軟件工程及實(shí)踐8

軟件工程與實(shí)踐中國(guó)水利水電出版社第8章面向?qū)ο笈cuml語言8.1傳統(tǒng)方法學(xué)傳統(tǒng)的生命周期方法學(xué)主要存在以下問題：（1）生產(chǎn)率提高的幅度遠(yuǎn)不能滿足需要；（2）軟件重用度很低；（3）軟件仍然很難維護(hù)；（4）軟件往往不能滿足用戶需要。

面向?qū)ο蟮姆椒▽W(xué)可以用下列式子來概括：面向?qū)ο?對(duì)象+類+繼承+消息通信。

面向?qū)ο蠓椒▽W(xué)的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）從應(yīng)用設(shè)計(jì)到解決問題的方案更加抽象化而且具有極強(qiáng)的對(duì)應(yīng)性。（2）在設(shè)計(jì)中容易與用戶溝通。（3）把數(shù)據(jù)和操作封裝到對(duì)象之中。（4）設(shè)計(jì)中產(chǎn)生各式各樣的部件，然后由部件組成框架，以至于整個(gè)程序。（5）應(yīng)用程序具有較好的重用性、易改進(jìn)、易維護(hù)和易擴(kuò)充。8.2面向?qū)ο蠓椒ǖ幕靖拍?/p>

對(duì)象是具有相同狀態(tài)的一組操作的集合，是封裝了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及可以施加在這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的操作的封裝體，這個(gè)封裝體有可以惟一地標(biāo)識(shí)它的名字，而且向外界提供一組服務(wù)(即公有的操作)。對(duì)象中的數(shù)據(jù)表示對(duì)象的狀態(tài)，一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)只能由該對(duì)象的操作來改變，只能由其他對(duì)象向該對(duì)象發(fā)送消息。對(duì)象響應(yīng)消息時(shí)，按照消息模式找出與之匹配的方法，并執(zhí)行該方法。8.2.1對(duì)象

在面向?qū)ο蟮能浖夹g(shù)中，”類”就是對(duì)具有相同數(shù)據(jù)和相同操作的一組相似對(duì)象的定義，也就是說，類是對(duì)具有相同屬性和行為的一個(gè)或多個(gè)對(duì)象的描述。例如：植物，飛行器，人等都是類。

“人”這個(gè)類具有：身高、姓名、性別、年齡、家庭住址等屬性（靜態(tài)特征）；另外，“人”這個(gè)類還具有：跑步，開車，吃飯，思考等行為（動(dòng)態(tài)特征）。

8.2.2類

實(shí)例就是由某個(gè)特定的類所描述的一個(gè)具體的對(duì)象。當(dāng)使用”對(duì)象”這個(gè)術(shù)語時(shí)，既可以指一個(gè)具體的對(duì)象，也可以泛指一般的對(duì)象，但是，當(dāng)使用”實(shí)例”這個(gè)術(shù)語時(shí)，必然是指一個(gè)具體的對(duì)象。8.2.3實(shí)例

消息就是要求某個(gè)對(duì)象執(zhí)行在定義它的那個(gè)類中的某個(gè)操作的規(guī)格說明。

通常，一個(gè)消息由下述3部分組成：接收消息的對(duì)象；消息選擇符(也稱為消息名)；零個(gè)或多個(gè)變?cè)?.2.4消息

方法就是對(duì)象所能執(zhí)行的操作，也就是類中所定義的服務(wù)。方法描述了對(duì)象執(zhí)行操作的算法、響應(yīng)消息的方法。在C++語言中把方法稱為成員函數(shù)。我們前面介紹過，類由屬性（靜態(tài)數(shù)據(jù)）和行為（操作）組成，實(shí)際上，這里的“行為”就是面向?qū)ο笾兄v到的“方法”。例如：（1）飛行器這個(gè)類的方法有：飛行，落地等一些操作。（2）“人”這個(gè)類的方法：跑步，開車，吃飯，思考等。8.2.5方法8.2.6屬性

