軟件工程思想5
第五章 系 統(tǒng) 設 計 系統(tǒng)設計是把需求轉(zhuǎn)化為軟件系統(tǒng)的最重要的環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設計的優(yōu)劣在根本上決定了 軟件系統(tǒng)的質(zhì)量。就象“一切帝國主義都是紙老虎”那樣可以斷定“差的系統(tǒng)設計必定產(chǎn)生 差的軟件系統(tǒng)?！彼晕覀円ΡＷC系統(tǒng)設計“根正苗紅”，把一切左傾、右傾的設計思 潮消滅在萌芽狀態(tài)。 Windows NT的一位系統(tǒng)設計師擁有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，因為并不是每個程序員都有本事成為復雜軟件系統(tǒng)的設計師。 系統(tǒng)設計要比純粹的編程困難得多。即便你清楚客戶的需求，卻未必知道應該設計什么 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 年前蘇東坡大學士對西湖精采絕倫的系統(tǒng)設計，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)設計的四方面內(nèi)容：體系結構設計、模塊設計、數(shù)據(jù)結構與算法設計、 用戶界面設計。如果將軟件系統(tǒng)比喻為人體，那么： （1）體系結構就如同人的骨架。如果某個家伙的骨架是猴子，那么無論怎樣喂養(yǎng)和美容 ，這家伙始終都是猴子，不會成為人。 （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計之一是手，手只 有幾種動作，卻能做無限多的事情。人體中最糟糕的模塊設計之一是嘴巴，嘴巴將最有 價值但毫無相干的幾種功能如吃飯、說話、親吻混為一體，使之無法并行處理，真乃人 類之不幸。 （3）數(shù)據(jù)結構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 構與算法分布在體系結構和模塊中，它將協(xié)調(diào)系統(tǒng)的各個功能。人的耳朵和嘴巴雖然是 相對獨立的器官，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 話的功能（所以聾子天生就是啞巴），可人們卻又能用手勢代替說話。人體的數(shù)據(jù)結構 與算法設計真是十分神奇并且十分可笑。 （4）用戶界面就如同人的外表，最容易讓人一見鐘情或一見惡心。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 興風作浪，占去大半市場。有鑒于此，我們應該鼓勵女士多買化妝品（男士付錢）以獲 得更好的界面。 在進行系統(tǒng)設計時，我們要深情地關注軟件的質(zhì)量因素，如正確性與精確性、性能與 效率、易用性、可理解性與簡法性、可復用性與可擴充性等等。即使把系統(tǒng)設計做好了 ，也并不意味著就能產(chǎn)生好的軟件系統(tǒng)。在程序設計、測試、維護等環(huán)節(jié)還要做大量的 工作，無論哪個環(huán)節(jié)出了差錯，都會把好事搞砸了。據(jù)說上帝把所有的女士都設計成天 使，可是天使們在下凡時有些雙腳先著地，有些臉先著地。上帝的這一疏忽讓很多女孩 傷透了心。我們在開發(fā)軟件時，一定要吸取這個教訓。 5.1 體系結構設計 楊叔子院子曾這樣指點其弟子： 文學中有科學，音樂中有數(shù)學，漫畫中有現(xiàn)代數(shù)學的拓撲學。漫畫家可以“幾筆”就把 一個人畫出來，不管怎么美化或丑化，就是活像。為什么？因為那“幾筆”不是別的，而 是拓撲學中的特征不變量，這是事物最本質(zhì)的東西。 體系結構是軟件系統(tǒng)中最本質(zhì)的東西： （1）體系結構是對復雜事物的一種抽象。良好的體系結構是普遍適用的，它可以高效地 處理多種多樣的個體需求。一提起“房子”，我們的腦中馬上就會出現(xiàn)房子的印象（而不 是地洞的印象）?！胺孔印笔侨藗儗ψ∷藁蜣k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構和構造方式。 如果13億中國人民每個人都要用特別的方式構造奇異的房子，那么960萬平方公里的土地 將會變得千瘡百孔，終日不得安寧。 （2）體系結構在一定的時間內(nèi)保持穩(wěn)定。只有在穩(wěn)定的環(huán)境下，人們才能干點事情，社 會才能發(fā)展?？茖W告訴我們，宇宙間萬物無時無刻不在運動、飛行。由于我們的生活環(huán) 境在地球上保持相對穩(wěn)定，以致于我們可以無憂無慮地吃飯和睡覺，壓根就意識不到自 己是活生生的導彈。