7面向对象的分析和设计

软件工程第7章面向对象的分析和设计内容摘要•面向对象的基本概念•面向对象的分析和设计过程•UML概述•用例建模•静态建模•动态建模•物理体系结构建模内容摘要•面向对象的基本概念•面向对象的分析和设计过程•UML概述•用例建模•静态建模•动态建模•物理体系结构建模PeterCoad和EdwardYourdon提出用下列等式识认面向对象方法(Object-Oriented)：面向对象=对象（object）+分类（classification）+继承（inheritance）+通过消息的通信（communicationwithmessages）可以说，采用这四个概念开发的软件系统是面向对象的面向对象方法的出现很快受到计算机软件界的青睐，并成为20世纪90年代的主流开发方法。我们可以从下列几个方面来分析其原因：1.从认知学的角度来看，面向对象方法符合人们对客观世界的认识规律。2.面向对象方法开发的软件系统易于维护，其体系结构易于理解、扩充和修改。3.面向对象方法中的继承机制有力支持软件的复用。面向对象的基本概念1.对象（object）对象是指一组属性以及这组属性上的专用操作的封装体。属性（attribute）通常是一些数据，有时它也可以是另一个对象。每个对象都有它自己的属性值，表示该对象的状态。对象中的属性只能通过该对象所提供的操作来存取或修改。操作（operation）（也称方法或服务）规定了对象的行为，表示对象所能提供的服务。封装（encapsulation）是一种信息隐蔽技术，用户只能看见对象封装界面上的信息，对象的内部实现对用户是隐蔽的。封装的目的是使对象的使用者和生产者分离，使对象的定义和实现分开。一个对象通常可由对象名、属性和操作三部分组成。2.类（class）类是一组具有相同属性和相同操作的对象的集合。一个类中的每个对象都是这个类的一个实例（instance）。类是创建对象的模板，从同一个类实例化的每个对象都具有相同的结构和行为。轿车型号：字符串颜色：字符串牌照号：字符串．．．．张经理的轿车型号=桑塔纳颜色=红色牌照号=闽AN2037．．．．类实例对象3.继承（inheritance）继承是类间的基本关系，它是基于层次关系的不同类共享数据和操作的一种机制。父类中定义了其所有子类的公共属性和操作，在子类中除了定义自己特有的属性和操作外，可以继承其父类（或祖先类）的属性和操作，还可以对父类（或祖先类）中的操作重新定义其实现方法。矩形长宽对角线计算面积计算对角线多边形顶点数顶点坐标计算面积旋转有时，我们定义一个类，它把一些类组织起来，提供一些公共的行为，但并不需要使用这个类的实例，而仅使用其子类的实例。我们把这种没有实例的类称为抽象类（abstractclass）。在抽象类中可以定义抽象操作，抽象操作指：只定义这个类的操作接口，不定义它的实现，其实现部分由其子类定义。抽象操作操作名用斜体字表示，也可以在操作特征（signature）后面加上特征字符串{abstract}。交通工具飞行器汽车船轿车货车一般-特殊关系如果一个子类只有唯一一个父类，这个继承称为单一继承。如果一个子类有一个以上的父类，这种继承称为多重继承。水上交通工具陆上交通工具水陆两栖交通工具多重继承4.消息（message）消息传递是对象间通信的手段，一个对象通过向另一个对象发送消息来请求其服务。一个消息通常包括接收对象名、调用的操作名和适当的参数（如果有必要的话）。消息只告诉接收对象需要完成什么操作，但并不指示接收者怎样完成操作。消息完全由接收者解释，接收者独立决定采用什么方法完成所需的操作。5.多态性（polymorphism）多态性是指同一个操作作用于不同的对象上可以有不同的解释，并产生不同的执行结果。例如“画”操作，作用在“矩形”对象上，则在屏幕上画一个矩形，作用在“圆”对象上，则在屏幕上画一个圆。也就是说，相同操作的消息发送给不同的对象时，每个对象将根据自己所属类中定义的这个操作去执行，从而产生不同的结果。