面向对象分析与设计——对象模型


2           对象模型

 对象模型包括：抽象、封装、模块化、层次结构、类型、并发和持久

 

2.1   对象模型的演进

OO建立在以前技术的最佳思想之上。两大趋势：小规模→大规模；高级程序设计语言；

2.1.1    程序设计语言的换代

第一代（1954~1985）：科学和工程应用，公式计算

FORTRANⅠ： 数学表达式

第二代(1959~1961)：算法抽象

FORTRANⅡ：子程序、单独编译
ALGOL60：块结构、数据类型
COBOL：数据描述、文件处理
Lisp：列表处理、指针、垃圾收集，基于λ演算的函数式编程语言，在CAD软件上应用广泛(AUTOCAD二次开发用)，括号+语法树；程序看作数据；          

第三代(1962~1970)：数据抽象

Pascal：ALGOL60的简单继承者
Simula：类、数据抽象

代沟(1970~1980)

C：高效、可执行程序小
FORTRAN77：ANSI标准

OO兴盛(1980~1990)

Smalltalk：纯OO，在Smalltalk中所有的东西都是对象，或者应该被当作对象处理。例如表达式：2 + 3，应当被理解为：向对象2发送消息+，参数为对象3。                             对Objective-C、Java 、Ruby等有推动；开发思想：模式、XP、重构等
C++：从C和Simula发展而来

FrameWork的出现(1990~现在)

VB，Java，Python，J2EE，.NET，C#，VB.NET

 

2.1.2    第一代和第二代早期程序设计语言的拓扑结构


基本物理构成单元：子程序（对COBOL而言，称之为段落）
物理结构 = 全局数据 + 子程序

2.1.3    第二代后期和第三代早期程序设计语言的结构


子程序作为一种抽象机制
→ 开始发明支持参数传递机制的语言
→ 奠定了结构化设计的基础
在语言上支持嵌套子程序，并在控制结构和声明的可见性方面发展
→ 出现了结构化设计方法，利用子程序作为基本构建块 

2.1.4    第三代后期程序设计语言的结构


大规模编译 → 独立开发同一程序的不同部分 → 独立编译的模块
此阶段，模块只是用于最有可能同时改变的子程序分组，非抽象机制
虽支持模块化，但鲜有规则要求模块间接口的语义一致性；
对数据抽象和强类型支持得不好，错误只有在运行期才能被检测出来。

2.1.5    基于对象和面向对象的程序设计语言的结构

              

                       中小型应用                                                   大型应用

 

构建块是模块，表现为逻辑上的一组类或对象，而非子程序。
过程、函数是动词，数据是名词 → 面向过程(procedure-oriented)围绕动词，OO围绕名词
中小型OO应用的物理结构表现为一个图，而非树；几乎无全局数据；数据和操作在单元中
对巨型编程，对象模型在规模上扩展；一组抽象可构建在另一组抽象层智商；一组抽象协作，实现更高层行为；即第一章中描述的复杂性的组成方式；

 

2.2   对象模型的基础

对象模型是普适的（UI/DB/computer architectures）；
算法分解处理大量复杂问题时能力有限；
C++/JAVA作为面向算法使用会丧失威力；

何为对象：存在一些不变的特性，来刻画一个对象和它的行为；

2.2.1    面向对象编程

OOP的要点：    

  • 对象最为基本逻辑构建块；（组成层次结构）
  • 每个对象都是类的一个实例；
  • 类之间通过继承关联；（是一个层次结构）

支持OOP语言的需求：

  • 支持对象，这些对象具有命名的操作结构和隐藏的内部状态的数据抽象
    （It supports objects that are dataabstractions with an interface of named operations and a hidden local state.）
  • 对象有相关的类型[类]
  • 类型[类]可以从超类型(supertypes)[超类(superclasses)]中继承属性

2.2.2    面向对象设计

两个要点：

  • OOAD导致OO分解；(类和对象抽象VS结构化设计的算法抽象)
  • 使用不同表示法来表达系统逻辑特征(类和对象结构)和物理设计(模块和处理架构)的不同模型，以及系统的静态和动态特征 

2.2.3    面向对象分析

结构化分析关注系统中的数据流；OOA重点在构建真是世界的模型，开发更早阶段就考虑。

三方面的关系：OOA的结果作为开始OOD的模型，OOD的结果作为蓝图，利用OOP最终实现一个系统。

 

