軟件設(shè)計(jì)模式第二講1一、設(shè)計(jì)過程權(quán)衡正確性資源結(jié)構(gòu)工程用法解的完全性和正確性；靜態(tài)類和動(dòng)態(tài)類的安全性；多線程的安全性；容錯(cuò)性處理能力；保密性和魯棒性。執(zhí)行效率，時(shí)間復(fù)雜度、消息數(shù)、帶寬要求等；空間消耗，包括存儲(chǔ)單元、對象、線程、過程、通信通道。處理器等的使用情況；增加的資源，一些隨選信息；動(dòng)態(tài)策略，包括公正性、平衡性、穩(wěn)定性等。模塊性、封裝、耦合、獨(dú)立性；可延展性，包括子類、可協(xié)調(diào)性、發(fā)展性、可維護(hù)性等；可重用性、開放性、可組合性。便攜性、可插入性；前后依賴性；互用性；等等?？衫斫庑?、簡單、高雅；執(zhí)行中的易錯(cuò)性；與其他軟件的共存性；系統(tǒng)可維護(hù)性；開發(fā)過程的影響；開發(fā)隊(duì)伍結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)特性的影響；用戶參與的影響；生產(chǎn)力、時(shí)間安排、成本的影響；等等。使用規(guī)范；人為因素，如可學(xué)習(xí)性、恢復(fù)能力等；對不斷變化的環(huán)境的適應(yīng)性；藝術(shù)性；醫(yī)學(xué)和環(huán)境的影響；社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治的影響；等等。設(shè)計(jì)過程中，針對設(shè)計(jì)目標(biāo)約束沖突給出的非功能性需求判斷準(zhǔn)則。2設(shè)計(jì)模式核心思想核心共同思想原則：重點(diǎn)解決軟件系統(tǒng)可維護(hù)性和復(fù)用性矛盾。普遍基本單純隱藏重現(xiàn)3

1.1軟件的可維護(hù)性可維護(hù)性好的系統(tǒng)應(yīng)有性質(zhì)(PerterCoad)

可擴(kuò)展性容易加入新的性能靈活性代碼修改少波及其他模塊可插入性容易抽出加入類41.2傳統(tǒng)復(fù)用傳統(tǒng)的復(fù)用代碼的剪貼復(fù)用算法的復(fù)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)用程序１程序４程序３程序２代碼/算法/數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5

1.3可維護(hù)性和復(fù)用的矛盾傳統(tǒng)的復(fù)用的風(fēng)險(xiǎn)：影響可擴(kuò)展性——過于僵硬修改多個(gè)軟件成分中復(fù)用源代碼時(shí)，需要獨(dú)立地修改檢測每一拷貝。很難在一個(gè)軟件系統(tǒng)里加入一個(gè)新功能。影響靈活性——過于脆弱對一個(gè)地方的修改會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)地方發(fā)生故障，難以跟蹤代碼的變異和使用。模塊A和B同時(shí)使用模塊C的功能。那么當(dāng)A需要C增加一個(gè)新的行為的時(shí)候，B有可能不需要、甚至不允許C增加這個(gè)新行為。影響可插入性——粘度過高代碼、函數(shù)、模塊對系統(tǒng)的依賴，改動(dòng)意味著破壞原始意圖和框架61.4面向?qū)ο蟮目删S護(hù)性復(fù)用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的重要語言特性數(shù)據(jù)抽象繼承封裝多態(tài)性實(shí)現(xiàn)概念和定義復(fù)用，促進(jìn)系統(tǒng)的可維護(hù)性。72基本概念——接口、類型、類接口（interface)：對象全部操作(對象可以處理的所有請求)的特征（操作的名稱、參數(shù)和返回值）的集合。聲明對象的類型（Type)——接口標(biāo)記（signature)

