EE308FZ — Slides Overview (ch11-13) Note 3

ch11 Design Concepts (重点)
ch12 Architectural Design
ch13 Component-level Design

Software Design

使用UML的面向对象设计建模

一个面向对象系统由相互交互的对象组成。

案例——业务气象站1

简单框图

注意： 1..n // 表示一对多

用例图

用况图/用例图——需要进一步用table来说明

案例——业务气象站2

类图

顺序图

状态图

接口规格说明

温习结束～

ch11 Design Concepts

Design within the Context of Software Engineering
The Design Process
Design Concepts
The Design Model

Software design is the process of transforming requirements into software statements (expressions).

11-1 Design Engineering

Data/class design

transforms class models into design class and data structure of target software; (数据结构)

Architecture design

defines the relationship between the major structural elements of the software; (整体结构)

Interface design

describes the communication between software and collaboration system, and between software and users; (接口)

Component level design

transforms the structural elements of software architecture into a procedural description of software components. (内部细节)

11.2 The Design Process

Quality Guidelines 质量指导原则
Quality Attributes 质量属性
The evolution of software design 通用设计任务集

11.2-1 Quality Guidelines

11.2-2 Quality Attributes – FURPS model

Functionality 功能性
Usability 可用性
Realiability 可靠性
Performance 性能
Supportability 可支持性/耐受性

通用设计任务集（软件演化）：

11.3 Design Concepts（非常重要）

1 Abstraction 抽象
2 Architecture 架构
3 Patterns 模式
4 Separation of Concerns 关注点分离
5 Modularity 模块化
6 Information Hiding 信息隐藏
7 Functional Independence 功能独立
8 Refinement 求精
9 Refactoring/reconstruction 重构
10 Object Oriented Design Concept 面向对象的设计
11 Design Classes 设计类
12 Dependence Inversion 依赖倒置
13 Design for Test 测试设计

1 Abstraction

Abstract process: from special to general, the upper concept is the abstraction of the lower concept, and the lower concept is the refinement of the upper concept.

从特殊到一般，上层概念是下层概念的抽象，下层概念是上层概念的精炼；

软件开发过程的每一步都是对较高一级抽象的解，作一次具体化的描述。

Data 数据抽象：描述数据对象的数据集合

Process 过程抽象：具有明确和有限功能的指令序列

2 Architecture

A set of attributes

Structural properties
Extra-functional properties
Families of related systems

体系结构是程序构件 ( 模块 ) 的结构和组织、这些构件交互的形式以及这些构件所用数据的结构。

3 Pattern

Design patterns are proven solutions to recurring, specific problems in a specific environment.

设计模式是经过验证的，用于解决在特定环境下、重复出现的、特定问题的解决方案。

4 Separation of Concerns 关注点分离

2022年考点：

Separation of concerns indicates that any complex problem can be more easily handled if it is decomposed into several blocks that can be solved and/or optimized independently.

By dividing the concerns into smaller ones (resulting in more manageable blocks), it requires less work and time to solve a problem.

5 Modularity

Design principles

These modules are independent but interrelated.
It is actually a process of system decomposition and abstraction.

Modules are relatively independent program bodies

2022年考点：

Modularity is to divide the program into independently named and directly accessible modules. Each module completes a subfunction. These modules are integrated to form a whole and complete the specified function.

模块化就是把程序划分成独立命名且可直接访问的模块，各个模块完成一个子功能，这些模块集成起来构成一个整体，完成指定功能。

适度的模块化 Moderate modularity

Conclusion: To find the best balance point of modularization degree.