2.3   对象模型的要素

编程风格(programming style)：一种组织程序的方式，基于某种编程概念模型和一种适合的语言，其目的是使得用这种风格编写的程序很清晰(away of organizing programs on the basis of some conceptual model of programming and an appropriate language to make programs written in the style clear)

  • 面向过程(Procedure)算法；适用于计算密集型
  • 面向对象(Object)        类和对象；应用范围广，常作为架构框架
  • 面向逻辑(Logic)         目标，通常以谓词演算(predicate calculus)的方式表示；λ表达式，如Lisp，Prolog
  • 面向规则(Rule)如果-那么(If–then)规则；适用于知识库
  • 面向约束(Constraint)不变的关系(Invariant relationships)

对象模型的4个主要要素：抽象、封装、模块化、层次结构

3个次要要素：类型、并发、持久

 

2.3.1    抽象的意义

 抽象描述了一个对象的基本特征，可以讲这个对象与所有其他类型的对象区分开来，因此提供了清晰定义的概念边界，它与观察者的视角有关。
 抽象壁垒(abstraction barrier)：分离对象的基本行为和它的实现
最少承诺(least commitment)：对象的接口只提供它的基本行为
最少惊奇(least astonishment)：抽象捕捉某对象的全部(entire)行为，不多不少，不提供抽象之外的惊奇效果或副作用 

  • 实体抽象问题域或解决方案域实体的一个有用的模型
  • 动作抽象提供一组通用的操作，所有这些操作都有同类的功能
  • 虚拟机抽象集中了某种高层控制要用到的所有操作，或这些操作将利用更低层的操作集
  • 偶然抽象封装了一些相互间没有关系的操作 

从客户端角度，集中关注对象的外部试图
→     编程契约模型(contract model of programming)
→     外部视图定义了契约，其他对象依赖该契约，该对象通过内部视图来实现契约。契约包含了对象的责任，即它的可靠的行为

 

协议：可调用的操作集 + 合法的调用顺序；→ 构成了完整的静态和动态外部视图；
抽象思想的核心：不变性；前置条件（客户的责任） 后置条件（服务器的责任）


   C++：成员函数 = Smalltalk：方法(method) = Ada：操作(operation)

   C++：数据成员 = Smalltalk：实例变量(instance variable) = Java/Object Pascal：字段/域(filed)   

 

2.3.2    封装的意义

对象的抽象优先于实现决定；

       信息隐藏：对象的结构和方法的实现都是隐藏的；
       封装 → 不同抽象间提供了明确的边界 → 分离关注
       类的两部门：接口(描述外部视图，共同行为的抽象)+实现(抽象的表示，实现行为的机制)
       封装是一个过程，它分隔构成抽象的结构和行为的元素。封装的作用是分离抽象的概念接口及其实现。

2.3.3    模块化的意义

在程序内部创造一些定义良好的、有文档描述的边界（接口）
Smalltalk：无模块概念，类就组成了分解的唯一物理单元
Java：包；
C++：模块为独立的语言结构

       将逻辑上相关的类和对象放在同一个模块中。随意模块化比不实现模块化更糟；
       分解为模块的目标是：允许模块独立设计和修改，从而减少软件的成本。
       每个模块应足够简单：能被完全理解；在不知道其他模块的实现，并不影响其他模块行为的情况下，修改其实现。
       模块编译成本小，编译模块接口成本高 → 接口尽量小 

       模块化是一个系统的属性，这个系统被分解为一组高内聚、低耦合的模块。

2.3.4    层次结构的意义

层次结构是抽象的一种分级或排序。

  • 单继承：

类的两种客户：对象(调用类的实例方法)，子类(继承该类)

封装被打破的三种方式：

子类可能访问其超类的实例变量；可调用其超类的私有操作；直接引用其超类的超类；

  •  多继承：

       混入类的概念？

       多重继承的问题：名字冲突、重复继承

名字冲突：不同超类具有同样名字的属性或操作

class A {
public:      
       A() { mVal = 1; }
       void F() {cout<<"A::F()"<<endl; }
       int mVal;
};
class B {
public:
       B() { mVal = 2; }
       void F() {cout<<"B::F()"<<endl; }
       int mVal;
};
class C : public A, publicB {
};
void main()
{
       C test;
      test.A::F();
      test.B::F();
       cout<<test.A::mVal<<" "<<test.B::mVal<<endl;
}