包括：變量的類型聲明參量的類型聲明方法的返還類型聲明數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換等82基本概念——接口、類型、類接口和類的區(qū)別：接口——只描述方法的特征，而不給出方法的實(shí)現(xiàn)，接口把方法的特征和實(shí)現(xiàn)分割開來。類——不僅給出方法的特征，面且給出方法的實(shí)現(xiàn)。接口常常代表一個(gè)角色（role)，它包裝與該角色相關(guān)的操作和屬性，而實(shí)現(xiàn)這個(gè)接口的類使是扮演這個(gè)角色的演員。一個(gè)角色可以由不同的演員來演．而不同的演員之間除了扮演一個(gè)共同的角色之外，并不要求有任何其他的共同之處。92基本概念——接口、類型、類類、類型和對象之間區(qū)別和聯(lián)系:類(class)——定義了一類對象的共性實(shí)現(xiàn)，即對象的內(nèi)部數(shù)據(jù)與其操作的實(shí)現(xiàn)。類型(type)——只涉及接口（即對象能作出反應(yīng)的請求的集合）。類定義了一類對象可執(zhí)行的操作，也定義了對象的類型。一個(gè)對象是一個(gè)類的實(shí)例指這個(gè)對象支持該類定義的接口。102基本概念——接口、類型、類同一種類型的對象共享接口部分同一類型接口的對象可以有不同實(shí)現(xiàn)，即不同類的對象可以有相同的類型。一個(gè)角色可以由不同的演員來演一個(gè)對象可以有多種類型。一個(gè)類可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)幾個(gè)接口。一個(gè)演員可以演不同的角色子類型包含(繼承)了超類型的接口接口是實(shí)現(xiàn)構(gòu)件可插入性的關(guān)鍵。112.2基本概念——抽象類和具體類抽象類——為子類定義通用接口。將實(shí)現(xiàn)由子類定義的操作完成?！梢該碛袑?shí)例變量，以及一個(gè)或多個(gè)構(gòu)造子(函數(shù))?！獦?gòu)造子不能被調(diào)用來創(chuàng)建實(shí)例，抽象類不可以實(shí)例化。——構(gòu)造子可以被子類調(diào)用，所有子類都可以有共有的實(shí)現(xiàn)抽象類通常代表一個(gè)抽象概念提供一個(gè)繼承的出發(fā)點(diǎn)。由于抽象類不可以實(shí)例化，因此一個(gè)抽象類一定是用來繼承的。122.2基本概念——抽象類和具體類抽象類和接口的區(qū)別抽象類允許有所有派生類公共的狀態(tài)和行為。是一種相關(guān)實(shí)體聚集的方式。關(guān)注如何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并封裝這些具體實(shí)體（派生類），而不會(huì)與任何特定于實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)相耦合。接口關(guān)注點(diǎn)派生類或?qū)崿F(xiàn)類的對象的使用。派生類或?qū)崿F(xiàn)類的對象為了完成其功能應(yīng)該有什么樣的接口。沒有實(shí)例變量和構(gòu)造子(函數(shù))132.2基本概念——抽象類和具體類抽象類的作用：用較少的冗余實(shí)現(xiàn)一組具有公共狀態(tài)或行為的對象設(shè)計(jì)一個(gè)接口找出已定義對象的公共狀態(tài)或行為用一個(gè)抽象類實(shí)現(xiàn)該接口從這個(gè)抽象類派生具有公共狀態(tài)或行為的對象優(yōu)點(diǎn)：使實(shí)現(xiàn)類更簡單，更容易維護(hù)。142.2基本概念——抽象類和具體類具體類非抽象的類稱為具體類，實(shí)現(xiàn)由自身完成。具體類可以實(shí)例化?？梢詫?shí)例化，給出一個(gè)有邏輯實(shí)現(xiàn)的對象模版。具體類不是用來繼承的。（可以繼承）152.2基本概念——抽象類和具體類混合類向其他類提供接口，也提供部分接口實(shí)現(xiàn)。與抽象類相似，不能用實(shí)例說明?？