[架构之路-252]：目标系统 - 设计方法 - 软件工程 - 软件设计 - 分析VS设计、设计层次（架构、高层、详细)；界面设计、结构化设计（高内聚低耦合）和面向对象设计（23种设计模式）

计划（Plan）：计划是指在设计中制定和安排适当的行动步骤和策略的过程（设计流程、设计过程）。在设计开始之前，需要仔细考虑和规划设计的目标、范围、时间、资源和预期结果等。计划阶段的关键活动包括需求分析、目标设定、范围定义、资源评估和时间规划等。通过良好的计划，可以明确设计的目标，为后续的创造和组织阶段提供清晰的指导。
创造（Create）：创造是指根据设计的目标和计划，创造和构思：新的概念、解决方案和设计元素的过程。在创造阶段，设计师会使用各种创造性的技术和方法，如头脑风暴、草图、原型和实验等，来发现新的设计思路和解决方案。创造的目标是通过创新和想象力，提供满足需求的设计解决方案。
组织（Organize）：组织是指将设计的各个组成部分整合并形成有机的结构和规划的过程。在组织阶段，设计师将根据创造的结果，对设计元素和组件进行分类、分配和组合。这包括定义类和接口的关系、模块的组织、数据的结构和组织等。组织的目标是确保设计的一致性、合理性和可维护性，以及满足设计的整体目标和需求。组织是把各种元素构建成一个有机的系统最重要的环节。

计划、创造和组织是设计过程中连续进行的活动，每个阶段都对下一个阶段产生影响。

目标：通过良好的计划，可以确定：设计的目标和约束条件；
方案：通过创造，可以发现创新的设计解决方案；
整合：通过组织，可以将设计元素整合成一个有机的结构。

这些活动相互交互，相互支持，为设计提供有效的指导和实施路径，从而实现设计的目标和提供高质量的设计结果。

1.2 设计的种类

设计涵盖了多个领域和专业，下面是一些常见的设计种类：

工业设计：工业设计关注产品的外观、功能和用户体验，包括家电、汽车、家具、电子设备等的设计。
建筑设计：建筑设计涉及建筑物的规划、结构、空间布局和外观设计，包括住宅、商业建筑、公共建筑等。
平面设计：平面设计包括印刷品、海报、标志、名片、杂志排版等的设计，它主要关注于图像、文字、排版和传达信息的方式。
网页设计：网页设计专注于网站的用户界面和用户体验，包括布局、色彩、图形、导航等的设计，旨在提供良好的用户体验。
用户体验设计（UX 设计）：用户体验设计关注用户与产品或服务的交互过程，设计师通过研究用户需求和行为，优化产品的可用性、易用性和用户满意度。
用户界面设计（UI 设计）：用户界面设计着重于产品或应用程序的外观和交互设计，包括界面元素、图标、按钮和页面布局等。
视觉设计：视觉设计关注视觉元素的组合和创意，包括色彩、排版、图像和图形设计等，用于传达特定的视觉信息。
品牌设计：品牌设计包括标志设计、企业形象设计和品牌战略，旨在塑造和传达一个品牌的特征、价值和个性。

此外，还有动画设计、服装设计、室内设计、游戏设计等其他领域的设计。每个领域的设计都有其特定的原则、工具和技术，设计师需要根据具体需求和专业知识选择适当的设计方法。

1.3 设计与分析的区别

设计和分析是两个相互关联但不同的概念。

分析（关注What，关注问题域是什么）是一个系统化的过程，旨在对问题或系统进行详细的调查和研究，为决策提供数据和/或信息支持。它通常是针对某个问题进行系统化的调查和分析，以达成确定的目标。分析关注如何分解和解决问题，通常包括定义问题、搜集数据、整理和分析数据、制定解决方案并评估解决方案的效果。例如，在设计自动售货机之前，需要进行市场调研来了解用户需求并分析竞争对手的产品，以确定产品的设计和定位。

设计（关注How，关注目标系统实现方案）是一个创新性的过程，通常涉及解决问题或实现目标的方案或计划的制定和实现。它关注如何创造一个新的、有益的、独特的、具有美感的产物或方案，以满足用户需求，并在设计完成后进行实施。设计是需要主观判断、创造力和创新思维的过程，需要全面考虑产品或系统的功能、样式、外观、用户体验及其他方面的因素，以便最终达到预期的效果。例如，当设计一台新的自动售货机时，设计师需要考虑如何为用户提供一个简单易用的购物体验，并如何使机器看起来美观而高效。

