軟件工程思想5
第五章 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)是把需求轉(zhuǎn)化為軟件系統(tǒng)的最重要的環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣在根本上決定了 軟件系統(tǒng)的質(zhì)量。就象“一切帝國(guó)主義都是紙老虎”那樣可以斷定“差的系統(tǒng)設(shè)計(jì)必定產(chǎn)生 差的軟件系統(tǒng)。”所以我們要努力保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)“根正苗紅”，把一切左傾、右傾的設(shè)計(jì)思 潮消滅在萌芽狀態(tài)。 Windows NT的一位系統(tǒng)設(shè)計(jì)師擁有8輛法拉利跑車，讓Microsoft公司的一些程序員十分眼紅。但 你只能羨慕而不能憤恨，因?yàn)椴⒉皇敲總€(gè)程序員都有本事成為復(fù)雜軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要比純粹的編程困難得多。即便你清楚客戶的需求，卻未必知道應(yīng)該設(shè)計(jì)什么 樣的軟件系統(tǒng)——既能掙最多的錢又能讓客戶滿意?！疤煜挛骱蠲朗呛贾荨?，千 年前蘇東坡大學(xué)士對(duì)西湖精采絕倫的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使杭州榮升為“天堂”，讓后人只剩下贊 嘆和破壞的份了。 本章講述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的四方面內(nèi)容：體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計(jì)、 用戶界面設(shè)計(jì)。如果將軟件系統(tǒng)比喻為人體，那么： （1）體系結(jié)構(gòu)就如同人的骨架。如果某個(gè)家伙的骨架是猴子，那么無(wú)論怎樣喂養(yǎng)和美容 ，這家伙始終都是猴子，不會(huì)成為人。 （2）模塊就如同人的器官，具有特定的功能。人體中最出色的模塊設(shè)計(jì)之一是手，手只 有幾種動(dòng)作，卻能做無(wú)限多的事情。人體中最糟糕的模塊設(shè)計(jì)之一是嘴巴，嘴巴將最有 價(jià)值但毫無(wú)相干的幾種功能如吃飯、說(shuō)話、親吻混為一體，使之無(wú)法并行處理，真乃人 類之不幸。 （3）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法就如同人的血脈和神經(jīng)，它讓器官具有生命并能發(fā)揮功能。數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)與算法分布在體系結(jié)構(gòu)和模塊中，它將協(xié)調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)功能。人的耳朵和嘴巴雖然是 相對(duì)獨(dú)立的器官，但如果耳朵失聰了，嘴巴就只能發(fā)出“啊”“嗚”的聲音，等于喪失了說(shuō) 話的功能（所以聾子天生就是啞巴），可人們卻又能用手勢(shì)代替說(shuō)話。人體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 與算法設(shè)計(jì)真是十分神奇并且十分可笑。 （4）用戶界面就如同人的外表，最容易讓人一見(jiàn)鐘情或一見(jiàn)惡心。象人類追求心靈美和 外表美那樣，軟件系統(tǒng)也追求（內(nèi)在的）功能強(qiáng)大和（外表的）界面友好。但隨著生活 節(jié)奏的加快，人們已少有興趣去品味深藏不露的內(nèi)在美。如果把Unix系統(tǒng)比作是健壯的 漢子和婦人，那么Windows系統(tǒng)就象嫵媚的小白臉和狐貍精。想不到Windows系統(tǒng)竟然能 興風(fēng)作浪，占去大半市場(chǎng)。有鑒于此，我們應(yīng)該鼓勵(lì)女士多買化妝品（男士付錢）以獲 得更好的界面。 在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，我們要深情地關(guān)注軟件的質(zhì)量因素，如正確性與精確性、性能與 效率、易用性、可理解性與簡(jiǎn)法性、可復(fù)用性與可擴(kuò)充性等等。