星期二, 五月 08, 2007

Apache运行时库中的进程锁

#include
#include "apr_pools.h"
#include "apr_general.h"
#include "apr_pools.h"
#include "apr_errno.h"
#include "apr_file_io.h"

#include "apr.h"
#include "apr_shm.h"
#include "apr_file_io.h"
#include "apr_proc_mutex.h"
#include "apr_proc_mutex.h"
#include "apr_errno.h"
#include "apr_general.h"
#include "apr_getopt.h"
#include "errno.h"
#include
#include
#include


#define MAX_ITER 200
#define CHILDREN 6
#define MAX_COUNTER (MAX_ITER * CHILDREN)


int main(int argc, char* argv[])
{
apr_pool_t *pool;
apr_status_t rv;
const char* lockname = "/tmp/tlock";
apr_lockmech_e mech=APR_LOCK_DEFAULT;
/*
mech=APR_LOCK_POSIXSEM;
mech=APR_LOCK_FCNTL;
mech=APR_LOCK_FLOCK;
mech=APR_LOCK_SYSVSEM;
mech=APR_LOCK_POSIXSEM;
mech=APR_LOCK_PROC_PTHREAD;
*/

static apr_proc_mutex_t *proc_lock;

apr_initialize();

rv = apr_pool_create(&pool, NULL);
assert(rv==APR_SUCCESS);
rv = apr_proc_mutex_create(&proc_lock, lockname, mech, pool);
assert(rv==APR_SUCCESS);

printf("Init OK\ndefulat=%s\nmutex=%s\n",apr_proc_mutex_defname(),apr_proc_mutex_name(proc_lock));
#if USE_FORK
if(fork()!=0) {
#endif
if(argc==2 && strcmp(argv[1],"init")==0)
{
do{
printf("P Enter to lock\n");
getchar();
if (apr_proc_mutex_lock(proc_lock))
{
printf("P apr_proc_mutex_lock failed\n");
exit(1);
}
printf("P Enter to unlock\n");
getchar();
if (apr_proc_mutex_unlock(proc_lock))
{
printf("P apr_proc_mutex_unlock failed\n");
exit(1);
}
}while(1);
exit(0);
}
#if USE_FORK
}else {
#endif
printf("Child Mode\n");
if (apr_proc_mutex_child_init(&proc_lock, lockname, pool))
{
printf("C failed apr_proc_mutex_child_init\n");
exit(1);
}
do{
printf("C Enter to lock\n");
getchar();
if (apr_proc_mutex_lock(proc_lock))
{
printf("C apr_proc_mutex_lock failed\n");
exit(1);
}
printf("C Enter to unlock\n");
getchar();
if (apr_proc_mutex_unlock(proc_lock))
{
printf("apr_proc_mutex_unlock failed\n");
exit(1);
}
}while(1);

#if USE_FORK
}
#endif

exit(0);
return 0;
}

上面的程序如果不定义USE_FORK是没有办法正常用性的,通过通过test init启动一个进程,用test运行另外一个进程是无法完成互斥的。如果定义USE_FORK那么test init会创建父子两个进程,能够互斥。

原因时apr_proc_mutex其实用的是无名锁,所以只能在fork创建的进程之间通信,否则就会失败。只能老老实实地进行系统调用了!

星期六, 五月 05, 2007

论模式与框架

“战略上藐视敌人,战术上重视敌人”

1936年12月,毛泽东在红军大学所作的《中国革命战争的战略问题》演说中指出:“我们的战略是‘以一当十’,我们的战术是‘以十当一’,这是 我们制胜敌人的根本法则之一。”“我们是以少胜多的--我们向整个中国统治者这样说。我们又是以多胜少的--我们向战场上作战的各个局部的敌人这样说。” 1948年1月18日,毛泽东在为中共中央起草的决议草案《关于目前党的政策中的几个重要问题》中又说:“当着我们正确地指出在全体上,在战略上,应当轻 视敌人的时候,却决不可在每一个局部上,在每一个具体问题上,也轻视敌人。”这些论述后来被概括为“战略上藐视敌人,战术上重视敌人”口号,成为毛泽东战 略和策略思想的集中表达。

问题就这样提出来了!一场战争的胜利的决定因素是多方面的,我们把问题集中到”全局“与”局部“两个方面,也就是本文将要重点要阐述的"战略"层面与"战 术"层面的各种手段。我们把问题聚焦在程序设计上,由于流程制定者以及管理者缺乏对软件开发过程中的多种技术手段的认识,一切都被机械地流程化或规范化, 而对整个程序设计过程中的”战略“与”战术“不够重视,导致在程序设计这场战争中不利或失利。

在软件工程中,强调三个组成部分,四项基本原则,七个基本原理,软件工程所要解决的应该是在软件开发过程中管理层面的战略问题,本文抛开这些技术问题,将问题集中在技术成面。

粗论模式

提到模式,首先脑子里面冒出来的 GOF(四人帮)的23种设计模式(Disgin Pattern),这23种设计模式被我称为战术模式---因为这种模式只能在相对较小的局部范围内生效,没有办法处理软件产品全局统一层面的问题,是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。。另外有一个词Framework(框架),我把这个词理解为战略模式---因为这种模式强调整个或部分系统的可重用设计,表现为一组抽象构件及构件实例间交互的方法;另一种定义认为,框架是可被应用开发者定制的应用骨架。前者是从应用方面而后者是从目的方面给出的定义。

毫无疑问,设计模式于己于他人于系统都是多赢的,设计模式使代码编制真正工程化,设计模式是软件工程的基石,如同大厦的一块块砖石一样。

GoF的“设计模式”是第一次将设计模式提升到理论高度,并将之规范化,提出了23种基本设计模式,自此,在可复用面向对象软件的发展过程中,新的大量的设计模式不断出现。

GoF:(Gang of Four,GOF设计模式)---四人组

Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software(即《设计模式》 一书),由 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides 合著(Addison-Wesley,1995)。这几位作者常被称为“四人组(Gang of Four)”,而这本书也就被称为“四人组(或 GoF)”书。

在《设计模式》这本书的最大部分是一个目录,该目录列举并描述了 23 种设计模式。

GOF的设计模式是一座"桥"

就Java语言体系来说,GOF的设计模式是Java基础知识和J2EE框架知识之间一座隐性的"桥"。

会Java的人越来越多,但是一直徘徊在语言层次的程序员不在少数,真正掌握Java中接口或抽象类的应用不是很多,大家经常以那些技术只适合大型项目为 由,避开或忽略它们,实际中,Java的接口或抽象类是真正体现Java思想的核心所在,这些你都将在GoF的设计模式里领略到它们变幻无穷的魔力。

GoF的设计模式表面上好象也是一种具体的"技术",而且新的设计模式不断在出现,设计模式自有其自己的发展轨道,而这些好象和J2EE .Net等技术也无关!

实际上,GoF的设计模式并不是一种具体"技术",它讲述的是思想,它不仅仅展示了接口或抽象类在实际 案例中的灵活应用和智慧,让你能够真正掌握接口或抽象类的应用,从而在原来的Java语言基础上跃进一步,更重要的是,GoF的设计模式反复向你强调一个 宗旨:要让你的程序尽可能的可重用。

这其实在向一个极限挑战:软件需求变幻无穷,计划没有变化快,但是我们还是要寻找出不变的东西,并将它和变化的东西分离开来,这需要非常的智慧和经验。

而GoF的设计模式是在这方面开始探索的一块里程碑。

J2EE等属于一种框架软件,什么是框架软件?它不同于我们以前接触的Java API等,那些属于Toolkist(工具箱),它不再被动的被使用,被调用,而是深刻的介入到一个领域中去,J2EE等框架软件设计的目的是将一个领域中不变的东西先定义好,比如整体结构和一些主要职责(如数据库操作 事务跟踪 安全等),剩余的就是变化的东西,针对这个领域中具体应用产生的具体不同的变化需求,而这些变化东西就是J2EE程序员所要做的。

由此可见,设计模式和J2EE在思想和动机上是一脉相承,只不过

1.设计模式更抽象,J2EE是具体的产品代码,我们可以接触到,而设计模式在对每个应用时才会产生具体代码。
2.设计模式是比J2EE等框架软件更小的体系结构,J2EE中许多具体程序都是应用设计模式来完成的,当你深入到J2EE的内部代码研究时,这点尤其明显,因此,如果你不具备设计模式的基础知识(GoF的设计模式),你很难快速的理解J2EE。不能理解J2EE,如何能灵活应用?
3.J2EE只是适合企业计算应用的框架软件,但是GoF的设计模式几乎可以用于任何应用!因此GoF的设计模式应该是J2EE的重要理论基础之一。

所以说,GoF的设计模式是Java基础知识和J2EE框架知识之间一座隐性的"桥"。为什么说隐性的?

GOF设计模式是一座隐性的"桥"

因为很多人没有注意到这点,学完Java基础语言就直接去学J2EE,有的甚至鸭子赶架,直接使用起Weblogic等具体J2EE软件,一段时间下来, 发现不过如此,挺简单好用,但是你真正理解J2EE了吗?你在具体案例中的应用是否也是在延伸J2EE的思想?

如果你不能很好的延伸J2EE的思想,那你岂非是大炮轰蚊子,认识到J2EE不是适合所有场合的人至少是明智的,但我们更需要将J2EE用对地方,那么只 有理解J2EE此类框架软件的精髓,那么你才能真正灵活应用Java解决你的问题,甚至构架出你自己企业的框架来。(我们不能总是使用别人设定好的框架, 为什么不能有我们自己的框架?)

因此,首先你必须掌握GoF的设计模式。虽然它是隐性,但不是可以越过的。



设计模式和框架

现在,可复用面向对象软件(面向对象以不再限制于C++等面向对象的语言,我们可以抽象到C等任何编程语言,只要在设计的把我好设计思路)系统现在一般划分为三大类:应用程序、工具箱和框架(Framework),我们平时开发的具体软件都是应用程序;GLIBC的API属于工具箱;而框架是构成一类特定软件可复用设计的一组相互协作的类。EJB(EnterpriseJavaBeans)是Java应用于企业计算的框架.

框架通常定义了应用体系的整体结构类和对象的关系等等设计参数,以便于具体应用实现者能集中精力于应用本身的特定细节。框架主要记录软件应用中共同的设计决策,框架强调设计复用,因此框架设计中必然要使用设计模式.

另外,设计模式有助于对框架结构的理解,成熟的框架通常使用了多种设计模式,如果你熟悉这些设计模式,毫无疑问,你将迅速掌握框架的结构,我们一般开发者如果突然接触EJB J2EE .Net ACE等框架,会觉得特别难学,难掌握,那么转而先掌握设计模式,无疑是给了你剖析EJB、J2EE或ACE等系统的一把利器。

设计模式的原则

近年来,大家都开始注意设计模式。那么,到底我们为什么要用设计模式呢?这么多设计模式为什么要这么设计呢?说实话,到现在为之我还真没搞清楚。就是看大家一口一个"Design pattern",心就有点发虚。于是就深研了"四人帮"的设计模式,结果看得似懂非懂:看得时候好像是懂了,过一会就忘了。可能是我比较"愚钝"吧:))最近一年,由于编程工作繁重,接触了多种框架技术(包括ACE,BOOST,J2EE,Apache,WTL/MFC,libevent等)终于有了点感悟。"独乐不如众乐",与大家分享一下,还望指教!
为什么要提倡"Design Pattern"呢?根本原因是为了代码复用,增加可维护性。那么怎么才能实现代码复用呢?OO界有前辈的几个原则:"开-闭"原则(Open Closed Principal)、里氏代换原则、合成复用原则。设计模式就是实现了这些原则,从而达到了代码复用、增加可维护性的目的,抱着学习的态度,我们在看看这些原则。

1、"开-闭"原则

此原则是由"Bertrand Meyer"提出的。原文是:"Software entities should be open for extension,but closed for modification"。就是说模块应对扩展开放,而对修改关闭。模块应尽量在不修改原(是"原",指原来的代码)代码的情况下进行扩展。工厂模式以及抽象工厂模式,代理模式,装饰模式都可以实现着这一原则

2、里氏代换原则

里氏代换原则是由"Barbara Liskov"提出的。如果调用的是父类的话,那么换成子类也完全可以运行。在面向对象的语言中如C++或Java中可以通过集成来实现这一原则,在C语言中我们通过通过结构封装以及结构嵌套来实现这一模式,不过设计起来难道会比面向对象与语言大得多。可以说:里氏代换原则是继承复用的一个基础。

3、合成复用原则

就是说要少用继承,多用合成关系来实现。我曾经这样写过程序:有几个类要与数据库打交道,就写了一个数据库操作的类,然后别的跟数据库打交道的类都继承这个。结果后来,我修改了数据库操作类的一个方法,各个类都需要改动。"牵一发而动全身"!面向对象是要把波动限制在尽量小的范围。在Java,C#中,应尽量针对Interface编程,而非实现类。这样,更换子类不会影响调用它方法的代码。要让各个类尽可能少的跟别人联系,"不要与陌生人说话"。这样,城门失火,才不至于殃及池鱼。扩展性和维护性才能提高。在C++高,不考虑性能印因素外可以采用虚类及纯虚函数来实现类是的接口概念。

理解了这些原则,再看设计模式,只是在具体问题上怎么实现这些原则而已。张无忌学太极拳,忘记了所有招式,打倒了"玄幂二老",所谓"心中无招"。设计模式可谓招数,如果先学通了各种模式,又忘掉了所有模式而随心所欲,可谓OO之最高境界。呵呵,搞笑,搞笑!

