenser,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，并返回等待状态；如果顾客取消交易，则返回等待状态,用例的分析与设计,S,tartup,用例的顺序图描述,用例的分析与设计,Session,用例的顺序图描述,用例的分析与设计,Transaction,用例的顺序图描述,用例的分析与设计,Withdrawal,用例的顺序图描述,概念模型和顶层架构设计,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：为后续的分析和设计活动建立一种结构和划分,概念模型和顶层架构设计,关键概念来源：,为建立以,UML,类图表示的领域概念模型，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,概念模型和顶层架构设计,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,）控制类：完成用例任务的责任承担者，负责协调、控制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。,概念模型和顶层架构设计,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。,概念模型和顶层架构设计,ATM,系统的概念模型,分析模型图,概念模型和顶层架构设计,顶层架构设计,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。,概念模型和顶层架构设计,ATM,系统的顶层架构图,用户界面设计,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,类设计,部署模型设计,用户界面设计,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。,用户界面设计,用户界面元素分为两个层次：,屏幕,:,用构造型,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,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和操作。,用户界面设计,C,ustomerConsole,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,用户界面设计,屏幕结构类图,用户界面设计,屏幕变化状态图,“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。,用户界面设计,屏幕结构类图,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,用户界面设计,屏幕结构包图,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,用户界面设计,一个独立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,数据模型设计,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。,数据模型设计,-,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（,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。,表示表格，,表示关键字，,foreign key,表示外键,数据模型设计,-,数据模型,设计精化,精化任务：,1,，精,化软件架构,2,，调整,软件构成的类,3,，精,化交互模型,4,，精,化类之间关系,设计精化,-,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,设计精化,-,精化软件架构,用户交互层包精化后的模型,设计精化,-,精化软件架构,用户交互层中子包精化后的模型,设计精化,调整软件构成类,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,设计精化,精化过程中新增加的类,设计精化,精化交互模型,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,设计精化,精化后的,Withdrawal,顺序图,设计精化,-,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,根据软件复用的要求及软件结构简洁化、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,设计精化,-,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,类设计,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。,类设计,-,精化类的属性与操作,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。,类设计,-,精化类的属性与操作,属性和操作的作用范围：,（,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。,类设计,-,精化类之间的关系,在类中设置相应属性，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,A,B,a 1,：,1,的关联或聚合（非构成）关系,b 1,：*的关联或聚合（非构成）关系,c 1,：,1,的非构成）关系,d 1,：*的构成关系,类设计,-,类的行为模型设计,类的行为可以在两个层次上用不同方式建模：,（,1,）针对,整个类使用,UML,状态图描述其行为,（,2,）针对,类中某些重要的方法，用,UML,活动图描述其执行过程或步骤,（,1,）状态图,描述,状态图适于表示跨越多个用例、具有较为复杂控制行为的,U,单个对象的行为,明显的状态特征并且具有比较复杂的状态,事件,响应行为的类设计状态图,对控制类建立状态图,每个状态应该是对象在生存周期中相对比较稳定的时间段,状态图中节点表示相对稳定的状态。,（,2,）活动图,描述,执行比较重要的任务且控制流程较为复杂的方法,活动图中的结点主要是动作，并不维持稳定。,类设计,-,类的行为模型设计,Withdrawal,类中方法,Check(),执行过程的活动图,部署模型设计,部署图用来描述软件开发过程中形成哪些软件制品，软件包运行平台 中存在哪些物理节点和通信方式，以及软件制品到相应硬件节点的部署或映射。,部署模型设计一般需要考虑以下几点：,最终开发完成的软件包括哪些制品形式,软件运行环境存在哪些类型的物理节点,不同节点之间的连接和通信形式是什么,软件制品应该如何在物理节点上进行部署，即它们的部署映射关系。,部署图对于复杂的分布式软件系统非常有用，部署图还可以描述整个系统结构的一些特殊要求，例如系统的备份和容错结构设计,部署模型设计,