屬性就是類中所定義的數(shù)據(jù)，它是對(duì)客觀世界實(shí)體所具有的性質(zhì)的抽象。類的每個(gè)實(shí)例都有自己特有的屬性值。在C++語言中把屬性稱為數(shù)據(jù)成員。例如：飛行器這個(gè)類的屬性有：顏色，身長(zhǎng)，形狀等。

8.2.6繼承

繼承是子類自動(dòng)地共享父類中定義的數(shù)據(jù)和方法的機(jī)制。一個(gè)類的上層可以有父類，下層可以有子類。這種層次結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一個(gè)重要性質(zhì)是繼承性，一個(gè)類直接繼承其父類的全部描述(數(shù)據(jù)和操作)。繼承具有傳遞性。例如：飛機(jī)是飛行器的子類，它繼承了飛行器的所有屬性和方法，但是它還有自己的屬性和方法。飛機(jī)的屬性除具有飛行器屬性外，還有：乘客容量。8.2.7多態(tài)性

在面向?qū)ο蟮能浖夹g(shù)中，多態(tài)性是指子類對(duì)象可以像父類對(duì)象那樣使用，同樣的消息既可以發(fā)送給父類對(duì)象也可以發(fā)送給子類對(duì)象。然而不同層次中的每個(gè)類卻各自按自己的需要來實(shí)現(xiàn)這個(gè)行為。當(dāng)對(duì)象接收到發(fā)送給它的消息時(shí)，根據(jù)該對(duì)象所屬于的類動(dòng)態(tài)選用在該類中定義的實(shí)現(xiàn)算法。8.2.8重載

重載有兩種：函數(shù)重載和運(yùn)算符重載。函數(shù)重載是指在同一作用域內(nèi)的若干個(gè)參數(shù)特征不同的函數(shù)可以使用相同的函數(shù)名字；運(yùn)算符重載是指同一個(gè)運(yùn)算符可以施加于不同類型的操作數(shù)上。8.3

UML建模語言

UML(統(tǒng)一建模語言)是面向?qū)ο蠼ＵZ言的標(biāo)準(zhǔn)，它可以對(duì)任何具有靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為的系統(tǒng)進(jìn)行建模，它的主要作用是幫助用戶進(jìn)行面向的描述和建模，它可以描述軟件從需求分析到軟件實(shí)現(xiàn)和測(cè)試的全過程。作為一種建模語言,UML的定義包括UML語義和UML表示法兩個(gè)部分。

(1)UML語義(2)UML表示法（

1）模型幫助我們按照實(shí)際情況或按照我們所需要的樣式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可視化。

（2）模型允許我們?cè)敿?xì)說明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為。

（3）模型給出一個(gè)知道我們構(gòu)造系統(tǒng)的模板。

（4）模型對(duì)我們的決策進(jìn)行文檔化。

8.3.1為什么要建模

UML有兩套建模機(jī)制：靜態(tài)建模機(jī)制和動(dòng)態(tài)建模機(jī)制。靜可描形，動(dòng)可描行。動(dòng)和靜是辯證的兩面，在UML中，靜態(tài)建?？梢悦枋鱿到y(tǒng)的組織和結(jié)構(gòu)，而動(dòng)態(tài)建模則可描述系統(tǒng)的行為和動(dòng)作。靜態(tài)建模機(jī)制包括用例圖、類圖、對(duì)象圖、包、組件圖和配置圖。動(dòng)態(tài)建模機(jī)制包括消息、狀態(tài)圖、時(shí)序圖、協(xié)作圖和活動(dòng)圖。

8.3.2UML建模機(jī)制（1）UML基本構(gòu)造元素：事務(wù)、關(guān)系和圖。（2）UML的事務(wù)有四種：結(jié)構(gòu)事務(wù)、行為事務(wù)、分組事務(wù)和注釋事務(wù)。（3）UML的關(guān)系有四種：依賴、關(guān)聯(lián)、泛化、實(shí)現(xiàn)。（4）UML的圖有十種：用例圖、類圖、對(duì)象圖、包圖、狀態(tài)圖、活動(dòng)圖、序列圖、協(xié)作圖、組件圖、部署圖（有的書叫實(shí)施圖）。