梢岳^承162.2基本概念——抽象類和具體類假設(shè)蛋代表抽象，而雞代表具體。蛋決定雞的性伏，雞是蛋的“實(shí)現(xiàn)”，蛋的類型決定了雞的類型。從這個(gè)角度來講，先有蛋，后有雞。172.3基本概念——接口繼承類繼承和接口繼承:繼承：一個(gè)類是另一個(gè)類的子類類繼承（實(shí)現(xiàn)繼承）：——根據(jù)某個(gè)原有對象的實(shí)現(xiàn)來定義另一個(gè)新的對象的實(shí)現(xiàn)?！獜囊延蓄惱^承必要的需求。——共享編碼和表示方法。接口繼承：——是一個(gè)類實(shí)現(xiàn)了另一個(gè)類的一個(gè)接口——何時(shí)可用一個(gè)對象替換另一個(gè)對象?！蚕眍愋汀！焕^承抽象類。182.3基本概念——接口繼承[問題]：加入一個(gè)新的類,與現(xiàn)有具體類行為有不同的實(shí)現(xiàn)——?jiǎng)討B(tài)的具體類可插入性問題1.使用超類繼承：在類結(jié)構(gòu)中增加一個(gè)超類,聲明出子類要提供的行為為這個(gè)抽象超類提供多個(gè)具體子類，以不同的方法實(shí)現(xiàn)了超類所聲明的行為?？蛻舳藙?dòng)態(tài)地決定使用哪一個(gè)具體子類。192.3基本概念——接口繼承如何在具體類繼承結(jié)構(gòu)中增加一個(gè)抽象超類：單繼承的語言，一個(gè)類只能有一個(gè)超類。當(dāng)具體類可能已經(jīng)有了一個(gè)超類，不可能加上新的超類。加新的超類到已有的超類上面，形成超超類?；蛘呃^續(xù)向上移動(dòng)，直到類等級結(jié)構(gòu)的最頂端?！粋€(gè)具體類的可插入性設(shè)計(jì)．就變成了對整個(gè)等級結(jié)構(gòu)中所有的類的修改?？刹迦胄詻]有保證。具體類超類新超超類新具體類。。。。。。與現(xiàn)有具體類行為有不同的實(shí)現(xiàn)202.3基本概念——接口繼承2.使用接口概念在一個(gè)類等級結(jié)構(gòu)中的任何類都是實(shí)現(xiàn)一個(gè)接口這個(gè)接口會(huì)影響到此類的所有子類，但是不會(huì)影響到此類的任何超類。此類將實(shí)現(xiàn)這個(gè)接口所規(guī)定的方法，而其子類則可以從此類自動(dòng)繼承到這些方法，子類可以選擇置換其中的某一些方法或所有方法。這時(shí)候，子類就具有了可插入性。接口類具體類新具體類212.3基本概念——接口繼承關(guān)聯(lián)的可插入性關(guān)聯(lián)：一個(gè)對象知道其他對象針對接口的關(guān)聯(lián)：不是針對具體類任何實(shí)現(xiàn)這個(gè)接口的類都可以滿足關(guān)聯(lián)要求?？梢詣?dòng)態(tài)地將關(guān)聯(lián)從一個(gè)具體類轉(zhuǎn)換到另一個(gè)具體類222.3基本概念——接口繼承調(diào)用的可插入性對象調(diào)用其他對象的方法。針對接口的調(diào)用：不是針對具體類,而是一個(gè)接口。任何實(shí)現(xiàn)這個(gè)接口的類都可以被當(dāng)前對象調(diào)用?？梢詣?dòng)態(tài)地決定當(dāng)前對象調(diào)用哪一個(gè)具體類的實(shí)例接口提供了方法調(diào)用上的可插入性。232.3基本概念——接口繼承軟件系統(tǒng)的規(guī)模越大，生命周期越長，接口的重要性就越大。接口使得軟件系統(tǒng)在靈活性和可擴(kuò)展性，可插入性得到保證。242.3基本概念——多態(tài)性（多形性）相同接口具有不同的實(shí)現(xiàn)，對象的行為具有多種形態(tài)的特性。簡化了客戶定義。使客戶對象除了支持特定接口外，不做其他設(shè)定。相同接口的對象具有了可替換性。復(fù)用對象的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用252.4基本概念——對象合成繼承和對象合成的關(guān)系繼承：根據(jù)一個(gè)類定義另一個(gè)類的執(zhí)行過程。在編譯時(shí)靜態(tài)定義，直接被程序設(shè)計(jì)語言支持，使用直接。便于修改正在復(fù)用的實(shí)現(xiàn)。