4 依赖倒转原则

抽象不应该依赖与细节,细节应当依赖与抽象。要针对接口编程,而不是针对实现编程。传递参数,或者在组合聚合关系中,尽量引用层次高的类。主要是在构造对象时可以动态的创建各种具体对象,当然如果一些具体类比较稳定,就不必在弄一个抽象类做它的父类,这样有画舌添足的感觉。在C语言的世界里,一般是针对实现而非接口编程,所以C语言实现的产品维护起来要比面向接口实现的产品困难的多。在C语言的世界里,函数要象女人的裙子一样越短越好,功能要单一,代码页不能太多,看上一眼就明白这个函数时干什么的了!只有这样才能够复杂问题简单化,降低系统复杂度。
5 接口隔离原则

定制服务的例子,每一个接口应该是一种角色,不多不少,不干不该干的事,该干的事都要干。不能图省事,破坏这条原则的后果将是,接口函数不清,内部实现混乱,维护工作繁重。

6 抽象类

抽象类不会有实例,一般作为父类为子类继承,一般包含这个系的共同属性和方法。注意:好的继承关系中,只有叶节点是具体类,其他节点应该都是抽象类,也就是说具体类是不被继承的。将尽可能多的共同代码放到抽象类中。在C语言实现中,每个功能都应该独立有一个函数来实现,尽量做到复用。

7 迪米特法则

最少知识原则。实现内部内部的知识是自主的、完毕的,不依赖于任何外部的逻辑或功能。可以理解为不要和陌生人说话。


再论模式

一个模式的四个基本要素

设计模式使人们可以更加简单方便地复用成功的设计和体系结构。将已证实的技术表述成设计模式也会使新系统开发者更加容易理解其设计思路。


1. 模式名称(pattern name)

一个助记名,它用一两个词来描述模式的问题、解决方案和效果。命名一个新的模式增加了我们的设计词汇。设计模式允许我们在较高的抽象层次上进行设计。基于一个模式词汇表,交流之间、讨论模式编写文档时使用它们。模式名可以帮助我们思考,便于我们与其他人交流设计思想及设计结果。找到恰当的模式名也是我们设计模式编目工作的难点之一。

2. 问题(problem)

描述了应该在何时使用模式。它解释了设计问题和问题存在的前因后果,它可能描述了特定的设计问题,如怎样用对象表示算法等。也可能描述了导致不灵活设计的类或对象结构。有时候,问题部分会包括使用模式必须满足的一系列先决条件。

3. 解决方案(solution)

描述了设计的组成成分,它们之间的相互关系及各自的职责和协作方式。因为模式就像一个模板,可应用于多种不同场合,所以解决方案并不描述一个特定而具体的 设计或实现,而是提供设计问题的抽象描述和怎样用一个具有一般意义的元素组合(类或对象组合)来解决这个问题。

4. 效果(consequences)

描述了模式应用的效果及使用模式应权衡的问题。尽管我们描述设计决策时,并不总提到模式效果,但它们对于评价设计选择和理解使用模式的代价及好处具有重要意义。软件效果大多关注对时间和空间的衡量,它们也表述了语言和实现问题。因为复用是面向对象设计的要素之一,所以模式效果包括它对系统的灵活性、扩充性或可移植性的影响,显式地列出这些效果对理解和评价这些模式很有帮助。


23种基本的设计模式


创建型模式

1.Abstract Factory(抽象工厂): 提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口,而无需指定它们具体的类。

2.Builder(建造模式): 将一个复杂对象的构建与它的表示分离,使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

3.Factory Method(工厂方法模式): 定义一个用于创建对象的接口,让子类决定将哪一个类实例化。Factory Method使一个类的实例化延迟到其子类。

4.Prototype(原形模式): 用原型实例指定创建对象的种类,并且通过拷贝这个原型来创建新的对象。

5.Singleton(单例模式): 保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。

结构型模式

6.Adapter(适配器模式): 将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。A d a p t e r模式使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以一起工作。

7.Bridge(桥梁模式): 将抽象部分与它的实现部分分离,使它们都可以独立地变化。

8.Composite(合成模式): 将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。它使得客户对单个对象和复合对象的使用具有一致性。

9.Decorator(装饰模式): 动态地给一个对象添加一些额外的职责。就扩展功能而言, 它比生成子类方式更为灵活。
10.Facade(门面模式): 为子系统中的一组接口提供一个一致的界面, F a c a d e模式定义了一个高层接口,这个接口使得这一子系统更加容易使用。
11.Flyweight(享元模式): 运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
12.Proxy(代理): 为其他对象提供一个代理以控制对这个对象的访问。
行为模式

13.Chain of Responsibility(责任链模式): 为解除请求的发送者和接收者之间耦合,而使多个对象都有机会处理这个请求。将这些对象连成一条链,并沿着这条链传递该请求,直到有一个对象处理它。
14.Command(命令模式): 将一个请求封装为一个对象,从而使你可用不同的请求对客户进行参数化;对请求排队或记录请求日志,以及支持可取消的操作。
15.Interpreter(解释器模式): 给定一个语言, 定义它的文法的一种表示,并定义一个解释器, 该解释器使用该表示来解释语言中的句子。
16.Iterator(迭代子模式): 提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素, 而又不需暴露该对象的内部表示。
17.Mediator(调停者模式): 用一个中介对象来封装一系列的对象交互。中介者使各对象不需要显式地相互引用,从而使其耦合松散,而且可以独立地改变它们之间的交互。
18.Memento(备忘录模式): 在不破坏封装性的前提下,捕获一个对象的内部状态,并在该对象之外保存这个状态。这样以后就可将该对象恢复到保存的状态。
19.Observer(观察者模式): 定义对象间的一种一对多的依赖关系,以便当一个对象的状态发生改变时,所有依赖于它的对象都得到通知并自动刷新。
20.State(状态模式): 允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。对象看起来似乎修改了它所属的类。
21.Strategy(策略模式): 定义一系列的算法,把它们一个个封装起来, 并且使它们可相互替换。本模式使得算法的变化可独立于使用它的客户。
22.Template Method(模板方法模式): 定义一个操作中的算法的骨架,而将一些步骤延迟到子类中。Template Method使得子类可以不改变一个算法的结构即可重定义该算法的某些特定步骤。
23. Visitor(访问者模式): 表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。它使你可以在不改变各元素的类的前提下定义作用于这些元素的新操作。


深入模式


名称 Factory Method
意图 定义一个用于创建对象的接口,让子类决定实例化哪一个类。Factory Method 使一个类的实例化延迟到其子类。
适用性 当一个类不知道它所必须创建的对象的类的时候。

当一个类希望由它的子类来指定它所创建的对象的时候。

当类将创建对象的职责委托给多个帮助子类中的某一个,并且你希望将哪一个帮助子类是代理者这一信息局部化的时候。

说明 核心工厂类不再负责所有产品的创建,而是将具体创建的工作交给子类去做,成为一个抽象工厂角色,仅负责给出具体工厂类必须实现的接口,而不接触哪一个产品类应当被实例化这种细节。


名称 Abstract Factory
意图 提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口,而无需指定它们具体的类。
适用性 一个系统要独立于它的产品的创建、组合和表示时。

一个系统要由多个产品系列中的一个来配置时。

当你要强调一系列相关的产品对象的设计以便进行联合使用时。

当你提供一个产品类库,而只想显示它们的接口而不是实现时。

说明 客户类和工厂类分开。消费者任何时候需要某种产品,只需向工厂请求即可。消费者无须修改就可以接纳新产品。缺点是当产品修改时,工厂类也要做相应的修改。如:如何创建及如何向客户端提供。


名称 Builder
意图 将一个复杂对象的构建与它的表示分离,使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
适用性 当创建复杂对象的算法应该独立于该对象的组成部分以及它们的装配方式时。
当构造过程必须允许被构造的对象有不同的表示时。

说明: 将产品的内部表象和产品的生成过程分割开来,从而使一个建造过程生成具有不同的内部表象的产品对象。建造模式使得产品内部表象可以独立的变化,客户不必知道产品内部组成的细节。建造模式可以强制实行一种分步骤进行的建造过程。


名称 Prototype
意图 用原型实例指定创建对象的种类,并且通过拷贝这些原型创建新的对象。
适用性 当要实例化的类是在运行时刻指定时,例如,通过动态装载;或者
为了避免创建一个与产品类层次平行的工厂类层次时;或者
当一个类的实例只能有几个不同状态组合中的一种时。建立相应数目的原型并克隆它们可能比每次用合适的状态手工实例化该类更方便一些。

说明 通过给出一个原型对象来指明所要创建的对象的类型,然后用复制这个原型对象的方法创建出更多同类型的对象。原始模型模式允许动态的增加或减少产品类,产品类不需要非得有任何事先确定的等级结构,原始模型模式适用于任何的等级结构。缺点是每一个类都必须配备一个克隆方法。


名称 Singleton
意图 保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。
适用性 当类只能有一个实例而且客户可以从一个众所周知的访问点访问它时。
当这个唯一实例应该是通过子类化可扩展的,并且客户应该无需更改代码就能使用一个扩展的实例时。

说明 单例模式确保某一个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例单例模式。单例模式只应在有真正的“单一实例”的需求时才可使用。


名称 Adapter
意图 将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。A d a p t e r 模式使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以一起工作。
适用性 你想使用一个已经存在的类,而它的接口不符合你的需求。

你想创建一个可以复用的类,该类可以与其他不相关的类或不可预见的类(即那些接口可能不一定兼容的类)协同工作。

(仅适用于对象A d a p t e r )你想使用一些已经存在的子类,但是不可能对每一个都进行子类化以匹配它们的接口。对象适配器可以适配它的父类接口。

说明 把一个类的接口变换成客户端所期待的另一种接口,从而使原本因接口原因不匹配而无法一起工作的两个类能够一起工作。适配类可以根据参数返还一个合适的实例给客户端。


名称 Bridge
意图 将抽象部分与它的实现部分分离,使它们都可以独立地变化。
适用性 你不希望在抽象和它的实现部分之间有一个固定的绑定关系。例如这种情况可能是因为,在程序运行时刻实现部分应可以被选择或者切换。
类的抽象以及它的实现都应该可以通过生成子类的方法加以扩充。这时B r i d g e 模式使你可以对不同的抽象接口和实现部分进行组合,并分别对它们进行扩充。
对一个抽象的实现部分的修改应对客户不产生影响,即客户的代码不必重新编译。
(C + +)你想对客户完全隐藏抽象的实现部分。在C + +中,类的表示在类接口中是可见的。
有许多类要生成。这样一种类层次结构说明你必须将一个对象分解成两个部分。R u m b a u g h 称这种类层次结构为“嵌套的普化”(nested generalizations )。
你想在多个对象间共享实现(可能使用引用计数),但同时要求客户并不知道这一点。一个简单的例子便是C o p l i e n 的S t r i n g 类[ C o p 9 2 ],在这个类中多个对象可以共享同一个字符串表示(S t r i n g R e p )。
说明
将抽象化与实现化脱耦,使得二者可以独立的变化,也就是说将他们之间的强关联变成弱关联,也就是指在一个软件系统的抽象化和实现化之间使用组合/聚合关系而不是继承关系,从而使两者可以独立的变化。


名称 Composite
意图 将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。C o m p o s i t e 使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。
适用性 你想表示对象的部分-整体层次结构。

你希望用户忽略组合对象与单个对象的不同,用户将统一地使用组合结构中的所有对象。
说明
合成模式将对象组织到树结构中,可以用来描述整体与部分的关系。合成模式就是一个处理对象的树结构的模式。合成模式把部分与整体的关系用树结构表示出来。合成模式使得客户端把一个个单独的成分对象和由他们复合而成的合成对象同等看待。

名称 Decorator
意图 动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能来说,D e c o r a t o r 模式相比生成子类更为灵活。
适用性 在不影响其他对象的情况下,以动态、透明的方式给单个对象添加职责。
处理那些可以撤消的职责。
当不能采用生成子类的方法进行扩充时。一种情况是,可能有大量独立的扩展,为支持每一种组合将产生大量的子类,使得子类数目呈爆炸性增长。

另一种情况可能是因为类定义被隐藏,或类定义不能用于生成子类。

说明 装饰模式以对客户端透明的方式扩展对象的功能,是继承关系的一个替代方案,提供比继承更多的灵活性。动态给一个对象增加功能,这些功能可以再动态的撤消。增加由一些基本功能的排列组合而产生的非常大量的功能。

名称 Facade
意图 为子系统中的一组接口提供一个一致的界面,F a c a d e 模式定义了一个高层接口,这个接口使得这一子系统更加容易使用。
适用性 当你要为一个复杂子系统提供一个简单接口时。子系统往往因为不断演化而变得越来越复杂。大多数模式使用时都会产生更多更小的类。这使得子系统更具可重用性,也更容易对子系统进行定制,但这也给那些不需要定制子系统的用户带来一些使用上的困难。F a c a d e 可以提供一个简单的缺省视图,这一视图对大多数用户来说已经足够,而那些需要更多的可定制性的用户可以越过f a c a d e 层。
客户程序与抽象类的实现部分之间存在着很大的依赖性。引入f a c a d e 将这个子系统与客户以及其他的子系统分离,可以提高子系统的独立性和可移植性。
当你需要构建一个层次结构的子系统时,使用f a c a d e 模式定义子系统中每层的入口点。如果子系统之间是相互依赖的,你可以让它们仅通过f a c a d e 进行通讯,从而简化了它们之间的依赖关系。

说明 外部与一个子系统的通信必须通过一个统一的门面对象进行。门面模式提供一个高层次的接口,使得子系统更易于使用。每一个子系统只有一个门面类,而且此门面类只有一个实例,也就是说它是一个单例模式。但整个系统可以有多个门面类。


名称 Flyweight
意图 运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
适用性 一个应用程序使用了大量的对象。
完全由于使用大量的对象,造成很大的存储开销。
对象的大多数状态都可变为外部状态。
如果删除对象的外部状态,那么可以用相对较少的共享对象取代很多组对象。
应用程序不依赖于对象标识。由于F l y w e i g h t 对象可以被共享,对于概念上明显有别的对象,标识测试将返回真值。

说明 FLYWEIGHT在拳击比赛中指最轻量级。享元模式以共享的方式高效的支持大量的细粒度对 象。享元模式能做到共享的关键是区分内蕴状态和外蕴状态。内蕴状态存储在享元内部,不会随环境的改变而有所不同。外蕴状态是随环境的改变而改变的。外蕴状 态不能影响内蕴状态,它们是相互独立的。将可以共享的状态和不可以共享的状态从常规类中区分开来,将不可以共享的状态从类里剔除出去。客户端不可以直接创 建被共享的对象,而应当使用一个工厂对象负责创建被共享的对象。享元模式大幅度的降低内存中对象的数量。

名称 Proxy
意图 为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。
适用性 在需要用比较通用和复杂的对象指针代替简单的指针的时候,使用P r o x y 模式。下面是一 些可以使用P r o x y 模式常见情况:
1) 远程代理(Remote Proxy )为一个对象在不同的地址空间提供局部代表。 NEXTSTEP[Add94] 使用N X P r o x y 类实现了这一目的。Coplien[Cop92] 称这种代理为“大使” (A m b a s s a d o r )。
2 )虚代理(Virtual Proxy )根据需要创建开销很大的对象。在动机一节描述的I m a g e P r o x y 就是这样一种代理的例子。
3) 保护代理(Protection Proxy )控制对原始对象的访问。保护代理用于对象应该有不同 的访问权限的时候。例如,在C h o i c e s 操作系统[ C I R M 9 3 ]中K e m e l P r o x i e s 为操作系统对象提供 了访问保护。
4 )智能指引(Smart Reference )取代了简单的指针,它在访问对象时执行一些附加操作。 它的典型用途包括:

对指向实际对象的引用计数,这样当该对象没有引用时,可以自动释放它(也称为S m a r tP o i n t e r s[ E d e 9 2 ] )。
当第一次引用一个持久对象时,将它装入内存。
在访问一个实际对象前,检查是否已经锁定了它,以确保其他对象不能改变它。

说明 代理模式给某一个对象提供一个代理对象,并由代理对象控制对源对象的引用。代理就是一个人或一 个机构代表另一个人或者一个机构采取行动。某些情况下,客户不想或者不能够直接引用一个对象,代理对象可以在客户和目标对象直接起到中介的作用。客户端分 辨不出代理主题对象与真实主题对象。代理模式可以并不知道真正的被代理对象,而仅仅持有一个被代理对象的接口,这时候代理对象不能够创建被代理对象,被代 理对象必须有系统的其他角色代为创建并传入。


名称 Chain of Responsibility
意图 使多个对象都有机会处理请求,从而避免请求的发送者和接收者之间的耦合关系。将这些对象连成一条链,并沿着这条链传递该请求,直到有一个对象处理它为止。
适用性 有多个的对象可以处理一个请求,哪个对象处理该请求运行时刻自动确定。
你想在不明确指定接收者的情况下,向多个对象中的一个提交一个请求。
可处理一个请求的对象集合应被动态指定。
说明
在责任链模式中,很多对象由每一个对象对其下家的引用而接起来形成一条链。请求在这个链上传递,直到链上的某一个对象决定处理此请求。客户并不知道链上的哪一个对象最终处理这个请求,系统可以在不影 响客户端的情况下动态的重新组织链和分配责任。处理者有两个选择:承担责任或者把责任推给下家。一个请求可以最终不被任何接收端对象所接受。


