1、第5章 软件设计工程 第5章 软件设计工程 5.1 软件工程中的设计软件工程中的设计5.2 设计过程和设计质量设计过程和设计质量5.3 设计概念设计概念5.4 设计模型设计模型5.5 基于模式的软件设计基于模式的软件设计5.6 小结小结第5章 软件设计工程 5.1 软件工程中的设计软件工程中的设计软件设计在软件工程过程中处于技术核心，并且它的应用与所使用的软件过程模型无关。对软件需求进行分析和建模开始之后，软件设计是建模活动的最后一个软件工程活动，接着便要进入构造阶段(生成代码和测试)。设计工程通常应开始于数据的一致性这是其他所有设计元素的基础。在基础建立后，必须导出体系结构，只有这样才能继续
2、执行其他设计工作。第5章 软件设计工程 分析模型的每个元素都提供了创建四种设计模型所必需的信息，这四种设计模型是完成完整的设计规格说明书所必需的。软件设计过程中的信息流如图5.1所示。由基于场景的元素、基于类的元素、面向流的元素和行为元素所表明的分析模型是设计任务的输入。使用后续章节中讨论的设计表示法和设计方法，将得到数据/类设计、体系结构设计、接口设计和构件设计。第5章 软件设计工程 图5.1 从分析模型到设计模型的转化第5章 软件设计工程 数据/类设计将分析类模型转化为设计类的实现以及软件实现所要求的数据结构。索引卡定义的类和关系、类属性和其他表示法刻画的详细数据内容，为数据设计活动提供了
3、基础。在和软件体系结构设计连接中可能会有部分的类设计，而更详细的类设计在设计每个软件构件时进行。体系结构设计定义了软件的主要结构元素之间的联系、可用于达到系统所定义需求的体系结构风格和设计模式以及影响体系结构实现方式的约束。体系结构设计的表示基于计算机系统的框架，可以从系统规格说明、分析模型和分析模型中定义的子系统的交互中导出。第5章 软件设计工程 接口设计描述了软件和协作系统之间、软件和使用人员之间是如何通信的。接口就意味着信息流(如数据流和/或控制流)和特定的行为类型。因此，使用场景和行为模型为接口设计提供了所需的大量信息。构件级设计将软件体系结构的结构元素变换为对软件构件的过程性描述。从
4、基于类的模型、流模型和行为模型获得的信息作为构件设计的基础。有两种构造软件设计的方式：一种是使其尽可能简单以致明显地没有不足；另一种是使其尽可能复杂以致明显地没有不足。第一种方式更为困难。我们在设计过程中所做出的决定将最终影响软件构建的成功与否，而且重要的是会影响软件维护的难易程度。那么，设计为什么如此重要呢?第5章 软件设计工程 软件设计的重要性可以用一个词来表达质量。设计是软件工程中形成质量的地方，它为我们提供了可以用于质量评估的软件表示，同时是我们能够将用户需求准确地转化为软件产品或系统的唯一方法。软件设计是所有软件工程活动和随后的软件支持活动的基础。没有设计，我们将冒构造不稳定系统的风
5、险，这样的系统稍做改动就无法运行，而且难以测试，直到软件工程过程的后期才能评估其质量，而那时时间已经不够，并且已经花费了大量经费。第5章 软件设计工程 5.2 设计过程和设计质量设计过程和设计质量软件设计是一个迭代的过程，通过设计过程，需求被变换为用于构建软件的“蓝图”。初始时，蓝图描述了软件的整体视图，也就是说，设计是在高抽象层次上的表达，在该层次上可以直接跟踪到特定的系统目标和更详细的数据、功能和行为需求。随着设计迭代的开始，后续的精化导致更低抽象层次的设计表示，这些表示仍然能够跟踪到需求，但是连接更加错综复杂了。在整个设计过程中，使用一系列正式技术评审或设计走查来评估设计演化的质量。Mc
6、Glaughlin提出了可以指导评价良好设计演化的三个特征：第5章 软件设计工程(1)设计必须实现所有包含在分析模型中的明确需求，而且必须满足客户期望的所有隐含需求。(2)对于那些生成代码的人和那些进行测试以及随后维护软件的人而言，设计必须是可读的、可理解的指南。(3)设计必须提供软件的全貌，从实现的角度说明数据域、功能域和行为域。以上每一个特征实际上都是设计过程的目标，但是如何达到这些目标呢？下面就是答案。第5章 软件设计工程 1质量指导原则质量指导原则为了评估某个设计表示的质量，我们必须建立优秀设计的技术标准。在本章的后面部分，我们将讨论设计概念，这些概念也可以作为软件质量的评价标准。现在