————白盒復(fù)用“白盒”指可見性，通過繼承，父類的內(nèi)部可被子類所見。262.4基本概念——對象合成問題：1)實(shí)際運(yùn)行時(shí)不能改變在編譯時(shí)所定義繼承的執(zhí)行過程2)子類的依賴性：繼承把父類執(zhí)行過程的細(xì)節(jié)暴露給子類，破壞了封裝。子類的物理表示、執(zhí)行過程與父類有密切關(guān)系父類執(zhí)行過程的任何改變都會(huì)強(qiáng)迫子類發(fā)生改變。這種依賴性限制了適應(yīng)性，最終也限制了可復(fù)用性。272.4基本概念——對象合成動(dòng)態(tài)連接：在運(yùn)行時(shí)將請求連接到一個(gè)對象和該對象的一個(gè)操作上?！馕吨埱蟛恍柚付ㄌ囟ǖ膶?shí)現(xiàn)。任何有適當(dāng)接口的對象都會(huì)接收請求。相同接口的對象可以互相替換。282.4基本概念——對象合成對象合成：通過組合對象得到新的更復(fù)雜的功能。要求被組合對象有定義好的接口。特點(diǎn)：對象合成在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地通過對象請求訪問其他對象。組合要求對象考慮相互的接口，精心設(shè)計(jì)接口。任何一個(gè)對象都可在運(yùn)行時(shí)被另一個(gè)有相同的類型對象替代。黑盒復(fù)用————對象的內(nèi)部細(xì)節(jié)不可見，對象顯得像一個(gè)黑盒。

292.4基本概念——對象合成優(yōu)點(diǎn)：對象只能由其接口訪問，不破壞封裝。對象的實(shí)現(xiàn)根據(jù)接口編寫，依賴性減少。有助于類的封裝，使每個(gè)類集中于一個(gè)任務(wù)。 缺點(diǎn)：系統(tǒng)的行為不是在類中定義，而依賴于對象的相互關(guān)系。采用對象合成優(yōu)于采用類繼承（合成/聚合復(fù)用原則）。302.4基本概念——對象合成委托（delegation)：對象合成的特例。一個(gè)控制請求的執(zhí)行：繼承方法：子類將請求交給父類執(zhí)行。委托方法：接收操作的對象把操作委托給它的代理對象。接收操作的對象把自己本身也傳給委托者，以使被委托操作指向接收對象。312.4基本概念——對象合成[例]窗口類的實(shí)現(xiàn)繼承方法：使窗口類成為矩形的子類，繼承其操作。窗口類將請求交給矩形父類執(zhí)行代理方法：產(chǎn)生一個(gè)矩形實(shí)例，并代理復(fù)用矩形的行為窗口將請求傳給此矩形實(shí)例把操作委托給矩形實(shí)例把自己本身也傳給矩形實(shí)例，以使被委托操作指向接收對象讓窗口好像是一個(gè)矩形在運(yùn)行中用圓實(shí)例代替矩形實(shí)例就適用圓形窗口窗口矩形窗口矩形322.4基本概念——對象合成窗口類對矩型類實(shí)例的引用332.4基本概念——對象合成優(yōu)點(diǎn)：容易組合運(yùn)行時(shí)的行為，改變行為組合的方式。缺點(diǎn)：難理解、運(yùn)行效率低。依賴具體情況及設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)。在標(biāo)準(zhǔn)模式中使用效果較好。342.5基本概念——參數(shù)化類型參數(shù)化類型。定義類時(shí)不規(guī)定它所用的數(shù)據(jù)元素類型。這些類型在使用時(shí)作為參數(shù)提供。[例]：列表類——將元素的類型提供給列表的類型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)為列表類建立每種元素的可定制形式。整數(shù)列表——把類型“整數(shù)”作為參數(shù)。字符串列表——類型“字符串”作為參數(shù)。353設(shè)計(jì)模式——面向?qū)ο蟮目删S護(hù)性復(fù)用設(shè)計(jì)模式：更高的層次上的可復(fù)用性（宏觀邏輯的抽象層次復(fù)用）解決：1．合適的對象（類）的尋找2．對象（類）粒度的確定：如何分解粒度合適的類3.對象（類）接口的確定：如何定義類接口和繼承體系4．對象（類）實(shí)現(xiàn)的確定5.復(fù)用機(jī)制的處理：如何建立類（類）的關(guān)鍵聯(lián)系6．運(yùn)行結(jié)構(gòu)和編譯結(jié)構(gòu)的處理7．設(shè)計(jì)中變動(dòng)的處理36