即使把系統(tǒng)設(shè)計(jì)做好了 ，也并不意味著就能產(chǎn)生好的軟件系統(tǒng)。在程序設(shè)計(jì)、測(cè)試、維護(hù)等環(huán)節(jié)還要做大量的 工作，無(wú)論哪個(gè)環(huán)節(jié)出了差錯(cuò)，都會(huì)把好事搞砸了。據(jù)說(shuō)上帝把所有的女士都設(shè)計(jì)成天 使，可是天使們?cè)谙路矔r(shí)有些雙腳先著地，有些臉先著地。上帝的這一疏忽讓很多女孩 傷透了心。我們?cè)陂_(kāi)發(fā)軟件時(shí)，一定要吸取這個(gè)教訓(xùn)。 5.1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 楊叔子院子曾這樣指點(diǎn)其弟子： 文學(xué)中有科學(xué)，音樂(lè)中有數(shù)學(xué)，漫畫中有現(xiàn)代數(shù)學(xué)的拓?fù)鋵W(xué)。漫畫家可以“幾筆”就把 一個(gè)人畫出來(lái)，不管怎么美化或丑化，就是活像。為什么？因?yàn)槟恰皫坠P”不是別的，而 是拓?fù)鋵W(xué)中的特征不變量，這是事物最本質(zhì)的東西。 體系結(jié)構(gòu)是軟件系統(tǒng)中最本質(zhì)的東西： （1）體系結(jié)構(gòu)是對(duì)復(fù)雜事物的一種抽象。良好的體系結(jié)構(gòu)是普遍適用的，它可以高效地 處理多種多樣的個(gè)體需求。一提起“房子”，我們的腦中馬上就會(huì)出現(xiàn)房子的印象（而不 是地洞的印象）。“房子”是人們對(duì)住宿或辦公環(huán)境的一種抽象。不論是辦公樓還是民房 ，同一類建筑物（甚至不同類的建筑物）之間都具有非常相似的體系結(jié)構(gòu)和構(gòu)造方式。 如果13億中國(guó)人民每個(gè)人都要用特別的方式構(gòu)造奇異的房子，那么960萬(wàn)平方公里的土地 將會(huì)變得千瘡百孔，終日不得安寧。 （2）體系結(jié)構(gòu)在一定的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。只有在穩(wěn)定的環(huán)境下，人們才能干點(diǎn)事情，社 會(huì)才能發(fā)展?？茖W(xué)告訴我們，宇宙間萬(wàn)物無(wú)時(shí)無(wú)刻不在運(yùn)動(dòng)、飛行。由于我們的生活環(huán) 境在地球上保持相對(duì)穩(wěn)定，以致于我們可以無(wú)憂無(wú)慮地吃飯和睡覺(jué)，壓根就意識(shí)不到自 己是活生生的導(dǎo)彈。軟件開(kāi)發(fā)最怕的就是需求變化，但“需求會(huì)發(fā)生變化”是個(gè)無(wú)法逃避 的現(xiàn)實(shí)。人們希望在需求發(fā)生變化時(shí)，最好只對(duì)軟件做些皮皮毛毛的修改，可千萬(wàn)別改 動(dòng)軟件的體系結(jié)構(gòu)。就如人們對(duì)住宿的需求也會(huì)變動(dòng)，你可以經(jīng)常改變房間的裝璜和擺 設(shè)，但不會(huì)在每次變動(dòng)時(shí)都要去折墻、拆柱、挖地基。如果當(dāng)需求發(fā)生變化時(shí)，程序員 不得不去修改軟件的體系結(jié)構(gòu)，那么這個(gè)軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是失敗的。 良好的體系結(jié)構(gòu)意味著普適、高效和穩(wěn)定。本節(jié)將論述兩種非常通用的軟件體系結(jié)構(gòu) ：層次結(jié)構(gòu)和客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server）結(jié)構(gòu)。 5.1.1 層次結(jié)構(gòu) 層次結(jié)構(gòu)表達(dá)了這么一種常識(shí)：有些事情比較復(fù)雜，我們沒(méi)法一口氣干完，就把事情 分為好幾層，一層一層地去做。高層的工作總是建立在低層的工作之上。層次關(guān)系主要 有兩種：上下級(jí)關(guān)系和順序相鄰關(guān)系。 一、上下級(jí)關(guān)系的層次結(jié)構(gòu) 我們從小學(xué)一直讀到博士研究生畢業(yè)，要讀20多年，可以分為五個(gè)層次。