7、，我们给出如下的指导原则：(1)设计应展示出这样一种结构：已经使用可识别的体系结构风格或模式创建；由展示出良好设计特征的构件(将在本章后面讨论)构成；能够以演化的方式实现，从而便于实现和测试。(2)设计应该模块化，也就是说，软件应按照逻辑划分为元素或子系统。第5章 软件设计工程(3)设计应该包含数据、体系结构、接口和构件的清楚的表示。(4)设计应导出数据结构，这些数据结构适于要实现的类，并由可识别的数据模式提取。(5)设计应导出显示独立功能特征的构件。(6)设计应导出接口，这些接口降低了构件之间以及与外部环境连接的复杂性。(7)设计的导出应根据软件需求分析过程中获取的信息，采用可重复使用的方法
8、进行。(8)应使用能够有效传达其意义的表示法来表达设计。达到这些设计原则不能靠偶然，设计工程应通过应用基本的设计原则、系统化的方法学和严格的评审来保证良好的设计。第5章 软件设计工程 2评估设计质量评估设计质量正式技术评审正式技术评审设计之所以重要，在于它允许一个软件团队在软件实现前评估软件的质量此时修正错误、遗漏或不一致既容易且代价不高。但是我们如何在设计过程中评估质量？此时，不可能去测试软件，因为还没有可执行的软件，那么怎么办?在设计阶段，通过开展一系列的正式技术评审(Formal Technical Review，FTR)来评估质量。FTR是由软件团队成员召开的会议。通常，根据将要评审的
9、设计信息的范围，选择两人、三人或四人参与，每人扮演一个角色：评审组长策划会议、拟定议程并主持会议；记录员记录笔记以保证没有遗漏；制作人是指其工作产品(例如某个软件构件的设计)被评审的人。在会议之前，每个与会者都会收到一份设计工作第5章 软件设计工程 产品的拷贝并要求阅读，寻找错误、遗漏或含糊不清的地方。召开会议的目的是注意工作产品中的所有问题，以便能够在开始实现之前修正这些问题。在FTR结束时，评审小组要确认在设计工作产品能够被认可为最终设计模型的一部分之前，是否还需要进一步的行动。FTR通常持续90分钟到两个小时。第5章 软件设计工程 3质量属性质量属性Hewlett-Packard开发了一
10、系列的软件质量属性，并取其首字母组合为FURPS，其中各字母分别代表功能性(Functionality)、易用性(Usability)、可靠性(Reliability)、性能(Performance)、可支持性(Supportability)。FURPS质量属性体现了所有软件设计的目标。功能性：评估程序的特征集和能力、所提交功能的普遍性以及整个系统的安全性。易用性：通过考虑人为因素、整体美感、一致性和文档来评估。可靠性：通过测量故障的频率和严重性、输出结果的精确性、故障平均时间(Mean-Time-To-Failure，MTTF)、故障恢复能力和程序的可预见性来评估。第5章 软件设计工程 性能
11、：度量处理速度、响应时间、资源消耗、吞吐量和效率。可支持性：综合了扩展程序(可扩展性)、适应性和耐用性这三方面的能力(这三个属性体现了一个更通用的术语可维护性)。此外，还包括可测试性、兼容性、可配置性(组织和控制软件配置元素的能力)、系统安装的简易性和问题定位的简易性。在将要开发的软件中，并不是每个软件质量属性都具有相同的分量。有的应用问题可能强调功能性，特别突出安全性；有的应用问题可能要求性能，特别突出处理速度；还有的可能关注于可靠性。抛开权重不谈，重要的是要注意到必须在设计开始时就考虑这些质量属性，而不是在设计完成后和已经开始构建时才考虑。第5章 软件设计工程 4通常设计任务通常设计任务(
12、1)检查信息域模型，并为数据对象及其属性设计恰当的数据结构。(2)使用分析模型，选择一个适于软件的体系结构类型(模式)。(3)将分析模型分割为若干个设计子系统，并在体系结构内分配这些子系统。要确定每个子系统是功能内聚的；设计子系统接口；为每个子系统分配分析类或功能。(4)创建一系列的设计类或构件。将每个分析类说明转化为设计类，并根据设计标准检查每个设计类，考虑继承问题；定义与每个设计类相关的方法和消息；评估设计类或子系统并为这些类或子系统选择设计模式；评审设计类，并在需要时修改。第5章 软件设计工程(5)设计外部系统或设备所需要的所有接口。(6)设计用户接口。定义接口对象、控制机制；评审接口设
