第十一章 面向对象设计 第十二章 面向对象实现 软件工程 第十一章 面向对象设计 第十二章 面向对象实现

11.1 面向对象设计的准则 11.2 启发规则 11.3 软件重用 11.4 系统分解 11. 5 设计问题域子系统 11. 6 设计人机交互子系统 11. 7 设计任务管理子系统 11. 8 设计数据管理子系统 11. 9 设计类中的服务

面向对象设计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，是一个逐渐扩充模型的过程 生命周期方法学把设计进一步划分成总体设计和详细设计两个阶段，类似地，也可以把面向对象设计再细分为系统设计和对象设计。 系统设计确定实现系统的策略和目标系统的高层结构。 对象设计确定解空间中的类、关联、接口形式及实现操作的算法。

11. 1 面向对象设计的准则 1 、模块化（ Modularity ) ：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所构成的模块 2 、抽象：不仅支持过程抽象，而且支持数据抽象。 3 、信息隐蔽：通过对象的封装性来实现。 4 、弱藕合：对象是最基本的模块，因此，耦合主要指不同对象之间相互关联的紧密程度。分为交互藕合和继承藕合

5 、强内聚：分为服务内聚、类内聚和一般特殊内聚。 6 、可重用：11 . 3 节讨论

11. 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

11. 3 软件重用 1 1 . 3 . 1 概述 1 、软件重用的概念 软件复用是指重复使用已有的软件产品用于开发新的软件系统，以达到提高软件系统的开发质量与效率，降低开发成本的目的。 可复用的软件成分一可复用构件（ Reusable Component ）可从旧软件中提取，也可以专门为复用而开发。 在软件复用中重复使用的软件产品不仅仅局限于程序代码，而是包含了在软件生产的各个阶段所得到的各种软件产品。

软件成分的重用级别 可以用于软件复用的软件产品，按照其抽象程度的高低，可以划分为如下的复用级别： (1)代码复用 二进制形式的经过编译产生的目标代码。 文本形式的源代码 (2)设计结果的复用 设计结果比源程序的抽象级别更高，因为它的复用受实现环境的影响较小，从而使可复用构件被复用的机会更多，并且所需的修改更少。这种复用有三种途径：

从现有系统的设计结果中提取一些可复用的设计构件 把一个现有系统的全部设计文档在新的软硬件平台上重新实现。 独立于任何具体的应用，有计划地开发一些可复用的设计构件 ( 3 ）分析结果的复用 这是比设计结果的复用抽象程度更高的复用，可被复用的分析结果是针对问题域的某些事物或某些问题的抽象程度更高的解法，受设计技术及实现条件的影响非常小，所以可复用的机会更大。

11. 3 .2 类构件 面向对象技术中的“类”，是比较理想的可重用软构件，称之为类构件。 1 、可重用软构件的特点 一个软构件能在构造各种各样的软件系统时方便地重复使用，必须具备的条件： 1)独立性强： 2)高度可塑性： 3)接口清晰

2 、类构件重用的方式 1 ）实例重用 2 ）继承重用 3 ）多态重用

11. 3 . 3 软件重用的效益 1 、提高软件质量 2 、提高软件生产率 3 、降低软件成本

11 . 4 系统分解 系统的主要组成部分称为子系统。 与面向对象分析模型一样，面向对象设计模型也由主题、类与对象、结构、属性、服务等 5 个层次组成。 大多数系统的面向对象设计模型在逻辑上都由 4 大部分组成，分别是： 问题域子系统(问题空间类) 人机交互子系统(用户界面类) 任务管理子系统(任务管理类) 数据管理子系统(数据管理类)

1 、子系统之间的两种交互方式 1 ）客户一供应商关系 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。 2 ）平等伙伴关系 每个子系统都可能调用其他子系统，因此，每个子系统都必须了解其他子系统的接口。

