《軟件工程》第 9 章 - 軟件詳細設計

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9.1 詳細設計的任務與過程模型

9.2 用例設計

9.2.1 設計用例實現方案

9.2.2 構造設計類圖

9.2.3 整合并優化用例實現方案

9.3 子系統設計

9.3.1 確立內部設計元素

9.3.2 導出設計類圖

9.4 構件設計

9.5 類設計

9.5.1 精化類間關系

9.5.2 精化屬性和操作

9.5.3 設計狀態圖與活動圖

9.6 數據模型設計

9.6.1 確定持久數據條目

9.6.2 確定持久數據的組織結構

9.6.3 確立持久數據操作

9.6.4 優化持久數據操作的性能

9.7 設計整合與驗證

9.7.1 設計規約

9.7.2 設計驗證

? ? 在完成軟件的體系結構設計后，軟件詳細設計是將宏觀架構轉化為具體實現方案的關鍵步驟。它專注于對系統各部分進行細致規劃，為后續編碼工作提供明確的指導。本章將結合 Java 代碼示例與可視化圖表，深入解析軟件詳細設計的各個環節。

9.1 詳細設計的任務與過程模型

? ? 詳細設計的主要任務是對軟件體系結構中的各個模塊、構件、類等進行細化設計，包括確定具體的算法、數據結構、接口細節以及模塊間的交互方式等。

詳細設計的過程模型通常包含以下步驟：

對需求和體系結構設計進行分析和理解；
進行用例設計，明確每個用例的實現方案；
開展子系統、構件、類的設計；
完成數據模型設計；
對設計進行整合與驗證。

其流程圖如下：

展示詳細設計的整體流程。

9.2 用例設計

9.2.1 設計用例實現方案

? ?針對每個用例，設計具體的實現邏輯和步驟。以 “在線圖書借閱系統” 的 “借閱圖書” 用例為例，實現方案如下：

驗證讀者是否登錄；
查詢圖書庫存是否充足；
若庫存充足，更新圖書庫存數量，生成借閱記錄；
返回借閱結果給讀者。

對應的 Java 代碼示例：

class BookBorrowService {private BookDAO bookDAO;private ReaderDAO readerDAO;private BorrowRecordDAO borrowRecordDAO;public BookBorrowService(BookDAO bookDAO, ReaderDAO readerDAO, BorrowRecordDAO borrowRecordDAO) {this.bookDAO = bookDAO;this.readerDAO = readerDAO;this.borrowRecordDAO = borrowRecordDAO;}public boolean borrowBook(String readerId, String bookId) {// 驗證讀者是否登錄（簡化處理，假設已通過其他方式驗證）Reader reader = readerDAO.getReaderById(readerId);if (reader == null) {return false;}// 查詢圖書庫存Book book = bookDAO.getBookById(bookId);if (book == null || book.getStock() <= 0) {return false;}// 更新圖書庫存book.setStock(book.getStock() - 1);bookDAO.updateBook(book);// 生成借閱記錄BorrowRecord record = new BorrowRecord(reader, book);borrowRecordDAO.saveRecord(record);return true;}}

上述代碼中，BookBorrowService類實現了 “借閱圖書” 用例的核心邏輯，通過調用不同的數據訪問類完成相關操作。

9.2.2 構造設計類圖

? ? 根據用例實現方案，確定相關的類及其屬性、方法和關系，構造設計類圖。“借閱圖書” 用例涉及的類圖如下：

清晰展示了類之間的依賴和關聯關系。

9.2.3 整合并優化用例實現方案

? ? 對多個用例的實現方案進行整合，消除重復代碼和邏輯沖突，并從性能、可維護性等方面進行優化。例如，將 “借閱圖書” 和 “歸還圖書” 用例中重復的數據庫連接和驗證邏輯提取為公共方法。

9.3 子系統設計

9.3.1 確立內部設計元素

? ? 將系統劃分為多個子系統后，確定每個子系統內部的設計元素，如模塊、類、接口等。在在線圖書借閱系統中，可劃分為圖書管理子系統、讀者管理子系統、借閱管理子系統等。以圖書管理子系統為例，內部設計元素可能包括BookController（控制層）、BookService（服務層）、BookDAO（數據訪問層）等類。

