軟件工程課件：第6章 軟件設(shè)計新

1、1第6章 軟件設(shè)計2軟件設(shè)計設(shè)計設(shè)計是研究系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)問題，即在分析模型的基礎(chǔ)上形成實現(xiàn)環(huán)境下的設(shè)計模型。36.1 軟件設(shè)計過程軟件設(shè)計活動：46.2 軟件設(shè)計原則：模塊化模塊化（ Modularity ）將一個復(fù)雜的大系統(tǒng)分解成若干個相對簡單的較小部分，稱 為子系統(tǒng)（ Subsystem ）。常見的模塊層次5設(shè)計原則-模塊化的層次 6為什么要模塊化設(shè)待求解的問題為X，則C（X）和E（X）分別為X相應(yīng)的復(fù)雜性和解決問題所需要的工作量。設(shè)對于問題P1,P2，若有C（P1） C（P2）則有E（P1） E（P2）而另一方面，人類實踐表明：當(dāng)P= P1+P2，實踐證明C（P）C（P1）+C（P2）因

2、此：E（P）E（P1）+E（P2）將一個復(fù)雜的大系統(tǒng)模塊化（Modularity），即將大系統(tǒng)分解成若干個相對簡單的子系統(tǒng)（Subsystem），分解后系統(tǒng)的復(fù)雜性和工作量比一個大系統(tǒng)要小，實現(xiàn)更為容易。 7模塊化的誤區(qū)但模塊的分解并非越多越好，模塊之間存在著交互接口，當(dāng)模塊過多時，將會增加接口的代價。86.2.1 模塊化和信息隱蔽系統(tǒng)的模塊化設(shè)計過程應(yīng)遵循信息隱蔽的原則每個模塊對其他模塊都隱蔽自己的設(shè)計決策。 在設(shè)計時列出將來可能發(fā)生變化的因素，并在模塊劃分時將這些因素放到個別模塊的內(nèi)部 。這樣，在將來由于這些因素變化而需修改軟件時，只需修改這些個別的模塊，其它模塊不受影響。 信息隱蔽原則可

3、以更好支持模塊的并行開發(fā)以及系統(tǒng)的后期維護，使得對一個模塊的設(shè)計和代碼的修改對其他模塊的影響降低。96.2.2內(nèi)聚和耦合內(nèi)聚（ Cohesion ）內(nèi)聚是子系統(tǒng)內(nèi)部的相關(guān)程度。當(dāng)子系統(tǒng)中彼此相關(guān)的多個對象執(zhí)行類似的任務(wù)時，則認(rèn)為 該子系統(tǒng)是高內(nèi)聚的；反之，當(dāng)子系統(tǒng)內(nèi)的多個對象彼此不相關(guān)時，則認(rèn)為是低內(nèi)聚的。內(nèi)聚越高越好高內(nèi)聚的方法做且僅做一件事，這會很容易理解與維護。舉例：如果使用一個方法 changeItem ( ) 完成書目的讀取、增加、 修改和刪除等若干方法的功能，有什么問題嗎？高內(nèi)聚的類表示且僅表示一種類型的對象。舉例：在大學(xué)系統(tǒng)中使用 Professor 而不用 Employee，為

4、什么？106.2.2內(nèi)聚和耦合內(nèi)聚度標(biāo)志一個模塊內(nèi)部各成分彼此結(jié)合的緊密程度。內(nèi)聚度按其高低程度可分為7級，從低至高分別為偶然內(nèi)聚（Coincidental cohesion）邏輯內(nèi)聚（Logical cohesion）時間內(nèi)聚（Temporal cohesion）過程內(nèi)聚（Procedural cohesion）通信內(nèi)聚（Communicational cohesion）順序內(nèi)聚（Sequential cohesion）功能內(nèi)聚（Functional cohesion）內(nèi)聚度越高越好。低級內(nèi)聚 ,設(shè)計時盡量避免中級內(nèi)聚 高級內(nèi)聚 11偶然內(nèi)聚 指一個模塊內(nèi)容是為了節(jié)約空間，將并無多少邏輯關(guān)聯(lián)