模块化的优点adv

Make the development work easier to plan; (更易于规划)
Software increment can be defined and delivered; (定义和交付软件增量)
Easier implementation of changes; (更容易实施变更)
Be able to carry out testing and debugging more effectively; (测试和调试)
Long term maintenance can be carried out without serious side effects.(长期维护而没有严重的副作用)

6 Information Hiding 信息隐蔽

每个模块都尽量对其他模块隐藏自己的内部实现细节;
信息隐蔽是实现抽象 / 模块化机制的基本支撑;

信息隐蔽adv

Concealed 隐藏 externally to reduce the possibility of side effects; 减少副作用
Emphasize communication through control interface; 强调通过控制接口进行通信
The use of global data is discouraged; 不鼓励使用全局数据
Use encapsulation – an attribute of high-quality design; 使用封装
It can produce high-quality software. 产生高质量软件

7 Functional Independence

Functional independence is the direct result of separation of concerns, modularity, abstract concept and information hiding.

功能独立是关注点分离、模块化、抽象概念和信息隐蔽的直接结果。

功能独立性的指标（追求高内聚、低耦合）

内聚 (Cohesion) ：模块内部各个元素结合的紧密程度（由独立性弱到强排序）

巧合内聚 Coincident cohesion（低内聚，独立性弱）

将几个模块中的相同程序代码段独立出来建立的模块（无明显独立性）

逻辑内聚 Logic cohesion

完成一组逻辑相关任务的模块，由控制型参数来确定执行哪一种功能

事件内聚 Time cohesion

模块中的多个任务必须在一段时间内先后执行（有时间约束，无过程）

过程内聚 Process cohesion

模块内的多个任务必须按指定的过程执行

通信内聚 Communication cohesion

模块内所有处理元素都集中在某个数据结构的一块区域（选退课）

顺序内聚 Sequential cohesion

指一个模块完成多个功能，这些功能又必须顺序执行

功能内聚：Function cohesion（高内聚，独立性强）

一个模块中各个部分都是为完成一项具体功能而协同工作

耦合 (Coupling)：模块之间相互关联的程度（由独立性弱到强排序）

内容耦合 Content coupling（高耦合，独立性弱）

一个模块可以直接访问另一个模块的内部数据或内部功能

公共耦合 Public coupling

多个模块共同访问某些公共元素数据

外部耦合 External coupling

多个模块间需要遵循同样的外部约束

控制耦合 Control coupling

模块间的交互参数包含控制信息，可影响另一个模块的执行逻辑

标记耦合 Tag coupling

模块间传递特定的数据结构

数据耦合 Data coupling

模块间仅传递简单数据

非直接耦合 Indirect coupling（低耦合，独立性强）

两个模块可以相对独立工作

内聚度 Cohesion

耦合度 Coupling

耦合的具体案例（独立性）

Content coupling
Public coupling
Control coupling
Data coupling

Content coupling: one module can directly access the internal data or functions of another module（内容耦合，最不可取的情况）

Public coupling: Multiple modules access some common data elements together （公共耦合）

Control coupling（控制耦合）

模块间的交互参数包含控制信息，可影响另一个模块的执行逻辑。

The interaction parameters between modules contain control information, which can affect the execution logic of another module.

Data coupling: only simple data is transferred between modules.

Summary for Functional Independence

高内聚、低耦合：high cohesion and low coupling

8 Refinement 求精

Refinement: refinement of various abstractions

求精：对各种抽象的细化

逐步求精：为了集中精力解决主要问题而尽量推迟对细节的考虑，是一种自顶向下的设计策略：（Step by step refinementm，top-down design strategy）

9 Refactoring/Reconstruction 重构

Do not change the external behavior of the code [design], but change its internal structure.

