1 引言
继续继续！面向对象设计（第十一章）
2 面向对象设计
分析是提取和整理用户需求，并建立问题域精确模型的过程。设计则是把分析阶段得到的需求转变成符合成本和质量要求的、抽象的系统实现方案的过程。
从面向对象分析到面向对象设计(OOD)，是一个逐渐扩充模型的过程。或者说，面向对象设计就是用面向对象观点建立求解域模型的过程。
本章首先讲述为获得优秀设计结果应该遵循的准则，然后具体讲述面向对象设计的任务和方法。
2.1 面向对象设计的准则
（1）模块化 （2）抽象 （3）信息隐藏 （4）弱耦合 （5）强内聚 （6）可重用
（1）模块化
对象就是模块
把数据结构和操作这些数据的方法
紧密地结合在一起
（2）抽象
过程抽象
数据抽象：类
参数化抽象：C++的“模板”
（3）信息隐藏
通过对象的封装性实现
类分离了接口与实现，支持信息隐藏
（4）弱耦合
耦合：一个软件结构内不同模块之间互连的紧密程度
弱耦合：系统中某一部分的变化对其他部分的影响降到最低程度
对象之间的耦合：交互耦合&继承耦合
（5）强内聚
内聚衡量一个模块内各个元素彼此结合的紧密程度
在设计时应该力求做到高内聚
面向对象设计的3种内聚：
服务内聚、类内聚、一般\特殊内聚
（6）可重用
尽量使用已有的类
如果确实需要创建新类，则在设计这些新类的协议时，应该考虑将来的可重复使用性
2.2 启发规则
1. 设计结果应该清晰易懂
2. 一般-特殊结构的深度应适当
3. 设计简单的类
4. 使用简单的协议
5. 使用简单的服务
6. 把设计变动减至最小
/*------------------------------------------分割线---------------------------------------------------------*/
1. 设计结果应该清晰易懂
提高软件可维护性和可重用性的重要措施
保证设计结果清晰易懂的主要因素：
（1）用词一致
（2）使用已有的协议
（3）减少消息模式的数目
（4）避免模糊的定义
2. 一般-特殊结构的深度应适当
类等级中包含的层次数适当
一个中等规模(大约包含100个类)的系统中，类等级层次数应保持为7±2。
3. 设计简单的类
尽量设计小而简单的类
注意以下几点：
（1）避免包含过多的属性
（2）有明确的定义
（3）尽量简化对象之间的合作关系
（4）不要提供太多服务
4. 使用简单的协议
消息中的参数不要超过3个
5. 使用简单的服务
类中的服务通常都很小
尽量避免使用复杂的服务
6. 把设计变动减至最小
理想的设计变动曲线如右图所示
在设计的早期阶段，变动较大，随着时间推移，设计方案日趋成熟，改动也越来越小了
2.3 软件重用
2.3.1 概述
1. 重用
重用也叫再用或复用，是指同一事物不作修改或稍加改动就多次重复使用。
广义地说，软件重用可分为以下3个层次：知识重用
方法和标准的重用
软件成分的重用
上述前两个重用层次属于知识工程研究的范畴，本节仅讨论软件成分重用问题。
2. 软件成分的重用级别
代码重用
（1）源代码剪贴
（2）源代码包含
（3）继承
设计结果重用
重用某个软件系统的设计模型(即求解域模型)
分许结果重用
更高级别的重用，即重用某个系统的分析模型
3.典型的可重用软件成分
主要有以下10种：
项目计划
成本估计
体系结构
需求模型和规格说明
设计
源代码
用户文档和技术文档
用户界面
数据
测试用例
2.3.2 类构件
1. 可重用软构件应具备的特点
为使软构件也像硬件集成电路那样，能在构造各种各样的软件系统时方便地重复使用，就必须使它们满足下列要求：
（1）模块独立性强
（2）成具有高度可塑性
（3）接口清晰、简明、可靠
（4）需求模型和规格说明
2. 类构件的重用方式
实例重用
（1）使用适当的构造函数，按照需要创建类的实例
（2）用几个简单的对象作为类的成员创建出一个更复杂的类
继承重用
（1）继承性提供了一种对已有的类构件进行裁剪的机制
多态重用
（1）使对象的对外接口更加一般化，降低了消息连接的复杂程度
（2）提供一种简便可靠的软构件组合机制
2.3.3 软件重用的效益
（1）质量（2）成本 （3）生产率
2.4 问题分解
“分而治之，各个击破” 软件工程师在设计比较复杂的应用系统时普遍采用的策略，也是首先把系统分解成若干个比较小的部分，然后再分别设计每个部分。系统的主要组成部分称为子系统