6.动态绑定（dynamicbinding）动态绑定是指在程序运行时才将消息所请求的操作与实现该操作的方法连接起来。传统的程序设计语言的过程调用与目标代码的连接（即调用哪个过程）放在程序运行前（即编译链接时）进行（称为静态绑定），而动态绑定则是把这种连接推迟到运行时才进行。动态绑定是一种在运行时确定被执行代码的技术。在一般与特殊关系中，子类是父类的一个特例，所以父类对象可以出现的地方，也允许其子类对象出现。因此在运行过程中，当一个对象发送消息请求服务时，要根据接收对象的具体情况将请求的操作与实现的方法进行连接，即动态绑定。多态性实例Virtualif条件thenp:=t;elsep:=r;area:=p.getarea;getArea{abstract}polygonareahexagongetArearectanglegetArealengthwidthtrianglegetAreaVarp:polygon;Vart:triangle:=triangle.new;Varr:rectangle:=rectangle.new;内容摘要•面向对象的基本概念•面向对象的分析和设计过程•UML概述•用例建模•静态建模•动态建模•物理体系结构建模面向对象分析Object-OrientedAnalysis1.获取客户对系统的需求：包括标识场景和用例，以及建造需求模型2.用基本的需求为指南，来确定类和对象（包括属性和操作）3.定义类的结构和层次(继承关系)4.建造对象—关系模型5.建造对象—行为模型6.利用用例/场景来复审分析模型1.获取客户对系统的需求需求获取必须让客户与开发者充分地交流，这里介绍一种采用用例来收集客户需求的技术。分析员首先标识使用该系统的不同的执行者（actor），这些执行者代表使用该系统的不同的角色。每个执行者可以叙述他如何使用系统，或者说他需要系统提供什么功能。执行者提出的每一个使用场景（或功能）都是系统的一个用例的实例，一个用例描述了系统的一种用法（或一个功能），所有执行者提出的所有用例构成系统的完整的需求。分析过程注意，执行者与用户是不同的两个概念，一个用户可以扮演几个角色（执行者），一个执行者可以是用户，也可以是其他系统（应用程序或设备）。得到的用例必须进行复审，以使需求完整。2.标识类和对象类和对象来自问题领域可以先标识候选类，然后进行筛选3.定义类的结构和层次类的结构主要有两种：一般—特殊（generalization—specialization）结构和整体—部分（whole—part）结构。一般—特殊结构是一种分类结构，反映了类间的一般与特殊的关系。一般类与特殊类之间是一种“isa”的关系，如：汽车是一种交通工具。同样，特殊类还可以分为更特殊的类，这样可形成类的层次结构。整体—部分结构反映了类间的整体与部分关系。值得注意的是，整体—部分关系是对对象而言的，而不是对类的。整体—部分关系是一种“hasa”的关系，如“汽车”有“发动机”。同样，整体—部分结构也具有层次结构。4.建造对象——关系模型对象--关系模型描述了系统的静态结构，它指出了类间的关系（relationship）类之间的关系有关联、依赖、泛化、实现等5.建立对象——行为模型对象--行为模型描述了系统的动态行为，它们指明系统如何响应外部的事件或激励（stimulus）。建模的步骤如下：•评估所有的用例，以完全理解系统中交互的序列•标识驱动交互序列的事件，理解这些事件如何和特定的对象相关联•为每个用例创建事件轨迹（eventtrace）•为系统建造状态机图•复审对象--行为模型，以验证准确性和一致性面向对象设计（Object_OrientedDesign）面向对象设计的一般步骤如下：1.系统设计•将子系统分配到处理器•选择实现数据管理、界面支持和任务管理的设计策略•为系统设计合适的控制机制•复审并考虑权衡（折衷）2.