3設(shè)計(jì)模式——面向?qū)ο蟮目删S護(hù)性復(fù)用1．尋找合適的對象系統(tǒng)分解為對象的困難：多種矛盾因素兼顧：封裝、粒度、依賴性、靈活性、性能、發(fā)展、可重用性。多種分解對象方法優(yōu)劣的確定：（1）問題陳述→找出名詞和動(dòng)詞→構(gòu)造相應(yīng)的對象和操作；（2）集中考慮系統(tǒng)中的協(xié)作和職責(zé)；（3）構(gòu)造現(xiàn)實(shí)世界模型，把分析得到的對象轉(zhuǎn)換到設(shè)計(jì)中?，F(xiàn)實(shí)世界+非現(xiàn)實(shí)世界的類，如數(shù)組、抽象類等。解決辦法：用設(shè)計(jì)模式幫助確定設(shè)計(jì)抽象和相應(yīng)的對象。373設(shè)計(jì)模式——面向?qū)ο蟮目删S護(hù)性復(fù)用2．確定對象的粒度設(shè)計(jì)模式幫助確定在存在大小和數(shù)量差別的事物383設(shè)計(jì)模式——面向?qū)ο蟮目删S護(hù)性復(fù)用3.確定對象的接口設(shè)計(jì)模式幫助確定：（1）接口定義。識(shí)別關(guān)鍵元素和由接口取得的數(shù)據(jù)的類型。（2）規(guī)定接口間的關(guān)系和接口限制。393設(shè)計(jì)模式——面向?qū)ο蟮目删S護(hù)性復(fù)用4．確定對象實(shí)現(xiàn)對象的實(shí)現(xiàn)由它的類來定義。a.類的表示抽象類/具體類/混合類b.類的實(shí)現(xiàn)類繼承/接口繼承403設(shè)計(jì)模式——面向?qū)ο蟮目删S護(hù)性復(fù)用5.處理復(fù)用機(jī)制理想情況下，應(yīng)該只通過對象合成來得到所需的功能。但限于可用部件的集合不夠豐富。繼承和對象合成可以互相補(bǔ)充。413設(shè)計(jì)模式——面向?qū)ο蟮目删S護(hù)性復(fù)用一個(gè)設(shè)計(jì)可以用三種組合行為技術(shù)中的任一種來實(shí)現(xiàn)。區(qū)別：繼承——允許提供操作的缺省實(shí)現(xiàn)并允許子類超越父類操作。對象合成——允許運(yùn)行時(shí)改變被組合的行為，但間接完成，效率不高。參數(shù)化類型——允許改變一個(gè)類可用的類型。但不能在運(yùn)行中改變。哪種方法最好取決于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)約束。423設(shè)計(jì)模式——面向?qū)ο蟮目删S護(hù)性復(fù)用6．運(yùn)行結(jié)構(gòu)和編譯結(jié)構(gòu)編譯結(jié)構(gòu)（代碼結(jié)構(gòu)）——編譯時(shí)即被凍結(jié)，由具有固定繼承關(guān)系的類組成。編譯結(jié)構(gòu)代碼不能顯示出一個(gè)系統(tǒng)工作的全部情況。運(yùn)行結(jié)構(gòu)——由迅速變化的通信對象網(wǎng)組成。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣主要由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的對象及其類型之間的關(guān)系來決定，而不是由語言來決定的。433設(shè)計(jì)模式——面向?qū)ο蟮目删S護(hù)性復(fù)用[例]：運(yùn)行結(jié)構(gòu)和編譯結(jié)構(gòu)不同聚集（aggregation）和關(guān)聯(lián)（acquaintance）關(guān)系。聚集——對象包含另一個(gè)對象或?qū)α硪粚ο筘?fù)責(zé)，或?yàn)榱硪粋€(gè)對象的一部分，具有相同生命期。關(guān)聯(lián)——一個(gè)對象只知道另一個(gè)對象。關(guān)聯(lián)對象之間可互相請求操作，但不對對方負(fù)責(zé)。是比聚集弱的聯(lián)系，提供了對象間的松耦合。——運(yùn)行結(jié)構(gòu)不同