軟件開發(fā)最怕的就是需求變化，但“需求會發(fā)生變化”是個無法逃避 的現(xiàn)實。人們希望在需求發(fā)生變化時，最好只對軟件做些皮皮毛毛的修改，可千萬別改 動軟件的體系結構。就如人們對住宿的需求也會變動，你可以經(jīng)常改變房間的裝璜和擺 設，但不會在每次變動時都要去折墻、拆柱、挖地基。如果當需求發(fā)生變化時，程序員 不得不去修改軟件的體系結構，那么這個軟件的系統(tǒng)設計是失敗的。 良好的體系結構意味著普適、高效和穩(wěn)定。本節(jié)將論述兩種非常通用的軟件體系結構 ：層次結構和客戶機/服務器（Client/Server）結構。 5.1.1 層次結構 層次結構表達了這么一種常識：有些事情比較復雜，我們沒法一口氣干完，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。層次關系主要 有兩種：上下級關系和順序相鄰關系。 一、上下級關系的層次結構 我們從小學一直讀到博士研究生畢業(yè)，要讀20多年，可以分為五個層次。而范進的知 識結構只有兩層：“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 次的學生應該懂得所有低層次的知識，而處于低層次學生無法懂得所有高層次的知識。 圖5.1的層次結構存在上下級關系，如同在軍隊中，上級可以命令下級，而下級不能命令 上級。如果把圖5.1的層次結構當成是一個軟件系統(tǒng)的結構，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、順序相鄰關系的層次結構 順序相鄰關系的層次結構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。這種層次結構的經(jīng)典之作是計算機網(wǎng)絡的OSI參考模型，如圖5.2所示。為了 減少設計的復雜性，大多數(shù)網(wǎng)絡都按層（Layer）或級（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，而把如何實現(xiàn)這一服務的細節(jié)對上一層加以屏 蔽。一臺機器上的第n層與另一臺機器上的第n層進行對話。通話的規(guī)則就是第n層的協(xié)議 。數(shù)據(jù)不是從一臺機器的第n層直接傳送到另一臺機器的第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)，它進行實際的通訊。接收方則將數(shù)據(jù)和控制信息 逐層向上傳遞。 每一對相鄰層之間都有接口。接口定義了下層提供的原語操作和服務。當網(wǎng)絡設計者 在決定一個網(wǎng)絡應包含多少層，每一層應當做什么的時候，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現(xiàn)（Implementation ）來替換另一種完全不同的實現(xiàn)（如用衛(wèi)星信道來代替所有的電話線），只要新的實現(xiàn) 能向上層提供同一組服務就可以了。[Tanenbaum 1998] 考上“舉人”時已五十多歲了 復習報考“舉人”用了幾十年 圖5.1（a）從小學讀到博士存在的五個學習階段 圖5.1（b）范進的知識結構 圖5.2 計算機網(wǎng)絡的OSI參考模型 三、其它的層次結構 目前在大型商業(yè)應用軟件系統(tǒng)中還流行一種包含中間件（Middleware）的層次結構， 如圖5.3所示[Jacobson 1997]。中間件支持與平臺無關的分布式計算，可以用DCOM和CORBA對象來實現(xiàn)。 圖5.3 包含中間件的層次結構 5.1.2 客戶機/服務器結構 讓我們先回顧一下早期的電話系統(tǒng)。貝爾（Alexander Graham Bell）于1876年申請了電話專利。那時期的電話必須一對一對地賣，用戶自己在兩個電 話之間拉一根線。如果一個電話用戶想和其它幾個電話用戶通話，他必須拉n根單獨的線 到每個人的房子里。于是在很短的時間內(nèi)，城市里到處都是穿過房屋和樹木的混亂的電 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年開辦了第一個交換局。公司為每個客戶架設一條線。打電話時 ，客戶搖動電話的曲柄使電話公司辦公室的鈴響起來，操作員聽到鈴聲以后根據(jù)要求將 呼叫方和被呼叫方用跳線手工連接起來。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途電話，就出現(xiàn)了 二級交換局，以后進一步發(fā)展為多個二級交換局。[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程序，那么 圖5.4（b）就是典型的客戶機/服務器結構。