2 、组织系统的两种方案 把子系统组织成完整的系统时，有水平层次组织和垂直块组织两种方案可供选择。 （ 1 ）层次组织 这种组织方案把软件系统组织成一个层次系统，每层是一个子系统。 ( 2 ）块状组织 这种组织方案把软件系统垂直地分解成若干个相对独立的、弱藕合的子系统，一个子系统相当于一块，每块提供一种类型的服务。

采用了层次与块状的混合结构

概括地说，面向对象软件开发方法采用面向对象设计 (OOD)技术进行问题解决方案的设计工作，它将问题的解决方案表述为： 类＋关联 的形式，其中， 类包括问题域子系统（问题空间类）、人机交互子系统（用户界面类）、任务管理子系统（任务管理类）和数据管理子系统（数据管理类），是从设计的角度出发对问题解决方案中的对象的抽象和描述。 关联则用于描述这些类和类之间的关系。

因此，面向对象设计工作主要包括问题空间类、用户界面类、任务管理类和数据管理类的设计，具体工作内容和步骤如图所示。 面向对象设计工作内容和步骤

一、问题空间类 (11.5 设计问题域子系统) 是指那些直接从面向对象分析模型设计得到的类，它是使软件系统能够实现对问题的求解的最基本的类，也是面向对象软件系统的核心类。 利用面向对象分析技术对问题进行了分析描述之后，就可以直接将其结果用于问题空间类的设计，即直接将分析所得到的对象、对象与对象之间的关联确定为类以及类与类之间的关联，这些直接从分析结果得到的类就是问题空间类。 以一个字处理系统为例，如下图所示：

图示： 结构化方法设计结果

又例：下图示以及表1~8所示的是大学教务管理问题中的问题空间类。 图示：大学教务管理问题中的问题空间类

表5.1 Class : Student（学生） 数据变量 序号 名称 定义 类型 中文名称 备注 1 ID char(8) 描述型 学号   2 Name char(24) 描述型 姓名   3 Sex [男,女] 描述型 性别 枚举类型 4 Birthday date 描述型 出生日期   5 EnrollmentDay date 描述型 入学日期   6 Department char(24) 描述型 系别   7 Speciality char(24) 描述型 专业   8 Password char(6) 描述型 密码   9 Application [注册,选课] 描述型 申请 枚举类型

操作 序号 名称 接口参数 返回值 中文名称 备注 1 GetID () ID 读入学号     GetPassword () Password 读入密码   2 VerifyPassword () True/Fasle 检验   3 GetApplication () Application 询问   4 PutApplication () NULL 回答   5 Note ("message" ) NULL 通知   6 ChangePassword (NewPassword, OldPassword) NULL 修改  

表2 Class : Graduate（研究生） 表3 Class : UnderGraduate（本科生） 表4 Class : RegisterRec（注册记录） 表5 Class : Course（课程） 表6 Class : GraduateCourse（研究生课程） 表7 Class : UnderGraduate（本科生课程） 表8 Class : SelectCourse（选课单）

二、用户界面类(11.6 设计人机交互子系统) 是指那些为实现人机交互接口而设计的类，它是使软件系统能够接收用户的命令和能够为用户提供信息所需要的类。 用户界面类是为了使系统能够与用户进行交互而必须增添设计的类。在实际中，一个软件系统常常会因为其用户界面使得用户不满意而遭到否定或弃之不用。因此用户界面类的设计是一项既影响软件系统前途，又需要做耐心细致调查分析的重要工作。

尽管在分析过程中已经对用户在用户界面方面进行了分析，但是在设计过程中仍然必须继续做这项分析工作，必须具体设计确定交互作用的时间、交互方式和交互技术等。 用户界面类的设计通常可以采用系统原型（模型）法进行。

1、分析考察用户 2、设计命令层次 1)研究用户交互的意义及准则 如果已建立的交互系统中已有命令层次，则先研究这个已有的交互界面的意义和准则。 2)建立初始命令层 可以以多种方式提供给用户，如窗口、按钮、下拉菜单、菜单条、可动的图标，等等。