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。不改变代码的外部行为，而是改变其内部结构。

10 Object Oriented Design Concept 面向对象的设计概念

11 Design Class

User Interface class 用户接口类
Business domain class 业务领类
Process class 过程类
Presistent class 持久类
System class 系统类

Four characteristics of well-formed design class

Complete and sufficiency 完整性与充分性
Primitiveness 原始性
High cohesion & Low coupling 高内聚+低耦合

12 Dependence Inversion 依赖倒置

高层模块（类）不应当（直接）依赖于低层模块，两者都应当依赖于抽象。
抽象不应当依赖于细节，细节应当依赖于抽象。

13 Design for Test

测试要快，失败要快，调整要快

11.4 The Design Model 设计模型

体系结构设计元素 Architecture design elements

Application domain information 应用域信息
Specific requirements model elements 特定的需求模型元素
Architecture pattern 体系结构模型

接口设计元素 Interface design elements

User Interface UI设计
External interfaces with other systems 外部接口
Internal interfaces 内部借口

构建级设计元素 Component-level design elements

defines data structures 定义数据结构
defines algorithm details 定义算法细节
Define interfaces (that allow access to all component operations) 接口

软件体系结构设计元素为我们提供了软件的整体视图。

软件接口设计元素描述了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。

UML Class Diagram中的接口

ch12 Architectural Design

12.3 Architectural Styles

Data-Centered Architectures 以数据为中心
Data-Flow Architectures 数据流
Call and Return Architectures 调用和返回体系结构
Object-Oriented Architectures 面向对象体系结构
Layered Architectures 层次体系结构

使用数据流进行体系结构映射 Data-Flow Architectures

两种信息流类型

变换型

信息沿着各种路径进入系统，这些路径称为输入流。

事务型

将外部信息转换成一个事务，对事务进行评估，并且根据评估结果，启动其中一条（也可能是若干条）动作路径流

变换型是线性的处理，事务型是分类处理

两者区别

ch13 Component-level Design

体系结构设计和构建级设计的联系：

13.1 Component

13.2 Designing Class-Based Components

Open-Closed Principle (OCP) 开闭原则

模块应该对外具有开放性，对内具有封闭性

Liskov Substitution Principle (LSP) Liskov替换原则

子类可以替换它们的基类

Dependency Inversion Principle (DIP) 依赖倒置原则

依赖于抽象，而非具体实现

Interface Segregation Principle (ISP) 接口分离原则

多个用户专用接口比一个通用接口要好

2021年考题

Cohesion & Coupling 内聚耦合汇总

内聚 (Cohesion) ：模块内部各个元素结合的紧密程度（由独立性弱到强排序）

巧合内聚 Coincident cohesion（低内聚，独立性弱）

将几个模块中的相同程序代码段独立出来建立的模块（无明显独立性）

逻辑内聚 Logic cohesion

完成一组逻辑相关任务的模块，由控制型参数来确定执行哪一种功能

事件内聚 Time cohesion

模块中的多个任务必须在一段时间内先后执行（有时间约束，无过程）

过程内聚 Process cohesion

模块内的多个任务必须按指定的过程执行

通信内聚 Communication cohesion

模块内所有处理元素都集中在某个数据结构的一块区域（选退课）

顺序内聚 Sequential cohesion

指一个模块完成多个功能，这些功能又必须顺序执行

功能内聚：Function cohesion（高内聚，独立性强）

一个模块中各个部分都是为完成一项具体功能而协同工作

耦合 (Coupling)：模块之间相互关联的程度（由独立性弱到强排序）

内容耦合 Content coupling（高耦合，独立性弱）

一个模块可以直接访问另一个模块的内部数据或内部功能

公共耦合 Public coupling

多个模块共同访问某些公共元素数据

外部耦合 External coupling

多个模块间需要遵循同样的外部约束

控制耦合 Control coupling

模块间的交互参数包含控制信息，可影响另一个模块的执行逻辑

标记耦合 Tag coupling

模块间传递特定的数据结构

数据耦合 Data coupling

模块间仅传递简单数据

非直接耦合 Indirect coupling（低耦合，独立性强）

两个模块可以相对独立工作

Cohesion: as the “single-mindedness” of a component.

Cohesion implies that a component or class encapsulates only attributes and operations

A qualitative measure of the closeness among components.

With the increase of component interdependence, the coupling degree of components will also increase.