13、计，并在需要时修改。(7)进行构件级设计。在相对较低的抽象层次上详细地说明所有算法；精化每个构件的接口；定义构件级的数据结构；评审每个构件并修正所有已发现的错误。(8)开发部署模型。第5章 软件设计工程 5.3 设设 计计 概概 念念5.3.1 抽象抽象当我们考虑某一问题的模块化解决方案时，可以给出许多抽象级。在最高的抽象级上，使用问题所处环境的语言以概括性的术语描述解决方案；在较低的抽象级上，将提供更详细的解决方案说明。当我们在不同的抽象级间移动时，力图创建过程抽象和数据抽象。过程抽象是指具有明确和有限功能的指令序列。过程抽象的命名暗示了这些功能，但是隐藏了具体的细节。过程抽象的例子如单词“
14、开”门。“开”隐含了一长串的过程性步骤(例如走到门前，伸出手并抓住把手，转动把手并拉门，离开打开的门等)。第5章 软件设计工程 数据抽象是描述数据对象的冠名数据集合。在过程抽象“开”的情形下，我们可以定义一个名为门的数据抽象。同任何数据对象一样，门的数据抽象将包含一组描述门的属性(例如门的类型、转动方向、开门机构、重量和尺寸)。因此，过程抽象“开”将利用数据抽象门的属性中所包含的信息。5.3.2 体系结构体系结构软件体系结构意指“软件的整体结构和这种结构为系统提供概念上完整性的方式”。从最简单的形式来看，体系结构是程序构件(模块)的结构或组织、这些构件交互的形式以及这些构件所用数据的结构。然而
15、在更广泛的意义上，构件可以被推广，用于代表主要的系统元素及其交互。第5章 软件设计工程 软件设计的目标之一是导出系统的体系结构透视图，该透视图作为一个框架，将指导更详细的设计活动。一系列的体系结构模式使得软件工程师能够复用设计级的概念。体系结构设计可以使用大量的一种或多种模型来表达。结构模型将体系结构表示为程序构件的一个有组织的集合。通过确定类似应用中遇到的可复用的体系结构来设计框架，框架模型可以提高设计抽象级别。动态模型强调程序体系结构的行为方面，指明结构或系统配置作为外部事件的函数将如何变化。过程模型注重系统必须提供的业务设计或技术流程设计。最后，功能模型可以用来表示系统的功能层次结构。第
16、5章 软件设计工程 5.3.3 模式模式Brad Appleton定义的设计模式如下：“模式是冠名的洞察力财宝，对于竞争事件中某确定环境下重复出现的问题，它承载了已证实的解决方案的精髓。”换句话说，设计模式描述了在某个特定场景与可能影响模式应用和使用方式的“影响力”中解决某个特定的设计问题的设计结构。每个模式都先描述了一个在我们所处环境内反复发生的问题，然后描述该问题的核心解决方案。你可以几百万次地重复使用该解决方案而根本不需用同样的方式重复工作两次。每个设计模式的目的都是提供一个描述，以使得设计人员能够确定：(1)模式是否适合当前的工作。第5章 软件设计工程(2)模式是否能够复用(节约设计时
17、间)。(3)模式是否能够用于指导开发一个类似但是功能或结构不同的模式。5.3.4 模块化模块化软件体系结构和设计模式表现为模块化。也就是说，软件被划分为独立命名的、可寻址的构件，有时被称为模块，把这些构件集成到一起可以满足问题的需求。有人提出“模块化是软件的单个属性，它使程序能被理性地管理”。软件工程师难以掌握单块软件(即由一个单独模块构成的大程序)。对于大型程序，其控制路径的数量、引用的跨度、变量的数量和整体的复杂度使得理解这样的软件几乎是不可能的。为说明这一点，考虑下面的论据，这些论据基于对人类解决问题规律的观察。第5章 软件设计工程 考虑两个问题，p1和p2，如果p1的理解复杂度大于p2
18、的理解复杂度，那么解决p1所需的工作量大于解决p2所需的工作量。作为普遍的情况，这个结果直观上是显而易见的，因为解决困难问题的确需要花费更多的时间。另一个结果是两个问题结合时的理解复杂度通常要大于每个问题各自的理解复杂度之和。这就引出了“分而治之”的策略将一个复杂问题分解成可以管理的若干块，这样能够更容易地解决问题。这对于模块化软件是意义重大的，事实上，这就是模块化的论据。第5章 软件设计工程 可以得出结论：如果我们无限制地划分软件，那么开发它所需的工作量会变得小到可以忽略。不幸的是，其他因素开始起作用，导致这个结论是不成立的。如图5.2所示，开发某个独立软件模块的工作量(成本)的确随着模块数