重复继承：钻石型继承

class A{
public:
       A (intx) : m_x(x) {}
       void F() {cout<<"A::F"<<endl; }
       int m_x;    
};
class B : public A {
public:
       B (intx) :A(x) {}
       void set(intx) {m_x =x; }
};
class C : public A {
public:
       C (intx) :A(x) {}
       int get(void) {returnm_x; }
};
class D : public B, publicC {
public:
       D (intx) :B(x),C(x) {}
};
void main(void) {
       D d(10);
       d.set(20);
       cout << d.get() << endl;
       d.F();//<-error C2385: 对“F”的访问不明确
}
在构建d对象时，里面存在两个A类基类子对象，尽管成员函数不存放在类中而在代码段，并且只会有一份，但是编译器不知道，他会作为两个继承函数来处理，用d.F()来访问时，编译器便不知道访问的是哪一个基类子对象里的F()     

解决方案：

class B : virtual public A//虚继承
class C : virtual public A//虚继承
D(int x) : B(x),C(x),A(x) {}

在这个过程中，A对象只在D的初始化表中A（x）进行构造（虚基类最先被构造），而在B和C的初始化表中不再对A进行构造（实际上是都有一个指针指向了D中的A（x）,来对A进行构造） 

  • 聚合：

聚合允许对逻辑结构进行物理分组；而继承允许这些共同的部分在不同的抽象中被复用。
两种关系状态：
     植物园与植物（植物可独立存在，生命周期无关）
     植物园与培育计划（计划不可独立存在）

2.3.5    类型的意义

类型是关于一个对象的类的强制规定，不同类型的对象不能够互换使用，或至少它们的互换使用受到非常严格的限制。
利用多态可缓解运行时类型识别的需要。 

【类型一致性】：强类型、弱类型、无类型

强/弱类型是指类型检查的严格程度的。语言有无类型，弱类型和强类型三种。无类型的不检查，甚至不区分指令和数据。弱类型的检查很弱，仅能严格的区分指令和数据。强类型的则严格的在编译期进行检查。
强类型语言：在没有强制类型转化前，不允许两种不同类型的变量相互操作。
强类型的好处：更安全、早期错误检查、增强可读性、编译器生成的目标代码的效率更佳
强类型往往成为类型安全的同义词，然而，类型安全与动态类型并不互相排斥。

【名字与类型绑定的时间】：静态类型(编译时固定)、动态类型(延迟绑定，运行时)

  • Ada：强类型 + 静态类型
  • C++： 强类型 +支持动态类型
  • Java：强类型 + 支持动态类型
  • Smalltalk：无类型 + 动态类型
  • Perl、PHP：弱类型 + 动态类型
  • Python：强类型 + 动态类型

       一般而言，开发者社群说到动态语言，大致认同的一个定义是：“程序运行时，允许改变程序结构或变量类型，这种语言称为动态语言”。从这个观点看，Perl，Python，Ruby是动态语言，C++，Java，C#不是动态语言。

       某些静态语言有一个“后门”，在这些编程语言中，能够编写一些不被静态类型所检查的代码。例如，Java和C-风格的语言有“转型”可用。在静态类型的编程语言中，不必然意味着缺乏动态类型机制。例如 Java 使用静态类型，但某些运算需要支持运行时期的类型测试，这就是动态类型的一种形式。

       C++是一种使用非常广泛的电脑程序设计语言。它是一种静态数据类型检查的，支持多范型的通用程序设计语言。C++支持过程化程序设计、数据抽象化、面向对象程序设计、泛型程序设计、基于原则设计等多种程序设计风格。

     C++ 的多态又分成静态多态（Static Polymorphism）与动态多态（DynamicPolymorphism）。动态多态必须结合继承和动态绑定（Dynamic Binding）方式实现。静态多态是指以模板（template）实现多态的方法，也就是参数化的型态（Parameterized Types），属于编译前（pre-compile）的多态，是使用宏（marco）的“代码膨胀法”达到多态效果。类型转换（type cast）也是一种区域（ad hoc）多态的概念，C++提供 dynamic_cast,static_cast等运算对象来实现类型转换（Coercion）。运算对象重载（operatoroverloading）或函数重载（function overloading）也算是多态的概念。

       C++是部分动态的，是编译时静态绑定，通过嵌入类(多重继承)和虚函数(虚表)来模拟实现。

 