5、的代碼和數(shù)據(jù)組合在一起模塊內(nèi)各部分之間沒有聯(lián)系，或者即使有聯(lián)系也很松散 常見的偶然內(nèi)聚：寫程序時如一些沒有任何聯(lián)系的語句可能在許多模塊中重復(fù)多次，程序員為了節(jié)省存儲，把它們抽出來組成一個新的模塊，這個模塊就是偶然內(nèi)聚模塊12邏輯內(nèi)聚、時間內(nèi)聚和過程內(nèi)聚邏輯內(nèi)聚是指個模塊完成的多個任務(wù)邏輯上相關(guān)這種模塊把幾種功能組合在一起，每次調(diào)用時，由傳送給模塊的判定參數(shù)來確定該模塊應(yīng)執(zhí)行哪一種功能。 例如，一個模塊完成所有類型的數(shù)據(jù)輸出，這類模塊調(diào)用時需要傳送控制信息，以便控制輸出什么類型的數(shù)據(jù)如果一個模塊包含的多個任務(wù)必須在同一時間段內(nèi)執(zhí)行，則稱之為時間內(nèi)聚例如一個系統(tǒng)的初始化模塊和終止模塊 過程內(nèi)聚則是

6、指模塊內(nèi)成分彼此邏輯相關(guān)，并且必須按特定的次序執(zhí)行 例如我們把流程圖中的循環(huán)部分、判定部分、計算部分分成三個模塊，這三個模塊都是過程內(nèi)聚模塊13通信內(nèi)聚模塊中各成分引用共同的輸入數(shù)據(jù)或產(chǎn)生相同的輸出數(shù)據(jù)則稱為通信內(nèi)聚，這意味著一個模塊可能包含多個功能，但卻是對相同的數(shù)據(jù)進行操作 14順序內(nèi)聚如果個模塊內(nèi)的各處理成分均與同功能相關(guān)，且這些處理必須順序執(zhí)行，即模塊中某個成分的輸出是另一成分的輸入則稱順序內(nèi)聚15功能內(nèi)聚如果模塊完成單個功能且不易再分解，則稱功能內(nèi)聚，如求平方根、計算利息等。功能內(nèi)聚是最高程度的內(nèi)聚 166.2.2內(nèi)聚和耦合：耦合耦合（ Coupling ）耦合表示兩個子系統(tǒng)（或類）

7、之間的關(guān)聯(lián)程度。當(dāng)一個子系統(tǒng)（或類）發(fā)生變化時對另一個子系統(tǒng)（或類） 的影響很小，則稱它們是松散耦合的；反之，如果變化的影響很大時，則稱它們是緊密耦合的。 耦合也可分為7級，從低至高為：非直接耦合（Nondirect coupling）數(shù)據(jù)耦合（Data coupling）標(biāo)記耦合（Stamp coupling）控制耦合（Control coupling）外部耦合（External coupling）公共耦合（common coupling）內(nèi)容耦合（Content coupling）耦合度應(yīng)越低越好。17耦合1：若兩模塊間彼此無任何交互，則稱之為非直接耦合 在非直接耦合中 ，兩個模塊之間的聯(lián)

8、系完全是通過主模塊的控制和調(diào)用來實現(xiàn)的例如在實數(shù)的運算中，有兩個模塊分別完成幾個實數(shù)的求和，求乘積功能，這兩個模塊之間沒有直接聯(lián)系，只有在主模塊調(diào)用中有執(zhí)行的前后順序而已，這個例子即屬于非直接耦合18耦合2：若兩模塊間僅通過參數(shù)交換輸入，輸出信息則為數(shù)據(jù)耦合 如有兩個模塊，其中A模塊產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)作為模塊B的某個操作B1的輸入?yún)?shù)即模塊A的運算結(jié)果作為一個參數(shù)參加B的運算，這兩個模塊之間即發(fā)生數(shù)據(jù)耦合。數(shù)據(jù)耦合是松散的耦合，模塊間的獨立性比較強。19耦合3：如果模塊間傳送的參數(shù)包含著復(fù)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，則為標(biāo)記耦合，例如含有若干數(shù)據(jù)項的數(shù)據(jù)記錄即模塊間共享了這個記錄，它是某一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)，而不是

9、簡單變量4：若傳遞的參數(shù)中含有控制信息則上升為控制耦合， （見圖6.6）；20耦合5：當(dāng)若干模塊與同一個外部環(huán)境關(guān)聯(lián)，則模塊間存在著外部耦合。如I/O處理使所有I/O模塊與特定的設(shè)備、格式和通信協(xié)議相關(guān)聯(lián)；6：公共耦合則是指模塊間存在著全局變量、公共數(shù)據(jù)區(qū)或可共享的文件等 7：內(nèi)容耦合1）一個模塊訪問另一個模塊數(shù)據(jù)；2）一個模塊不通過正常入口而轉(zhuǎn)到另一個模塊的內(nèi)部；3）兩個模塊有一部分代碼重疊；4）一個模塊有多個入口21耦合一般來說，設(shè)計時應(yīng)盡量使用數(shù)據(jù)耦合，減少控制耦合，限制外部環(huán)境耦合和公共耦合，絕對禁止內(nèi)容耦合。226.2.3抽象和求精抽象是對問題的簡化和概括，它忽略了問題的某些細(xì)節(jié)，有