名称 Command
意图 将一个请求封装为一个对象,从而使你可用不同的请求对客户进行参数化;对请求排队或记录请求日志,以及支持可撤消的操作。
适用性 抽象出待执行的动作以参数化某对象。你可用过程语言中的回调(c a l l b a c k )函数表达这种参数化机制。

所谓回调函数是指函数先在某处注册,而它将在稍后某个需要的时候被调用。C o m m a n d 模式是回调机制的一个面向对象的替代品。
在不同的时刻指定、排列和执行请求。一个C o m m a n d 对象可以有一个与初始请求无关的生存期。如果一个请求的接收者可用一种与地址空间无关的方式表达,那么就可将负责该请求的命令对象传送给另一个不同的进程并在那儿实现该请求。支持取消操作。C o m m a n d 的E x c u t e 操作可在实施操作前将状态存储起来,在取消操作时这个状态用来消除该操作的影响。C o m m a n d 接口必须添加一个U n e x e c u t e 操作,该操作取消上一次E x e c u t e 调用的效果。执行的命令被存储在一个历史列表中。可通过向后和向前遍历这一列表并分别调用U n e x e c u t e 和E x e c u t e 来实现重数不限的“取消”和“重做”。支持修改日志,这样当系统崩溃时,这些修改可以被重做一遍。在C o m m a n d 接口中添加装载操作和存储操作,可以用来保持变动的一个一致的修改日志。从崩溃中恢复的过程包括从磁盘中重新读入记录下来的命令并用E x e c u t e 操作重新执行它们。用构建在原语操作上的高层操作构造一个系统。这样一种结构在支持事务( t r a n s a c t i o n )的信息系统中很常见。一个事务封装了对数据的一组变动。C o m m a n d 模式提供了对事务进行建模的方法。C o m m a n d 有一个公共的接口,使得你可以用同一种方式调用所有的事务。同时使用该模式也易于添加新事务以扩展系统。
说明
命令模式把一个请求或者操作封装到一个对象中。命令模式把发出命令的责任和执行命令的责任分割 开,委派给不同的对象。命令模式允许请求的一方和发送的一方独立开来,使得请求的一方不必知道接收请求的一方的接口,更不必知道请求是怎么被接收,以及操 作是否执行,何时被执行以及是怎么被执行的。系统支持命令的撤消。


名称 Interpreter
意图 给定一个语言,定义它的文法的一种表示,并定义一个解释器,这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。
适用性 当有一个语言需要解释执行, 并且你可将该语言中的句子表示为一个抽象语法树时,可使用解释器模式。而当存在以下情况时该模式效果最好:
该文法简单对于复杂的文法, 文法的类层次变得庞大而无法管理。此时语法分析程序生成器这样的工具是更好的选择。它们无需构建抽象语法树即可解释表达式, 这样可以节省空间而且还可能节省时间。
效率不是一个关键问题最高效的解释器通常不是通过直接解释语法分析树实现的, 而是首先将它们转换成另一种形式。例如,正则表达式通常被转换成状态机。但即使在这种情况下, 转换器仍可用解释器模式实现, 该模式仍是有用的。

说明 给定一个语言后,解释器模式可以定义出其文法的一种表示,并同时提供一个解释器。客户端可以使 用这个解释器来解释这个语言中的句子。解释器模式将描述怎样在有了一个简单的文法后,使用模式设计解释这些语句。在解释器模式里面提到的语言是指任何解释 器对象能够解释的任何组合。在解释器模式中需要定义一个代表文法的命令类的等级结构,也就是一系列的组合规则。每一个命令对象都有一个解释方法,代表对命 令对象的解释。命令对象的等级结构中的对象的任何排列组合都是一个语言。


名称 Iterator
意图 提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素, 而又不需暴露该对象的内部表示。
适用性 访问一个聚合对象的内容而无需暴露它的内部表示。

支持对聚合对象的多种遍历。

为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口(即, 支持多态迭代)。

说明 迭代子模式可以顺序访问一个聚集中的元素而不必暴露聚集的内部表象。多个对象聚在一起形成的总 体称之为聚集,聚集对象是能够包容一组对象的容器对象。迭代子模式将迭代逻辑封装到一个独立的子对象中,从而与聚集本身隔开。迭代子模式简化了聚集的界 面。每一个聚集对象都可以有一个或一个以上的迭代子对象,每一个迭代子的迭代状态可以是彼此独立的。迭代算法可以独立于聚集角色变化。


名称 Mediator
意图 用一个中介对象来封装一系列的对象交互。中介者使各对象不需要显式地相互引用,从而使其耦合松散,而且可以独立地改变它们之间的交互。
适用性 一组对象以定义良好但是复杂的方式进行通信。产生的相互依赖关系结构混乱且难以理解。

一个对象引用其他很多对象并且直接与这些对象通信,导致难以复用该对象。
想定制一个分布在多个类中的行为,而又不想生成太多的子类。

说明 调停者模式包装了一系列对象相互作用的方式,使得这些对象不必相互明显作用。从而使他们可以松 散偶合。当某些对象之间的作用发生改变时,不会立即影响其他的一些对象之间的作用。保证这些作用可以彼此独立的变化。调停者模式将多对多的相互作用转化为 一对多的相互作用。调停者模式将对象的行为和协作抽象化,把对象在小尺度的行为上与其他对象的相互作用分开处理。


名称 Memento
意图 在不破坏封装性的前提下,捕获一个对象的内部状态,并在该对象之外保存这个状态。这样以后就可将该对象恢复到原先保存的状态。
适用性 必须保存一个对象在某一个时刻的(部分)状态, 这样以后需要时它才能恢复到先前的状态。

如果一个用接口来让其它对象直接得到这些状态,将会暴露对象的实现细节并破坏对象的封装性。

说明 备忘录对象是一个用来存储另外一个对象内部状态的快照的对象。备忘录模式的用意是在不破坏封装的条件下,将一个对象的状态捉住,并外部化,存储起来,从而可以在将来合适的时候把这个对象还原到存储起来的状态。


名称 Observer
意图 定义对象间的一种一对多的依赖关系,当一个对象的状态发生改变时, 所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。
适用性 当一个抽象模型有两个方面, 其中一个方面依赖于另一方面。将这二者封装在独立的对象中以使它们可以各自独立地改变和复用。

当对一个对象的改变需要同时改变其它对象, 而不知道具体有多少对象有待改变。

当一个对象必须通知其它对象,而它又不能假定其它对象是谁。换言之, 你不希望这些对象是紧密耦合的。

说明 观察者模式定义了一种一队多的依赖关系,让多个观察者对象同时监听某一个主题对象。这个主题对象在状态上发生变化时,会通知所有观察者对象,使他们能够自动更新自己。

名称 State
意图 允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。对象看起来似乎修改了它的类。
适用性 一个对象的行为取决于它的状态, 并且它必须在运行时刻根据状态改变它的行为。
一 个操作中含有庞大的多分支的条件语句,且这些分支依赖于该对象的状态。这个状态通常用一个或多个枚举常量表示。通常, 有多个操作包含这一相同的条件结构。S t a t e模式将每一个条件分支放入一个独立的类中。这使得你可以根据对象自身的情况将对象的状态作为一个对象,这一对象可以不依赖于其他对象而独立变化。

说明 状态模式允许一个对象在其内部状态改变的时候改变行为。这个对象看上去象是改变了它的类一样。 状态模式把所研究的对象的行为包装在不同的状态对象里,每一个状态对象都属于一个抽象状态类的一个子类。状态模式的意图是让一个对象在其内部状态改变的时 候,其行为也随之改变。状态模式需要对每一个系统可能取得的状态创立一个状态类的子类。当系统的状态变化时,系统便改变所选的子类。


名称 Strategy
意图 定义一系列的算法,把它们一个个封装起来, 并且使它们可相互替换。本模式使得算法可独立于使用它的客户而变化。
适用性 许多相关的类仅仅是行为有异。“策略”提供了一种用多个行为中的一个行为来配置一个类的方法。

需要使用一个算法的不同变体。例如,你可能会定义一些反映不同的空间/时间权衡的算法。当这些变体实现为一个算法的类层次时[ H O 8 7 ] ,可以使用策略模式。

算法使用客户不应该知道的数据。可使用策略模式以避免暴露复杂的、与算法相关的数据结构。

一个类定义了多种行为, 并且这些行为在这个类的操作中以多个条件语句的形式出现。将相关的条件分支移入它们各自的S t r a t e g y 类中以代替这些条件语句。
说明
策略模式针对一组算法,将每一个算法封装到具有共同接口的独立的类中,从而使得它们可以相互替 换。策略模式使得算法可以在不影响到客户端的情况下发生变化。策略模式把行为和环境分开。环境类负责维持和查询行为类,各种算法在具体的策略类中提供。由 于算法和环境独立开来,算法的增减,修改都不会影响到环境和客户端。


名称 Template Method
意图 定义一个操作中的算法的骨架,而将一些步骤延迟到子类中。Te m p l a t e M e t h o d 使得子类可以不改变一个算法的结构即可重定义该算法的某些特定步骤。
适用性 一次性实现一个算法的不变的部分,并将可变的行为留给子类来实现。

各子类中公共的行为应被提取出来并集中到一个公共父类中以避免代码重复。这是O p d y k e 和J o h n s o n 所描述过的“重分解以一般化”的一个很好的例子[ O J 9 3 ]。首先识别现有代码中的不同之处,并且将不同之处分离为新的操作。最后,用一个调用这些新的操作的模板方法来替换这些不同的代码。
控制子类扩展。模板方法只在特定点调用“h o o k ”操作(参见效果一节),这样就只允许在这些点进行扩展。

说明 模板方法模式准备一个抽象类,将部分逻辑以具体方法以及具体构造子的形式实现,然后声明一些抽象方法来迫使子类实现剩余的逻辑。不同的子类可以以不同的方式实现这些抽象方法,从而对剩余的逻辑有不同的实现。先制定一个顶级逻辑框架,而将逻辑的细节留给具体的子类去实现。


名称 Visitor
意图 表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。它使你可以在不改变各元素的类的前提下定义作用于这些元素的新操作。
适用性 一个对象结构包含很多类对象,它们有不同的接口,而你想对这些对象实施一些依赖于其具体类的操作。
需要对一个对象结构中的对象进行很多不同的并且不相关的操作,而你想避免让这些操作“污染”这些对象的类。Vi s i t o r 使得你可以将相关的操作集中起来定义在一个类中。当该对象结构被很多应用共享时,用Vi s i t o r 模式让每个应用仅包含需要用到的操作。
定义对象结构的类很少改变,但经常需要在此结构上定义新的操作。改变对象结构类需要重定义对所有访问者的接口,这可能需要很大的代价。如果对象结构类经常改变,那么可能还是在这些类中定义这些操作较好。

说明 访问者模式的目的是封装一些施加于某种数据结构元素之上的操作。一旦这些操作需要修改的话,接 受这个操作的数据结构可以保持不变。访问者模式适用于数据结构相对未定的系统,它把数据结构和作用于结构上的操作之间的耦合解脱开,使得操作集合可以相对 自由的演化。访问者模式使得增加新的操作变的很容易,就是增加一个新的访问者类。访问者模式将有关的行为集中到一个访问者对象中,而不是分散到一个个的节 点类中。当使用访问者模式时,要将尽可能多的对象浏览逻辑放在访问者类中,而不是放到它的子类中。访问者模式可以跨过几个类的等级结构访问属于不同的等级 结构的成员类。

成功采用设计模式的三个步骤

如何把设计模式的采用和日益临近的最后期限、紧缩的预算和很多公司现有的有限团队资源相结合?以下是成功制订设计模式的三个步骤。

强大的通信和培训 许多机构拥有领先技术,可能正式通过了设计师论坛的论证或者非正式的公认专家。这些领先厂商将推广设计模式采用中的开放通信,并将培训开发具体设计模式的团队。通信应当跨开发团队和 项目以便预先防止采用竖井和多种惟一的实现(谨记每个Developer/Project AntiPattern的实现)。培训可以采用正式的internal lunch-and-learns、正式的internal class或者派一些员工参加外部培训。这些培训方式将促进正确的设计模式应用程序。如果仅有极少的观众能够参加培训,最佳的候选人是那些感觉适合在回来 后能够培训其同事的人。

设计模式采用指导 设计模式可用于使项目受益, 但是他们也可能因为误用而对应用程序造成损害。应当鼓励采用他们,但是对其的采用应当受到审阅和验证。设计模式可以包含在设计和开发过程中。在任何一种情 况中,设计模式的使用应当由审阅者确认和验证。在审阅过程中还可能会遇到这样的情况,额外的设计模式不适用于最初包括的地方。即使环境中没有进行正式的审 阅,这一步骤也可以通过同事审阅或者团队讨论来完成。这一步骤中的审阅者要么是主要团队的成员,要么与他们建立开放通信。指导采用对于broad exposure类别的设计模式非常关键。这些设计模式具有很多相关的风险,因为他们将创建依赖性。这些依赖性可能在一些对象类中,例如,只工作在更加广泛的DAO设计模式实现范围中的数据访问对象(DAO)、或者跨应用程序边界(如使用Value Object设计模式在应用程序和应用程序层之间传输数据)。这些设计模式也可以由项目中的其他人或者不同项目的人实现,而且实现应当重新使用,不同于创建另一种独特的实现。重用实现,不只是设计模式 只要在创建自己的设 计模式实现中有一定的满足,团队和公司就可以在重用发生在代码层时,而不是设计创意层时获得更多益处。使企业获益的最初设计模式是改进的实现。但是,真正 的目标是重用实现。重用实现将导致:a)其他可重用的类(取决于公共实现);b)缩短开发时间和降低成本;c)缩短维护时间和降低成本;d)在应用程序之 间和内部轻松集成。这种重用对broad exposure设计模式非常重要(有时是基本的)。这些设计模式创建了外部依赖性(集成将从公共实现中受益)或者产生全部的自定义类库(如果有公共基础 将可重用)。isolated use设计模式也可以从重用中获益,但是如果他们是根据具体情况定制的,他们就非常难以重用。有时您可能会问 自己:“如果重用比较好,为什么设计模式和可以重用的实现不可以一同应用呢?”在我们讨论设计模式如何使更多读者获益的时候才会讨论这个问题。如果可能, 如果已经预定义了实现,那么达到广泛适用性这个目标就会非常困难。然而,一旦设计模式被应用到特殊的问题域或者技术基础设施中,那么就可以重用在该环境中 产生的实现。

架构中的设计模式 这看起来像是一件可怕的任务,需要掌握设计模式如何应用在实际情况中,如何构建优质的实现,以及如何促进重用实现。完成该任务的方法之一就是在环境中引 入应用程序架构。应用程序架构提供了应用程序需要的结构,从而使开发团队可以关注应用程序的域逻辑。这包含了已实现的设计模式。除了重用设计模式概念或者 单个实现之外,可以在多个项目和应用程序之间重用架构。这种共享的公共实现确保了兼容性,并为开发和维护多种不同的实现提供了一种低成本替代方案。兼容性 提供了重新使用需要的技术基础。没有足够的篇幅在这里深入讨论架构的其他重要品质,如运行时监测和管理、可配置应用程序逻辑和适应性行为等。您可以从 Carnegie Mellon Software Engineering Institute (www.sei.cmu.edu/ata/ata_init.html) 中学习到更多有关架构的知识。

