《软件工程》第 9 章 - 软件详细设计

   

目录

9.1 详细设计的任务与过程模型

9.2 用例设计

9.2.1 设计用例实现方案

9.2.2 构造设计类图

9.2.3 整合并优化用例实现方案

9.3 子系统设计

9.3.1 确立内部设计元素

9.3.2 导出设计类图

9.4 构件设计

9.5 类设计

9.5.1 精化类间关系

9.5.2 精化属性和操作

9.5.3 设计状态图与活动图

9.6 数据模型设计

9.6.1 确定持久数据条目

9.6.2 确定持久数据的组织结构

9.6.3 确立持久数据操作

9.6.4 优化持久数据操作的性能

9.7 设计整合与验证

9.7.1 设计规约

9.7.2 设计验证

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    在完成软件的体系结构设计后，软件详细设计是将宏观架构转化为具体实现方案的关键步骤。它专注于对系统各部分进行细致规划，为后续编码工作提供明确的指导。本章将结合 Java 代码示例与可视化图表，深入解析软件详细设计的各个环节。

9.1 详细设计的任务与过程模型

    详细设计的主要任务是对软件体系结构中的各个模块、构件、类等进行细化设计，包括确定具体的算法、数据结构、接口细节以及模块间的交互方式等。

详细设计的过程模型通常包含以下步骤：

1. 对需求和体系结构设计进行分析和理解；
2. 进行用例设计，明确每个用例的实现方案；
3. 开展子系统、构件、类的设计；
4. 完成数据模型设计；
5. 对设计进行整合与验证。

其流程图如下：

展示详细设计的整体流程。

9.2 用例设计

9.2.1 设计用例实现方案

   针对每个用例，设计具体的实现逻辑和步骤。以 “在线图书借阅系统” 的 “借阅图书” 用例为例，实现方案如下：

1. 验证读者是否登录；
2. 查询图书库存是否充足；
3. 若库存充足，更新图书库存数量，生成借阅记录；
4. 返回借阅结果给读者。

对应的 Java 代码示例：

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) {// 验证读者是否登录（简化处理，假设已通过其他方式验证）Reader reader = readerDAO.getReaderById(readerId);if (reader == null) {return false;}// 查询图书库存Book book = bookDAO.getBookById(bookId);if (book == null || book.getStock() <= 0) {return false;}// 更新图书库存book.setStock(book.getStock() - 1);bookDAO.updateBook(book);// 生成借阅记录BorrowRecord record = new BorrowRecord(reader, book);borrowRecordDAO.saveRecord(record);return true;}}

上述代码中，BookBorrowService类实现了 “借阅图书” 用例的核心逻辑，通过调用不同的数据访问类完成相关操作。

9.2.2 构造设计类图

    根据用例实现方案，确定相关的类及其属性、方法和关系，构造设计类图。“借阅图书” 用例涉及的类图如下：

清晰展示了类之间的依赖和关联关系。

9.2.3 整合并优化用例实现方案

    对多个用例的实现方案进行整合，消除重复代码和逻辑冲突，并从性能、可维护性等方面进行优化。例如，将 “借阅图书” 和 “归还图书” 用例中重复的数据库连接和验证逻辑提取为公共方法。

9.3 子系统设计

9.3.1 确立内部设计元素

    将系统划分为多个子系统后，确定每个子系统内部的设计元素，如模块、类、接口等。在在线图书借阅系统中，可划分为图书管理子系统、读者管理子系统、借阅管理子系统等。以图书管理子系统为例，内部设计元素可能包括BookController（控制层）、BookService（服务层）、BookDAO（数据访问层）等类。

9.3.2 导出设计类图

    根据内部设计元素及其关系，导出子系统的设计类图。图书管理子系统的设计类图如下：

展示图书管理子系统的类结构。

9.4 构件设计

    构件设计关注软件系统中可复用的模块或组件，确定其功能、接口和内部实现细节。例如，设计一个通用的 “日志记录构件”，用于记录系统运行过程中的关键信息。

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);}}

该构件提供了不同级别的日志记录方法，其他类可通过创建LoggingComponent实例来复用这些功能。

9.5 类设计

9.5.1 精化类间关系

    明确类之间的继承、关联、聚合、组合等关系。例如，在图书借阅系统中，BorrowRecord类与Reader类和Book类是关联关系，且一个Reader可以有多条BorrowRecord，体现一对多的关联。

9.5.2 精化属性和操作

    详细定义类的属性和方法，包括属性的类型、访问修饰符，方法的参数、返回值和具体实现逻辑。对Book类进行精化：

class Book {private String id;private String title;private String author;private int stock;private List<BorrowRecord> borrowRecords; // 新增借阅记录列表属性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);}}

上述代码中，为Book类添加了borrowRecords属性和相关操作方法，用于管理图书的借阅记录。

9.5.3 设计状态图与活动图

    为类设计状态图和活动图，描述类的状态变化和操作流程。以Book类的状态变化为例，状态图如下：

展示图书的状态转换。

9.6 数据模型设计

9.6.1 确定持久数据条目

   分析系统需要持久化存储的数据，如在线图书借阅系统中的图书信息、读者信息、借阅记录等。

9.6.2 确定持久数据的组织结构

    选择合适的数据存储结构，如使用关系型数据库（MySQL）时，设计对应的表结构。图书信息表结构设计如下：

字段名	数据类型	说明
book_id	VARCHAR(50)	图书唯一标识
title	VARCHAR(200)	书名
author	VARCHAR(100)	作者
stock	INT	库存数量

9.6.3 确立持久数据操作

定义对持久数据的增、删、改、查操作。以图书信息的查询操作为例，Java 代码（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;}}

9.6.4 优化持久数据操作的性能

    通过添加索引、优化 SQL 语句、合理使用缓存等方式提升数据操作性能。例如，在图书信息表的book_id字段上添加索引，加快根据图书 ID 查询的速度。

9.7 设计整合与验证

9.7.1 设计规约

    编写详细的设计规约文档，记录详细设计的成果，包括用例设计方案、类图、数据模型等内容，为后续开发和维护提供依据。

9.7.2 设计验证

通过以下方式验证设计的正确性和完整性：

• 评审：组织团队成员、架构师等对设计进行评审，检查是否符合需求和设计规范。

• 原型实现：开发部分功能原型，验证设计的可行性和可实现性。

• 模拟测试：对关键算法和逻辑进行模拟测试，确保其正确性。

    本章全面介绍了软件详细设计的各个环节，通过 Java 代码示例、可视化图表和详细的文字说明，帮助读者掌握详细设计的核心要点和实践方法。在实际项目中，详细设计是确保软件高质量实现的关键，需要严谨细致地完成每个步骤。如果对某个知识点存在疑问，或希望补充更多案例，欢迎随时交流！