1. 子系统之间的两种交互方式
（1）客户-供应商关系
作为“客户”的子系统调用作为“供应商”的子系统，后者完成某些服务工作并返回结果。
前者必须了解后者的接口，然而后者却无须了解前者的接口，因为任何交互行为都是由前者驱动的。
（2）平等伙伴关系
每个子系统都可能调用其他子系统，每个子系统都必须了解其他子系统的接口。
子系统之间的交互更复杂，这种交互方式还可能存在通信环路。
2. 组织系统的两种方案
（1）层次组织
把软件系统组织成一个层次系统，每层是一个子系统。
上层在下层的基础上建立，下层为实现上层功能而提供必要的服务。
每一层内所包含的对象，彼此间相互独立，而处于不同层次上的对象，彼此间往往有关联。
在上、下层之间存在客户-供应商关系。低层相当于供应商，上层相当于客户。
层次结构又可进一步划分成两种模式：封闭式和开放式。
（2）块状组织
把软件系统垂直地分解成若干个相对独立的、弱耦合的子系统。
一个子系统相当于一块，每块提供一种类型的服务。
2.5 设计问题域子系统
在面向对象设计过程中，可能对面向对象分析所得出的问题域模型做补充或修改
1. 调整需求 2. 重用已有的类 3. 把问题域类组合在一起 4. 添加一般化类以建立协议 5. 调整继承类层次
/*-----------------------------------------------华丽的分割线---------------------------------*/
1. 调整需求
两种情况会导致修改通过面向对象分析所确定的系统需求
用户需求或外部环境发生了变化。
分析员对问题域理解不透彻或缺乏领域专家帮助，以致面向对象分析模型不能完整、准确地反映用户的真实需求。
2.重用已有的类
如果有可能重用已有的类，则重用已有类的典型过程如下
选择有可能被重用的已有类，标出这些候选类中对本问题无用的属性和服务，尽量重用那些能使无用的属性和服务降到最低程度的类。
在被重用的已有类和问题域类之间添加泛化关系(即从被重用的已有类派生出问题域类)。
标出问题域类中从已有类继承来的属性和服务，现在已经无须在问题域类内定义它们了。
修改与问题域类相关的关联，必要时改为与被重用的已有类相关的关联。
3. 把问题域类组合在一起
在面向对象设计过程中，设计者往往通过引入一个根类而把问题域类组合在一起。
4. 添加一般化类以建立协议
一些具体类需要有一个公共的协议，也就是说，它们都需要定义一组类似的服务(很可能还需要相应的属性)。在这种情况下可以引入一个附加类(例如根类)，以便建立这个协议
5. 调整继承类层次
(1) 使用多重继承机制、(2) 使用单重继承机制
2.6 设计人机交互子系统
1. 分类用户
为了更好地了解用户的需要与爱好，以便设计出符合用户需要的界面，设计者首先应该把将来可能与系统交互的用户分类。
2. 描述用户
了解将来使用系统的每类用户的情况
用户类型。
使用系统欲达到的目的。
特征(年龄、性别、受教育程度、限制因素等)。
关键的成功因素(需求、爱好、习惯等)。
技能水平。
完成本职工作的脚本。
3. 设计命令层次
基本外观及给用户的感受都是相同的
每个程序至少有一个窗口，它由标题栏标识;
程序中大多数功能可通过菜单选用;
选中某些菜单项会弹出对话框，用户可通过它输入附加信息;
……
广大用户习以为常的许多约定
File菜单的最后一个菜单项是Exit；
在文件列表框中用鼠标单击某个表项，则相应的文件名变亮，若用鼠标双击则会打开该文件；
(2) 确定初始的命令层次
所谓命令层次，实质上是用过程抽象机制组织起来的、可供选用的服务的表示形式。
设计命令层次时，通常先从对服务的过程抽象着手，然后再进一步修改它们，以适合具体应用环境的需要。
(3) 精化命令层次
次序
整体-部分关系
宽度和深度
操作步骤
4. 设计人机交互类
人机交互类与所使用的操作系统及编程语言密切相关
例如，在Windows环境下运行的Visual C++语言提供了MFC类库，设计人机交互类时，往往仅需从MFC类库中选出一些适用的类，然后从这些类派生出符合自己需要的类就可以了。
2.7 设计任务管理子系统
设计工作的一项重要内容就是，确定哪些是必须同时动作的对象，哪些是相互排斥的对象。然后进一步设计任务管理子系统。
1.设计并发性
如果两个对象彼此间不存在交互，或者它们同时接受事件，则这两个对象在本质上是并发的。