而范進(jìn)的知 識(shí)結(jié)構(gòu)只有兩層：“私塾”和“秀才”，但讀了五十多年，如圖5.1所示。一般地處于較高層 次的學(xué)生應(yīng)該懂得所有低層次的知識(shí)，而處于低層次學(xué)生無(wú)法懂得所有高層次的知識(shí)。 圖5.1的層次結(jié)構(gòu)存在上下級(jí)關(guān)系，如同在軍隊(duì)中，上級(jí)可以命令下級(jí)，而下級(jí)不能命令 上級(jí)。如果把圖5.1的層次結(jié)構(gòu)當(dāng)成是一個(gè)軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，那么上層子系統(tǒng)可以使用下 層子系統(tǒng)的功能，而下層子系統(tǒng)不能夠使用上層子系統(tǒng)的功能。 二、順序相鄰關(guān)系的層次結(jié)構(gòu) 順序相鄰關(guān)系的層次結(jié)構(gòu)表明通訊只能在相鄰兩層之間發(fā)生，信息只能被一層一層地 順序傳遞。這種層次結(jié)構(gòu)的經(jīng)典之作是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的OSI參考模型，如圖5.2所示。為了 減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)都按層（Layer）或級(jí)（Level）的方式組織。每一層的 目的都是向它的上一層提供一定的服務(wù)，而把如何實(shí)現(xiàn)這一服務(wù)的細(xì)節(jié)對(duì)上一層加以屏 蔽。一臺(tái)機(jī)器上的第n層與另一臺(tái)機(jī)器上的第n層進(jìn)行對(duì)話。通話的規(guī)則就是第n層的協(xié)議 。數(shù)據(jù)不是從一臺(tái)機(jī)器的第n層直接傳送到另一臺(tái)機(jī)器的第n層。發(fā)送方把數(shù)據(jù)和控制信 息逐層向下傳遞。最低層是物理介質(zhì)，它進(jìn)行實(shí)際的通訊。接收方則將數(shù)據(jù)和控制信息 逐層向上傳遞。 每一對(duì)相鄰層之間都有接口。接口定義了下層提供的原語(yǔ)操作和服務(wù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者 在決定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)包含多少層，每一層應(yīng)當(dāng)做什么的時(shí)候，其中很重要的工作是在相鄰 層之間定義清晰的接口。接口可以使得同一層能輕易地用某一種實(shí)現(xiàn)（Implementation ）來(lái)替換另一種完全不同的實(shí)現(xiàn)（如用衛(wèi)星信道來(lái)代替所有的電話線），只要新的實(shí)現(xiàn) 能向上層提供同一組服務(wù)就可以了。[Tanenbaum 1998] 考上“舉人”時(shí)已五十多歲了 復(fù)習(xí)報(bào)考“舉人”用了幾十年 圖5.1（a）從小學(xué)讀到博士存在的五個(gè)學(xué)習(xí)階段 圖5.1（b）范進(jìn)的知識(shí)結(jié)構(gòu) 圖5.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的OSI參考模型 三、其它的層次結(jié)構(gòu) 目前在大型商業(yè)應(yīng)用軟件系統(tǒng)中還流行一種包含中間件（Middleware）的層次結(jié)構(gòu)， 如圖5.3所示[Jacobson 1997]。中間件支持與平臺(tái)無(wú)關(guān)的分布式計(jì)算，可以用DCOM和CORBA對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖5.3 包含中間件的層次結(jié)構(gòu) 5.1.2 客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu) 讓我們先回顧一下早期的電話系統(tǒng)。貝爾（Alexander Graham Bell）于1876年申請(qǐng)了電話專利。那時(shí)期的電話必須一對(duì)一對(duì)地賣，用戶自己在兩個(gè)電 話之間拉一根線。如果一個(gè)電話用戶想和其它幾個(gè)電話用戶通話，他必須拉n根單獨(dú)的線 到每個(gè)人的房子里。