因此，设计和分析涉及不同的方法、技术和过程，但它们经常在设计和开发的各个阶段交替使用，以达成最终的目标。

二、什么是软件设计？

2.1 概述

在软件开发中，设计也是类似的一个过程，它通过系统的分析、规划以及决策等一系列活动，将系统的需求和目标转化为具体的软件设计方案，并通过各种工具和方式来表达这些方案。

软件设计是指在软件开发过程中，根据需求和目标，通过分析、规划和决策等活动，制定系统的整体结构、组件之间的关系和功能实现的具体方案。设计旨在解决问题、满足需求，并确保软件系统的高质量、可扩展性和可维护性。

2.2 软件工程中的软件设计种类：根据宏观到微观分

软件架构设计、软件高层设计和软件详细设计是软件开发中三个重要的设计层次，它们各自关注不同的设计方面，如下所述：

（1）软件架构设计（层次划分、模块划分、职责分工）：

确定软件系统的整体结构和组织方式，包括系统的分层、模块划分、框架选择等。系统架构设计关注系统的稳定性、可靠性和可扩展性，以及系统各个组成部分之间的交互和接口。软件架构设计是从系统整体级别出发，通过对系统的组成部分、各部分之间的关系及其所承担的功能等进行梳理和设计，确定系统总体的结构风格、包括框架和组件的分配、接口、数据流动等。软件架构设计的目的是为整个系统提供一个坚实、可靠、高效、稳定和可维护的基础，需要考虑因素包括系统的可用性、可伸缩性、可维护性、可安全性等。关注整体的非功能性需求！！！

（2）软件高层设计、概要设计（功能模块的接口与协作细节）：

软件高层设计是在软件架构设计的基础上进行的，它关注的是系统中各个模块和组件的功能细节和交互方式，确定系统各个模块之间的接口方式和合理的协作关系，从而实现系统的预期功能。由于高层设计服务于架构设计，其需要考虑到诸如结构合理、功能完备，以及后期的扩展和调整等目标。关注接口定义，与编程语言无关！！！

（3）软件详细设计（模块内具体实现方式）：

软件详细设计是在软件高层设计的基础上进一步细化，关注的是每个模块和组件的实现和具体实现方式，包括数据结构、算法、代码实现等方面的细节问题，其目的是为软件开发的人员提供具有可行性和可实现性的详细设计方案。详细设计涉及到诸如如何编写代码、如何测试代码、如何实现功能等具体实现问题，其层次较为具体化，详细设计直接指导编码实现！与具体的编程语言相关！！！

因此，软件架构设计、软件高层设计和软件详细设计在软件开发的不同阶段发挥着至关重要的作用。一个好的设计方案可以有效地解决软件开发中的复杂性和不确定性，并提高软件的可靠性、可维护性和可扩展性。

2.3 软件工程中的软件设计种类：根据目标对象分

在软件开发中，设计是一个包含多个层次和环节的过程。

它可以涵盖以下几个方面：

用户界面设计：如果系统需要用户界面来与用户进行交互，设计用户界面是重要的一环。用户界面设计包括界面布局、交互设计、用户体验等。用户界面设计要考虑用户友好性、易用性和可访问性，以提供良好的用户体验。
软件组件/模块设计/功能模块：针对系统的不同功能，对各个组件进行详细设计。组件设计涉及到组件的功能实现、接口定义、数据结构和算法选择等。组件设计要考虑系统的性能、效率和可重用性，以及与其他组件的协作方式。
数据库设计：如果系统需要使用数据库进行数据存储和管理，设计数据库结构和数据模型是必要的。数据库设计包括表的设计、字段定义、关系建立、约束设置等。数据库设计关注数据的一致性、完整性和安全性，以及数据库的性能和扩展性。

设计是软件开发中的关键环节，它对系统的质量、可维护性和用户满意度具有重要影响。好的设计能够提高系统的可扩展性、灵活性和可维护性，降低开发和维护成本，为系统的成功实施打下基础。