注意這里客戶機和服務器都是指軟件而不是 指硬件（一臺計算機可以放多個客戶機和服務器軟件）。 客戶機/服務器結構存在兩個顯然的優(yōu)點： （1）以集中的方式高效率地管理通訊。前面講電話系統(tǒng)的故事就是要說明這一點。 （2）可以共享資源。比如在信息管理系統(tǒng)中，服務器將信息集中起來，任何客戶機都可 以通過訪問服務器而獲得所需的信息。 客戶機和服務器之間的通訊以“請求——響應”的方式進行?？蛻魴C先向服務器發(fā)起“請 求”（Request），服務器再響應（Response）這個請求，如圖5.5所示。 請求 響應 圖5.5 Client和Server之間的通訊以“請求——響應”的方式進行 采用“請求——響應”這種通訊方式的基本動機是為了解決“聚集”（Rendezvous）問題。 為了理解這一個問題，設想一個人試圖在分離的機器上啟動兩個程序并讓它們進行通訊 。還需記住，計算機的運行速度要比人的操作速度高出許多數(shù)量級。在他啟動第一個程 序后，該程序開始執(zhí)行并向?qū)Φ瘸绦虬l(fā)送消息。在幾個微秒內(nèi)，它便發(fā)現(xiàn)對等程序還不 存在，于是就發(fā)出一條錯誤消息，然后退出。此后，他啟動了第二個程序。不幸的是， 當?shù)诙€程序開始執(zhí)行時，它也找不到第一個程序（早已退出）。即使這兩個程序連續(xù) 地重新試著通訊，但由于它們的執(zhí)行速度那么高，以致于它們在同一瞬間聯(lián)系上的概率 非常低。在客戶機/服務器結構中，服務器在啟動后必須（無限期地）等待客戶機的“請 求”，因此就形成了“請求——響應”的通訊方式。 　　在Internet/Intranet領域，目前“瀏覽器—Web 服務器—數(shù)據(jù)庫服務器” 結構是一種非常流行的客戶機/服務器結構，如圖5.6所示。這種結構最大的優(yōu)點是：客 戶機統(tǒng)一采用瀏覽器，這不僅讓用戶使用方便，而且使得客戶機端不存在維護的問題。 當然，軟件開發(fā)布和維護的工作不是自動消失了，而是轉(zhuǎn)移到了Web 服務器端。在Web 服務器端，程序員要用腳本語言編寫響應頁面。例如用Microsoft的ASP語言查詢數(shù)據(jù)庫 服務器，將結果保存在Web 頁面中，再由瀏覽器顯示出來。 HTTP 請求 查詢 HTTP 響應 圖5.6 “瀏覽器—Web 服務器—數(shù)據(jù)庫服務器”結構 5.2 模 塊 設 計 在設計好軟件的體系結構后，就已經(jīng)在宏觀上明確了各個模塊應具有什么功能，應放 在體系結構的哪個位置。我們習慣地從功能上劃分模塊，保持“功能獨立”是模塊化設計 的基本原則。因為，“功能獨立”的模塊可以降低開發(fā)、測試、維護等階段的代價。但是 “功能獨立”并不意味著模塊之間保持絕對的孤立。一個系統(tǒng)要完成某項任務，需要各個 模塊相互配合才能實現(xiàn)，此時模塊之間就要進行信息交流。 比如手和腳是兩個“功能獨立”的模塊。沒有腳時，手照樣能干活。沒有手時，腳仍可 以走路。但如果希望跑得快，那么邁左腳時一定要伸右臂甩左臂，邁右腳時則要伸左臂 甩右臂。在設計一個模塊時不僅要考慮“這個模塊就該提供什么樣的功能”，還要考慮“這 個模塊應該怎樣與其它模塊交流信息”。 本節(jié)將論述評價模塊設計優(yōu)劣的三個特征因素：“信息隱藏”、“內(nèi)聚與耦合”和“封閉— —開放性”。 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能象中間打牌的同學 那么安靜，就不會影響到前排睡覺的同學。” 這個故事告訴我們，如果不想讓壞事傳播開來，就應該把壞事隱藏起來，“家丑不可外 揚”就是這個道理。為了盡量避免某個模塊的行為去干擾同一系統(tǒng)中的其它模塊，在設計 模塊時就要注意信息隱藏。應該讓模塊僅僅公開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接口設計來實現(xiàn)。一個模塊僅提供有限個接口（Interface） ，執(zhí)行模塊的功能或與模塊交流信息必須且只須通過調(diào)用公有接口來實現(xiàn)。如果模塊是 一個C++對象，那么該模塊的公有接口就對應于對象的公有函數(shù)。如果模塊是一個COM對 象，那么該模塊的公有接口就是COM對象的接口。一個COM對象可以有多個接口，而每個 接口實質(zhì)上是一些函數(shù)的集合。[Rogerson 1999] 美國也許是世界上丑聞最多的國家，因為它追求民主，不懂得“隱藏信息”。但美國又 是軟件產(chǎn)業(yè)最發(fā)...
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