9.3.2 導出設計類圖

? ? 根據內部設計元素及其關系，導出子系統的設計類圖。圖書管理子系統的設計類圖如下：

展示圖書管理子系統的類結構。

9.4 構件設計

? ? 構件設計關注軟件系統中可復用的模塊或組件，確定其功能、接口和內部實現細節。例如，設計一個通用的 “日志記錄構件”，用于記錄系統運行過程中的關鍵信息。

class LoggingComponent {public void logInfo(String message) {System.out.println("[INFO] " + message);}public void logWarning(String message) {System.out.println("[WARNING] " + message);}public void logError(String message) {System.out.println("[ERROR] " + message);}}

該構件提供了不同級別的日志記錄方法，其他類可通過創建LoggingComponent實例來復用這些功能。

9.5 類設計

9.5.1 精化類間關系

? ? 明確類之間的繼承、關聯、聚合、組合等關系。例如，在圖書借閱系統中，BorrowRecord類與Reader類和Book類是關聯關系，且一個Reader可以有多條BorrowRecord，體現一對多的關聯。

9.5.2 精化屬性和操作

? ? 詳細定義類的屬性和方法，包括屬性的類型、訪問修飾符，方法的參數、返回值和具體實現邏輯。對Book類進行精化：

class Book {private String id;private String title;private String author;private int stock;private List<BorrowRecord> borrowRecords; // 新增借閱記錄列表屬性public Book(String id, String title, String author, int stock) {this.id = id;this.title = title;this.author = author;this.stock = stock;this.borrowRecords = new ArrayList<>();}public String getId() {return id;}public void setId(String id) {this.id = id;}public String getTitle() {return title;}public void setTitle(String title) {this.title = title;}public String getAuthor() {return author;}public void setAuthor(String author) {this.author = author;}public int getStock() {return stock;}public void setStock(int stock) {this.stock = stock;}public List<BorrowRecord> getBorrowRecords() {return borrowRecords;}public void addBorrowRecord(BorrowRecord record) {borrowRecords.add(record);}}

上述代碼中，為Book類添加了borrowRecords屬性和相關操作方法，用于管理圖書的借閱記錄。

9.5.3 設計狀態圖與活動圖

? ? 為類設計狀態圖和活動圖，描述類的狀態變化和操作流程。以Book類的狀態變化為例，狀態圖如下：

展示圖書的狀態轉換。

9.6 數據模型設計

9.6.1 確定持久數據條目

? ?分析系統需要持久化存儲的數據，如在線圖書借閱系統中的圖書信息、讀者信息、借閱記錄等。

9.6.2 確定持久數據的組織結構

? ? 選擇合適的數據存儲結構，如使用關系型數據庫（MySQL）時，設計對應的表結構。圖書信息表結構設計如下：

字段名	數據類型	說明
book_id	VARCHAR(50)	圖書唯一標識
title	VARCHAR(200)	書名
author	VARCHAR(100)	作者
stock	INT	庫存數量

9.6.3 確立持久數據操作

定義對持久數據的增、刪、改、查操作。以圖書信息的查詢操作為例，Java 代碼（使用 JDBC）：

import java.sql.Connection;import java.sql.DriverManager;import java.sql.PreparedStatement;import java.sql.ResultSet;import java.sql.SQLException;class BookDAO {private static final String DB_URL = "jdbc:mysql://localhost:3306/library";private static final String DB_USER = "root";private static final String DB_PASSWORD = "password";public Book getBookById(String bookId) {Book book = null;try (Connection connection = DriverManager.getConnection(DB_URL, DB_USER, DB_PASSWORD);PreparedStatement statement = connection.prepareStatement("SELECT * FROM books WHERE book_id =?")) {statement.setString(1, bookId);ResultSet resultSet = statement.executeQuery();if (resultSet.next()) {String title = resultSet.getString("title");String author = resultSet.getString("author");int stock = resultSet.getInt("stock");book = new Book(bookId, title, author, stock);}} catch (SQLException e) {e.printStackTrace();}return book;}}