2.4 软件设计的目的

软件设计（Software Design）的主要目的是定义：如何实现软件系统的需求规格，从而使得软件系统可以满足其预定的目标和需求。软件设计关注系统的整体结构、组织和交互方式，从而提供实现所需的结构、算法和数据结构等信息。

以下是软件设计的主要目的：

实现可靠性：软件设计旨在确保软件系统的可靠性和稳定性，使系统能够在整个生命周期内始终正常运行，并且能够满足用户的功能和性能需求。设计应该考虑到系统的安全性、可靠性、健壮性和容错性等因素。
提高质量：软件设计的目的是提高软件系统的质量和可维护性。软件设计应该注重良好的结构、设计原则和设计模式的应用，以及清晰的代码和文档。这将有助于减少系统故障、维护成本和开发时间，并提高代码的可读性和重用性。
降低成本：良好的软件设计可以帮助降低软件系统开发、维护和运营的成本。通过模块化的设计和复用的方法，软件设计可以更好地组织代码、提高代码的可读性和重用性，从而降低开发和维护成本。
可扩展性：软件设计应该提供可扩展性，使得软件系统能够适应未来的需求变化和业务扩展。软件设计应该具有高内聚性和低耦合度，以便为将来的变化提供灵活的规划和组织。
易用性：良好的软件设计应该考虑到用户体验，使得软件系统易于使用和学习。设计应该关注用户界面、工作流程和交互上下文等因素，从而提高系统的易用性、可用性和用户满意度。

综上所述，软件设计是实现软件系统目标的基础，它应该关注系统的整体结构、组织和优化，从而提供一种高质量、易于维护和可扩展的方法。通过良好的软件设计，能够提高软件系统的可靠性、可维护性、扩展性和易用性，同时降低开发和维护成本。

三、常见的软件设计方法

常见的软件设计方法包括界面设计、结构化设计和面向对象设计。

这些设计方法都有自己的特点和适用场景。根据具体的软件项目和需求，可以选择合适的设计方法，或者结合不同的设计方法来设计软件系统。重要的是根据项目的特点和目标，确保设计方案能够满足系统的需求和目标，并提供可维护、可扩展和高效的软件系统。

3.1 界面设计

界面设计关注的是用户与软件系统之间的交互界面，包括用户界面设计和用户体验设计。

在界面设计中，设计师考虑如何设计直观、易用、美观的用户界面，以及如何优化用户与系统的交互体验。界面设计的目标是使用户能够轻松地与软件系统进行交互，并提供良好的用户体验。

3.2 结构化设计：高内聚与低耦合

结构化设计是一种基于模块化的设计方法，旨在建立软件系统的结构框架和组织方式。在结构化设计中，系统被分解为多个模块，每个模块负责特定的功能，模块之间通过明确定义的接口进行通信。结构化设计的目标是提供可靠、可维护和易于理解的软件结构，以便开发人员可以分工合作、改进和维护软件。

3.2.1 内聚类型

内聚（Cohesion）是软件设计中一个重要的概念，指的是模块或组件内部元素相互关联程度的度量。内聚性高意味着模块内部的元素彼此相关联，共同完成一个明确的功能或任务，而内聚性低则表示模块内部的元素关联性较弱，功能不够集中。根据元素之间的关联程度不同，内聚性可分为以下几种类型：

功能内聚（Functional Cohesion）：模块内的元素共同完成一个明确的功能或任务，各个元素之间相关性紧密，协同工作完成特定的功能。例如，一个计算器模块包括加法、减法、乘法和除法等函数，这些函数在功能上紧密相关，代表了功能内聚。
顺序内聚（Sequential Cohesion）：模块内的元素按照一定的步骤或顺序进行操作，前一个元素的输出作为后一个元素的输入，形成一个操作序列。例如，一个文件处理模块包括打开文件、读取文件内容、处理数据和保存结果等步骤，这些步骤由于其操作顺序而形成顺序内聚。
通信内聚（Communicational Cohesion）：模块内的元素之间通过共享数据进行通信，它们共同处理相关的数据。例如，一个邮件发送模块包括输入收件人、输入邮件内容、验证发送权限和发送邮件等元素，这些元素通过共享邮件内容进行通信，代表了通信内聚。
过程内聚（Procedural Cohesion）：模块内的元素执行相似的操作，并且在同一个流程或算法中相关联。例如，一个排序模块包括选择排序、冒泡排序和快速排序等函数，这些函数在相关算法的上下文中执行相似的操作，代表了过程内聚。
数据内聚（Data Cohesion）：模块内的元素对同一数据或数据结构进行操作，它们共同对该数据进行处理。例如，一个学生信息管理模块包括添加学生信息、修改学生信息和删除学生信息等操作，这些操作都是围绕学生信息数据进行的，代表了数据内聚。
时间内聚（Temporal Cohesion）：模块内的元素在同一时间段内执行，并且需要在同一时间段进行调用。例如，一个报告生成模块包括收集数据、处理数据和生成报告等操作，这些操作需要在同一时间段内执行，代表了时间内聚。