粗论框架

可以说,一个框架是一个可复用的设计构件,它规定了应用的体系结构,阐明了整个设计、协作构件之间的依赖关系、责任分配和控制流程,表现为一组抽象类以及其实例之间协作的方法,它为构件复用提供了上下文(Context)关系。因此构件库的大规模重用也需要框架。

构件领域框架方法在很大程度上借鉴了硬件技术发展的成就,它是构件技术、软件体系结构研究和应用软件开发三者发展结合的产物。在很多情况下,框架通常以构件库的形式出现,但构件库只是框架的一个重要部分。框架的关键还在于框架内对象间的交互模式和控制流模式。

框架比构件可定制性强。在某种程度上,将构件和框架看成两个不同但彼此协作的技术或许更好。框架为构件提供重用的环境,为构件处理错误、交换数据及激活操作提供了标准的方法。

应用框架的概念也很简单。它并不是包含构件应用程序的 小片程序,而是实现了某应用领域通用完备功能(除去特殊应用的部分)的底层服务。使用这种框架的编程人员可以在一个通用功能已经实现的基础上开始具体的系 统开发。框架提供了所有应用期望的默认行为的类集合。具体的应用通过重写子类(该子类属于框架的默认行为)或组装对象来支持应用专用的行为。

应用框架强调的是软件的设计重用性和系统的可扩充性,以缩短大型应用软件系统的开发周期,提高开发质量。与传统的基于类库的面向对象重用技术比较,应用框架更注重于面向专业领域的软件重用。应用框架具有领域相关性,构件根据框架进行复合而生成可运行的系统。框架的粒度越大,其中包含的领域知识就更加完整。

框架,即framework。其实就是某种应用的半成品,就是一组组件,供你选用完成你自己的系统。简单说就是使用别人搭好的舞台,你来做表演。而且,框架一般是成熟的,不断升级的软件。

框架的概念最早起源于Smalltalk环境,其中最著名的框架是Smalltalk 80的用户界面框架MVC(Model -View-Controller)。随着用户界面框架Interviews [Linton 89]和ET++ [Weinand 89] 的开发和发布,框架研究越来越受到研究人员的重视。虽然框架研究最初起源于用户界面领域,但它还被成功地应用到其他领域中,如操作系统 [Russo 90]、火警系统 [Molin 96a,Molin 96b] 等。Taligent公司于1992年成立后,框架研究受到了广泛的重视。该公司计划基于框架来开发一个完整的面向对象操作系统。另外,该公司还发布了一 套支持快速应用开发的工具集CommonPoint,其中包括了上百个面向对象框架 [Andert 94,Cotter 95]。
框架目前还没有统一的定义,其中Ralph Johnson所给出的定义基本上为大多数研究人员所接受:

一个框架是一个可复用设计,它是由一组抽象类及其实例间协作关系来表达的 [Johnson 98]。

这个定义是从框架内涵的角度来定义框架的,当然也可以从框架用途的角度来给出框架的定义:

一个框架是在一个给定的问题领域内,一个应用程序的一部分设计与实现[Bosch 97]。

从以上两个定义可以看出,框架是对特定应用领域中的应用系统的部分设计和实现,它定义了一类应用系统(或子系统)的整体结构。框架将应用系统划分为类和对象,定义类和对象的责任,类和对象如何互相协作,以及对象之间的控制线程。这些共有的设计因素由框架预先定义,应用开发人员只须关注于特定的应用系统特有部分。框架刻画了其应用领域所共有的设计决策,所以说框架着重于设计复用,尽管框架中可能包含用某种程序设计语言实现的具体类。

一个基于框架开发的应用系统包含一个或多个框架,与框架相关的构件类,以及与应用系统相关的功能扩展。与应用系统相关的扩展包括与应用系统相关的类和对象。应用系统可能仅仅复用了面向对象框架的一部分,或者说,它可能需要对框架进行一些适应性修改,以满足系统需求。

面向对象的框架作为一种可复用的软件,在基于框架的软件开发过程中会涉及到框架的开发和利用两个方面的工作。框架的开发阶段在于产生领域中可复用的设计。 该阶段的主要结果是框架以及与框架相关的构件类。该阶段的一个重要活动是框架的演变和维护。象所有软件一样,框架也易于变化。产生变化的原因很多,如应用 出错,业务领域变化,等等。

不论是哪一种技术,最终都是为业务发展而服务的。从业务的角度来讲。首先,框架的是为了企业的业务发展和战略规划而服务的,他服从于企业的愿景 (vision);其次,框架最重要的目标是提高企业的竞争能力,包括降低成本、提高质量、改善客户满意程度,控制进度等方面。最后,框架实现这一目标的 方式是进行有效的知识积累。软件开发是一种知识活动,因此知识的聚集和积累是至关重要的。框架能够采用一种结构化的方式对某个特定的业务领域进行描述,也 就是将这个领域相关的技术以代码、文档、模型等方式固化下来。


框架要解决的问题

框架要解决的最重要的一个问题是技术整合的问题,在框架中,有着各种各样的技术,不同的软件企业需要选择不同的技术,这就使得软件企业最终的应用依赖于这些技术,技术自身的复杂性和技术的风险 性将会直接对应用造成冲击。而应用是软件企业的核心,是竞争力的关键所在,因此应该将应用自身的设计和具体的实现技术解耦。这样,软件企业的研发将集中在 应用的设计上,而不是具体的技术实现,技术实现是应用的底层支撑,它不应该直接对应用产生影响。

要理解这一点,我们来举一些例子:

一个做视频流应用的软件企业,他为电广行业提供整体的解决方案。他的优势在于将各种各样的视频硬件、服务器、和管理结合起来,因此他扮演的是一个集成商的 角色。因此他的核心价值在于使用软件技术将不同的硬件整合起来,并在硬件的整合层面上提供一个统一的管理平台。所以他的精力应该放在解决两个问题:

如何找到一种方法,将不同的硬件整合起来,注意,这里的整合并不是技术整合,而是一种思路上的整合。首先要考虑的绝对不是要使用什么技术,而是这些硬件需 要提供哪些服务,需要以什么样的方式进行管理。因此,这时候做的事情实际上是对领域进行建模。例如,我们定义任何一种硬件都需要提供两种能力,一种是统一 的管理接口,用于对所有硬件统一管理;另一种是服务接口,系统平台可以查询硬件所能够提供的服务,并调用这些服务。所以,设计的规范将会针对两种能力进 行。


什么要用框架?

因为软件系统发展到今天已经很复杂了,特别是服务器端软件,设计到的知识,内容,问题太多。在某些方面使用别人成熟的框架,就相当于让别人帮你完成一些基 础工作,你只需要集中精力完成系统的业务逻辑设计。而且框架一般是成熟,稳健的,他可以处理系统很多细节问题,比如,事物处理,安全性,数据流控制等问 题。还有框架一般都经过很多人使用,所以结构很好,所以扩展性也很好,而且它是不断升级的,你可以直接享受别人升级代码带来的好处。框架一般处在低层应用平台和高层业务逻辑之间的中间层。为了实现“高内聚、低耦合”。把问题划分开来各个解决,易于控制,易于延展,易于分配资源…框架的分层设计已经被普遍接受。


为什么要进行框架开发?

框架的最大好处就是重用。面向对象系统获得的最大的复用方式就是框架,一个大的应用系统往往可能由多层互相协作的框架组成。

由于框架能重用代码,因此从一已有构件库中建立应用变得非常容易,因为构件都采用框架统一定义的接口,从而使构件间的通信简单。

框架能重用设计。它提供可重用的抽象算法及高层设计,并能将大系统分解成更小的构件,而且能描述构件间的内部接口。这些标准接口使在已有的构件基础上通过 组装建立各种各样的系统成为可能。只要符合接口定义,新的构件就能插入框架中,构件设计者就能重用构架的设计。

框架还能重用分析。所有的人员若按照框架的思想来分析事务,那么就能将它划分为同样的构件,采用相似的解决方法,从而使采用同一框架的分析人员之间能进行沟通。


采用框架技术进行软件开发的主要特点包括:

领域内的软件结构一致性好;

建立更加开放的系统;

重用代码大大增加,软件生产效率和质量也得到了提高;

软件设计人员要专注于对领域的了解,使需求分析更充分;

存储了经验,可以让那些经验丰富的人员去设计框架和领域构件,而不必限于低层编程;

允许采用快速原型技术;

有利于在一个项目内多人协同工作;

大粒度的重用使得平均开发费用降低,开发速度加快,开发人员减少,维护费用降低,而参数化框架使得适应性、灵活性增强。

与框架相关的概念

1. 白盒与黑盒框架

框架可分为白盒(White-Box)与黑盒(Black-Box)两种框架。

基于继承的框架被称为白盒框架。所谓白盒即具备可视性,被继承的父类的内部实现细节对子类 而言都是可知的。利用白盒框架的应用开发者通过衍生子类或重写父类的成员方法来开发系统。子类的实现很大程度上依赖于父类的实现,这种依赖性限制了重用的 灵活性和完全性。但解决这种局限性的方法可以是只继承抽象父类,因为抽象类基本上不提供具体的实现。白盒框架是一个程序骨架,而用户衍生出的子类是这个骨 架上的附属品。

基于对象构件组装的框架就是黑盒框架。应用开发者通过整理、组装对象来获得系统的实现。用户只须了解构件的外部接口,无须了解内部的具体实现。另外,组装比继承更为灵活,它能动态地改变,继承只是一个静态编译时的概念。

在理想情况下,任何所需的功能都可通过组装已有的构件得到,事实上可获得的构件远远不能满足需求,有时通过继承获得新的构件比利用已有构件组装新构件更容 易,因此白盒和黑盒将同时应用于系统的开发中。不过白盒框架趋向于向黑盒框架发展,黑盒框架也是系统开发希望达到的理想目标。

2. 热点、食谱以及好莱坞原则

成功的框架开发需要确定领域专用的“热点” (Hot spot)。应用开发者在框架的基础上进行开发,只须扩展框架的某些部分,“热点”就是在应用领域的一种扩展槽,开发者根据自己的需要填充这些扩展槽。 “热点”使框架具有灵活性,如在具体的实现中,扩展槽可以被看成是一些抽象类,开发者通过重写抽象方法获得具体实现。

“食谱” (Cookbook)就是描述如何使用框架方法的文档。在“食谱”中包含了许多“烹饪”方法,这些“烹饪”方法相当于一些具体的操作步骤,描述了为解决某一专门问题如何使用框架的详细方法。框架的内部设计和实现细节通常不出现在“食谱”中。

框架的一个重要特征就是用户定义的方法经常被框架自身调用,而不是从用户的应用代码中调用。这种机制常称为“好莱坞原则”(Hollywood Principle)或“别调用我们,我们会调用您”。


常见的C++框架有什么?

ACE:
全称:Adaptive Communication Enviroment
ACE自适配通信环境(ADAPTIVE Communication Environment)是可以自由使用、开放源码的面向对象(OO)框架(Framework),在其中实现了许多用于并发通信软件的核心模式。ACE提供了一组丰富的可复用C++ Wrapper Facade(包装外观)和框架组件,可跨越多种平台完成通用的通信软件任务,其中包括:事件多路分离和事件处理器分派、信号处理、服务初始化、进程间通信、共享内存管理、消息路由、分布式服务动态(重)配置、并发执行和同步,等等。
ACE的目标用户是高性能和实时通信服务和应用的开发者。它简化了使用进程间通信、事件多路分离、显式动态链接和并发的OO网络应用和服务的开发。此外,通过服务在运行时与应用的动态链接,ACE还使系统的配置和重配置得以自动化。

出处:http://www.cs.wustl.edu/~schmidt/ACE.html

说明: 小飞驴对ACE的技术文档作了翻译,有中文版的大量资料可查 http://www.flyingdonkey.com/ace/


ICE:

全称:Internet Communications Engine

Internet Communications Engine是ZeroC提 供的一款高性能的中间件,基于ICE可以实现电信级的解决方案。前面我们提到过在设计网站架构的时候可以使用ICE实现对网站应用的基础对象操作,将基础 对象操作和数据库操作封装在这一层,在业务逻辑层以及表现层(C++,java,php,.net,python)进行更丰富的表现与操作,从而实现比较好的架 构。基于ICE的数据层可以在未来方便的进行扩展。ICE支持分布式的部署管理,消息中间件,以及网格计算等等。

出处: http://www.zeroc.com/ice.html

说明: 小飞驴对ICE的技术文档作了翻译,可惜无法免费下载,也有中文版的大量资料可查


BOOST:

全称: Boost portable C++ libraries.

Boost库是一个经过千锤百炼、可移植、提供源代码的C++库,作为标准库的后备,是C++标准化进程的发动机之一。 Boost库由C++标准委员会库工作组成员发起,在C++社区中影响甚大,其成员已近2000人。 Boost库为我们带来了最新、最酷、最实用的技术,是不折不扣的“准”标准库。

出处: http://www.boost.org

说明: 恐怕是更新最快的库了, 非官方中文站 http://www.stlchina.org/twiki/bin/view.pl/Main/BoostChina


Loki:

全称: C++ library Loki

Loki(神中的混乱制造者),也造成C++世界智能指针的混乱,不折不扣地模板化模式实现者!

出处: http://loki-lib.sourceforge.net/


总结

到目前为止,对于框架(战略模式)的研究远比设计模式(战术模式)的研究要少,这也可以理解,应为框架的构成与实现更为复杂,可在不同的领域与行业差别会更大,导致对于框架的认识是很不相同的。

框架的实现要依赖于模式,但是模式的简单堆积却构不成框架。可以肯定地是选择合适的框架会给软件开发工作注入澎湃的动力。如在以Apache为基础的Web服务器CGI程序中,目前主流是动态语言解释模块,mod_pytho,mod_perl,php都有成功的CGI框架,而我们还停留在十几年前的技术,用C写着CGI。恐怕不是因为我们技术力量不行,而是缺乏新技术的接纳的态度以及不断学习的激情!


稍微改一下伟人的名言: “战术上重视敌人,战略上更重视敌人,”

星期五, 五月 04, 2007

软件工程

软件工程

随着软件开发过程的规模化与复杂化,软件开发过程被工程化。工程是将理论和知识应用于实践的科学。软件工程(Software Engineering,简称为SE) 借鉴了传统工程的原则和方法,以求高效地开发高质量软件,其中应用了计算机科学、数学和管理科学。计算机科学和数学用于构造模型与算法,工程科学用于制定规范、设计范型、评估成本及确定权衡,管理科学用于计划、资源、质量和成本的管理。软件工程是用工程化方法构建和维护有效的、实用的和高质量的软件的学科。它涉及到程序设计语言,数据库,软件开发工具,系统平台,标准,设计模式,以及参与其中的人员与资本等方面。所以把”软件工程“作为一门学科,我是全力赞同的,但是由于软件工程涉及到内容实在是太多,所以我们的本科教育甚至研究生教育不可能培养出完全合格的软件工程人员,尤其时其中的管理人员。因此,我认为,软件工程是一门边实践边掌握的学问!正如”Life is short; art is long“, 人生如氤靄,艺术永不朽(我译为:人生苦短,道路漫长),个人对于知识掌握是永远是有限的,所以这里还有一句古人(恩格斯)的名言:最好的方法时关于方法的方法。怎么样快速掌握这么学问才是最重要的!