19、的增加而下降，给定同样的需求，更多的模块意味着每个模块的规模更小。然而，随着模块数量的增加，集成模块的工作量(成本)也在增加。这些特性形成了如图5.2所示的总体成本或工作量曲线。事实上，的确存在一个模块数量M，这个数量可以带来最小的开发成本。但是，我们缺乏必要的技术来精确地预测M。第5章 软件设计工程 图5.2 模块化和软件成本第5章 软件设计工程 当考虑模块化时，图5.2所示的曲线确实提供了有益的指导。我们应该进行模块化，但是应注意使模块数量保持在M附近，应该避免过低或过高的模块化。但是我们如何知道M的附近在哪呢？我们应该怎样将软件划分成模块呢？回答这些问题需要理解本章后面提出的其他设计概念
20、。我们做模块化设计(以及由其产生的程序)可以更容易地计划开发；可以定义和交付软件增量；更容易实施变更；能够更有效地开展测试和调试；可以开展长期维护而没有严重的副作用。第5章 软件设计工程 5.3.5 信息隐蔽信息隐蔽信息隐蔽的目的是在一个模块接口后面隐蔽数据结构的细节和过程的处理，模块的用户不需要知道细节。模块化概念让每个软件设计师面对一个基本问题：我们将如何分解一个软件解决方案以求获得最好的模块集合？信息隐蔽原则建议模块应该具有的特征是：每个模块对其他所有模块都隐蔽自己的设计决策。换句话说，模块应该详细说明且精心设计，以求在某个模块中包含的信息(算法和数据)不被不需要这些信息的其他模块访问。
21、第5章 软件设计工程 隐蔽意味着通过定义一系列独立的模块可以得到有效的模块化，独立模块相互之间只交流实现软件功能所必需的那些信息。抽象有助于定义构成软件的过程(或信息)实体。隐蔽定义并加强了模块内的过程细节和模块所使用的任何局部数据结构的访问约束。把信息隐蔽用做模块化系统的一个设计标准，在测试和随后的软件维护过程中，在需要修改时将提供最大的益处。因为大多数数据和程序对软件的其他部分是隐蔽的，因此在修改过程中，无意地引入错误并传播到软件其他地方的可能性会很小。第5章 软件设计工程 5.3.6 功能独立功能独立功能独立的概念是模块化、抽象概念和信息隐蔽的直接结果。通过开发具有“专一”功能和“避免”
22、与其他模块过多交互的模块，可以实现功能独立。换句话说，我们希望软件设计时要使每个模块仅涉及需求的某个特定子功能，并且当从程序结构的其他部分观察时，每个模块只有一个简单的接口。一个很合理的问题是：独立为什么重要?具有有效模块化(也就是独立模块)的软件更容易开发，这是因为功能被分隔而且接口被简化(考虑由一个团队进行开发时的结果)。独立模块更容易维护和测试，因为修改设计或修改代码所引起的副作用被限制，减少了错误扩散，而且模块复用也成为可能。概括地说，功能独立是优秀设计的关键，而设计又是软件质量的关键。第5章 软件设计工程 独立性可以使用两条定性的标准评估：内聚性和耦合性。内聚性显示了某个模块相关功能
23、的强度；耦合性显示了模块间的相互依赖性。内聚性是前面说明的信息隐蔽概念的自然扩展。一个内聚的模块执行一个独立的任务，与程序的其他部分构件只需要很少的交互。简单地说，一个内聚的模块应该(理想情况下)只完成一件事情。耦合性表明软件结构中多个模块之间的相互连接。耦合性依赖于模块之间的接口复杂性、引用或进入模块所在的点以及什么数据通过接口传递。在软件设计中，我们将尽力得到尽可能低的耦合。模块间简单的连接性使得软件易于理解并减少“涟漪效果(ripple effect)”的倾向。“涟漪效果”是指在某个地方发生错误时扩散到整个系统。第5章 软件设计工程 5.3.7 求精求精逐步求精是由NikIaus wir
24、th最初提出的一种自顶向下的设计策略。通过连续精化层次结构的程序细节来实现程序的开发，层次结构的开发将通过逐步分解功能的宏观陈述(过程抽象)直至形成程序设计语言的语句来实现。求精实际上是一个细化的过程。我们从在高抽象级上定义的功能陈述(或数据描述)开始，也就是说，该陈述概念性地描述了功能或信息，但是没有提供有关功能内部工作的信息或数据内部结构的信息。精化促使设计者在原始陈述上细化，并随着每个精化(细化)的持续进行将提供越来越多的细节。第5章 软件设计工程 抽象和精化是互补的概念。抽象使得设计人员能够明确说明过程和数据，而同时忽略低层细节；精化有助于设计人员在设计过程中揭示低层的细节。这两个概念
