软件设计师-15，面向对象技术

Joker2Yue2023-10-102023-10-10

面向对象基础、UML、设计模式

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大纲

面向对象基础

面向对象基本概念

术语	定义
对象	基本的运行实体，通常是现实世界中的真实存在实体的抽象。每个对象封装了数据和行为的整体，例如学生、汽车等。对象具有清晰的边界，定义了良好的行为和可扩展性。
消息	消息是对象之间进行通信的方式。通过消息，一个对象可以请求另一个对象执行特定的行为。消息是对象之间交互的基本构建块。
类	类是对象的抽象，它定义了一组大致相似的对象结构，包括它们的数据和行为。有几种类型的类，包括实体类、边界类、控制类等。类模型还包括属性、操作和关联等元素。
继承	继承是一种机制，它允许一个类（子类）共享另一个类（父类）的数据和方法。子类继承了父类的属性和行为，可以根据需要扩展或修改它们。继承是类之间的一种关系。
多态	多态是指不同的对象在接收相同的消息时可以产生完全不同的响应。多态通过继承机制实现，包括参数多态、包含多态、过载多态、强制多态等。多态性提高了代码的灵活性。
覆盖	在子类中，可以通过重新定义与父类具有相同名称和参数的方法来覆盖（或重写）父类中的相应方法。子类可以自定义父类的行为。
函数重载	函数重载允许在同一类中定义具有相同名称但不同参数的多个函数。函数重载的关键是参数列表的不同，编译器根据参数类型和数量来区分不同的重载函数。
封装	封装是一种信息隐藏技术，目的是将对象的内部工作机制隐藏起来，使对象的使用者无需了解内部实现细节，只需知道如何使用对象。
静态类型	静态类型在编译时确定对象的类型，用于静态语言（如Java、C++）。编译器进行类型检查和绑定。
动态类型	动态类型在运行时才能确定对象的类型，用于动态语言（如Python）。根据对象实际引用来确定类型。
静态绑定	静态绑定是基于对象的静态类型进行方法调用的机制。编译时已知要调用的方法，方法绑定在程序执行前确定。
动态绑定	动态绑定是基于对象的动态类型进行方法调用的机制。根据对象实际引用的类型来确定要调用的方法。支持多态。

面向对象分析、设计与测试

面向对象分析是为了确定问题域，理解问题，包含五个活动：
1. 认定对象：按自然存在的实体确定对象。
2. 组织对象：分析对象之间的关系，抽象成类。
3. 对象间的相互作用：描述各对象在应用系统中的关系。
4. 确定对象的操作：定义对象的操作，如创建、增加、删除等。
5. 定义对象的内部信息：定义对象的属性。

面向对象设计是设计分析模型和实现相应源代码，将问题域的解决方案具体化。
面向对象程序设计是使用面向对象程序设计语言实现设计方案。
面向对象测试与普通测试步骤并无不同，可分为四个层次：
1. 算法层：测试类中定义的每个方法，类似单元测试。
2. 类层：测试同一个类中所有方法与属性的相互作用，特有的模块测试。
3. 模块层：测试一组协同工作的类之间的相互作用，类似集成测试。
4. 系统层：类似系统测试。

例题

UML

基本概念

UML（Unified Modeling Language） 是一种统一建模语言，它与具体的程序设计语言无关。
- UML包含三个要素：
  1. UML的基本构造块：这些构造块是UML中的核心元素，用于描述和建模系统的各个方面。
  2. 规则：规定了如何将这些构造块组合在一起，以创建有意义的模型。
  3. 公共机制：这些机制是UML语言中的通用工具，用于处理和操作模型的元素。
- UML的基本构造块主要包括以下三种：
  1. 事物：事物是对模型中最具代表性的成分的抽象表示。它们用于表示系统中的实体、对象、类等。
  2. 关系：关系用于将事物结合在一起，描述它们之间的联系和相互作用。关系用于建立对象之间的连接。
  3. 图：图是UML中的图形表示，用于聚集相关的事物和关系，以便更清晰地呈现系统的结构和行为。不同类型的图用于不同的建模目的。