对象设计•在过程级别（procedurallavel）设计每个操作，即设计每个操作的实现细节•定义内部类•为类属性设计内部数据结构3.消息设计使用对象间的协作和对象--关系模型，设计消息模型4.复审复审设计模型并在需要时迭代。1.系统设计1)将分析模型划分成子系统在OO系统设计中，我们把分析模型中紧密相关的类、关系等设计元素包装成子系统。通常，子系统的所有元素共享某些公共的性质，它们可能都涉及完成相同的功能；它们可能驻留在相同的产品硬件中；或者它们可能管理相同的类和资源。子系统由它们的责任所刻画，即，一个子系统可以通过它提供的服务来标识。在OOD中，这种服务是完成特定功能的一组操作。子系统的设计准则是：(1)子系统应具有定义良好的接口，通过接口和系统的其它部分通信；(2)除了少数的“通信类”外，子系统中的类应只和该子系统中的其它类协作；(3)子系统的数量不宜太多；(4)可以在子系统内部再次划分，以降低复杂性。2)标识问题本身的并发性，并为子系统分配处理器通过对对象--行为模型的分析，可发现系统的并发性。如果对象（或子系统）不是同时活动的，则它们不需并发处理，此时这些对象（或子系统）可以在同一个处理器上实现。反之，如果对象（或子系统）必须对一些事件同时异步地动作，则它们被视为并发的，此时，可以将并发的子系统分别分配到不同的处理器，或者分配在同一个处理器，而由操作系统提供并发支持。3)任务管理设计Coad和Yourdon提出如下管理并发任务对象的设计策略：(1)确定任务的类型；(2)必要时，定义协调者任务和关联的对象；(3)将协调者任务和其它任务集成。通常可通过了解任务是如何被启动的来确定任务的类型，如事件驱动任务，时钟驱动任务。每个任务应该定义其优先级，并识别关键任务。当有多个任务时还可以考虑增加一个协调者任务，以控制这些任务协同工作4)数据管理设计通常数据管理设计成层次模式，其目的是将数据的物理存储及操纵与系统的业务逻辑加以分离。数据管理的设计包括设计系统中各种数据对象的存储方式（如内部数据结构、文件、数据库），以及设计相应的服务，即为要储存的对象增加所需的属性和操作。5)资源管理设计OO系统可利用一系列不同的资源（如磁盘驱动器、处理器、通信线路等外部实体或数据库、对象等抽象资源），很多情况下，子系统同时竞争这些资源，因此要设计一套控制机制和安全机制，以控制对资源的访问，避免对资源使用的冲突。6）人机界面设计对大多数应用系统而言，人机界面本身是一个非常重要的子系统。人机界面主要强调人如何命令系统，以及系统如何向人提交信息。它包括窗口、菜单、报告的设计。7)子系统间的通信子系统之间可以通过建立客户/服务器连接进行通信，也可以通过端对端（peertopeer）连接进行通信。我们必须确定子系统间通信的合约（contract），合约提供了一个子系统和另一个子系统交互的方式。2.对象设计对象设计是为每个类的属性和操作作出详细的设计，并设计连接类与它的协作者之间的消息规约。对象描述1)协议描述(外部的黑盒描述)：描述对象的接口，即定义对象可以接收的消息以及当对象接收到消息后完成的相关操作；2)实现描述(内部描述)：描述传送给对象的消息所蕴含的每个操作的实现细节，实现细节包括有关对象私有部分的信息，即关于描述对象属性的数据结构的内部细节和描述操作的过程细节。对象的使用者只需要关心协议描述2）设计算法和数据结构为对象中的属性和操作设计数据结构和实现算法。3.设计模式（designpatterns）在许多面向对象系统中，存在一些类和通信对象的重复出现的模式。这些模式求解特定的设计问题，使面向对象设计更灵活，并最终可复用。这些模式帮助设计者复用以前成功的设计，设计者可以把这些模式应用到新的设计中。一个设计模式通常可用四个信息来描述：1）模式名设计模式名应具有实际的含义，它能反映模式的适用性和意图。2）使模式可被应用所必须存在的环境和条件。3）设计模式的特征模式特征指出一些设计的属性，调整这些属性使该模式能适应各种不同的问题。这些属性表示设计的特征，这些特征能被用