3)细化命令层 为了细化命令层，应考虑如下几个问题： (1)排序。在开发命令层时，必须仔细选择不同的操作名称，并把这些名称按一定要求排序，将最有用的放在前面，或者按习惯的工作步骤排序。 (2)组装。在操作中寻找组装结构模式，这有助于在层次中组织和分离操作。 (3)宽度和广度。由于人的短暂记忆局限，命令层次不宜太广太深。以3最为合适。 (4)极小化。尽量少用组合键，极小化用户的击键次数。

3、完成设计 当前由于软件开发工具，特别是可视化开发工具的日益丰富，完成用户界面的具体设计已经是一件十分容易的事情了，但是在具体设计时不能忽略以下原则： 1)一致性 使用一致的术语，一致的步骤和一致的动作行为。

2)减少步骤 极小化击键次数、使用鼠标的次数和下拉菜单的次数，极小化响应时间。 3)尽量显示提示信息 尽量为用户提供有意义的、及时反馈信息。 4)设置取消操作 用户难免出错，应尽量能使用户取消其错误动作。

5)尽量减少要用户记忆的内容 不应该要求用户记下某窗口的信息而用于另一窗口中。 6)易学易用 为用户提供联机学习手册。 7)屏幕生动活泼 屏幕画面看起来能够吸引用户，唤起用户的注意和兴趣。

例如，对于大学教务管理问题，可以先根据对用户的分析设计如下页图所示的用户进入系统的屏幕。

然后，根据针对该用户界面和大多数面向对象软件开发环境所提供的可重用类设计相应的用户界面类，设计结果如下页图所示。

图示：大学教务管理问题的部分用户界面类和问题空间类 Window EditField StaticField OKButton WelcomeWindows cancelButton PasswordField Student 用户界面类 问题空间类 图示：大学教务管理问题的部分用户界面类和问题空间类

其中，Window、EditField、StaticField和Button等类 一般可从开发环境提供的类库中通过继承重用获得，需要进一步做的设计工作主要是设计有关与问题空间类和任务管理类进行通讯的操作。 例如需要为OKButton类设计一个向问题空间类中的Student类发送检验消息的操作。

三、任务管理类(11.7 设计任务管理子系统) 是指那些为实现对多操作并发执行的管理而设计的类，它是使软件系统能够同时处理多个并发行为所需要的类。 所谓任务，就是一个处理过程，它可能包含不同类的多个操作的执行。 任务管理类的用途之一就是用于管理系统的这种任务，它的另一个主要用途是在操作系统级（运行平台）上负责处理并发、中断、调度等问题，从而使得所设计的系统能够相对独立于运行平台，当需要移植到其它运行平台上，只需要替换有关任务管理类就可以了。

因此，为了设计任务管理类，首先必须从所设计的系统有关类中找出需要并发进行的操作和那些与特定运行平台有关的操作，然后再对它们进行分析设计 1、确定任务类型 1)确定事件驱动型任务 某些任务是由事件驱动而执行的。这种任务可能负责与设备的通讯，与一个窗口或多个窗口、其它任务、子系统、其它处理器或其它系统的通讯。

2)确定时钟驱动型任务 这种任务在特定的时间被触发执行某些处理。例如，某些设备要求周期性地获得数据或控制，某些用户界面、子系统、任务、处理器或其它系统也可能需要周期性地通讯。此时就常用到时钟驱动型的任务。 3)确定优先任务及关键任务 优先任务分高优先级和低优先级二种，用来适应处理的需要。关键任务是有关系统成功或失败的关键处理，它通常都有严格的可靠性要求。

4)确定协调任务 当存在三个以上的任务时，就应该考虑增加一个任务，用它来协调任务。 协调任务的引入当然会增加系统的开销，但是引入协调任务有利于封装任务之间的协调控制。使用状态转换矩阵可以描述该任务的行为。

2、分析任务 设计多任务系统的主要问题是设计人员常常定义太多的任务。原因是为了自己处理时的方便，但是这样做就增大了整个设计的技术复杂度，并且不容易理解。因此，在进行任务管理类的具体设计前，必须仔细分析和选择各个任务，尽量使得任务的数目降低到最少。