事务

UML中有四种事务，结构事务、行为事务、分组事务、注释事务

结构事务：模型的静态部分，如类、接口、用例、构件等；如图示例：
行为事物：模型的动态部分，如交互、活动、状态机：
分组事物：模型的组织部分，如包；
注释事物：模型的解释部分，依附于一个元素或一组元素之上对其进行约束或解释的简单符号。

关系

依赖：一个事物的语义依赖于另一个事物的语义的变化而变化。
关联：是一种结构关系，描述了一组链，链是对象之间的连接。分为组合和聚合，都是部分和整体的关系，其中组合事物之间关系更强。两个类之间的关联，实际上是两个类所扮演角色的关联，因此，两个类之间可以有多个由不同角色标识的关联。
泛化：一般特殊的关系，子类和父类之间的关系
实现：一个类元指定了另一个类元保证执行的契约。

图

类图：静态图，为系统的静态设计视图，展现一组对象、接口、协作和它们之间的关系。UML类图如下：
- 其中属性有：多重度、属性、操作、关系
对象图：静态图，展现某一时刻一组对象及它们之间的关系，为类图的某一快照。在没有类图的前提下，对象图就是静态设计视图。如下：
用例图：静态图，展现了一组用例、参与者以及它们之间的关系。

用例图中的参与者是人、硬件或其他系统可以扮演的角色；用例是参与者完成的一系列操作。

用例之间的关系：包含、扩展、泛化。
序列图：即顺序图，动态图，是场景的图形化表示，描述了以时间顺序组织的对象之间的交互活动。

有同步消息（进行阻塞调用，调用者中止执行，等待控制权返回需要等待返回消息，用实心三角箭头表示），异步消息（发出消息后继续执行，不引起调用者阻塞，也不等待返回消息，由空心箭头表示）、返回消息（由从右到左的虚线箭头表示）三种。如下：
通信图：动态图，即协作图，是顺序图的另一种表示方法，也是由对象和消息组成的图，只不过不强调时间顺序，只强调事件之间的通信，而且也没有固定的画法规则，和顺序图统称为交互图。如下：
状态图：动态图，展现了一个状态机，描述单个对象在多个用例中的行为，包括简单状态和组合状态。

转换可以通过事件触发器触发，事件触发后相应的监护条件会进行检查。状态图中转换和状态是两个独立的概念，如下：图中方框代表状态，箭头上的代表触发事件，实心圆点为起点和终点。
活动图：动态图，是一种特殊的状态图。展现了在系统内从一个活动到另一个活动的流程。
- 活动的分岔和汇合线是一条水平粗线。
- 并发分岔、并发汇合、监护表达式、分支、流等名词及含义。
- 每个分岔的分支数代表了可同时运行的线程数。活动图中能够并行执行的是在一个分岔粗线下的分支上的活动。
构件图：静态图，为系统静态实现视图，展现了一组构件之间的组织和依赖。如下：
部署图：静态图，为系统静态部署视图，部署图物理模块的节点分布。它与构件图相关，通常一个结点包含一个或多个构件。其依赖关系类似于包依赖，因此部署组件之间的依赖是单向的类似于包含关系。如下：

例题

设计模式

概念

设计模式描述了我们周围不断重复发生的问题，以及解决这些问题的核心方法。通过设计模式，可以一次性地解决特定类型的问题，无需反复进行重复性工作。设计模式的核心价值在于提供了问题的解决方案，使人们能够更轻松地重用成功的设计和体系结构。
- 设计模式可以看作是问题和其对应解决方案的模板。它们描述了某一类问题，然后给出了相应的解决方案。
设计模式通常包含以下四个基本要素：
1. 模式名称：模式的名称用于标识和描述该模式。
2. 问题：描述了应该在何时使用该模式，即在什么情况下出现的问题。
3. 解决方案：描述了设计模式的具体内容，包括如何解决问题的方法和实现细节。
4. 效果：说明了应用该模式的效果和优点，包括可维护性、可扩展性、可重用性等方面的影响。
设计模式通常分为三类：
1. 创建型模式：主要用于处理对象的创建过程，包括单例、工厂方法、抽象工厂等。
2. 结构型模式：主要用于处理类和对象的组合，包括适配器、装饰器、代理等。
3. 行为型模式：主要用于描述类或对象之间的交互行为，包括观察者、策略、命令等。