? ? 結構化軟件開發是一種傳統且經典的軟件開發方法，它強調將軟件系統分解為多個獨立的模塊，通過數據流和控制流來描述系統的行為。本章將結合 Java 代碼示例、可視化圖表，深入講解面向數據流的分析與設計方法以及實時系統設計的相關內容。
11.1 面向數據流與數據字典
11.1.1 實體 - 關系圖
? ? 實體 - 關系圖（ER 圖）用于描述數據對象及其之間的關系，是數據庫設計的重要工具。例如，一個簡單的圖書館管理系統的 ER 圖：
展示了圖書、讀者和借閱記錄之間的關系。
11.1.2 數據流圖的實時系統擴充
? ?傳統數據流圖（DFD）主要關注數據的流動和處理，而實時系統的 DFD 需要考慮時間約束和并發處理。例如，一個簡單的溫度監控系統的實時 DFD：
展示了溫度監控系統的數據流和處理邏輯。
11.1.3 基于數據流的分析方法
? ?基于數據流的分析方法通過識別系統中的數據流和處理過程，建立系統的邏輯模型。例如，一個訂單處理系統的分析過程：
- 頂層 DFD：展示系統與外部實體的交互，如客戶、供應商。
- 0 層 DFD：將系統分解為主要處理過程，如訂單接收、訂單驗證、庫存檢查等。
- 詳細 DFD：進一步細化每個處理過程的輸入和輸出。
11.2 面向數據流的設計過程
11.2.1 基本概念和設計過程
? ?面向數據流的設計方法將數據流圖轉換為軟件的模塊結構，主要步驟包括：
- 確定數據流圖的類型（變換型或事務型）。
- 映射數據流圖到軟件結構。
- 定義模塊接口和控制關系。
- 優化軟件結構。
11.2.2 變換分析
? ?變換分析適用于具有明顯輸入、變換和輸出三個部分的數據流圖。例如，一個數據處理系統的變換分析過程：
展示了變換型數據流圖的結構。對應的 Java 代碼示例：
public class DataProcessingSystem {// 輸入處理模塊public static DataObject inputProcessing(InputData input) {// 數據驗證和轉換DataObject data = new DataObject();data.setValue(input.getValue());return data;}// 中心變換模塊public static DataObject centralTransform(DataObject data) {// 數據處理邏輯data.setValue(data.getValue() * 2);return data;}// 輸出處理模塊public static OutputData outputProcessing(DataObject data) {// 結果格式化OutputData output = new OutputData();output.setResult("處理結果: " + data.getValue());return output;}public static void main(String[] args) {InputData input = new InputData(10);DataObject processedData = inputProcessing(input);processedData = centralTransform(processedData);OutputData output = outputProcessing(processedData);System.out.println(output.getResult());}
}class InputData {private int value;public InputData(int value) {this.value = value;}public int getValue() {return value;}
}class DataObject {private int value;public int getValue() {return value;}public void setValue(int value) {this.value = value;}
}class OutputData {private String result;public String getResult() {return result;}public void setResult(String result) {this.result = result;}
}
11.2.3 事務分析
? ?事務分析適用于具有多個事務類型的數據流圖，每個事務可能有不同的處理路徑。例如，一個銀行系統的事務分析過程：
展示了事務型數據流圖的結構。對應的 Java 代碼示例：
public class BankingSystem {// 事務處理器接口public interface TransactionHandler {void processTransaction(Transaction transaction);}// 存款處理器public static class DepositHandler implements TransactionHandler {@Overridepublic void processTransaction(Transaction transaction) {System.out.println("處理存款事務: " + transaction.getAmount());// 存款處理邏輯}}// 取款處理器public static class WithdrawalHandler implements TransactionHandler {@Overridepublic void processTransaction(Transaction transaction) {System.out.println("處理取款事務: " + transaction.getAmount());// 取款處理邏輯}}// 事務分發器public static class TransactionDispatcher {public void dispatchTransaction(Transaction transaction) {TransactionHandler handler;switch (transaction.getType()) {case "DEPOSIT":handler = new DepositHandler();break;case "WITHDRAWAL":handler = new WithdrawalHandler();break;default:throw new IllegalArgumentException("未知事務類型: " + transaction.getType());}handler.processTransaction(transaction);}}public static void main(String[] args) {Transaction transaction = new Transaction("DEPOSIT", 1000.0);TransactionDispatcher dispatcher = new TransactionDispatcher();dispatcher.dispatchTransaction(transaction);}
}class Transaction {private String type;private double amount;public Transaction(String type, double amount) {this.type = type;this.amount = amount;}public String getType() {return type;}public double getAmount() {return amount;}
}
11.3 實時系統設計
11.3.1 實時系統性能要求
? ?實時系統需要滿足嚴格的時間約束，其性能要求包括：
- 響應時間：系統對外部事件的響應速度。
- 吞吐量：系統在單位時間內處理的任務數量。
- 截止時間：任務必須完成的時間點。
11.3.2 實時系統設計要素
實時系統設計需要考慮以下要素：
- 任務調度：確定任務執行的順序和時間分配。
- 資源管理：合理分配內存、CPU 等資源。
- 可靠性設計：采用冗余、容錯機制，確保系統在異常情況下正常運行。
11.3.3 實時系統設計方法
常見的實時系統設計方法有：
- 靜態優先級調度：為每個任務分配固定優先級，高優先級任務優先執行。
- 動態優先級調度：任務優先級根據執行情況動態調整。
- 時間觸發架構：任務按預設時間點觸發執行。
11.3.4 設計實例
以一個簡單的交通燈控制系統為例，展示實時系統設計：
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;public class TrafficLightSystem {// 交通燈狀態public enum LightState {RED, GREEN, YELLOW}private LightState currentState = LightState.RED;private final ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(1);// 初始化系統public void initialize() {// 設置紅燈持續時間為30秒scheduler.scheduleAtFixedRate(() -> changeState(LightState.GREEN), 0, 30, TimeUnit.SECONDS);// 設置綠燈持續時間為20秒scheduler.scheduleAtFixedRate(() -> changeState(LightState.YELLOW), 30, 20, TimeUnit.SECONDS);// 設置黃燈持續時間為5秒scheduler.scheduleAtFixedRate(() -> changeState(LightState.RED), 50, 5, TimeUnit.SECONDS);}// 改變交通燈狀態private synchronized void changeState(LightState newState) {this.currentState = newState;System.out.println("交通燈狀態變更為: " + newState);// 觸發相應的硬件控制controlHardware(newState);}// 控制硬件private void controlHardware(LightState state) {// 實際項目中這里會包含控制硬件的代碼System.out.println("發送信號控制硬件: " + state);}// 關閉系統public void shutdown() {scheduler.shutdown();}public static void main(String[] args) {TrafficLightSystem system = new TrafficLightSystem();system.initialize();// 運行1分鐘后關閉系統try {Thread.sleep(60000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}system.shutdown();}
}
? ?本章全面介紹了結構化軟件開發的核心內容，通過豐富的 Java 代碼示例、可視化圖表和詳細的文字說明，幫助讀者理解和掌握面向數據流的分析與設計方法以及實時系統設計的要點。結構化軟件開發方法雖然傳統，但在許多領域仍然具有重要的應用價值。如果對某個知識點有疑問，或希望補充更多案例，歡迎隨時交流！