25、均有助于设计人员在设计演化中构造出完整的设计模型。5.3.8 重构重构很多敏捷方法都建议一种重要的设计活动重构。重构是一种重新组织的技术，可以简化构件的设计(或代码)而无需改变其功能或行为。Fowler这样定义重构：“重构是使用这样一种方式改变软件系统的过程：不改变代码设计的外部行为而是改进其内部结构。”第5章 软件设计工程 当重构软件时，检查现有设计的冗余性、没有使用的设计元素、低效的或不必要的算法、拙劣的或不恰当的数据结构以及其他设计不足，修改这些不足以获得更好的设计。例如，第一次设计迭代可能得到一个构件，表现出很低的内聚性(即执行三个功能，但是相互之间仅有有限的联系)。设计人员可以决定将
26、构件重构为三个独立的构件，每个都表现出较高的内聚性。这样的处理结果将实现一个更容易集成、测试和维护的软件。第5章 软件设计工程 5.3.9 设计类设计类分析模型定义了一组完整的分析类。这些类中的每一个都关注于用户或客户可见的问题，描述问题域中的某些元素。分析类的抽象级相对较高。在设计模式演化时，软件团队必须定义一组设计类：通过提供设计细节精化分析类，这些设计细节将促成类的实现；创建一组新的设计类，该设计类实现了软件的基础设施以支持业务解决方案。Ambler建议了五种不同类型的设计类，每一种都表现了设计体系结构的一个层次：(1)用户接口类，定义人机交互(Human-Computer Intera
27、ction，HCI)所必需的所有抽象。在很多情况下，HCI出现在隐喻的环境(例如支票簿、订单表格、传真机)，而接口的设计类可能是这种隐喻元素的形象表示。第5章 软件设计工程(2)业务域类，通常是早期定义的分析类的精化。这些类识别实现某些业务域元素所必需的属性和服务(方法)。(3)过程类，实现完整管理业务域类所必需的低层业务抽象。(4)持久类，代表将在软件执行之外持续存在的数据存储(例如数据库)。(5)系统类，实现软件管理和控制功能，使得系统能够运行并在其计算环境内与外界通信。在设计模型演化时，软件团队必须为每个设计类开发一组完整的属性和操作。随着每个分析类转化为设计表示，抽象级就降低。也就是说
28、，分析类使用业务域的专门用语描述对象以及对象所用的相关服务；设计类更多地表现技术细节，将作为实现的指导。第5章 软件设计工程 Arlow和Neustadt建议应评审每个设计类以确保设计类是“组织良好的(well-formed)”。他们为组织良好的设计类定义了以下四个特征：(1)完整性与充分性。设计类应该完整地封装所有的、可以合理预见(根据对类名的理解)的、会存在于类中的属性和方法。例如，为视频编辑软件定义的Scene类，只有当它包含与创建视频场景相关的所有合理的属性和方法时，才是完整的。充分性确保设计类只包含那些“对实现这个类的目的足够”的方法，不多也不少。第5章 软件设计工程(2)原始性。和
29、某个设计类相关的方法应该关注于实现类的某个服务。一旦服务已经被某个方法实现，类就不应该再提供另外一种完成同一事情的方法。例如，视频编辑软件的VideoClip类，可能用属性start-point和end-point指定剪辑的起点和终点(注意，加载到系统的原始视频可能比要用的部分长)。方法setStartPoint()和setEndPoint()为剪辑提供了设置起点和终点的唯一手段。(3)高内聚性。一个内聚的设计类具有小的、集中的职责集合，并且专注于使用属性和方法来实现那些职责。例如，视频编辑软件的VideoClip类可能包含一组用于编辑视频剪辑的方法。只要每个方法只关注于和视频剪辑相关的属性，
30、内聚性就得以维持。第5章 软件设计工程(4)低耦合性。在设计模型内，设计类之间相互协作是必然的。但是，协作应该保持在一个可以接受的最小范围内。如果设计模型高度耦合(所有的设计类都和其他所有的设计类有协作关系)，那么系统就难以实现、测试，并且维护也很费力。通常，一个子系统内的设计类对其他子系统中的类应仅有有限的了解。该限制被称做Demeter定律，该定律建议一个方法应该只向周围类中的方法发送消息。第5章 软件设计工程 5.4 设设 计计 模模 型型设计模型可以从两个不同的维度观察，如图5.3所示。过程维度表示设计模型的演化，设计工作作为软件过程的一部分被执行；抽象维度表示过程的详细级别，分析模型