10、助于把握問題的本質(zhì)。抽象是分層次的高層的抽象是概念性的，例如用例模型較低層次的抽象則是具體解決方案和細(xì)節(jié)，例如類的定義。抽象是自底向上的，是從細(xì)節(jié)到概要的過程。求精（Refine）是抽象的逆過程，是對問題自頂向下逐步分解、細(xì)化逐漸至細(xì)節(jié)的過程。236.2.4 復(fù)用復(fù)用（ Reuse ）對于建立軟件系統(tǒng)而言，所謂復(fù)用就是利用某些已開發(fā)的、 對建立新系統(tǒng)有用的軟件元素來生成新的軟件系統(tǒng)。 在一個系統(tǒng)中，通常大部分內(nèi)容是成熟的，小部分內(nèi)容是創(chuàng)新的。復(fù)用的好處在于提高生產(chǎn)效率，提高軟件質(zhì)量，改善軟件系統(tǒng)的可維護性。復(fù)用策略工具包強調(diào)在類級別的代碼復(fù)用，如類庫；組件強調(diào)組件級的復(fù)用，如 CORBA、EJ

11、B、DCOM 等；設(shè)計強調(diào)設(shè)計級的復(fù)用，如復(fù)用設(shè)計模式，復(fù)用體系結(jié)構(gòu)等246.3.1 什么是體系結(jié)構(gòu) 軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要是指軟件中相對獨立的模塊、這些模塊接口之間的交互機制以及一系列組織管理這些操作的規(guī)則。軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計是整個軟件開發(fā)過程中一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)不同類型的系統(tǒng)要求需要不同類型體系結(jié)構(gòu)，甚至同一個系統(tǒng)中的子系統(tǒng)也可能需要不同的體系結(jié)構(gòu)。體系結(jié)構(gòu)模型主要描述以下屬性：系統(tǒng)的組件，包括功能組件和數(shù)據(jù)組件；系統(tǒng)組件間的連接，包括數(shù)據(jù)流和控制流；組件和連接的約束，包括組件間的通信協(xié)議，組件間的同步等；以及用組件和連接表示的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系。因而組件和連接是軟件體系結(jié)構(gòu)的兩大構(gòu)成部分

12、。 256.3.1 什么是體系結(jié)構(gòu) :組件組件（Component）是軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)塊單元，每個軟件組件都承擔(dān)著一定的功能并發(fā)揮著一定的作用，組件可以看作是模塊、類、對象等一個相關(guān)功能的集合。組件大都作為一個封裝的實體每個組件至少有個接口（Port）。接口是組件與外界發(fā)生交互的窗口。其他組件與其交互時，只需了解此組件對外的接口和提供的操作服務(wù)。266.3.1 什么是體系結(jié)構(gòu) :組件根據(jù)組件在系統(tǒng)中的作用，組件可以大致分為5類：負(fù)責(zé)系統(tǒng)運行管理的控制組件；負(fù)責(zé)組件之間協(xié)作關(guān)系的協(xié)調(diào)組件；為其他組件提供特定服務(wù)功能的服務(wù)組件；負(fù)責(zé)安全檢查和信息轉(zhuǎn)接傳遞的信息控制組件；負(fù)責(zé)組件間連接和轉(zhuǎn)換功能的連接

13、組件。276.3.1 什么是體系結(jié)構(gòu) :連接連接（Connect）：建立和維護組件間行為關(guān)聯(lián)，和組件間信息傳遞。連接需要兩方面的支持：一是連接發(fā)生和維持的機制；二是連接能夠正確地、無二義、無沖突地進行信息交換的規(guī)則，稱為連接的“協(xié)議”。因此，連接的本質(zhì)是實現(xiàn)連接機制和信息交換協(xié)議，簡稱機制和協(xié)議。286.3.1 什么是體系結(jié)構(gòu) :連接計算機硬件提供了實現(xiàn)連接的基礎(chǔ)。 在硬件提供連接機制的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)不同層次上的連接比如在體系結(jié)構(gòu)模式層，應(yīng)用層等無論哪層連接，都是基于硬件提供的基本連接機制連接協(xié)議是連接的規(guī)約，是實現(xiàn)有意義連接的保證。 比如網(wǎng)絡(luò)七層連接協(xié)議296.3.1 什么是體系結(jié)構(gòu) :連