8.3.3UML的結(jié)構(gòu)1.結(jié)構(gòu)事物結(jié)構(gòu)事物主要包括7種，分別是類、接口、協(xié)作、用例、活動(dòng)類、組件和節(jié)點(diǎn)。類是具有相同屬性、相同方法、相同語義和相同關(guān)系的一組對(duì)象的集合。接口是指類或組件所提供的、可以完成特定功能的一組操作的集合，換句話說，接口描述了類或組件的對(duì)外的、可見的動(dòng)作。協(xié)作定義了交互的操作，是一些角色和其他元素一起工作，提供一些合作的動(dòng)作。用例定義了系統(tǒng)執(zhí)行的一組操作，對(duì)特定的用戶產(chǎn)生可以觀察的結(jié)果。活動(dòng)類是對(duì)擁有線程并可發(fā)起控制活動(dòng)的對(duì)象（往往稱為主動(dòng)對(duì)象）的抽象。組件是物理上可替換的，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)或多個(gè)接口的系統(tǒng)元素。節(jié)點(diǎn)是一個(gè)物理元素，它在運(yùn)行時(shí)存在，代表一個(gè)可計(jì)算的資源，如一臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等。

8.3.4UML中的事務(wù)

2.行為事物行為事物主要有兩種：交互和狀態(tài)機(jī)。在UML圖中，交互的消息通常畫成帶箭頭的直線狀態(tài)機(jī)是對(duì)象的一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)的集合。

3.組織事物組織事物是UML模型中負(fù)責(zé)分組的部分，可以把它看作一個(gè)個(gè)盒子，每個(gè)盒子里面的對(duì)象關(guān)系相對(duì)復(fù)雜，而盒子與盒子之間的關(guān)系相對(duì)簡(jiǎn)單。組織事物只有一種，稱為包。包是一種有組織地將一系列元素分組的機(jī)制。4.輔助事物輔助事物，也稱注釋事物，屬于這一類的只有注釋。注釋即是UML模型的解釋部分。在UML圖中，一般表示為折起一角的矩形。

1.關(guān)聯(lián)關(guān)系關(guān)聯(lián)關(guān)系是”

...hasa...”（具有）的關(guān)系。在UML圖中，關(guān)聯(lián)關(guān)系用一條實(shí)線表示。有一些修飾可以應(yīng)用于關(guān)聯(lián)。（1）.

名字：可以給關(guān)系取名字。見圖8-1。8.3.5UML中的關(guān)系

（2）角色：關(guān)系的兩端代表不同的兩種角色。見圖8-2。（3）．重?cái)?shù)：表示有多少對(duì)象通過一個(gè)關(guān)系的實(shí)例相連。見圖8-3。2.聚合關(guān)系聚合關(guān)系指的是整體與部分的關(guān)系。通常在定義一個(gè)整體類后，再去分析這個(gè)整體類的組成結(jié)構(gòu)。從而找出一些組成類，該整體類和組成類之間就形成了聚合關(guān)系。例如一個(gè)航母編隊(duì)包括?？漳概灐Ⅱ?qū)護(hù)艦艇、艦載飛機(jī)及核動(dòng)力攻擊潛艇等。需求描述中”包含”、”組成”、”分為…部分”等詞常意味著聚合關(guān)系。見圖8-5。

聚合是”

...ownsa...”（擁有）的關(guān)系。它的UML表示法：空心菱形+實(shí)線+箭頭，見圖8-6

3.組合關(guān)系組合關(guān)系也表示類之間整體和部分的關(guān)系，但是組合關(guān)系中部分和整體具有統(tǒng)一的生存期。一旦整體對(duì)象不存在，部分對(duì)象也將不存在。部分對(duì)象與整體對(duì)象之間具有共生死的關(guān)系。組合關(guān)系是”

...isapartof...”（是…的一部分）的關(guān)系。它的UML表示法：實(shí)心菱形+實(shí)線+箭頭，見圖8-7。聚合和組合的區(qū)別在于：