31、的每个元素都转化为一个等价的设计，然后迭代精化。图中虚线表示分析模型和设计模型之间的边界。在某些情况下，分析模型和设计模型之间可能存在清晰的差别；而在有些情况下，分析模型慢慢地融入设计模型，二者没有明显的差别。设计模型的元素很多都是在分析模型中使用的UML图。差别在于这些图被精化和细化为设计的一部分，并且提供了更多的与实现相关的特殊细节，突出了体系结构的结构和风格、体系结构内存在的构件以及构件和外界之间的接口。第5章 软件设计工程 然而，重要的是要看到，沿横坐标表示的模型元素通常并不总是顺序开发的。大多数情况下，初步的体系结构设计是基础，随后是接口设计和构件级设计(通常是并行进行)。通常，直到
32、设计全部完成后才开始部署模型工作。第5章 软件设计工程 图5.3 设计模型的维度第5章 软件设计工程 5.4.1 数据设计元素数据设计元素和其他软件工程活动一样，数据设计(有时也称为数据体系结构设计)创建在高抽象级上(以客户、用户的数据观点)表示的数据模型和/或信息模型。然后，数据模型被精化为越来越和实现相关的特定表示，亦即基于计算机的系统能够处理的表示。在很多软件应用中，数据体系结构对必须处理该数据的软件体系结构有深远的影响。第5章 软件设计工程 数据结构通常是软件设计的重要部分。在程序构件级，数据结构设计以及相关的处理这些数据的算法对于创建高质量的应用程序是至关重要的。在应用程序级，数据模
33、型(源自于需求工程)到数据库的转变是实现系统业务目标的关键。在业务级，收集存储在不同的数据库中的信息并重新组织为“数据仓库”要使用数据挖掘或知识发现技术，这些技术影响业务本身的成功。在各种情况下，数据设计都发挥了重要作用。第5章 软件设计工程 5.4.2 体系结构设计元素体系结构设计元素软件的体系结构设计等效于房屋的平面图。平面图描绘了房间的整体布局，包括各房间的尺寸、形状、相互之间的联系，能够进出房间的门窗，它还为我们提供了房屋的整体视图；而体系结构设计元素为我们提供了软件的整体视图。体系结构模型从以下三个来源获得：关于将要构建的软件的应用域信息；特定的分析模型元素，例如数据流图或分析类、现
34、有问题中它们的关系和协作；体系结构模式和风格的可获得性。第5章 软件设计工程 5.4.3 接口设计元素接口设计元素软件的接口设计相当于一组房屋的门、窗和外部设施的详细绘图以及规格说明。这些绘图描绘了门窗的尺寸和形状、门窗的工作方式、设施(例如水、电、气、电话)连接入室的方式和在平面图上的室内布置。图纸可以告诉我们门铃在哪、是否使用内部通信以通知有客来访以及如何安装保安系统。门、窗、外部设施的详细图纸以及规格说明大体上告诉我们，事件和信息如何流入和流出住宅以及如何在平面图的房间内流动。类似地，软件接口设计元素告诉我们，信息如何流入和流出系统以及被定义为体系结构一部分的构件之间是如何通信的。第5章
35、 软件设计工程 接口设计有三个重要的元素：用户界面(UI)；和其他系统、设备、网络或其他的信息生产者或使用者的外部接口；各种设计构件之间的内部接口。这些接口设计元素允许软件和外部通信，并使得在软件体系结构内存在的构件之间能够进行内部通信和协作。UI设计是软件工程中的主要活动。UI设计包含美学元素(例如布局、颜色、图形、交互机制)、人机工程元素(例如信息布局、隐喻、UI导航)和技术元素(例如UI模式、可复用构件)。通常，UI是整个应用体系结构内独一无二的子系统。第5章 软件设计工程 外部接口的设计需要关于发送和接收信息的实体的确定信息。在各种情况下，这些信息应在需求工程中收集，并且一旦开始进行接
36、口设计，还要检验这些信息。外部接口设计应包括错误检查和适当的安全特征(在必要时)。内部接口的设计和构件级的设计紧密相关。分析类的设计实现体现了包含如下内容的方案：在各种类的运作之间实现通信和协作所必需的所有操作和消息发送模式。每个消息的设计必须提供必不可少的信息传递和已被请求的操作的特定功能需求。第5章 软件设计工程 在有些情况下，接口建模的方式和类所用的方式几乎一样。UML定义接口如下：“接口是类、构件或其他分类(包括子系统)的外部可见的公共的操作说明，而没有内部结构的规格说明。”更简单地说，接口是一组描述类的部分行为的操作，并提供了那些操作的访问方法。例如，SafeHome安全功能使用控制