软件工程这一概念,主要是针对20世纪60年代“软件危机”而提出的。它首次出现在1968年NATO(北大西洋公约组织)会议上。自这一概念提出以来, 围绕软件项目,开展了有关开发模型、方法以及支持工具的研究。其主要成果有:提出了瀑布模型,开发了一些结构化程序设计语言(例如PASCAL语言, Ada语言)、结构化方法等。并且围绕项目管理提出了费用估算、文档复审等方法和工具。

综观60年代末至80年代初,其主要特征是,前期着重研究系统实现技术,后期开始强调开发管理和软件质量。

70年代初,自“软件工厂”这一概念提出以来,主要围绕软件过程以及软件复用,开展了有关软件生产技术和软件生产管理的研究与实践。其主要成果有:提出了应用广泛的面向对象语言以及相关的面向对象方法,大力开展了计算机辅助软件工程的研究与实践。尤其是近几年来,针对软件复用及软件生产,软件构件技 术以及软件质量控制技术、质量保证技术得到了广泛的应用。目前各个软件企业都十分重视资质认证,并想通过这些工作进行企业管理和技术的提升。然而这些软件 企几乎没有探触到问题的本质,仅仅是为了资质而重视资质。可悲,理想的境界应该是质量与工程意识灌输到每个软件工程师,每个软件工程师作为一个战术单元, 成为为整个软件开发任务这个战略任务的基本单元,形成每个参与者与整个任务的良好互动与正向循环,整个战略系统会不断修正与提高每个战术单元的命中率与成 功率,战术单元单体的成长与成功促使整个战略系统的作战任务的完成与胜利。那种“粉”软件企业就算拿到的资质认证就是拿来“秀”的,走台步看着很漂亮, 一到实际作战就成了累赘!这样的战略指导思想,导致每一个战术单元的失灵,因为这样的战略指导思想本省就是错的。本文试图阐述正确的软件工程,用以建立正 确的战略指导思想。战略指导思想正确是战争胜利的必要条件。


据说: 软件工程师是对应用软件创造软件的人们的统称,软件工程师按照所处的领域不同可以分为系统分析员,软件设计师,系统架构师,程序员,测试员等等。人们也常常用程序员来泛指各种软件工程师。

软件工程(SoftWare Engineering)的框架可概括为:目标、过程和原则。

(1)软件工程目标:生产具有正确性、可用性以及开销合宜的产品。正确性指软件产品达到预期功能的程度。可用性指软件基本结构、实现及文档为用户可用的程度。开销合宜是指软件开发、运行的整个开销满足用户要求的程度。这些目标的实现不论在理论上还是在实践中均存在很多待解决的问题,它们形成了对过程、过程模型及工程方法选取的约束。

(2)软件工程过程:生产一个最终能满足需求且达到工程目标的软件产品所需要的步骤。软件工程过程主要包括开发过程、运作过程、维护过程。它们覆盖了需求、设计、实现、确认以及维护等活动。


  • 需求活动包括问题分析和需求分析。问题分析获取需求定义,又称软件需求规约。需求分析生成功能规约。
  • 设计活动一般包括概要设计和详细设计。
    • 概要设计建立整个软件系统结构,包括子系统、 模块以及相关层次的说明、每一模块的接口定义。
    • 详细设计产生程序员可用的模块说明,包括每一模块中数据结构说明及加工描述。
  • 实现活动把设计结果转换为可执行的程序代码。
  • 确认活动贯穿于整个开发过程,实现完成后的确认,保证最终产品满足用户的要求。
  • 维护活动包括使用过程中的扩充、修改与完善。伴随以上过程, 还有管理过程、支持过程、培训过程等。


(3)软件工程的原则是指围绕工程设计、工程支持以及工程管理在软件开发过程中必须遵循的原则,软件工程中有如下《四项基本原则》。

第一,选取适宜开发范型。该原则与系统设计有关。在系统设计中,软件需求、硬件需求以及其他因素之间是相互制约、相互影响的,经常需要权衡。因此,必须认识需求定义的易变性,采用适宜的开发范型予以控制,以保证软件产品满足用户的要求。

第二,采用合适的设计方法。在软件设计中,通常要考虑软件的模块化、抽象与信息隐蔽、局部化、一致性以及适应性等特征。合适的设计方法有助于这些特征的实现,以达到软件工程的目标。

第三,提供高质量的工程支持。“工欲善其事,必先利其器”。在软件工程中,软件工具与环境对软件过程的支持颇为重要。软件工程项目的质量与开销直接取决于对软件工程所提供的支撑质量和效用。

第四,重视开发过程的管理。软件工程的管理,直接影响可用资源的有效利用,生产满足目标的软件产品,提高软件组织的生产能力等问题。因此,仅当软件过程得以有效管理时,才能实现有效的软件工程。


这一软件工程框架告诉我们,软件工程的目标是可用性、正确性和合算性;实施一个软件工程要选取适宜的开发范型,要采用合适的设计方法,要提供高质量的工程支撑,要实行开发过程的有效管理;软件工程活动主要包括需求、设计、实现、确认和支持等活动,每一活动可根据特定的软件工程,采用合适的开发范型、设计方法、支持过程以及过程管理。根据软件工程这一框架,软件工程学科的研究内容主要包括:软件开发范型、软件开发方法、软件过程、软件工具、软件开发环境、计算机辅助软件工程(CASE) 及软件经济学等。


软件工程的作用是高效开发高质量软件。自从软件工程概念提出以来,经过30多年的研究与实践,虽然“软件危机”没得到彻底解决,但在软件开发方法和技术方面已经有了很大的进步。尤其应该指出的是,自80年代中期,美国工业界和政府部门开始认识到,在软件开发中,最关键的问题是软件开发组织不能很好地定义和管理其软件过程,从而使一些好的开发方法和技术都起不到所期望的作用。也就是说,在没有很好定义和管理软件过程的软件开发中,开发组织不可能在好的软件方法和工具中获益。

据调查,据说,据传说,中国的现状几乎和美国10多年前的情况一样,软件开发过程没有明确规定,文档不完整,也不规范,软件项目的成功往往归功于软件开发组的一些杰出个人或小组的努力。这种依赖于个别人员上的成功并不能为全组织的软件生产率和质量的提高奠定有效的基础,只有通过建立全组织的过程改善,采用严格的软件工程方法和管理,并且坚持不懈地付诸实践,才能取得全组织的软件过程能力的不断提高。在战争过程中,某个局部的胜利也许能够导致整个战争的胜利,但是这是不可取的,真正的胜利,应该是所有局部战争的胜利。

这一事实告诉我们,只有坚持软件工程的四条基本原则,既重视软件技术的应用,又重视软件工程的支持和管理,并在实践中贯彻实施,才能高效地开发出高质量的软件。


自从1968年提出“软件工程”这一术语以来,研究软件工程的专家学者们陆续提出了100多条关于软件工程的准则或信条。 美国著名的软件工程专家 Boehm 综合这些专家的意见,并总结了TRW公司多年的开发软件的经验,于1983年提出了软件工程的七条基本原理。Boehm 认为,着七条原理是确保软件产品质量和开发效率的原理的最小集合。它们是相互独立的,是缺一不可的最小集合;同时,它们又是相当完备的。

人们当然不能用数学方法严格证明它们是一个完备的集合,但是可以证明,在此之前已经提出的100多条软件工程准则都可以有这七条原理的任意组合蕴含或派生。我就喜欢简单,如爱因斯坦质能方程E=mc2,让人看一眼就忘不了。易曰《乾以易知,坤以简能。易则易知,简则易从。易知则有亲,易从则有功。有亲则可久,有功则可大。》天地尚且如此,何况与软件工程,所以这些规则一定要简单,而我也喜欢简单。


下面简要介绍软件工程的七条原理

1 用分阶段的生命周期计划严格管理
这一条是吸取前人的教训而提出来的。统计表明,50%以上的失败项目是由于计划不周而造成的。在软件开发与维护的漫长生命周期中,需要完成许多性质各异的工作。这条原理意味着,应该把软件生命周期分成若干阶段,并相应制定出切实可行的计划,然后严格按照计划对软件的开发和维护进行管理。 Boehm 认为,在整个软件生命周期中应指定并严格执行6类计划:项目概要计划、里程碑计划、项目控制计划、产品控制计划、验证计划、运行维护计划。

2 坚持进行阶段评审
统计结果显示: 大部分错误是在编码之前造成的,大约占63%; 错误发现的越晚,改正它要付出的代价就越大,要差2到3个数量级。 因此,软件的质量保证工作不能等到编码结束之后再进行,应坚持进行严格的阶段评审,以便尽早发现错误。

3 实行严格的产品控制
开发人员最痛恨的事情之一就是改动需求。但是实践告诉我们,需求的改动往往是不可避免的。这就要求我们要采用科学的产品控制技术来顺应这种要求。也就是要采用变动控制,又叫基准配置管理。当需求变动时,其它各个阶段的文档或代码随之相应变动,以保证软件的一致性。

4 采纳现代程序设计技术
从六、七时年代的结构化软件开发技术,到最近的面向对象技术,从第一、第二代语言,到第四代语言,人们已经充分认识到:方法大似气力。采用先进的技术即可以提高软件开发的效率,又可以减少软件维护的成本。从面向过程到面向对象,从过程编程到泛型编程,一次又一次的进步,促进了软件开发过程不断第发展。

5 结果应能清楚地审查
软件是一种看不见、摸不着的逻辑产品。软件开发小组的工作进展情况可见性差,难于评价和管理。为更好地进行管理,应根据软件开发的总目标及完成期限, 尽量明确地规定开发小组的责任和产品标准,从而使所得到的标准能清楚地审查。
6 开发小组的人员应少而精
开发人员的素质和数量是影响软件质量和开发效率的重要因素,应该少而精。这一条基于两点原因:高素质开发人员的效率比低素质开发人员的效率要高几倍到几十倍,开发工作中犯的错误也要少的多; 当开发小组为N人时,可能的通讯信道为N(N-1)/2, 可见随着人数N的增大,通讯开销将急剧增大。

7 承认不断改进软件工程实践的必要性
遵从上述六条基本原理,就能够较好地实现软件 的工程化生产。但是,它们只是对现有的经验的总结和归纳,并不能保证赶上技术不断前进发展的步伐。因此,Boehm提出应把承认不断改进软件工程实践的必 要性作为软件工程的第七条原理。根据这条原理,不仅要积极采纳新的软件开发技术,还要注意不断总结经验,收集进度和消耗等数据,进行出错类型和问题报告统计。这些数据既可以用来评估新的 软件技术的效果,也可以用来指明必须着重注意的问题和应该优先进行研究的工具和技术。

面向方面的编程(Aspect Oriented Programming,简称AOP)被认为是近年来软件工程的另外一个重要发展。这里的方面指的是完成一个功能的对象和函数的集合。在这一方面相关的内容有泛型编程(Generic Programming)和模板。

到此位置,至少应该记住: 三个基本组成,四项基本原则,7个基本原理.


软件工程的目标是提高软件的质量与生产率,最终实现软件的工业化生产。质量是软件需求方最关心的问题,用户即使不图物美价廉,也要求个货真价实。生产率是软件供应方最关心的问题,老板和员工都想用更少的时间挣更多的钱。质量与生产率之间有着内在的联系,高生产率必须以质量合格为前提。如果质量不合格,对供需双方都是坏事情。从短期效益看,追求高质量会延长软件开发时间并且增大费用,似乎降低了生产率。从长期效益看,高质量将保证软件开发的全过程更加规范流畅,大大降低了软件的维护代价,实质上是提高了生产率,同时可获得很好的信誉。质量与生产率之间不存在根本的对立,好的软件工程方法可以同时提高质量与生 产率。

软件供需双方的代表能在餐桌上谈笑风生,归功于第一线开发人员的辛勤工作。质量与生产率的提高就得指望程序员与程序经理。对开发人员而言,如果非得在质量与生产率之间分个主次不可,那么应该是质量第一,生产率第二。这是因为:(1)质量直接体现在软件的每段程序中,高质量自然是开发人员的技术追求,也是职业道德的要求。(2)高质量对所有的用户都有价值,而高生产率只对开发方有意义。(3)如果一开始就追求高生产率,容易使人急功近利,留下隐患。宁可进度慢些,也要保证每个环节的质量,以图长远利益。

软件的质量因素很多,如正确性,性能、可靠性、容错性、易用性、灵活性、可扩充性、可理解性、可维护性等等。有些因素相互重叠,有些则相抵触,真要提高质量可不容易啊!

软件工程的主要环节有:人员管理、项目管理、可行性与需求分析、系统设计、程序设计、测试、维护等,如图1.1所示。





人员管理




项目管理


可行性与
需求分析
系统设计
程序设计
测 试
维 护





图1.1 软件工程的主要环节


软件工程模型建议用一定的流程将各个环节连接起来,并可用规范的方式操作全过程,如同工厂的生产线。常见的软件工程模型有:线性模型(图1.2),渐增式模型(图1.3),螺旋模型,快速原型模型,形式化描述模型等等 [Pressmam 1999, Sommerville 1992]。


可行性与
需求分析
———→ 系统设计
———→ 程序设计
———→ 测 试
———→ 维 护
图1.2软件工程的线性模型

时间



可行性与
需求分析
————→ 系统设计
————→ 程序设计
————→ 测 试
————→ 维 护
















←—→

可行性与
需求分析
————→ 系统设计
————→ 程序设计
————→ 测 试
————→ 维 护
↑│↓
————— ————— ————— ————— ————— ————— ————— ————— ————— ——→ 进度
图1.3 软件工程的渐增式模型


最早出现的软件工程模型是线性模型(又称瀑布模型)。线性模型太理想化,太单纯,已不再适合现代的软件开发模式, 几乎被业界抛弃。偶而被人提起,都属于被贬对象,未被留一丝惋惜。但我们应该认识到,“线性”是人们最容易掌握并能熟练应用的思想方法。当人们碰到一个复 杂的“非线性”问题时,总是千方百计地将其分解或转化为一系列简单的线性问题,然后逐个解决。一个软件系统的整体可能是复杂的,而单个子程序总是简单的, 可以用线性的方式来实现,否则干活就太累了。线性是一种简洁,简洁就是美。当我们领会了线性的精神,就不要再呆板地套用线性模型的外表,而应该用活它。例 如渐增式模型实质就是分段的线性模型,如图1.3所示。螺旋模型则是接连的弯曲了的线性模型。在其它模型中都能够找到线性模型的影子。

套用固定的模型不是程序员的聪明之举。比如“程序设计”与“测试”之间的关系,习惯上总以为程序设计在先,测试在后,如图1.4(a)所示。而对于一些复杂的程序,将测试分为同步测试与总测试更有效,如图1.4(b)所示。


不论是什么软件工程模型,总是少不了图1.1中的各个环节。我们将擗开具体的软件工程模型,顺序讲述人员管理、项目管理、可行性与需求分析、系统设计、程序设计、测试,以及维护与再生工程。


软件体系结构表示了一个软件系统的高层结构,主要特点有:1)软件系统结构是一个高层次上的抽象,它并不涉及具体的系统结构(比如B/S还是C/S), 也不关心具体的实现。2)软件体系结构必须支持系统所要求的功能,在设计软件体系结构的时候,必须考虑系统的动态行为。3)在设计软件体系结构的时候,必须考虑有现有系统的兼容性、安全性和可靠性。同时还要考虑系统以后的扩展性和伸缩性。所以有时候必须在多个不同方向的目标中进行决策。当前已经有一些关于规范化软件体系结构,比如:ISO的开放系统互联模型、X Window系统等等。软件系统的结构通常被定义为两个部分:一个是计算部件。另一个就是部件之间的交互。如果把软件系统看成一幅图的话,计算部件就是其中的节点,而部件之间的交互就是节点之间的弧线。部件之间的连接可以被认为是一种连接器,比如过程调用、事件广播、数据库查询等等。正确的体系结构设计是 软件系统成功的关键。
我们理解了软件工程的重要性以后,我们没有相应的工具,我们也很难很好的完成一个系统。在需求分析和设计阶段,我们需要什么样的工具呢?