于是在很短的時(shí)間內(nèi)，城市里到處都是穿過(guò)房屋和樹(shù)木的混亂的電 話線。很明顯，企圖把所有的電話完全互聯(lián)（如圖5.4（a）所示）是行不通的。 貝爾電話公司在1878年開(kāi)辦了第一個(gè)交換局。公司為每個(gè)客戶架設(shè)一條線。打電話時(shí) ，客戶搖動(dòng)電話的曲柄使電話公司辦公室的鈴響起來(lái)，操作員聽(tīng)到鈴聲以后根據(jù)要求將 呼叫方和被呼叫方用跳線手工連接起來(lái)。這種集中交換式的模型如圖5.4（b）所示。很 快地，貝爾系統(tǒng)的交換局就出現(xiàn)在各地。人們又要求能打城市間的長(zhǎng)途電話，就出現(xiàn)了 二級(jí)交換局，以后進(jìn)一步發(fā)展為多個(gè)二級(jí)交換局。[Tanenbaum 1998] 5.4（a）完全互聯(lián)的電話系統(tǒng) 5.4（b）集中交換式的電話系統(tǒng) 如果將圖5.4（b）中的電話看成是客戶程序，將中心的交換局看成是服務(wù)程序，那么 圖5.4（b）就是典型的客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。注意這里客戶機(jī)和服務(wù)器都是指軟件而不是 指硬件（一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以放多個(gè)客戶機(jī)和服務(wù)器軟件）。 客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)存在兩個(gè)顯然的優(yōu)點(diǎn)： （1）以集中的方式高效率地管理通訊。前面講電話系統(tǒng)的故事就是要說(shuō)明這一點(diǎn)。 （2）可以共享資源。比如在信息管理系統(tǒng)中，服務(wù)器將信息集中起來(lái)，任何客戶機(jī)都可 以通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器而獲得所需的信息。 客戶機(jī)和服務(wù)器之間的通訊以“請(qǐng)求——響應(yīng)”的方式進(jìn)行?？蛻魴C(jī)先向服務(wù)器發(fā)起“請(qǐng) 求”（Request），服務(wù)器再響應(yīng)（Response）這個(gè)請(qǐng)求，如圖5.5所示。 請(qǐng)求 響應(yīng) 圖5.5 Client和Server之間的通訊以“請(qǐng)求——響應(yīng)”的方式進(jìn)行 采用“請(qǐng)求——響應(yīng)”這種通訊方式的基本動(dòng)機(jī)是為了解決“聚集”（Rendezvous）問(wèn)題。 為了理解這一個(gè)問(wèn)題，設(shè)想一個(gè)人試圖在分離的機(jī)器上啟動(dòng)兩個(gè)程序并讓它們進(jìn)行通訊 。還需記住，計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度要比人的操作速度高出許多數(shù)量級(jí)。在他啟動(dòng)第一個(gè)程 序后，該程序開(kāi)始執(zhí)行并向?qū)Φ瘸绦虬l(fā)送消息。在幾個(gè)微秒內(nèi)，它便發(fā)現(xiàn)對(duì)等程序還不 存在，于是就發(fā)出一條錯(cuò)誤消息，然后退出。此后，他啟動(dòng)了第二個(gè)程序。不幸的是， 當(dāng)?shù)诙€(gè)程序開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，它也找不到第一個(gè)程序（早已退出）。即使這兩個(gè)程序連續(xù) 地重新試著通訊，但由于它們的執(zhí)行速度那么高，以致于它們?cè)谕凰查g聯(lián)系上的概率 非常低。在客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)中，服務(wù)器在啟動(dòng)后必須（無(wú)限期地）等待客戶機(jī)的“請(qǐng) 求”，因此就形成了“請(qǐng)求——響應(yīng)”的通訊方式。 　　在Internet/Intranet領(lǐng)域，目前“瀏覽器—Web 服務(wù)器—數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器” 結(jié)構(gòu)是一種非常流行的客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，如圖5.6所示。