37、面板，即允许房主控制安全功能的某些方面。在系统的高级版本中，控制面板的功能可能会通过无线PDA或移动电话实现。第5章 软件设计工程 如图5.4所示，ControlPanel类提供了和键盘相关的行为，因此必须实现操作readKeyStroke()和decodeKey()。如果这些操作需要由其他类提供(在此例中是WirelessPDA和MobilePhone)，则定义如图5.4所示的接口是非常有用的。名为KeyPad的接口表示为构造型，或用一个带有标识且用一条线和类相连的小圆圈表示。定义接口时并没有实现键盘行为所必需的属性和操作集合。第5章 软件设计工程 图5.4 ControlPanel(控制面
38、板)的UML接口设计表示第5章 软件设计工程 5.4.4 构件级设计元素构件级设计元素软件的构件级设计完全类似于某个房屋中每个房间的一组详细绘图以及规格说明。这些绘图描绘了每个房间内的布线和管道、电器插座和开关、水龙头、水池、浴室、浴盆、下水道、壁橱和储藏室的位置，还说明了所使用的地板、装饰以及和房间相关的任何细节。软件的构件级设计完整地描述了每个软件构件的内部细节。为此，构件级设计为所有本地数据对象定义数据结构，为所有在构件内发生的处理定义算法细节，并定义允许访问所有构件操作(行为)的接口。第5章 软件设计工程 在面向对象的软件工程中，使用UML图表现的构件如图5.5所示。图中表示的构件名为
39、SensorManagement(Safe Home安全功能的一部分)。虚线箭头连接了构件和名为Sensor的类。SensorManagement构件完成所有和SafeHome传感器相关的功能，包括监测和配置传感器。图5.5 SensorManagement的UML构件图第5章 软件设计工程 5.4.5 部署级设计元素部署级设计元素部署级设计元素指明软件功能和子系统将如何在支持软件的物理计算环境内分布。例如，SafeHome产品元素被配置为在三个主要的计算环境内运行基于住宅的PC、SafeHome控制面板和位于CPI公司的服务器(提供基于Internet的系统访问)。在设计过程中，开发的UML
40、部署图以及随后的精化如图5.6所示。第5章 软件设计工程 图5.6 SafeHome的UML部署图第5章 软件设计工程 图5.6中显示了三个计算环境(实际上，还可能包括传感器、摄像头和其他的环境)，同时它标识出了每个计算元素中还有子系统(功能)。例如，个人计算机中有完成安全、监视、住宅管理和通信功能的子系统。此外，还设计了一个外部访问子系统以管理外界资源对SafeHome系统的访问。细化每个子系统，用以说明该子系统所实现的构件。图5.6所示的图使用描述符形式，这意味着部署图显示了计算环境但并没有明确地说明配置细节。例如，PC机并没有进一步地明确它是一台“Wintel PC”还是一台Macint
41、osh、Sun工作站或Linux系统。在后面的阶段或构建开始时，应该用实例形式重新为部署图提供这些细节，明确每个实例的部署(专用的称为硬件配置)。第5章 软件设计工程 5.5 基于模式的软件设计基于模式的软件设计5.5.1 描述设计模式描述设计模式成熟的工程学科都会利用成千上万的设计模式。例如，机械工程师使用两级键锁转轴作为设计模式。模式中固有的东西是属性(转轴的直径、键槽的尺寸等)和操作(例如转轴的旋转、转轴的连接)。电气工程师使用集成电路(极其复杂的设计模式)解决新问题所特有的元素。设计模式可以使用以下模板来描述。设计模式模板：模式名使用简短却富有表现力的名称描述模式的本质。含义描述模式并
42、说明该模式是什么。第5章 软件设计工程 其他名称列出该模式的所有同义词。动机提供一个问题的示例。适用性记录能够应用该模式的特殊的设计环境。结构描述实现该模式所必需的类。参与者描述实现该模式所必需的类的职责。协作描述参与者如何协作以便实现其职责。因果关系说明“设计的影响因素”，即影响模式的因素和模式在实施时必须考虑的潜在的权衡。相关模式相关设计模式的交叉索引。第5章 软件设计工程 设计模式的描述还可以考虑一系列的设计影响因素。设计影响因素描述与应用该模式的软件相关的非功能性的需求(例如维护的简易性、可移植性)。此外，影响因素定义了可能限制设计实现方式的一些约束。本质上，设计影响因素描述了使用设计