14、接當(dāng)組件間聯(lián)系關(guān)系復(fù)雜時，除了基本連接方法外，需要建立專門的連接組件以調(diào)用和協(xié)調(diào)組件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)組件間聯(lián)系的特殊組件稱為連接器（connector）最簡單的連接器可表現(xiàn)為組件之間的直接連接，如功能調(diào)用。當(dāng)情況復(fù)雜時，則有專門的連接器，類似于連接硬件設(shè)備的特定連接裝置，軟部件之間也需要連接器，如進程間通信所構(gòu)成的連接器 306.3.2 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計策略體系結(jié)構(gòu)設(shè)計：建立起一個系統(tǒng)的子系統(tǒng)和子系統(tǒng)間通信的基本的結(jié)構(gòu)框架體系結(jié)構(gòu)設(shè)計時通常采用現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計策略 常見的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計策略：管道過濾器結(jié)構(gòu)分層體系結(jié)構(gòu) 倉庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 客戶/服務(wù)器模式 MVC模式 316.3.3 管道過濾器結(jié)構(gòu)管道

15、過濾器結(jié)構(gòu)是由過濾器和管道組成的。代表數(shù)據(jù)加工處理的過濾器是具有一組輸入和一組輸出的部件，它們被代表數(shù)據(jù)傳送的管道連接在一起過濾器從輸入數(shù)據(jù)源接收輸入，經(jīng)過內(nèi)部加工處理后送到輸出的數(shù)據(jù)池，并被傳送到輸出連接的過濾器。數(shù)據(jù)源、過濾器、數(shù)據(jù)池通過管道順序地連接起來。每個管道只處理臨近過濾器之間的數(shù)據(jù)流。326.3.3 管道過濾器結(jié)構(gòu)過濾器的活動可以通過以下方法激活：（1）后續(xù)的部件從過濾器中取出數(shù)據(jù)；（2）前續(xù)的部件向過濾器推入新輸入數(shù)據(jù)；（3）過濾器處于活躍狀態(tài)，不斷地從前續(xù)部件取出并向后續(xù)部件推入數(shù)據(jù)。前兩種情況產(chǎn)生的是被動式過濾器（passive filter），最后的是主動式過濾器（act

16、ive filter）。被動式過濾器是通過函數(shù)或過程調(diào)用激發(fā)的，而主動式過濾器是作為獨立的程序或線程任務(wù)激發(fā)工作的。336.3.3 管道過濾器結(jié)構(gòu)管道是過濾器之間的連接器。如果兩個主動式過濾器連接在一起，管道將對它們實施同步控制。管道是一個先進先出的數(shù)據(jù)緩沖。數(shù)據(jù)源是系統(tǒng)的輸入，它提供了同一結(jié)構(gòu)類型的數(shù)據(jù)序列。例如，由文本行組成的文件，提供采集數(shù)值的探測器。數(shù)據(jù)源可主動地把數(shù)據(jù)推向過濾器，或當(dāng)過濾器需要時被動地提供數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)池從過濾器收集計算結(jié)果，有兩類變種，主動式數(shù)據(jù)池從過濾器中“拉”出數(shù)據(jù)，被動式數(shù)據(jù)池允許其前續(xù)的過濾器向其推入或?qū)懭虢Y(jié)果。346.3.3 管道過濾器結(jié)構(gòu)管道過濾器（Pipe

17、 and Filter）的體系結(jié)構(gòu)最早產(chǎn)生于程序語言的編譯操作和操作系統(tǒng)的進程間通信和任務(wù)處理。早期程序語言的編譯被分解為符號掃描、句法分析、語義分析、中間代碼生成、代碼優(yōu)化、代碼生成、連接的多個獨立的處理源程序依次經(jīng)過各個處理最后得到可執(zhí)行的程序。其中，對于輸入數(shù)據(jù)，各種處理是過濾器，它的輸出到下個處理的輸入形成了中間數(shù)據(jù)的傳送管道。356.3.3 管道過濾器結(jié)構(gòu)管道過濾器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)在信號處理、分布式計算等處理中獲得廣泛使用 366.3.4 分層體系結(jié)構(gòu)層次化是一種概念，它將軟件設(shè)計組織成為類或組件的層次或集合，在同一個層次上的類或組件完成一個特定的目的。除了最上層和最下層外，系統(tǒng)中的每一層都