当然最好是基于UML的CASE工具。当前比较流行的就是Rose,它是一个很好的分析和建立对象和对象关系的工具。

在具体编码的时候,我们需要版本控制工具,CVS开源的并发版本控制系统,虽然地位开始受到SVN的挑战,但相当长内仍然会是版本控制的老大!M$的VSS我是不屑一顾的。具体的开发工具当然很多,需要根据具体的项目来确定。但是如果你是一个对VC侵淫了多年的程序员,你一定会选择它,因为它会让你感到什么是真正的集成开发环境,而你在用VB,PowerBuilder,Delphi时很少会有同样的感受。GNU Compile Chain的好处呢,就是有相当多的源代码可供参考。至于数据库模式构建,没有太多的研究,仅仅用过MYSQL与MSSQL而已,其他的工具我就不好说了。

另外需要注意的是,我们需要建立文档编写的若干模板,以便开发人员按照这个模板编写规范的技术和说明文档。帮助文档我是喜欢直接嵌入代码,通过doxygen直接生成,然后制作.hlp与.chm,因为只有一个文件,使用和分发比较方便。最后,如果开发人员不是集中在一个地方的话,最好建立一个邮件列表,开发人员可以通过邮件系统讨论开发中的各项事宜。


软件开发方法 国外大的软件公司和机构一直在研究软件开发方法这个概念性的东西,而且也提出了很多实际的开发方法,比如:生命周期法、原型化方法、面向对象方法等等。下面介绍几种流行的开发方法:

1、结构化方法

结构化开发方法是由E.Yourdon 和 L.L.Constantine 提出的,即所谓的SASD 方 法, 也可称为面向功能的软件开发方法或面向数据流的软件开发方法。Yourdon方法是80年代 使用最广泛的软件开发方法。它首先用结构化分析(SA)对软件进行需求分析,然后用结构化设计(SD)方法进行总体设计,最后是结构化编程(SP)。它给出了两类典型的软件结构(变换型和事务型)使软件开发的成功率大大提高。

2、面向数据结构的软件开发方法

Jackson方法是最典型的面向数据结构的软件开发方法,Jackson方法把问题分解为可由三 种基本结构形式表示的各部分的层次结构。三种基本的结构形式就是顺序、选择和重复。三种数据结构可以进行组合,形成复杂的结构体系。这一方法从目标系统的 输入、输出数据结构入手,导出程序框架结构,再补充其它细节,就可得到完整的程序结构图。这一方法对输入、输出数据结构明确的中小型系统特别有效,如商业应用中的文件表格处理。该方法也可与其它方法结合,用于模块的详细设计。

3、 面向问题的分析法

PAM(Problem Analysis Method)是80年代末由日立公司提出的一种软件开发方法。 它的基本思想是考虑到输入、输出数据结构,指导系统的分解,在系统分析指导下逐步综合。这一方法的具体步骤是:从输入、输出数据结构导出基本处理框;分析这些处理框之间的先后关系;按先后关系逐步综合处理框,直到画出整个系统的PAD 图。这一方法本质上是综合的自底向上的方法,但在逐步综合之前已进行了有目的的分解,这个目的就是充分考虑系统的输入、输出数据结构。PAM方法的另一个 优点是使用PAD图。这是一种二维树形结构图,是到目前为止最好的详细设计表示方法之一。当然由于在输入、输出数据结构与整个系统之间同样存在着鸿沟,这 一方法仍只适用于中小型问题。

4、原型化方法

产生原型化方法的原因很多,主要随着我们系统开发经验的增多,我们也发现并非所有的需求都能够预先定义而且反复修改是不可避免的。当然能够采用原型化方法是因为开发工具的快速发展,比如用VB,DELPHI等工具我们可以迅速的开发出一个可以让用户看 的见、摸的着的系统框架,这样,对于计算机不是很熟悉的用户就可以根据这个样板提出自己的需求。

开发原型化系统一般由以下几个阶段:
(1) 确定用户需求
(2) 开发原始模型
(3) 征求用户对初始原型的改进意见
(4) 修改原型。

原型化开发比较适合于用户需求不清、业务理论不确定、需求经常变化的情况。当系统规模不是很大也不太复杂时采用该方法是比较好的。

5、面向对象的软件开发方法

当前计算机业界最流行的几个单词就是分布式、并行和面向对象这几个术语。由此可以看到面向对象这个概念在当前计算机业界的地位。比如当前流行的两大面向对象技术DCOM和CORBA就是例子。当然我们实际用到的还是面向对象的编程语言,比如C++。不可否认,面向对象技术是软件技术的一次革命,在软件开发史上具有里程碑的意义。随着OOP(面向对象编程)向OOD(面向对象设计)和OOA(面向对象分析)的发展,最终形成面向对象的软件开发方法OMT (Object Modeling Technique)。这是一种自底向上和自顶向下相结合的方法,而且它以对象建模为基础,从而不仅考虑了输入、输出数据结构,实际上也包含了所有对象的数据结构。所以OMT彻底实现了PAM没有完全实现的目标。不仅如此,OO技术在需求分析、可维护性和可靠性这三个软件开发的关键环节和质量指标上有了实质性的突破,基本地解决了在这些方面存在的严重问题。综上所述,面向对象系统采用了自底向上的归纳、自顶向下的分解的方法,它通过对对象模型的建立,能够真正建立基于用户的需求,而且系统的可维护性大大改善。当前业界关于面向对象建模的标准是UML(Unified Modeling Language)。这里我们需要谈一下微软的MSF(Microsoft Solutions Framework) 的框架,它简单的把系统设计分成三个阶段:概念设计、逻辑设计和物理设计。概念设计阶段就是从用户的角度出发可以得到多少个对象,并且以对象为主体,画出 业务框架。逻辑设计阶段就是对概念设计阶段的对象进行再分析、细分、整合、删除。并建立各个对象的方法属性以及对象之间的关系。而物理设计实际上就是要确 定我们实际需要的组件、服务和采用的框架结构、具体的编程语言等。MCF整个结构比较清楚是基于对象开发的一个比较好的可操作的框架系统。

6、可视化开发方法

其实可视化开发并不能单独的作为一种开发方法,更加贴切的说可以认为它是一种辅助工具,比如用过 MSSQOL的企业管理器的人都知道,用这个工具可以进行显示的图形化的数据库模式的建立,并可以导入到不同的数据库中去。用过VB,DELPHI,C++ Builder等开发工具的人一定不少,实际上你就是在使用可视化开发工具。当然,不可否认的是,你只是在编程这个环节上用了可视化,而不是在系统分析和系统设计这个高层次上用了可视化的方法。实际上,建立系统分析和系统设计的可视化工具是一个很好的卖点,国外有很多工具都致力于这方面产品的设计。比如Business Object就是一个非常好的数据库可视化分析工具。可视化开发使我们把注意力集中在业务逻辑和业务流程上,用户界面可以用可视化工具方便的构成。通过操作界面元素,诸如菜单、按钮、对话框、编辑框、单选框、复选框、 列表框和滚动条等,由可视开发工具自动生成应用软件。


软件工程的思维与方法 作为软件开发人员的一个通病是在项目初期的时候,就喜欢谈论实现的细节,并且乐此不疲。我们更喜欢讨论如何用灵活而简短的代码来实现一个特定的功能,而忽略了对整个系统架构的考虑。所以作为一个开发人员,尤其是一个有经验的开发人员,应该把自己从代码中解脱出来,更多的时候在我们的脑子里甚至暂时要放弃去考虑如何实现的问题,而从项目或产品的总体去考虑一个软件产品。

1.考虑整个项目或者产品的市场前景。作为一个真正的系统分析人员,不仅要从技术的角度来考虑问 题,而且还要从市场的角度去考虑问题。也就是说我们同时需要考虑我们产品的用户群是谁,当我们产品投放到市场上的时候,是否具有生命力。比如即使我们采用 最好的技术实现了一个单进程的操作系统,其市场前景也一定是不容乐观的。

2.从用户的角度来考虑问题。比如一些操作对于开发人员来讲是非常显而易见的问题。但是对于一般的用户来说可能就非常难于掌握,也就是说,有时候,我们不得不在灵活性和易用性方面进行折中。另外,在功能实现上,我们也需要进行综合考虑,尽管一些功能十 分强大,但是如果用户几乎不怎么使用它的话,就不一定在产品的第一版的时候就推出。从用户的角度考虑,也就是说用户认可的才是好的,并不是开发人员觉的好才好。

3.从技术的角度考虑问题。虽然技术绝对不是唯一重要的,但是技术一定是非常重要的,是成功的必要环节。在产品设计的时候,必须考虑采用先进的技术和先进的体系结构。比如,如果可以采用多线程进行程序中各个部分并行处理的话,就最好采用多线程处理。在Windows下开发的时候,能够把功能封装成一个单独的COM构件就不作成一个简单的DLL或者是以源代码存在的函数库或者是对象。比如能够在B/S结构下运行并且不影响系统功能的话就不一定要在C/S下实现。

4.合理进行模块的分割。从多层模型角度来讲,一般系统可以分成用户层、业务层和数据库层三部分。当然每以部分都还可以进行细分。所以在系统实现设计的时候,尽量进行各个部分的分割并建立各个部分之间进行交互的标准。并且在实际开发的时候,确实有需要的话再进行重新调整。这样就可以保证各个部分齐头并进,开发人员也可以各施其职。

5.人员的组织和调度。这里很重要的一点是到考虑人员的特长,有的人喜欢做界面,有的人喜欢做核心。如果有可能要根据人员的具体的情况进行具体的配置。同时要保证每一个开发人员在开发的时候首先完成需要和其他人员进行交互的部分,并且对自己的项目进 度以及其他开发人员的进度有一个清晰的了解,保证不同部分的开发人员能够经常进行交流。

6.开发过程中文档的编写。在开发过程中会碰到各种各样的问题和困难,当然还有各种各样的创意和新的思路。应该把这些东西都记录下来并进行及时整理,对于困难和问题,如果不能短时间解决的,可以考虑采用其他的技术替代,并在事后做专门的研究。对于各种创意,可以根据进度计划安排考虑是在本版本中实现还是在下一版本中实现。

7.充分考虑实施时可能遇到的问题。开发是一回事情,用户真正能够使用好它又是另外一回事情。比如在MIS系统开发中,最简单的一个问题就是用户如果数据输入错误的时候,如何进行操作。在以流程方式工作的时候,如何让用户理解自己在流程中的位置和作用,如何让用户真正利用计算机进行协作也是成败的关键。

实际上,作为一个软件开发人员,我也喜欢看到问题就坐在计算机前面直接编码,但是我确实认为软件工程对于我们系统开发的指导作用是巨大的。作为软件工程的拥戴者,下面我简单结合自己的开发经历介绍基于软件工程的开发方法、编程 规范和工具使用等方面的问题。


国外很多项目的开发都是基于一些图形化的东西来做的,他们的目的是尽量少写代码甚至不写代码。代码能够通过图形化的方式自动生成,这样的一个好处就是如果用户的需求变化或者业务逻辑发生变化,我们需要做的就是对图形表示的调整,然后重新自动生成代码,这也就是国外开发很注重对项目的概念和逻辑分析的原因。他们的重点是把业务规则和需求用图形化的方式表现出来,然后通过CASE工具自动生成代码。所以当国人还在不停的开发一个又一个的MIS工具的时候,国外已经把很多精力放到了CASE工具的制作上。我们很多公司人员忙着写具体业务过程的相关代码,而国外很多都把精力放到对不同应用,不同行业的模型的建立和共性的提取上。所以,他们做出来的东西就相对具有很强的灵活性和扩展性,而我们是用户的需求稍微有一点变化,就要忙着改代码,甚至改体系结构。另外,因为他们注重模型的建立,所以在建立其他应用的时候,能够借鉴原先的模型,在高层次上做调整和优化,同时能够有效的提取原有系统中可以被使用的部分。所以我们应该从以代码为核心的软件开发模式转化到以模型为中心的、基于CASE的开发上来。


关于协作与个人英雄主义

社会进步的一个很明显的现象就是社会分工越来越细,软件的开发也不例外。为什么在软件开发的今天已经不能出现象裘伯君这样的软件英雄的原因也在这里,单凭个人之力,我们也许穷尽有生之年也开发不出象Windows这样的操作系统。因为,当前软件行业的壁垒无非就是两个,一个就是以技术创新取胜,你模仿的了其中的界面,但是你没有办法实现其中的核心功能。结果是你只能购买其技术核心, 而你作一些边角工作。不举别的例子,比如VB这样的开发工具,其核心部分是它和第三方提供的COM控件或者是DLL函数库,你所做的就是一个整合的工作。第二个就是以细致取胜,也就是说功能很多而且做的很精致,即使技术本身不是很复杂,你真要想做出一个这样的东西来没有一两年的工夫是不可能的。而真等你做出来了,它的新版本也早已经推出。真正能够在市面上叫得想、经得起考验得产品都是具有这两方面的特点。

这两方面的特点决定了你一个人绝对是不可能胜任的,也许你可以独立的完成技术创新,但是你绝对不可能一个人实现所有这些纷繁复杂的功能。所以,这个时代需要创新的英雄,也更需要人与人之间的协作。
当 今的软件发展已经不是一个人可以包打天下的年代。软件开发的管理、系统体系结构的设计、模块之间的衔接、核心算法的实现、灵活界面的制定、软件再开发接口 的实现都需要专门的人来做。而把这些有效的集成显然就需要有效的利用软件工程的思想和方法。所以,真正的软件英雄绝对不再是写着别人看不懂代码的程序员, 而是整个体系结构的分析、设计、标准制定、协调人员。