(1)聚合關(guān)系是”has-a”關(guān)系，組合關(guān)系是”contains-a”關(guān)系；

(2)聚合關(guān)系表示整體與部分的關(guān)系比較弱，而組合比較強(qiáng)；

(3)聚合關(guān)系中代表部分事物的對(duì)象與代表聚合事物的對(duì)象的生存期無關(guān)，一旦刪除了聚合對(duì)象不一定就刪除了代表部分事物的對(duì)象。組合中一旦刪除了組合對(duì)象，同時(shí)也就刪除了代表部分事物的對(duì)象。我們用淺顯的例子來說明聚合和組合的區(qū)別?！眹?guó)破家亡”，國(guó)滅了，家自然也沒有了，”國(guó)”和”家”顯然也是組合關(guān)系。（4）在聚合關(guān)系中，部分可以獨(dú)立于聚合而存在，部分的所有權(quán)也可以由幾個(gè)聚合來共享，比如打印機(jī)就可以在辦公室內(nèi)被廣大同事共用。

(5)組合比聚合對(duì)于組合者和被組合者的關(guān)心定義的更加有約束，組合者不但要知道被組合者的情況，他們的生命周期都是由組合者來控制的。4.依賴關(guān)系對(duì)于兩個(gè)對(duì)象X、Y，如果對(duì)象X發(fā)生變化，可能會(huì)引起對(duì)另一個(gè)對(duì)象Y的變化，則稱Y依賴于X。依賴關(guān)系是一種”

...usesa...”(使用)關(guān)系，特定事物的改變有可能會(huì)影響到使用該事物的事物，反之不成立。在你想顯示一個(gè)事物使用另一個(gè)事物時(shí)使用依賴關(guān)系。通常情況下，依賴關(guān)系體現(xiàn)在某個(gè)類的方法使用另一個(gè)類作為參數(shù)。在UML中你可以在其它的事物之間使用依賴關(guān)系，特別是包和節(jié)點(diǎn)之間。在UML圖中，依賴關(guān)系用一條帶有箭頭的虛線來表示。人和空氣是一種依賴關(guān)系，UML圖見圖8-10。一個(gè)人自創(chuàng)生就需要不停的呼吸，而人的呼吸功能之所以能維持生命就在于吸進(jìn)來的氣體發(fā)揮了作用，所以說空氣只不過是人類的一個(gè)工具，而人并不持有對(duì)它的引用。5.泛化關(guān)系泛化是一般事物（稱為超類或父類）和該事物的較為特殊的種類（稱為子類）之間的關(guān)系，子類繼承父類的屬性和操作，除此之外通常子類還添加新的屬性和操作，或者修改了父類的某些操作。泛化意味著子類的對(duì)象可以用在父類的對(duì)象可能出現(xiàn)的地方，但反過來則不成立。泛化關(guān)系的子類和父類是“akindof”的關(guān)系。圖8-11給出了教師，學(xué)生和來賓繼承人”類”的泛化關(guān)系。

若在邏輯上B是A的”一種”，并且A的所有功能和屬性對(duì)B而言都有意義，則允許B繼承A的功能和屬性。例如，教師是人，Teacher是Person的”一種”。那么類Teacher可以從類Person派生（繼承）。如果A是基類，B是A的派生類，那么B將繼承A的數(shù)據(jù)和函數(shù)。如果類A和類B毫不相關(guān)，不可以為了使B的功能更多些而讓B繼承A的功能和屬性。

6.實(shí)現(xiàn)關(guān)系實(shí)現(xiàn)關(guān)系將一種模型元素（如類）與另一種模型元素（如接口）連接起來，它表示不繼承結(jié)構(gòu)而只繼承行為。大多少情況下，實(shí)現(xiàn)關(guān)系用來規(guī)定接口和實(shí)現(xiàn)接口的類或組件之間的關(guān)系。在UML圖中，實(shí)現(xiàn)關(guān)系一般用帶有一條帶有空心箭頭的虛線來表示。