通过检查各个对象的状态图及它们之间交换的事件，能够把若干个非并发的对象归并到一条控制线中。
在计算机系统中用任务(task)实现控制线，一般认为任务是进程(process)的别名。通常把多个任务的并发执行称为多任务。
划分任务，可以简化系统的设计及编码工作。这种并发行为既可以在不同的处理器上实现，也可以在单个处理器上利用多任务操作系统仿真实现。
2.设计任务管理子系统
（1） 确定事件驱动型任务
（2） 确定时钟驱动型任务
（3） 确定优先任务
（4） 确定关键任务
（5） 确定协调任务
（6） 尽量减少任务数
（7） 确定资源需求
2.8 设计数据库管理子系统
数据管理子系统是系统存储或检索对象的基本设施，它建立在某种数据存储管理系统之上，并且隔离了数据存储管理模式(文件、关系数据库或面向对象数据库)的影响。
2.8.1 选择数据存储管理模式
但是，文件操作的级别低，为提供适当的抽象级别还必须编写额外的代码。
此外，不同操作系统的文件管理系统往往有明显差异。
面向对象数据库管理系统主要有两种设计途径
扩展的关系数据库管理系统
(1)在关系数据库的基础上，增加了抽象数据类型和继承机制。
(2)增加了创建及管理类和对象的通用服务。
扩展的面向对象程序设计语言
(1)扩充了面向对象程序设计语言的语法和功能，增加了在数据 库中存储和管理对象的机制。
(2)开发人员可以用统一的面向对象观点进行设计，不再需要区分存储数据结构和程序数据结构(即生命期短暂的数据)。
2.9 设计类中的服务
面向对象分析得出的对象模型，通常并不详细描述类中的服务。面向对象设计则是扩充、完善和细化面向对象分析模型的过程，设计类中的服务是它的一项重要工作内容。2.9.1 确定类中应有的服务
功能模型指明了系统必须提供的服务。
状态图中状态转换所触发的动作，在功能模型中有时可能扩展成一张数据流图。
数据流图中的某些处理可能与对象提供的服务相对应，有一些规则有助于确定操作的目标对象(即应该在该对象所属的类中定义这个服务)。
当一个处理涉及多个对象时，通常在起主要作用的对象类中定义这个服务。
2.9.2 设计实现服务的方法
1. 设计实现服务的算法通常选用复杂度较低(即效率较高)的算法，但也不要过分追求高效率，应以能满足用户需求为准。
(2) 容易理解与容易实现。
容易理解与容易实现的要求往往与高效率有矛盾，设计者应该对这两个因素适当折衷。
(3) 易修改。
应该尽可能预测将来可能做的修改，并在设计时预先做些准备。
(1) 分析问题寻找数据特点，提炼出所有可行有效的算法；
(2) 定义与所提炼算法相关联的数据结构；
(3) 依据此数据结构进行算法的详细设计；
(4) 进行一定规模的实验与评测；
(5) 确定最佳设计。
4. 定义内部类和内部操作
在面向对象设计过程中，可能需要增添一些在需求陈述中没有提到的类，这些新增加的类，主要用来存放在执行算法过程中所得出的某些中间结果。
此外，复杂操作往往可以用简单对象上的更低层操作来定义。因此，在分解高层操作时常常引入新的低层操作。在面向对象设计过程中应该定义这些新增加的低层操作。
2.10 设计关联
1. 关联的遍历在应用系统中，使用关联有两种可能的方式：单向遍历和双向遍历。
在使用原型法开发软件的时候，原型中所有关联都应该是双向的，以便于增加新的行为，快速地扩充和修改原型。
2. 实现单向关联
用指针可以方便地实现单向关联。如果关联的重数是一元的(如图a所示)，则实现关联的指针是一个简单指针；如果重数是多元的，则需要用一个指针集合实现关联(参见图b)。
3. 实现双向关联
（1）只用属性实现一个方向的关联
（2）两个方向的关联都用属性实现
（3）用独立的关联对象实现双向关联
4. 关联对象的实现
9.4.2节曾经讲过，可以引入一个关联类来保存描述关联性质的信息，关联中的每个连接对应着关联类的一个对象。
实现关联对象的方法取决于关联的重数。
对于一对一关联来说，关联对象可以与参与关联的任一个对象合并。
对于一对多关联来说，关联对象可以与“多”端对象合并
如果是多对多关联，则关联链的性质不可能只与一个参与关联的对象有关，通常用一个独立的关联类来保存描述关联性质的信息，这个类的每个实例表示一条具体的关联链及该链的属性。
2.11 设计优化
设计的优化可以从以下的几个方面考虑。
（1）确定优先级 （2）提高效率 （3）调整继承关系
3 结束语
今天到此为止！改天再见！