不同类型的内聚都对软件设计和开发有不同的影响，高内聚是设计的目标，因为高内聚度通常意味着模块的功能清晰，易于理解、维护和测试。设计时需要根据具体需求和设计目标选择合适的内聚类型。

3.2.2 耦合类型

耦合（Coupling）是软件设计中描述模块或组件之间相互依赖程度的概念。耦合度高表示模块之间的相互依赖程度强，耦合度低表示模块之间的相互依赖程度弱。根据模块之间的相互依赖性不同，耦合度可分为以下几种类型：

无耦合（No Coupling）：模块之间没有直接的相互依赖关系，彼此独立存在，并且不共享数据或信息。这是理想的耦合类型，但在实际设计中很难完全实现。
数据耦合（Data Coupling）：模块之间通过共享数据进行通信，一个模块将数据传递给另一个模块。这种耦合方式通常是通过参数传递或共享的全局数据来实现的。
标记耦合（Stamp Coupling）：模块之间通过标记或标识进行通信，一个模块将标记传递给另一个模块，接收方根据标记来识别并处理相应的操作。这种耦合方式通常需要模块之间有共同的标记定义。
控制耦合（Control Coupling）：一个模块直接控制另一个模块的执行流程，通常通过调用另一个模块的方法或函数来实现。这种耦合方式通常需要模块之间有相互调用的关系。
外部耦合（External Coupling）：模块之间通过共享外部实体（如文件、数据库、网络等）进行通信，一个模块通过读取或写入外部实体来与另一个模块进行交互。
公共耦合（Common Coupling）：多个模块共享同一个全局数据或全局变量，它们可能同时读取或同时写入该全局数据。这种耦合方式容易导致模块之间的竞争和潜在的冲突。
内容耦合（Content Coupling）：一个模块直接访问另一个模块的内部数据或内部实现细节，这种耦合方式是最强的，也是应尽量避免的。

降低耦合性是良好软件设计的目标之一。高内聚和低耦合度有助于提高软件的可维护性、可重用性和可测试性。在设计时，应尽量选择低耦合度的设计模式和技术，以减少模块之间的相互依赖，使各个模块能够独立变更和演化。

3.3 面向对象设计：23种设计模式

面向对象设计是一种基于对象和类的设计方法，它通过将系统抽象为对象，并定义对象之间的关系和行为来描述系统的结构和功能。

在面向对象设计中，系统由多个相互协作的对象组成，每个对象拥有自己的属性和方法。面向对象设计的基本原则包括封装、继承和多态，它可以提供代码的重用性、可扩展性和灵活性。

3.3.0 面向对象设计的目的

面向对象设计（Object-Oriented Design，OOD）的目的是创建可维护、可扩展、可重用和可理解的软件系统。它使用对象、类、继承、封装、多态等概念和技术来描述和组织软件系统。