3、完成设计 设计任务包括定义任务的内容以及它怎样协调和通讯。 1)任务的内容 2)怎样协调 3)怎样通讯

任务管理类设计模板如右图所示：

如果没有为系统设计任务管理类，则上述任务管理类负责的有关工作由用户界面类负责完成。 问题空间类、用户界面类和任务管理类之间的基本关系如下图所示，任务管理类对象从运行平台（操作系统）接收消息并通过发送消息创建有关用户界面类对象，用户界面类对象根据从用户处获得的信息创建有关问题空间类对象并发送有关消息给它。 如果没有为系统设计任务管理类，则上述任务管理类负责的有关工作由用户界面类负责完成。 图 示： 任务管理类、用户界面类和问题空间类及其消息传送关系

四、数据管理类(11.8 设计数据管理子系统) 是指那些为实现对数据进行管理而设计的类，它是使软件系统能够对对象的属性值进行存贮和检索所需要的类。 数据管理类用于存贮和检索对象的属性值，可以采用文件模式或关系数据库模式实现。 设计数据管理类的目的是为了使得对对象属性值的管理独立于各种不同的数据管理模式。

1、数据格式设计 1)文件数据格式 当采用文件存贮管理方式时，数据格式的设计就是对文件记录结构进行设计。 2)关系数据库格式 当采用关系数据库管理方式时，数据格式的设计就是对关系表结构进行设计。

2 、操作设计 数据管理类的操作包括增添数据记录、删除数据记录、检索数据记录和更新数据记录等几种形式，问题空间类可通过这些操作发送消息给相应的数据管理类实现对数据的存贮、删除、检索和更新。数据管理类设计模板如下图所示。 图 示： 数据管理类设计模板

为大学教务管理问题中的SelectCourse（选课单）类设计的一个数据管理类。 在SelectCourse类中需要保存的是StudentID、CourseID以及分解为两个原子变量Year和Semester (学期)的SelectForCourse等描述性变量，该类通过Write（登记）等操作向相应的数据管理类SelectCourseManager发送Add（增添）、Update（更新） 等消息。

图示：大学教务管理问题中相应于SelectCourse类的数据管理

第12章 面向对象实现 与结构化实现技术中先以模块为单位进行过程设计和编码调试相似，面向对象实现技术是先以类为单位进行操作设计、编码调试；然后实现类与类之间的关联定义，并进行系统测试；最后交予用户使用并根据使用情况进行维护。 在每一个阶段都必须按照有关规范编写相应的说明书或报告。因此，本章主要讨论面向对象实现技术的一些特点和不同于结构化实现技术。

1、实现语言 毫无疑问，面向对象设计的实现最自然的实现方式是利用面向对象语言。目前最常用的面向对象语言是C++，其它比较著名的面向对象语言则还有Smalltalk、面向对象PASCAL，JAVA、Objective-C，Common Lisp Object System (CLOS)，等等。

2、基本实现手段 为了实现面向对象的设计，所选用的编码语言一般应包括实现类定义、对象创建、结构定义、实例关联定义、操作调用和消息发送、内存管理、封装等基本功能的编码手段。 这里以目前最为流行的C++语言分别对这些基本功能的实现手段加以说明。

使用C++对大学教务管理问题中的类Student（学生）定义如例6.1所示： 例12.1 类的定义 1 .类定义 使用C++对大学教务管理问题中的类Student（学生）定义如例6.1所示： 例12.1 类的定义 typedef struct {int month; int day; int year; } date; // Month - 月；day - 日；year - 年 enum sexdef {M, F}; //M - 男；F - 女 enum appdef {R, S}; //R - 注册；S - 选课 class Student { protected: // 导出类可以访问的数据变量

char ID[8]; char Name[24]; sexdef Sex; date Birthday; date EnrollmentDay; char Department[24]; char Speciality[24]; char Password[6]; apptdef Application; // 导出类可以访问的操作 appdef GetApplication(); void PutApplication(); void Note(char *Msg);

public: // 构造函数，必须与类名称相同 Student (char *InitID); // 析构函数，必须与类名称相同 ~Student(); // 所有类都可以访问的操作 char *GetID(); char *GetPassword(); boolean VerifyPassword(); void ChangePassword(char *NewPassword, char *OldPassword); };