有一点大家可以达成共识的就是,如果一个象Windows这样的操作系统,不进行全面的规划,不采用软件工程的思想和方法,是绝对搞不出来的。Windows的成功不在于它在进程管理和调度,文件系统、内存管理、界面设计等方面有多少成功的创新,它的成功最大的一点就是把所有的技术能够合理的整合起来,并集中到一个Window操作系统特有的框架结构中去。更为重要的是,Windows的每一项技术创新都能够有效的整合到Windows框架中去,比如COM、XML等技术,通过ActiveX、DCOM等技术使Windows从桌面操作系统发展成为一个基于网络的操作系统。OLE2技术把整个Office中相关的软件进行了有效的整合,显然,这里我们可以把Office 的设计和WPS的设计进行比较,客观的讲,WPS对中国用户来说实在也是一个很好的产品。但是从整个系统设计概念上来讲,Office显然要比WPS高一 个层次,它能够把WORD,EXCEL,POWERPOINT,ACCESS有效的整合在一起,使我们所有办公相关的文档、图表、数据库、演示变成了一个一体化的东西。而且通过宏调用,用户可以自己定制用户界面并编制适当的模板,单是这个二次开发功能就不是WPS现在所能及项背的,当然限于当前用户的水平还很少有人使用二次开发的功能。从微软产品系列可以看到软件工程的作用,微软的所有产品都有一个整体的框架结构,比如Office软件,通过OLE技术进行有效的通讯和联系。比如Visual系列开发工具,提供了相似的开发界面使用户学会一种开发工具以后能够很容易的学习其他的开发工具。比如SQL SERVER和ACCESS,尽管它们适用的范围不同,但是它们表现给用户的界面,特别是在查询和分析上表现了高度的一致性。更值得一提的是,因为设计结构的合理性,因为在开发前期作了很多分析和调研,考虑了扩展性和伸缩 性,微软的系列产品能够很快的利用新的技术并采用统一的结构形式表现出来。比如当网络成为计算机发展的主流的时候,几乎微软所有的工具都能够快速的支持基于网络的开发和应用。

相比之下,我们国内很多公司的产品很少具有连续性,往往是新的一个产品完全重起炉灶,和老的产品没有半点关系。这就是我们在设计产品的时候,没有很好的进行抽象和概念、逻辑设计,造成的结果是从旧的产品中提取不出一些有用的、共性的东西为后来的产品所使用。当然,很多开发人员从心里也承认一个大的系统确实需要软件工程的依托,但是一个小的工程项目是否就可以仓促上马呢?答案是否定的。所谓麻雀碎小,五脏俱全。无论是大项目、还是小项目。它们作为一个项目,都需要有一个需求分析、系统结构建立、设计、编码、测试等阶段。这是任何一个项目都不可缺少的。往往可以看到很多大公司的IT部门的人员都在不停的作各种各样的报表,当各个部门提出一种新类型的报表的时候,就从数据库中提取相应的数据并画出业务人员所需要的样式结构,很少是提供了一个通用的模板,当然提供高层API接口进行这种操作的就更少了。这样不可避免的使开发人员陷入一些琐碎的报表编制工作。而造成这个局面的很重要的一个原因就是没有在系统开发的前期进行很好的调研、需求分析和系统体系结构的设计。这里就我们开发过的一些小型软件项目来谈一些开发的总结和体会,一般来说,小型软件项目功能比较单一,而且模块与模块之间的衔接不是很多,同时对开发周期要求比较短。小项目虽然看起来比较简单,所以很多开发人员容易犯一些错误,记得我们在开发一个基于 Internet的有偿服务系统的时候,有三个开发人员:一个负责前端界面的编写,一个负责数据通讯协议和实现(基于TCP基础上的应用协议),一个负责对数据库数据的查询、整理和提取。我们在开发的时候没有认真地进行项目实际前途和工作量的估计。没有认真地估计项目难度,比如对于通讯中多用户并发访问时 的多线程问题和缓存处理问题,用户批量请求处理的实现复杂度问题等等。三个人之间的接口也是在开发中休息的时候,口头定义一下。结果发现有不严密的地方 (比如在通讯服务器端是用VC编写的,开发人员是通过stream来传送数据的,客户端是 用Delphi编写,在接收数据的时候发现数据不准确,后来研究发现VC利用CSocket在传送数据流的时候对数据进行了自己定义的格式化,结果服务器 端数据发送模块只好重写),而且其中关于一个接口双方的理解不同,然后又返工重新修改。最后到系统基本完成的时候没有一份较正式的文档。然后因为有人毕业 离开这个项目,然后他编写的模块需要升级,新的接收的人不得不花很多时间去阅读他的源代码。


所以在开发小项目的时候也必须要建立合理的模式:而所谓合理的模式就是软件工程告诉我们的在开发一个项目的时候所需要的五步曲:获取需求、需求分析、设计、编码、测试。


1.理解用户真正的需求。在进入正式开发之前,必须先从用户处获取准确的需求。在这上面花费相当时间是很必要的。

我们软件项目可以大致分为专用软件和通用软件两大类。对于专用软件,一般用户对于软件要完成哪些功能已经有了一个比较清楚的轮廓,而且往往在开发合同中已经大致地规定了。但是,开发合同上规定的只是一个大概的框架,在进入开发之前必须与用户进行比较具体的交流和讨论,了解清楚用户心目中的产品究竟是什么样子,这里最好就采用原型化的方法作出一个简单的框架给用户看。对于通用软件,在开发之前必须做一定的市场调查工作,一方面是从经济效益考虑,调查产品的潜在市场 有多大,一方面是从技术的角度,了解清楚潜在用户对软件的各种技术上的要求,另一方面是确定我们软件的定位,即我们软件具体是为哪一些用户群体服务的。然 后对该群体用户现有硬件配置,软件配置,网络使用情况,数据库使用情况,计算机熟悉程度做一定的调研,根据调查的统计结果决定即将开发的软件的一些技术指标。

2.需求分析。需求分析需要做的事情有:高层构思、确立系统目标、划分业务领域、现行业务分析、建立业务模型(Enterprise Model)、信息需求分析、用户视图规范化、数据元素标准化与一致性控制。在了解用户的需求之后,将需求用一种模型来表示,就是需求分析,一般我们可以面向对象的方法,通过分析用户需求,用类、类之间的各种关系来表示整个系统。为了讨论软件运行的流程,可以采用UML的Use Case图。在系统分析的时候需要明确应用域(application domain)的范围,然后明确我们系统需要做什么。同时我们需要决定用什么方法来完成需求的获取,这在很大程度上影响了需求分析的做法。例如可以采用Use Case来表示用户需求,那么从各种序列图中选出相互交互的各个实体,就是一个个类。另外分析需要与设计过程相衔接。分析过程的内容是用对象和对象之间的关系来表示整个系统和系统的流程的,并不设计具体实现,如采用什么编程语言,在什么操作系统平台上运行等等。这些具体实现是在设计阶段来完成的。面向对象方法的优点是分析、设计、编码过程表示法统一,能比较好的衔接。现在很多CASE工具并不区分分析和设计的阶段。但是,这并不意味着开发就可以对分析和设计不加区分,如何用好辅助设计(case)工具还是开发人员的事情。


3.设计过程。设计阶段的工作包括对分析模型进行必要的修改,同时可能需要对某些类结构做一些修改,确定用户表示层(也就是通俗所说的界面定义)、用户服务层、业务逻辑层、数据库服务层和具体数据库所需要做的工作。同时需要确定使用的体系结构(比如 B/S还是C/S)和开发工具(如VB,VC,VI,C++ Builder,DELPHI,PowerBuiler等等)


4.编码。进入编码工作之后,依然可能会发现前面分析或设计阶段的某些错误,这时应返回到前面的阶段进行必要的修改。同时在编码前规定编码的风格并在开发过程中保持一致的风格。


5.测试。测试是系统投入使用前最关键的一个步骤。即使是小项目也应该严格地进行测试。就实际上就是一个把错误留给自己还是留给客户的问题。


最后,我们知道软件项目主要是由开发人员完成的,所以对人员的合理安排和配置也很重要,一般在开发过程中,需要有一位项目负责人,负责分析、设计和协调的工作。另外需要几个程序员完成不同层的代码(比如用户服务层、业务逻辑层、数据库服务层等等)。同时需要有一个文档整理人员随时整理系统开发过程中相关的文档。如果条件可能的话,要配置一个测试工程师,专门进行代码的测试工作,当然如果条件不允许的话,也可以由开发人员交叉测试。这里需要注意的是,对于项目负责人而言,协调几个人的工作比自己完成一段编码更重要。由于协调上出了漏洞,可能导致很大的问题,所以项目负责人必须随时监控各开发人员的工作,包括内容 是否与要求发生偏差,进度是否滞后等等。同时必须给每个开发人员明确的任务书。具体开发时每个开发人员必须非常明确自己的任务,这些任务应该采用明确的文 档来表示。每个开发人员需要清楚自己所做的工作在整个系统中处于什么地位,这样就有可能会发现设计模型中的漏洞,避免了各人的代码编写完毕之后又要修改的后果。


我国软件工程发展的现状


很多国内搞计算机的专家都认为:国内的软件研发过程,个人色彩比较浓。过分地依靠个人无法形成产业规模,而没有规模就谈不上产业化了。不管怎么样,我们大家还是先要来看一看国内软件厂商到底提供给我们多少有震撼力的软件产品,从技术和利润的角度讲,软件系统最核心的部分还是操作系统、编译系统然后就是开发平台之类的东西,接下来就是一些应用系统,比如图形开发、游戏开发、企业应用、 网站建设、杀毒、网络工具等等。操作系统以中科院为中心,做了一个COSIX,这个本质上是一个UNIX系统,UNIX最初的源代 码是公开的,尽管COSIX是一个被称为中国的操作系统并是UNIX系列的(IX就代表UNIX系列),但是其中到底有多少独创的技术成分我们暂时还不知 道,但有一点可以肯定,它现在的市场覆盖率绝对不大,而且能否在上面运行各种各样的编译系统、数据库、群件和应用系统可能还需要进一步测试。然后就是对硬 件平台的支持也需要进一步完善。然后就是轰轰烈烈的Linux系统,Linux是遵守GNU标准的操作系统,中国有很多家公司推出 了自己的Linux并且还有汉化的Linux,这就有比较疑惑的一点,为什么不在Linux上构架一个类似UNICODE这样的东西,而只做汉化这么本地 化的产品呢?不知道是眼光还是市场的问题了。MIS系统、财务软件是中国软件行业的重头戏,它们彻底的暴露了中国软件开发无序和重复低效劳动的一面。教育软件在某一种层面上看就是电子题库,当然也有优点,比如加入了多媒体教学(可视化程度不错)和所谓寓教于乐的特点,但是从本质上说还是题库。杀毒软件据说是中国软件的骄傲,由中国权威机构评测是达到了世界领先水平,但是好象还没有得到国际权威机构的认可。游戏软件就不用提了,国内业界能够流行的游戏软件成功的秘诀众所周知,不是技术和创意,实在是归功于我们悠久的历史。字处理软件和排版软件客观的说国内的也做的不错,但是从系统的扩展性和体系结构上说和MS和Adobe相比,差距也放在那里。其实这种现状的原因很简单,一个是我们缺少创新的能力,另一个就是我们欠缺软件工程的概念,系统开发前期的需求分析、设计没有做好或者做的不够好。当然,我们很少怀疑自己的技术能力,我们很多时候认为这是地理环境和经济环境的原因造成了中国软件业现在的局面。当然中国软件开发人员绝对可以算是优秀的,但是想想我们软件行业龙头企业到底有多少有技术创新和专利技术呢?姑且不论这个,实际上把一个操 作系统分解开来,比如文件系统、进程管理和调度、IO调度等等,也许我们可以实现其中某一块的内容,但是如何把它们合理的整合起来绝对是一个涉及到软件工程的问题。作为一个开发人员,我们已经习惯了自己那一套编程模式,而且我们的这种习惯也不自觉的影响着新的开发人员。所以在头脑中建立一个软件工程的作用,从某种角度上讲,要比会几种开发语言、几个编程技巧实在是重要的多。举一个例子来说,我们也许可以写MFC中的几个类或者是用自己的类扩展MFC,但是我们又有几个人真正去认真分析和考虑MFC架构的设计和原理呢?扪心自问,我们又有多少人能够设计出MFC这样的框架系统呢?下面就我们的题目谈一些相关的话题。


毋庸质疑的是,计算机的发展和人类的历史相比甚至和其他很多科技产品相比都是非常短的,从第一台计算机的研制成功到现在也没有百年的历史,但是计算机及其相关技术的发展却绝对可以说是最快的。抛开硬件的发展(硬件的发展基本上是按照摩尔定律来的,每 18个月,机器的速度性能都要提高一倍),单从软件的发展来说,从体系结构来讲,我们经历了从主机结构到文件服务器结构,从客户服务器系统到基于 Internet的服务器浏览器结构的体系结构的变化。从编码的角度来讲,我们经历了从最开始的机器代码到汇编代码,从高级程序语言到人工智能语言,从专用的程序设计语言到通用的程序设计语言。从开发工具来讲,我们经历了从分离的开发工具(有代码编辑器,中间代码生成器和连接器)到集成的开发系统,从最简单的单行命令式调试器到方便灵活的多功能的调试器。


但是,今天所有的软件厂商和软件开发人员依然会想起当年的黑人人权运动领袖马丁?路德?金曾经说过 的一句名言我有一个梦想。是的,所有的开发人员依然怀着梦想,希望能够有一个万能的系统开发的框架和方法,只要我们沿着这个框架,我们将能开发出适合所有领域的应用系统,于是,我们在念书的时候把这个希望投到了一门课上,这么课就是软件工程。但是当我们在学完这门课的时候,我们依然没有找到这么一个框架甚至连接近这么一个框架的东西也没有碰到。


不管我们认为软件工程可能是多么的虚无,但是所有学工科并且有逻辑头脑的人都坚信理论对实践的指导意义,因为有了爱因斯坦及其许多伟大的科学家关于能量和质量方面的理论以后,我们才造出了原子弹。但是,遗憾的是软件工程并不是一个具体的理论,它更象一门抽象的科学。软件工程是一种方法论,而不是一种具体的摸的着,看的见的产品。它告诉我们在设计一个系统的时候,我们需要进行可行性研究、计划制订、需求 分析、系统设计、编码、测试、维护等等。并且对这些过程中应该做什么提出了一个指导性的东西。但是没有任何专家和标准委员会保证只要按照这些标准,我们的系统肯定会顺利完成。而且事实上,软件开发针对的领域是如此之多并不没有一种对所有领域适用的万能框架。


不管认为软件工程已经到了非常成熟的阶段还是认为软件工程依然是一个搞不懂的黑箱子,软件工程确实已经经历了三个不同的阶段。第一个阶段是软件结构化生产阶段,以结构化分析与设计、结构化评审、结构化程序设计以及结构化测试为特征。从80年代中期,软件生产开始进入以过程为中心的第二阶段,以提出过程成熟模型CMM、个体软件过程PSP和群组软件过程TSP为标志。第三个阶段就是以软件过程、面向对象和构件重用三把斧头出现的软件工业化生产阶段。


言归正传,我们还是回到我们的文章标题上来,我们在开发的时候是兵马未动、粮草先行还是摸着石子过河。兵马未动、粮草先行当然意味着我们在开发的时候先不忙着编写代码做程序,我们先要制订一个关于开发的方法。这点就象元数据(metadata) 的概念,元数据并不定义数据,它是对数据的说明,也就是通常所说的关于数据的数据。我们设计的时候也是这样,定义开发的标准,如何进行开发、怎样开发。摸着石子过河就意味着我们先不管什么理论,方法,科学的问题,我们先动手做起来,如果做的也算成功的话,那就可以按照这种模式来,实际上,在任何事情的最初,我们都是这样。从辨证唯物主义者的观点来说,就是从实践中来,然后升华到理论,再用理论来指导实践。记得一个笑话说:外国人搞软件工程是在一个黑屋子里面抓黑猫,不过到现在还是没有抓住,而中国人是在一个黑屋子里面,而里面连猫都没有,然后有人说,我已经抓到猫了。这个笑话一方面是说明直到现在,软件工程还是一个在继续探索、发展的过程,另一个侧面也说明中国搞软件工程摸不着边的局面。