以下是面向对象设计的主要目的：

模块化：面向对象设计将复杂系统分解为小而独立的模块，每个模块都有自己的责任和功能。这种模块化的设计使得系统更易于理解、修改和维护，并且可以促进团队合作和并行开发。
可扩展性：通过面向对象设计，我们可以通过添加新的类或扩展现有类来轻松地扩展系统的功能。这种灵活性使得系统能够适应变化和新需求的发布，从而保持系统的可用性和竞争力。
可重用性/可复用性（最核心的目的）：面向对象设计通过提供复用的机制（例如继承、组合等）来促进代码的重用。通过复用现有的类、模块或组件，我们可以减少开发时间和成本，并提高系统的质量和稳定性。
可维护性：面向对象的设计原则鼓励将系统分解为小而简单的部分，每个部分都有清晰的职责和接口。这种清晰的结构和良好的封装使得系统更易于调试、修改和维护，同时减少了错误的传播和影响。
可测试性：面向对象设计的模块化和封装特性使得软件系统更易于进行单元测试和集成测试。每个对象可以独立测试，而不需要考虑系统的其他部分，从而提高了测试的准确性和效率。
可理解性：面向对象设计使用类和对象来模拟真实世界的概念，使得系统的设计和实现更易于理解和沟通。面向对象的抽象和封装使得系统的结构和逻辑更加清晰和直观。

通过以上目的，面向对象设计可以帮助开发者构建高质量、可维护和可扩展的软件系统。它提供了一种结构化和面向对象的思维方式，使得软件设计和开发更加可控和可预测。

3.3.1 设计过程

面向对象设计（Object-Oriented Design，OOD）是一种软件设计方法，它以对象和类为基础，通过抽象、封装、继承和多态等概念来描述和组织系统的结构和行为。下面是常见的面向对象设计过程：

需求分析：在面向对象设计过程中，首先需要对系统的需求进行分析和理解。这包括与系统用户和相关利益相关者进行沟通，了解其需求、期望和业务流程。需求分析的结果将帮助设计者确定系统的功能和特性，并为后续的设计工作提供指导。
系统设计：在系统设计阶段，设计者需要综合各种因素来制定系统的整体架构。这包括确定系统的模块组织结构、模块之间的关系和交互方式。面向对象设计中，设计者通常会根据需求分析的结果，将系统分解为一系列相互协作的对象和类，确定它们的属性、方法和关系。
类设计：在类设计阶段，设计者根据系统需求和系统设计的目标，将对象和类进一步细化，并详细定义它们的属性和方法。这包括确定类的成员变量、方法以及它们之间的关系（如继承关系、关联关系、聚合关系等）。类设计要求设计者具备良好的抽象能力和领域知识，以便能够准确地捕捉系统的实体和行为。
行为设计：在行为设计阶段，设计者将关注对象和类的行为（方法）的具体实现。这包括定义方法的算法、流程和逻辑，以及确定方法之间的调用关系和协作方式。行为设计涉及到应用适当的设计模式和算法来实现系统的功能和需求。
界面设计：界面设计是面向对象设计过程中的重要一步，它关注用户与系统之间的交互界面。设计者需要创建易于使用、直观和美观的用户界面，以提供良好的用户体验。界面设计涉及到定义用户界面元素、布局、交互方式和视觉风格等。
测试和验证：在设计过程的各个阶段，测试和验证是必不可少的。设计者需要编写测试用例和测试脚本，以验证设计的正确性和功能的有效性。通过测试和验证，可以及早发现和修复设计中的问题，确保设计的质量和可靠性。
迭代和优化：面向对象设计是一个迭代的过程，设计者需要不断地从用户反馈和系统运行情况中汲取经验，进行迭代和优化。随着设计的不断演进，设计者可以改善系统的可维护性、可扩展性和性能。

面向对象设计过程是一个逐步细化和迭代的过程，需要设计者综合考虑系统的需求、结构和行为，并应用合适的设计原则和模式。一个好的面向对象设计能够产生可重用、可扩展和易于维护的软件系统。

3.3.2 面向对象设计的原则

面向对象设计（Object-Oriented Design，OOD）的设计原则是一组指导性的原则，旨在帮助设计者创建具有高内聚性和低耦合度的面向对象系统。以下是常见的面向对象设计原则：