在C++中，数据变量和操作都被说明为成员，数据变量和操作的名称不能相同。类的成员必须被说明为公有的（public）、保护的（protectd）或私有的（private）中的一种，其中私有的为缺省值。公有成员可以被任何类的操作访问；保护成员只允许类自身及其导出类的操作访问；私有成员只允许类自身的操作访问。

在上述例子中，类Student的所有数据变量和几个操作被定义为保护成员，因为其导出类Undergraduate（本科生）和Graduate（研究生） 将要访问这些成员。 类中操作的定义类似于一个过程或函数的定义，只是需要把类名作为操作名的前缀。 例11.2给出了用C++编码设计的类Student的操作ChangePassword。

例11.2 类操作的定义 void Student::Changepassword(char *NewPassword, char *OldPassword); { if (OldPassword == Password ) Password = NewPassword; }

Student::Student (char *InitID) { ID = InitID; } 与类名称相同的两个操作Student和~Student分别称为构造函数和析构函数，它们分别用于对象创建和对象消除操作。例如类Student的构造函数和析构函数的定义分别如例12.3和12.4 所示。 例12.3 类构造函数的定义 Student::Student (char *InitID) { ID = InitID; }

析构函数是不带参数的，其名称是在类名称前面加一个波浪号“~”。 例12.4 类析构函数的定义 析构函数是不带参数的，其名称是在类名称前面加一个波浪号“~”。 Student::~Student() { // }

12.2.2 对象创建 C++有两种对象创建方式，静态内存分配方式和动态内存分配方式，每当创建一个新对 象，就执行一次构造函数。 例12.5 用静态内存分配方式创建了类Student的学号为98109002的对象studentobj。 对象创建的静态内存分配方式 Student studentobj("98109002");

如果该语句是出现在一个操作或函数中，则说明studentobj被定义为局部变量，当操作或 函数执行完毕退出时，该对象将被自动消除，所占用的内存被释放，释放内存时将执行一次析构函数。如果该语句是将studentobj定义为一个全局变量，则只有系统退出后对象studentobj才会被消除。 采用动态内存分配方式创建对象时需要借用C++的new操作符进行。new操作符为新对象分配内存并且返回它的一个指针，指针存放在指针变量中。new操作符可以包括构造函数中 的参数，如例12.6所示。

例12.6 对象创建的动态内存分配方式 Student *studentobj = new Student("98109002") 动态对象所占的内存必须使用C++的delete操作符来释放。delete操作符首先唤醒该类的 析构函数，然后释放该对象的内存，如例12.7所示。 例12.7 动态对象内存释放 delete studentobj; 注意，构造函数和析构函数仅仅是用来初始化及删除对象的，内存分配及释放应该明确由new和delete操作符来实现或由局部变量的作用消失来实现。

3、 实现环境 （1） MFC类库 （2） 开发工具： Microsoft Visual C++的四个基本开发工具。如文本编辑器、项目管理器、浏览器、调试器，等等。 4 、编码调试 5 、测试 6 、维护

面向对象设计（ OOD ）(补充) 面向对象设计建立软件系统的结构。 设计层次为： 子系统层：包含每个子系统的表示。 类和对象层：包含类层次和每个对象的设计表示。 消息层：包含使每个对象能够和其协作者通信的细节，建立系统的外部和内部接口。 责任层：包含针对每个对象的所有属性和操作的数据结构和算法的设计。

面向对象设计的主要工作分为两个阶段：高层设计和类设计。 高层设计构造应用软件的总体模型。 类设计建立类的规格说明，包括类的实例可执行的操作和它们的数据表示。 三个可能的利用现有类的方向： 现有类的复用 从现有类进行演化 从废弃型进行开发

小 结 1、面向对象的设计:五个层次、四个部分 2、面向对象的实现:以类为单位进行操作设计、编码调试等.