圖8-12實(shí)現(xiàn)關(guān)系8.3.6UML中的視圖

視圖被劃分成3個(gè)視圖域：結(jié)構(gòu)分類視圖、動(dòng)態(tài)行為視圖和模型管理視圖。結(jié)構(gòu)分類視圖。它描述了系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)成員及其相互關(guān)系。類元包括類、用例、組件和節(jié)點(diǎn)。類元為研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為奠定了基礎(chǔ)。類元視圖包括靜態(tài)視圖、用例視圖和實(shí)現(xiàn)視圖和配置視圖。動(dòng)態(tài)行為視圖。它描述了系統(tǒng)隨時(shí)間變化的行為。行為用從靜態(tài)視圖中抽取的系統(tǒng)的瞬間值的變化來描述。動(dòng)態(tài)行為視圖包括狀態(tài)視圖、活動(dòng)視圖和交互視圖。模型管理視圖。它說明了模型的分層組織結(jié)構(gòu)。包是模型的基本組織單元。特殊的包還包括模型和子系統(tǒng)。模型管理視圖跨越了其他視圖，并根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)和配置組織這些視圖。8.4UML的圖序號(hào)模型種類十種圖形建模機(jī)制1用例模型用例圖靜態(tài)建模2靜態(tài)模型類圖、對(duì)象圖、包圖靜態(tài)建模3行為模型狀態(tài)圖、活動(dòng)圖動(dòng)態(tài)建模4交互模型序列圖、協(xié)作圖動(dòng)態(tài)建模5實(shí)現(xiàn)模型組件圖、部署圖靜態(tài)建模

類圖可用于表示邏輯類。邏輯類通常就是業(yè)務(wù)人員所談及的事物種類。類在類圖上使用包含三個(gè)部分的矩形來描述，如圖8-13所示。8.4.1類圖

用例圖主要用來圖示化系統(tǒng)的主事件流程，它主要用來描述客戶的需求，即用戶希望系統(tǒng)具備的完成一定功能的動(dòng)作----軟件的功能模塊，所以是設(shè)計(jì)系統(tǒng)分析階段的起點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)客戶的需求來創(chuàng)建和解釋用例圖，用來描述軟件應(yīng)具備哪些功能模塊以及這些模塊之間的調(diào)用關(guān)系。

用例圖包括：用例和參與者。8.4.2用例圖

圖8-16給出來了在線購(gòu)物系統(tǒng)的用例圖，給出了角色和用例之間的關(guān)系，以及內(nèi)部用例之間的關(guān)系。角色：游客，會(huì)員，管理員。用例：商品信息，購(gòu)買信息，用戶信息。8.4.3對(duì)象圖

對(duì)象圖顯示某時(shí)刻對(duì)象和對(duì)象之間的關(guān)系，是類圖的變化，一個(gè)對(duì)象圖可看成一個(gè)類圖的實(shí)例，對(duì)象圖表示的是類的對(duì)象實(shí)例而不是真實(shí)的類。由于對(duì)象存在生命周期，因此對(duì)象圖只能在系統(tǒng)某一時(shí)間段存在。對(duì)象圖中并無新的表示法（除了對(duì)象名下要加下劃線以外），與類圖中的表示法一樣，可以認(rèn)為，只有對(duì)象而無類的類圖就是一個(gè)”對(duì)象圖”。

4.輔助事物輔助事物，也稱注釋事物，屬于這一類的只有注釋。注釋即是UML模型的解釋部分。在UML圖中，一般表示為折起一角的矩形。

為了簡(jiǎn)單地表示出復(fù)雜的類圖，可以把類組合成包packages。一個(gè)包是UML上有邏輯關(guān)系的元件的集合。包圖由包和包之間的關(guān)系組成，模型如圖。

8.4.4包圖1、包的名稱

包的名稱有兩種形式：簡(jiǎn)單名和路徑名，其中簡(jiǎn)單名僅包含一個(gè)簡(jiǎn)單的名稱，路徑名是以包處于的外圍包的名字作為前綴。

2、包圖的組成

包可以擁有其他元素，比如類、接口、組件、節(jié)點(diǎn)、協(xié)作、用例和圖，甚至可以是其它包。一個(gè)”包圖”可以是任何一種的UML圖組成，通常是UML用例圖或UML類圖。包是一個(gè)UML結(jié)構(gòu)，它使得你能夠把諸如用例或類之類模型元件組織為組。包被描述成文件夾，可以應(yīng)用在任何一種UML圖上。序列圖。