单一职责原则（Single Responsibility Principle，SRP）：一个类应该有且只有一个引起它变化的原因。该原则强调每个类应该专注于完成单一的任务或职责，从而提高类的内聚性和可维护性。
开放封闭原则（Open-Closed Principle，OCP）：软件实体（类、模块、函数等）应该对扩展开放，对修改关闭。该原则鼓励使用抽象和接口来定义软件实体，以便可以通过扩展来增加功能，而不需要修改已有的代码。
里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）：子类应该能够替换父类并且不会引起错误或异常。该原则要求子类必须能够完全替换其父类，并且保持父类的行为约束，以确保系统的正确性和稳定性。
接口隔离原则（Interface Segregation Principle，ISP）：客户端不应该依赖于它不需要的接口。该原则鼓励将大型接口拆分为更小、更专门化的接口，以便客户端只依赖于它们所需的接口，从而减少依赖关系和耦合度。
依赖倒置原则（Dependency Inversion Principle，DIP）：高层模块不应该依赖于低层模块，二者都应该依赖于抽象。该原则强调模块之间的依赖关系应该通过抽象来实现，而不是直接依赖于具体的实现。
合成复用原则（Composite/Composition Reuse Principle，CRP）：尽量使用对象组合而不是继承来达到复用的目的。该原则鼓励通过组合关系来实现代码的复用，而不是通过继承关系。
最小知识原则（Least Knowledge Principle，LKP）：一个模块（类或对象）应该对其他模块具有最少的了解。该原则要求减少对象之间的直接交互，尽可能减少对象之间的依赖关系，以提高系统的可维护性和灵活性。

这些面向对象设计原则是帮助设计者进行良好的面向对象设计的指导，它们可以提供设计决策的方向，帮助设计者创建可扩展、可维护和高质量的软件系统。这些原则通常用于配合设计模式和其他软件开发实践来实现更好的设计和架构。

3.3.3 23种设计模式

面向对象设计模式是用于解决特定类型软件设计问题的经验总结和最佳实践。

下面列举了一些常见的面向对象设计模式：

创建型模式：
- 工厂模式（Factory Pattern）
- 抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）
- 单例模式（Singleton Pattern）
- 建造者模式（Builder Pattern）
- 原型模式（Prototype Pattern）
结构型模式：
- 适配器模式（Adapter Pattern）
- 装饰器模式（Decorator Pattern）
- 外观模式（Facade Pattern）
- 代理模式（Proxy Pattern）
- 桥接模式（Bridge Pattern）
- 组合模式（Composite Pattern）
- 享元模式（Flyweight Pattern）
行为型模式：
- 观察者模式（Observer Pattern）
- 策略模式（Strategy Pattern）
- 命令模式（Command Pattern）
- 模板方法模式（Template Method Pattern）
- 迭代器模式（Iterator Pattern）
- 访问者模式（Visitor Pattern）
- 职责链模式（Chain of Responsibility Pattern）
- 状态模式（State Pattern）
- 备忘录模式（Memento Pattern）
- 解释器模式（Interpreter Pattern）

以上仅是一些常见的面向对象设计模式，每个模式都有其独特的应用场景和使用方式。设计者可以根据具体的问题和需求选择合适的模式来解决设计和架构上的挑战。这些设计模式可以提供代码的可重用性、可维护性和可扩展性，并有助于降低系统的耦合度和复杂性。请注意，模式的应用需要根据具体情况进行适当调整，以满足项目的需求。

3.3.4 设计模式与设计原则的区别

面向对象设计原则和设计模式都是用于设计和开发面向对象软件的重要概念，但它们的目的、应用方式和范畴略有不同。

面向对象设计原则是一组通用原则，用于指导面向对象软件设计的实践。这些原则包括单一职责原则、开放封闭原则、里氏替换原则、接口隔离原则、依赖倒置原则、合成复用原则和最小知识原则等，它们指导了如何创建具有高内聚性和低耦合度的面向对象系统。

而设计模式则是一种经过验证的解决方案，用于解决特定类型的面向对象设计问题。设计模式由经验总结和最佳实践组成，可以用于实现某些面向对象设计原则的要求。例如，工厂模式用于创建对象实例，符合单一职责和开放封闭原则，而装饰器模式用于给对象动态添加行为，符合开放封闭原则和最小知识原则等。

因此，面向对象设计原则是一种通用的设计规范，它们是指导面向对象软件设计的基本方法，而设计模式则是具体的面向对象软件设计方案。设计原则提供对系统的整体设计的指导，而它们的实现可以通过使用设计模式来实现。

通过遵循面向对象设计原则，我们可以创建高质量的软件系统，而使用设计模式可以使系统更加具有可重用性、可维护性和可扩展性。不同设计原则和设计模式的相互组合可以产生高效的面向对象软件设计方式。