实际上,不管有没有软件工程,不管是否存在一个万能的框架系统,我们的应用系统还是要做,各种各样 的软件还是要开发。说到底,软件系统是因为有需求才存在的。有了应用域才有了软件存在的意义。很多时候,我们可以看到国外有各种各样的软件和创新,而我们 没有,我们更多的是模仿和一些重复的功能相近的软件的原因就是因为我们没有这方面的需求,这也正解释了为什么ERP系统能在国外开展的很好,而在国内失败 多于成功的原因。一方面当然是因为我们的企业按照市场经济发展的时间还不长,另一方面是我们的企业确实也没有这方面的需求。


软件工程的发展方向

“敏捷开发”(Agile Development)被认为是软件工程的一个重要的发展。它强调软件开发应当是能够对未来可能出现的变化和不确定性作出全面反应的。

敏捷开发被认为是一种“轻量级”的方法。在轻量级方法中最负盛名的应该是“极限编程”(Extreme Programming,简称为XP)。而与轻量级方法相对应的是“重量级方法”的存在。重量级方法强调以开发过程为中心,而不是以人为中心。重量级方法的例子比如CMM/PSP/TSP。

星期四, 四月 26, 2007

C语言 网络地址

在网络编程中,或多或少都会与网络地址打交道,我们从易到难,再来一个三层境界,菜鸟级,入门级,进阶级。下面一一说明。

菜鸟级:
菜鸟都知道,网络编程中要用到IP地址,IP地址是一个32为的整数,是一个unsigned int或unsigned long, 我编程中见到的int与long都是4个自己的!
将一个doted字符串IP地址转化为整型IP地址: unsigned long inet_addr( const char* cp ); 失败的化返回INADDR_NONE(0xffffffff) 竟然是一个广播地址,所以这个操作完成后,一定要检查返回值!
整形IP地址其实就是下面的结构(这个结构被称为最恶心的结构),你可以直接转过去:
typedef struct in_addr {
union {
struct {
u_char s_b1,s_b2,s_b3,s_b4;
} S_un_b;
struct {
u_short s_w1,s_w2;
} S_un_w;
u_long S_addr;
} S_un;
} in_addr;
将一个整型IP地址转华为doted字符串IP地址: char* FAR inet_ntoa( struct in_addr in ); 你完全可以直接参数整数!这里要注意的仍然是返回值,这个值保存在被Socket实现内部的内存中,MSDN中说明Windows下,同一线程中下一次调用inet_ntoa将会破坏这个值,所以你可能需要保存这个返回值。这个内存也不需要释放。
一种可能的实现如下:
char FAR * inet_ntoa (struct in_addr in)
{
static char strRet[16];
// ...
return strRet;
}

以后请不要对这个指针的使用有太多的疑惑!
黄金规则: 所有被返回的地址都是网络地址(字节序从左到右)
Linux下的表中C库中,IP地址的操作与转化可以使用下面的函数,不多说了,请大家man!
     #include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int
inet_aton(const char *cp, struct in_addr *pin);

in_addr_t
inet_addr(const char *cp);

in_addr_t
inet_network(const char *cp);

char *
inet_ntoa(struct in_addr in);

const char *
inet_ntop(int af, const void * restrict src, char * restrict dst,
socklen_t size);

int
inet_pton(int af, const char * restrict src, void * restrict dst);

struct in_addr
inet_makeaddr(in_addr_t net, in_addr_t lna);

in_addr_t
inet_lnaof(struct in_addr in);

in_addr_t
inet_netof(struct in_addr in);

char *
inet_net_ntop(int af, const void *src, int bits, char *dst, size_t size);

int
inet_net_pton(int af, const char *src, void *dst, size_t size);
除了上面的两个函数外,Windows下不再有其他的inet_开头的兼容函数!

诸位可能要嚷嚷了,我老早以前就不是菜鸟了,好的!让我们马上进入下一个阶段!

入门级:
入门级的两个代表是函数是 struct HOSTENT* FAR gethostbyaddr( const char* addr, int len, int type ); 与 struct hostent* FAR gethostbyname( const char* name );
我们再来看另外一个重要的结构:
typedef struct hostent {
char FAR* h_name;
char FAR FAR** h_aliases;
short h_addrtype;
short h_length;
char FAR FAR** h_addr_list;
} hostent;

h_name
Official name of the host (PC). If using the DNS or similar resolution system, it is the Fully Qualified Domain Name (FQDN) that caused the server to return a reply. If using a local hosts file, it is the first entry after the IP address.
h_aliases
Null-terminated array of alternate names.
h_addrtype
Type of address being returned.
h_length
Length of each address, in bytes.
h_addr_list
Null-terminated list of addresses for the host. Addresses are returned in network byte order. The macro h_addr is defined to be h_addr_list[0] for compatibility with older software.
struct hostent* FAR gethostbyname( const char* name ) 这个函数的恶心之处在于在Windows下,输入的参数不能是doted字符串IP地址,只能时域名,要不然工作不正常.Linux没有这样的限制。
struct HOSTENT* FAR gethostbyaddr( const char* addr, int len, int type ) 的恶心之处在于参数过于复杂且相互影响,各参数描述如下
addr
[in] Pointer to an address in network byte order. (一个描述地址的结构转化为字符串指针)
len
[in] Length of the address, in bytes. (地址结构的长度,不同的长度代表不同的地址类型)
type
[in] Type of the address, such as the AF_INET address family type (defined as TCP, UDP, and other associated Internet protocols). Address family types and their corresponding values are defined in the Winsock2.h header file. (地址组类型,到现在位置,我页不知道到底有多少地址类型)
这三个恶心的参数导致了这个函数强大的扩展能力。
整形IP地址 unsigned long addr = inet_addr("192.168.1.39"); struct hostend* remoteHost = gethostbyaddr((char *) &addr, sizeof(unsigned long)(4), AF_INET);
sockaddr型的地址: struct sockaddr addr; struct hostend* remoteHost = gethostbyaddr((char *) &addr, sizeof(struct sockaddr)(16), addr.sa_family);

我们说道sockaddr结构了,他的定义如下:
struct sockaddr {
unsigned short sa_family;
char sa_data[14];
};
这个结构也不太稳定,容易变异. 如果是internet地址组,也就是sa_family==AF_INET的情况下,这个结构变成
struct sockaddr_in{
short sin_family;
unsigned short sin_port;
struct in_addr sin_addr;
char sin_zero[8];
};
上面的结构里出现了结构in_addr, 怎么,忘了,到菜鸟级再去看看!另外sockaddr类的结构中包含了应用成信息,有个端口号! hostent 结构里的 short h_addrtype; short h_length; char FAR FAR** h_addr_list; 直接受到gethostbyaddr的三个参数的控制!
下面还有几个我没有用过的,也不知道Linux下是否对应!
struct sockaddr_in6 {
short sin6_family;
u_short sin6_port;
u_long sin6_flowinfo;
struct in6_addr sin6_addr;
u_long sin6_scope_id;
};
struct sockaddr_in6_old {
short sin6_family;
u_short sin6_port;
u_long sin6_flowinfo;
struct in6_addr sin6_addr;
};

struct in6_addr {
union {
u_char Byte[16];
u_short Word[8];
} u;
};
typedef struct _SOCKADDR_IRDA {
u_short irdaAddressFamily;
u_char irdaDeviceID[4];
char irdaServiceName[25];
} SOCKADDR_IRDA,
typedef struct sockaddr_storage {
short ss_family;
char __ss_pad1[_SS_PAD1SIZE];
__int64 __ss_align;
char __ss_pad2[_SS_PAD2SIZE];
} SOCKADDR_STORAGE,
gethostbyname 和 gethostbyaddr在Windows下已经被deprecated,用getaddrinfo 代替!我们进入入第三个阶段来看看这个函数!

进阶级:
先来看看下面的函数与结构
int getaddrinfo( const TCHAR* nodename, const TCHAR* servname, const struct addrinfo* hints, struct addrinfo** res );
nodename
[in] Pointer to a null-terminated string containing a host (node) name or a numeric host address string. The numeric host address string is a dotted-decimal IPv4 address or an IPv6 hex address.
servname
[in] Pointer to a null-terminated string containing either a service name or port number.
hints
[in] Pointer to an addrinfo structure that provides hints about the type of socket the caller supports. See Remarks.
res
[out] Pointer to a linked list of one or more addrinfo structures containing response information about the host.
typedef struct addrinfo {
int ai_flags;
int ai_family;
int ai_socktype;
int ai_protocol;
size_t ai_addrlen;
TCHAR* ai_canonname;
struct sockaddr* ai_addr;
struct addrinfo* ai_next;
} addrinfo;

ai_flags
Flags that indicate options used in the getaddrinfo function. See AI_PASSIVE, AI_CANONNAME, and AI_NUMERICHOST.
ai_family
Protocol family, such as PF_INET.
ai_socktype
Socket type, such as SOCK_RAW, SOCK_STREAM, or SOCK_DGRAM.
ai_protocol
Protocol, such as IPPROTO_TCP or IPPROTO_UDP. For protocols other than IPv4 and IPv6, set ai_protocol to zero.
ai_addrlen
Length of the ai_addr member, in bytes.
ai_canonname
Canonical name for the host.
ai_addr
Pointer to a sockaddr structure.
ai_next
Pointer to the next structure in a linked list. This parameter is set to NULL in the last addrinfo structure of a linked list.

int getnameinfo( const struct sockaddr* sa, socklen_t salen, TCHAR* host, DWORD hostlen, TCHAR* serv, DWORD servlen, int flags );
sa
[in] Pointer to a socket address structure containing the address and port number of the socket. For IPv4, the sa parameter points to a sockaddr_in structure; for IPv6, the sa parameter points to a sockaddr_in6 structure.
salen
[in] Length of the structure pointed to in the sa parameter, in bytes.
host
[out] Pointer to the host name. The host name is returned as a Fully Qualified Domain Name (FQDN) by default.
hostlen
[in] Length of the buffer pointed to by the host parameter, in bytes. The caller must provide a buffer large enough to hold the host name, including terminating NULL characters. A value of zero indicates the caller does not want to receive the string provided in host.
serv
[out] Pointer to the service name associated with the port number.
servlen
[in] Length of the buffer pointed to by the serv parameter, in bytes. The caller must provide a buffer large enough to hold the service name, including terminating null characters. A value of zero indicates the caller does not want to receive the string provided in serv.
flags
[in] Flags used to customize processing of the getnameinfo function. See Remarks.



void freeaddrinfo( struct addrinfo* ai );
ai
[in] Pointer to the addrinfo structure or linked list of addrinfo structures to be freed. All dynamic storage pointed to within the addrinfo structure(s) is also freed.
----------------------------------------------------------
...

//--------------------------------
// Declare and initialize variables.
char* ip = "127.0.0.1";
char* port = "27015";
struct addrinfo aiHints;
struct addrinfo *aiList = NULL;
int retVal;

//--------------------------------
// Setup the hints address info structure
// which is passed to the getaddrinfo() function
memset(&aiHints, 0, sizeof(aiHints));
aiHints.ai_family = AF_INET;
aiHints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
aiHints.ai_protocol = IPPROTO_TCP;

//--------------------------------
// Call getaddrinfo(). If the call succeeds,
// the aiList variable will hold a linked list
// of addrinfo structures containing response
// information about the host
if ((retVal = getaddrinfo(ip, port, &aiHints, &aiList)) != 0) {
printf("getaddrinfo() failed.n");
}
------------------------------------------------------------
...
//-----------------------------------------
// Declare and initialize variables
struct sockaddr_in saGNI;
char hostName[256];
char servInfo[256];
u_short port;
port = 27015;

//-----------------------------------------
// Set up sockaddr_in structure which is passed
// to the getnameinfo function
saGNI.sin_family = AF_INET;
saGNI.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
saGNI.sin_port = htons(port);

//-----------------------------------------
// Call getnameinfo
if ((retVal = getnameinfo((SOCKADDR *)&saGNI,
sizeof(sockaddr),
hostName,
256,
servInfo,
256,
NI_NUMERICSERV)) != 0) {
printf("getnameinfo() failed.n");
printf("Error #: %ldn", WSAGetLastError());
}

这几个函数就比较高级,与前面两级的的函数相比,已经上升到应用而不是停留在网络,而且用户自主管理内存,这样的好处是支持可重入的并发使用,到了这个阶段,也不需要多说了,手册就在那里,自己看了!
下面在在第一二阶段的函数基础上对getaddrinfo的简单实现!作为对此文的总结!
int
fake_getaddrinfo(const char *hostname, const char* strport, const struct addrinfo* hints,struct addrinfo **ai)
{
struct hostent *he;
int addr = inet_addr(hostname);
struct sockaddr_in *saddr;
*ai = (struct addrinfo *)malloc(sizeof(struct addrinfo));
/*
The gethostbyname function cannot resolve IP address strings passed to it.
Such a request is treated exactly as if an unknown host name were passed.
Use inet_addr to convert an IP address string the string to an actual IP address,
then use another function, gethostbyaddr, to obtain the contents of the hostent structure.
*/
if(addr==INADDR_NONE)
{
he = gethostbyname(hostname);
if (!he)
return (-1);
ai->ai_family = hints->ai_family;
ai->ai_socktype = hints->ai_socktype; //SOCK_RAW, SOCK_STREAM, or SOCK_DGRAM.
ai->ai_protocol = hints->ai_proocol; //IPPROTO_TCP or IPPROTO_UDP or 0
ai->ai_canonname = hostname;
ai->ai_addrlen = sizeof(struct sockaddr);
if (NULL == (ai->ai_addr = malloc(ai->ai_addrlen)))
return (-1);
saddr = (struct sockaddr_in*)ai->ai_addr;
memset(saddr,0,sizeof(struct sockaddr_in));
saddr->sin_family = AF_INET;
saddr->sin_port = atoi(strport);
memcpy(&saddr->sin_addr, he->h_addr, sizeof(struct in_addr));
ai->ai_next = NULL;
}else
{
he = gethostbyaddr(&addr, sizeof(int), AF_INET );
if (!he)
return (-1);
ai->ai_family = he->h_addrtype;
ai->ai_socktype = hints->ai_socktype; //SOCK_RAW, SOCK_STREAM, or SOCK_DGRAM.
ai->ai_protocol = hints->ai_proocol; //IPPROTO_TCP or IPPROTO_UDP or 0
ai->ai_canonname = he->h_name;
ai->ai_addrlen = sizeof(struct sockaddr);
if (NULL == (ai->ai_addr = malloc(ai->ai_addrlen)))
return (-1);
saddr = (struct sockaddr_in*)ai->ai_addr;
memset(saddr,0,sizeof(struct sockaddr_in));
saddr->sin_family = AF_INET;
saddr->sin_port = atoi(strport);
memcpy(&saddr->sin_addr, he->h_addr, sizeof(struct in_addr));
ai->ai_next = NULL;
}
return (0);
}

void fake_freeaddrinfo(struct addrinfo *ai)
{
free(ai->ai_addr);
free(ai);
}