43、模式所必需的环境和条件。模式特征(类、职责和协作)指出了设计的属性，调整这些属性可以帮助模式适应各种各样的问题。这些属性表现了设计的特点，可以通过搜索(例如通过数据库)找到一个恰当的模式。最终，与使用设计模式相关的指导原则指出了设计决策的结果。应该慎重选择设计模式的名称。软件复用中的一个关键问题是当存在成百上千个候选模式时，不能找到合适的可复用模式。一个有意义的模式名称将有助于查找“恰当”的模式。第5章 软件设计工程 5.5.2 在设计中使用模式在设计中使用模式在整个软件设计中都可以使用设计模式。一旦开发了分析模型，设计人员可以检查待求解问题的详细表示和该问题所带来的限制。在各种抽象级上检查问
44、题说明，以确定如下类型的设计模式中的一个或多个是否适合该问题。(1)体系结构模式。这些模式定义软件的整体结构，体现了子系统和软件构件之间的关系，并定义了说明体系结构元素(类、包、构件、子系统)之间关系的规则。(2)设计模式。这些模式解决设计中特有的元素，例如解决某些设计问题中的构件聚集、构件间的联系或影响构件到构件之间通信的机制。第5章 软件设计工程(3)习惯用语。它有时被称为编码模式，这些编程语言所特有的模式通常实现了构件、特定的接口协议或构件之间通信机制的算法元素。这些模式类型的不同不仅在于每一个模式都是在不同的抽象级上表示，还在于为软件过程中构建活动(这里指编码)提供直接指导的抽象等级也
45、不同。第5章 软件设计工程 5.5.3 框架框架在某些情况下，可能需要为设计工作提供和实现相关的特定的骨架基础设施(被称做框架)。也就是说，设计人员可能选择一个“可复用的小架构，该架构为一簇软件抽象及其环境提供通用的结构和行为从而在给定的域中表明它们的协作和使用”。框架不是体系结构模式，而是一个带有“插入点”(也被称作钩和孔)集合的骨架，插入点使得体系结构能够适应特定的问题域，也使得设计人员能够在骨架内集成与问题相关的特定类。在面向对象的环境内，框架是相互合作的类的集合。第5章 软件设计工程 实质上，框架的设计人员会坚持说一个可复用的小架构适用于在某一有限的应用域中开发的所有软件。为了使之更有
46、效，框架的使用没有变化，但可以添加附加的设计元素，即设计人员只有通过插入点来充实、丰满框架的骨架。第5章 软件设计工程 5.6 小小 结结在需求工程的首次迭代有结论时，开始设计工程。软件设计的目的是应用一系列能够引导高质量的系统或产品的开发原则、概念和实践来设计软件。设计的目标是创建一个软件模型，该模型将正确地实现所有的客户需求并为那些使用软件的人带来快乐。设计工程师必须从大量可供选择的设计中筛选，并最终集中于一个最适合项目共同利益者需要的解决方案。第5章 软件设计工程 设计过程从软件的宏观视图向微观视图转移，后者定义了实现系统所必需的细节。设计过程开始时关注于体系结构，然后定义子系统，建立子
47、系统之间的通信机制，识别构件，并开发每个构件的详细描述。另外，还要设计外部接口、内部接口和用户接口。设计思想在软件工程刚产生的前半个世纪内在不断发展，它描述计算机软件的属性(表现这些属性时不应考虑所选择的软件工程过程)、所使用的设计方法或编程语言。第5章 软件设计工程 设计模型包含四种不同的元素。随着每个元素的开发，逐渐形成更全面的设计视图。体系结构元素使用各种信息以获得软件、软件子系统和构件的完整的结构表示，这些信息来自于应用域、分析模型和模式与风格的分类。接口设计元素为外部和内部的接口以及用户接口建模。构件级元素定义体系结构中的每一个模块(构件)。最后，部署级设计元素划分体系结构、构件和容纳软件的物理配置的接口。基于模式的设计可以复用那些在过去已经被证明是成功的设计元素。在针对某个特定的应用进行评估时，应将每个体系结构模式、设计模式或习惯用语予以分类、全面文档化和细致考虑。框架作为模式的扩展，为某个特定应用域内完整的子系统设计提供体系结构骨架。