這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是：客 戶機(jī)統(tǒng)一采用瀏覽器，這不僅讓用戶使用方便，而且使得客戶機(jī)端不存在維護(hù)的問(wèn)題。 當(dāng)然，軟件開(kāi)發(fā)布和維護(hù)的工作不是自動(dòng)消失了，而是轉(zhuǎn)移到了Web 服務(wù)器端。在Web 服務(wù)器端，程序員要用腳本語(yǔ)言編寫響應(yīng)頁(yè)面。例如用Microsoft的ASP語(yǔ)言查詢數(shù)據(jù)庫(kù) 服務(wù)器，將結(jié)果保存在Web 頁(yè)面中，再由瀏覽器顯示出來(lái)。 HTTP 請(qǐng)求 查詢 HTTP 響應(yīng) 圖5.6 “瀏覽器—Web 服務(wù)器—數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器”結(jié)構(gòu) 5.2 模 塊 設(shè) 計(jì) 在設(shè)計(jì)好軟件的體系結(jié)構(gòu)后，就已經(jīng)在宏觀上明確了各個(gè)模塊應(yīng)具有什么功能，應(yīng)放 在體系結(jié)構(gòu)的哪個(gè)位置。我們習(xí)慣地從功能上劃分模塊，保持“功能獨(dú)立”是模塊化設(shè)計(jì) 的基本原則。因?yàn)?，“功能?dú)立”的模塊可以降低開(kāi)發(fā)、測(cè)試、維護(hù)等階段的代價(jià)。但是 “功能獨(dú)立”并不意味著模塊之間保持絕對(duì)的孤立。一個(gè)系統(tǒng)要完成某項(xiàng)任務(wù)，需要各個(gè) 模塊相互配合才能實(shí)現(xiàn)，此時(shí)模塊之間就要進(jìn)行信息交流。 比如手和腳是兩個(gè)“功能獨(dú)立”的模塊。沒(méi)有腳時(shí)，手照樣能干活。沒(méi)有手時(shí)，腳仍可 以走路。但如果希望跑得快，那么邁左腳時(shí)一定要伸右臂甩左臂，邁右腳時(shí)則要伸左臂 甩右臂。在設(shè)計(jì)一個(gè)模塊時(shí)不僅要考慮“這個(gè)模塊就該提供什么樣的功能”，還要考慮“這 個(gè)模塊應(yīng)該怎樣與其它模塊交流信息”。 本節(jié)將論述評(píng)價(jià)模塊設(shè)計(jì)優(yōu)劣的三個(gè)特征因素：“信息隱藏”、“內(nèi)聚與耦合”和“封閉— —開(kāi)放性”。 5.2.1 信息隱藏 在一節(jié)不和諧的課堂里，老師嘆氣道：“要是坐在后排聊天的同學(xué)能象中間打牌的同學(xué) 那么安靜，就不會(huì)影響到前排睡覺(jué)的同學(xué)?！?這個(gè)故事告訴我們，如果不想讓壞事傳播開(kāi)來(lái)，就應(yīng)該把壞事隱藏起來(lái)，“家丑不可外 揚(yáng)”就是這個(gè)道理。為了盡量避免某個(gè)模塊的行為去干擾同一系統(tǒng)中的其它模塊，在設(shè)計(jì) 模塊時(shí)就要注意信息隱藏。應(yīng)該讓模塊僅僅公開(kāi)必須要讓外界知道的內(nèi)容，而隱藏其它 一切內(nèi)容。 模塊的信息隱藏可以通過(guò)接口設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)模塊僅提供有限個(gè)接口（Interface） ，執(zhí)行模塊的功能或與模塊交流信息必須且只須通過(guò)調(diào)用公有接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果模塊是 一個(gè)C++對(duì)象，那么該模塊的公有接口就對(duì)應(yīng)于對(duì)象的公有函數(shù)。如果模塊是一個(gè)COM對(duì) 象，那么該模塊的公有接口就是COM對(duì)象的接口。一個(gè)COM對(duì)象可以有多個(gè)接口，而每個(gè) 接口實(shí)質(zhì)上是一些函數(shù)的集合。[Rogerson 1999] 美國(guó)也許是世界上丑聞最多的國(guó)家，因?yàn)樗非竺裰?，不懂得“隱藏信息”。但美國(guó)又 是軟件產(chǎn)業(yè)最發(fā)...
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