聚集和關(guān)聯(lián)常用相同的方法編譯實(shí)現(xiàn)：在Smalltalk中：都是其他對象的引用。聚集和關(guān)聯(lián)沒有區(qū)別。在C++中：都用指針和引用來實(shí)現(xiàn)。

——編譯結(jié)構(gòu)相同由此可見：關(guān)聯(lián)和聚集關(guān)系主要由設(shè)計(jì)含義決定，而不是由語言機(jī)制決定。在編譯結(jié)構(gòu)中，關(guān)聯(lián)和聚集之間的差別小，在源代碼中難以辨認(rèn)。差別：聚集關(guān)系往往會(huì)比關(guān)聯(lián)關(guān)系少而更穩(wěn)定。關(guān)聯(lián)關(guān)系出現(xiàn)頻繁，有時(shí)只在一個(gè)操作持續(xù)的時(shí)間中存在。動(dòng)態(tài)性更強(qiáng)。443設(shè)計(jì)模式——面向?qū)ο蟮目删S護(hù)性復(fù)用7．處理設(shè)計(jì)中的變動(dòng)達(dá)到最大復(fù)用程度的關(guān)鍵：設(shè)計(jì)中預(yù)先考慮生命期內(nèi)新需求和現(xiàn)有需求的變化。包括：類的重定義和重新實(shí)現(xiàn)、客戶修改和重新測試。設(shè)計(jì)模式的作用：確保系統(tǒng)只用特定的方式發(fā)生改變。允許系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的某些部分的變化獨(dú)立于另外部分，因此有較高的健壯性。封裝變化454三種使用設(shè)計(jì)模式的軟件應(yīng)用系統(tǒng)、工具包、框架設(shè)計(jì)難度:應(yīng)用系統(tǒng)＜工具包＜框架464三種使用設(shè)計(jì)模式的軟件（1）設(shè)計(jì)模式在應(yīng)用系統(tǒng)中的作用：設(shè)計(jì)模式的松散耦合，封裝使操作、算法、和表示的依賴性減少，提高了對象類與其他類互操作的可能性——增加了內(nèi)部復(fù)用可能。減少對平臺(tái)依賴性——系統(tǒng)的可維護(hù)性變強(qiáng)。利用類繼承關(guān)系和對象合成，使類耦合減少，一個(gè)類不依賴于其他類——提高可擴(kuò)展性。474三種使用設(shè)計(jì)模式的軟件（2）設(shè)計(jì)模式在工具包中的作用：工具包——類庫中預(yù)先定義的相關(guān)的可復(fù)用的類的集合，面向?qū)ο蟮淖映绦驇臁！粸閼?yīng)用系統(tǒng)提供某些通用功能。如列表、聯(lián)合表、棧等，C++的I/O流庫等?！獜?qiáng)調(diào)代碼復(fù)用，沒有特定的設(shè)計(jì)要求。484三種使用設(shè)計(jì)模式的軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)：比應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難。要在多種應(yīng)用系統(tǒng)中工作。設(shè)計(jì)者不知應(yīng)用系統(tǒng)情況和特殊要求。要求：避免假設(shè)和依賴性，依賴性會(huì)限制工具包的適應(yīng)性，進(jìn)而限制可利用性和效率。設(shè)計(jì)模式有助于工具包的適用性。

494三種使用設(shè)計(jì)模式的軟件（3）設(shè)計(jì)模式在框