       JAVA有着一个非常突出的动态相关机制：Reflection，用在Java身上指的是我们可以于运行时加载、探知、使用编译期间完全未知的classes。换句话说，Java程序可以加载一个运行时才得知名称的class，获悉其完整构造（但不包括methods定义），并生成其对象实体、或对其fields设值、或唤起其methods。

       Java反射机制主要提供了以下功能：

  • 在运行时判断任意一个对象所属的类；
  • 在运行时构造任意一个类的对象；
  • 在运行时判断任意一个类所具有的成员变量和方法；
  • 在运行时调用任意一个对象的方法；生成动态代理。

2.3.6    并发的意义

并发三级别：语言原生支持、使用类库、利用中断实现假象

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【并发concurrent VS 并行parallelism】

并发性是指两个或多个事件在同一时间段内发生
并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生
并发性，又称共行性，是指能处理多个同时性活动的能力；
并行，是指同时发生的两个并发事件，具有并发的含义，而并发则不一定并行，也亦是说并发事件之间不一定要同一时刻发生。（如在同一个cpu上同时运行多个程序，不是真正的同时，而是看来是同时，因为cpu要在多个程序间切换）

线程机制支持并发程序设计，在多处理器系统上，它也能保证真正的并行处理

2.3.7    持久的意义

持久是对象的属性，它使得对象可以跨越时空存在。

持久的谱系：

        表达式计算的瞬时结果
        局部变量
        自由变量、全局变量、堆中的值
         ------------以上为传统编程语言关注的持久----------------
        程序执行之间存在的数据
        程序的不同版本之间存在的数据
        比程序生命期长的数据
        ------------以上通常为数据库技术关注的领域----------------

 

持久层（Persistence）

只是一个逻辑概念，即在系统逻辑层面上，专著于实现数据持久化的一个相对独立领域。负责向（或者从）一个或者多个数据存储器中存储/获取数据的一组类和组件。

数据持久化

一个动作，将内存中的数据模型转换为存储模型，就是把数据长期保存起来；以及，将存储模型转换为内存中的数据模型的统称.

数据模型

可以是任何数据结构或对象模型,存储模型可以是关系模型、XML、二进制流等。

表现层（UI）、业务逻辑层（BLL）、数据访问层（DAL）

DAO(DataAccess Object) 封装了访问数据库对象的接口，相当于一个通道，它可能会使用JDBC、Hinernate、iBatisa等工具来实现。而DAL 是指 Data Access Layer，是把所有和数据库操作（类似Insert、update、select）的业务逻辑封装，是一个逻辑上的概念，是为了设计规范、系统扩展方便的需要

Hibernate框架

是一个开放源代码的对象关系映射框架，它对JDBC（Java Data Base Connectivity,java数据库连接）进行了非常轻量级的对象封装，使得Java程序员可以随心所欲的使用对象编程思维来操纵数据库。Hibernate可以在应用EJB的J2EE架构中取代CMP，完成数据持久化的重任。对象上数据的修改，Hibernate框架会把这种修改同步到数据库中。

附表：

对象模型元素

    特性     

     SmallTalk       

          C++          

         JAVA         

抽象(Abstraction)

实例变量

是

是

是

实例方法

是

是

是

类变量

是

是

是

类方法

是

是

是

    封装(Encapsulation)    

变量的

私有

公保私

公保私包

方法的

公开

公保私

公保私包

模块化(Modularity)

模块的种类

无

文件

文件

层次(Hierarchy)

继承

单

多

单

泛型单元

否

是

是

元类(Metaclasses)

是

否

否

类型化(Typing)

强类型化

否

是

否

    多态(Polymorphism)    

是(单)

是(单)

是(单)

并发(Concurrency)

多任务(Multitasking)

间接(通过类)

间接(通过类)

是

持久化(Persistence)

持久对象

否

否

否

 

2.4   应用对象模型

2.4.1    对象模型的好处

发挥基于对象和面向对象编程语言的能力
有利于软件复用，设计复用
有利于系统演化式发展，而非抛弃型重做
集成散布在生命周期的各个时刻
分离关注减少了开发风险

2.4.2    开放式问题

什么是类和对象？              第3章 类与对象
如何正确确定类和对象？第4章 分类
怎样的表示法适合OOD？第5章 表示法
怎样的过程可以得到结构良好的OO系统？第6章 过程
使用OOD对管理层意味着什么？第7章 实战

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