序列圖顯示具體用例（或者是用例的一部分）的詳細(xì)流程。它幾乎是自描述的，并且顯示了流程中中不同對(duì)象之間的調(diào)用關(guān)系，同時(shí)還可以很詳細(xì)地顯示對(duì)不同對(duì)象的不同調(diào)用。序列圖有兩個(gè)維度：垂直維度和水平維度。垂直維度以發(fā)生的時(shí)間順序顯示消息/調(diào)用的序列；水平維度顯示消息被發(fā)送到的對(duì)象實(shí)例。8.4.5交互圖

其中的aServlet對(duì)象表示驅(qū)動(dòng)類實(shí)例。

aServlet向名為gen的ReportGenerator類實(shí)例發(fā)送一條消息。該消息被標(biāo)為generateCDSalesReport，表示ReportGenerator對(duì)象實(shí)現(xiàn)了這個(gè)消息處理程序。進(jìn)一步理解可發(fā)現(xiàn)，generateCDSalesReport消息標(biāo)簽在括號(hào)中包括了一個(gè)cdId，表明aServlet隨該消息傳遞一個(gè)名為cdId的參數(shù)。當(dāng)gen實(shí)例接收到一條generateCDSalesReport消息時(shí)，它會(huì)接著調(diào)用CDSalesReport類，并返回一個(gè)aCDReport的實(shí)例。然后gen實(shí)例對(duì)返回的aCDReport實(shí)例進(jìn)行調(diào)用，在每次消息調(diào)用時(shí)向它傳遞參數(shù)。在該序列的結(jié)尾，gen實(shí)例向它的調(diào)用者aServlet返回一個(gè)aCDReport。

2．協(xié)作圖

UML交互圖的另一種形式是協(xié)作圖。協(xié)作圖和序列圖在語義上相同，但協(xié)作圖排列對(duì)象的方式比較自由，完全由繪圖者的喜好決定。在協(xié)作圖中，交互動(dòng)作的次序由消息的編號(hào)決定。一些人偏愛這種繪圖方式，許多功能比較完善的UML工具允許用戶將一個(gè)圖在協(xié)作圖符號(hào)和序列圖符號(hào)之間來回轉(zhuǎn)換。

狀態(tài)圖是描述一個(gè)實(shí)體基于事件反應(yīng)的動(dòng)態(tài)行為，顯示了該實(shí)體如何根據(jù)當(dāng)前所處的狀態(tài)對(duì)不同的時(shí)間做出反應(yīng)的。通常我們創(chuàng)建一個(gè)UML狀態(tài)圖是為了研究類、角色、子系統(tǒng)、或組件的復(fù)雜行為。(1)初始起點(diǎn)，它使用實(shí)心圓來繪制；(2)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，它使用具有開箭頭的線段來繪制；(3)狀態(tài)，它使用圓角矩形來繪制；(4)判斷點(diǎn)，它使用空心圓來繪制；(5)一個(gè)或者多個(gè)終止點(diǎn)，它們使用內(nèi)部包含實(shí)心圓的圓來繪制。8.4.6狀態(tài)圖

例如，貸款處理系統(tǒng)最初處于LoanApplication（貸款申請(qǐng)）狀態(tài)。當(dāng)貸款審查后，如果符合基本條件轉(zhuǎn)到Loanpre-approval（貸款預(yù)批）過程；否則轉(zhuǎn)到LoanRejected（貸款拒絕）狀態(tài)。如果Loanpre-approval過程完成這個(gè)判斷（它是在轉(zhuǎn)換過程期間做出的）使用一個(gè)判斷點(diǎn)來表示--即轉(zhuǎn)換線條間的空心圓。通過該狀態(tài)圖可知，如果沒有經(jīng)過LoanClosing狀態(tài)，貸款不可能從LoanPre-Approved狀態(tài)進(jìn)入LoaninMaintenance狀態(tài)。而且，所有貸款都將結(jié)束于LoanRejected或者LoaninMa