18、要承擔(dān)兩個角色。首先，它為結(jié)構(gòu)中的上層提供服務(wù)；其次，它調(diào)用下層提供的功能函數(shù)。 良好的層次結(jié)構(gòu)可以易于系統(tǒng)的擴展與維護，不同的層次之間通過接口進行通信。三層體系結(jié)構(gòu)（ Three-tier Architecture ）表示層：窗口、報表等用戶界面元素應(yīng)用邏輯層：管理業(yè)務(wù)過程的任務(wù)和規(guī)則存儲層：持久化存儲機構(gòu)376.3.4 分層體系結(jié)構(gòu)386.3.5倉庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)倉庫或知識庫結(jié)構(gòu)（ Repository architecture ）倉庫結(jié)構(gòu)是一種以數(shù)據(jù)為中心的體系結(jié)構(gòu)，它包含一個中心數(shù)據(jù)庫和一組相互獨立的處理中心數(shù)據(jù)的子系統(tǒng)，主要適合 于數(shù)據(jù)由一個子系統(tǒng)產(chǎn)生而由其他子系統(tǒng)使用的情形。396.3.

19、5倉庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)406.3.6 客戶/服務(wù)器模式客戶機服務(wù)器結(jié)構(gòu)（ Client/Server Architecture ）適用于分布式環(huán)境下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 在客戶機服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)中，作為服務(wù)器的子系統(tǒng)為其他 客戶機的子系統(tǒng)提供服務(wù)，作為客戶機的子系統(tǒng)負(fù)責(zé)與用戶的交互。瘦客戶機模型所有的應(yīng)用處理和數(shù)據(jù)管理都是在服務(wù)器上執(zhí)行，客戶機只是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)表示部分。由于繁重的處理負(fù)荷全部集中在服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)上，有可能造成性能上的問題。416.3.6 客戶/服務(wù)器模式胖客戶機模型服務(wù)器只負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的管理，客戶機上的軟件實現(xiàn)應(yīng)用邏輯與用戶的交互。系統(tǒng)管理更加復(fù)雜，因為應(yīng)用程序的改變必須在客戶機上重 新安裝。三層的客戶

20、機服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)426.3.7 模型視圖控制器結(jié)構(gòu)（MVC)模型/視圖/控制器結(jié)構(gòu)（Model/View/Controller Architecture）該結(jié)構(gòu)是為同樣的數(shù)據(jù)提供多個視圖的應(yīng)用程序而設(shè)計的，它將交互系統(tǒng)的組成(子系統(tǒng)）分解成模型、視圖、控制器三種部件。視圖是應(yīng)用程序中用戶界面相關(guān)的部分，即用戶看到并與之交互 的界面?？刂破鞴ぷ骶涂刂普麄€業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)View層跟Model層的協(xié)同工作。模型是應(yīng)用程序的主體部分，用于封裝業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)模型。該結(jié)構(gòu)適合于交互式系統(tǒng)，特別是同一個模型需要多個視圖的情況。436.3.7 模型視圖控制器結(jié)構(gòu)44MVC視圖(View)代表用戶交互界面，對于

21、Web應(yīng)用來說，可以概括為HTML界面（JSP,ASPX)，但有可能為XML、WML和Excel。隨著應(yīng)用的復(fù)雜性和規(guī)模性，界面的處理也變得具有挑戰(zhàn)性。45MVC控制器(Controller)可以理解為從用戶接收請求, 將模型與視圖匹配在一起，共同完成用戶的請求?？刂破鞑⒉蛔鋈魏蔚臄?shù)據(jù)處理。例如，用戶點擊一個連接（發(fā)送請求），控制器接受請求后, 并不處理業(yè)務(wù)信息，它只把用戶的信息傳遞給模型，告訴模型做什么，選擇符合要求的視圖返回給用戶。因此，一個模型可能對應(yīng)多個視圖，一個視圖可能對應(yīng)多個模型。 46MVC模型(Model)：就是業(yè)務(wù)流程/狀態(tài)的處理以及數(shù)據(jù)模型的制定。業(yè)務(wù)流程的處理過程對其它層

22、來說是黑箱操作，模型接 受視圖請求的數(shù)據(jù)，并返回最終的處理結(jié)果。模型的設(shè)計可以說是MVC最主要的核心。47jsp+servlet+javaBean實現(xiàn)MVCJSP作為視圖，只用于顯示 Servlet作為控制器，所有的請求，跳轉(zhuǎn)都由servlet完成業(yè)務(wù)邏輯部分由javabean完成48jsp+servlet+javaBean實現(xiàn)MVC49BookList(Servlet)bookManage.jsp請求(Book/List)requestrequest(books)例：圖書列表功能MVC實現(xiàn)50OpenModifyBook(Servlet)changeBookInf.jsp請求1(Book/OpenModify)request1request1(book)ModifyBook(Servlet)請求2(Book/Modify)changeBookInfoSucce