【哈工大软件构造】学习笔记10 第十章、第十一章、第十二章
目录
第十章 面向可维护性的构造技术
1 软件维护和演化
2 可维护性的度量
3 模块化设计和模块性准则
模块划分的五个准则
模块设计的五个原则
耦合度和聚合度
4 OO设计准则：SOLID
SRP
OCP
LSP
ISP
DIP
总结
5 语法驱动的构造
正则语法和正则表达式
第十一章 面向可复用性和可维护性的设计模式
1 创建型模式
工厂方法模式
2 结构型模式
（1）适配器模式
（2）装饰器模式
3 行为类模式
策略模式
模板模式
迭代器模式
Vistor Pattern
设计模式的共性和不同
第十二章 面向正确性与健壮性的软件构造
什么是健壮性和正确性
如何度量健壮性和正确性
Java中的错误和异常
异常处理
什么是异常
异常的分类
Checked和Unchecked异常
使用throws声明Checked异常
如何抛出异常
创建异常类
捕获异常
重抛和链接异常
finally 语句
断言
什么是断言
使用断言
断言和异常的区别
第十章 面向可维护性的构造技术
1 软件维护和演化
- 修复错误和改善性能。软件开发中最困难的工作之一，涉及其他所有环节。处理来自用户报告的故障。还需要测试所做的修改，回归测试，记录变化。
- 除了要修复问题，在修改中不能引入新的故障。
- 最大的问题：没有足够的文档记录和测试用例。
- 纠错性（25%）、适应性（21%）、完善性（50%）、预防性（4%）
- 软件演化是软件维护的重要部分：对软件进行持续的更新，软件的大部分成本来自于维护阶段。from 1 to n
- 软件维护从设计和开发阶段就开始了，在这个阶段就要考虑将来的可维护性。设计方案“east to change”。
- 方法：模块化、OO设计原则、OO设计模式、基于状态的构造技术、表驱动的构造技术、基于语法的构造技术。
2 可维护性的度量
- 设计结构是否足够简单
- 模块之间是否松散耦合
- 模块内部是否高度聚合
- 是否使用了非常深的继承树，是否使用了委托代替继承
- 代码的圈/环复杂度是否太高（独立路径的数量）
- 是否存在重复的代码
- 可维护指数MI，根据各指标使用公式算出来的
3 模块化设计和模块性准则
高内聚，低耦合，分离关注点，信息隐藏
模块划分的五个准则
- 可分解性：大模块分解为子模块
使模块之间的依赖关系显示化和最小化
- 可组合性：小模块组合在一起，是模块可在不同的环境下复用
- 可理解性
- 可持续性：发生变化时，受影响范围最小
- 出现异常之后的保护：出现异常后受影响范围最小
模块设计的五个原则
- 直接映射（模块的结构与现实世界中问题领域的结构保持一致）
- 尽可能少的接口
- 尽可能小的接口（模块通讯，尽可能的交换少的信息）
- 显式接口
- 信息隐藏
耦合度和聚合度
耦合度：模块间的接口数目和每个接口的复杂度
要做到到高内聚低耦合
4 OO设计准则：SOLID
(SRP) The Single Responsibility Principle 单一责任原则
(OCP) The Open-Closed Principle 开放-封闭原则
(LSP) The Liskov Substitution Principle Liskov替换原则
(ISP) The Interface Segregation Principle 接口聚合原则
(DIP) The Dependency Inversion Principle 依赖转置原则
SRP
ADT中不应该有多于一个原因让其发生变化，否则就拆分开
OCP
对拓展性的开放：模块的行为可拓展
对修改的封闭：模块自身的代码是不应被修改的
LSP
子类型必须能够替换其基类型
ISP
不能强迫客户端依赖于它们不需要的接口：只提供必需的接口
避免接口污染
避免胖接口
只提供每个客户端需要的接口
DIP
高层模块不应该依赖于低层模块，二者都应该依赖于抽象。抽象不应该是依赖于实现细节，实现细节应该依赖于抽象。使用接口和抽象类。
通过这种实现方式，无论具体的reader和writer怎么实现，如何改变，都不需要重写copy。
总结
5 语法驱动的构造
连接：x ::= y z
重复：x ::= y*
选择：x ::= y | z
x是y或者空：x ::= y?
正闭包：x ::= y+
字母类：x ::= [a-c] equals to x ::= 'a' | 'b' | 'c' equals to x ::= [abc]
x ::= [^a-c] equals to x ::= 'd' | 'e' | 'f' .....
正则语法和正则表达式
正则语法：简化之后，可以表达为一个产生式，而不包含任何非终止节点
正则表达式：去除引号和空格
. any single character
\d any digit, same as [0-9]
\s any whitespace character, including space, tab, newline
\w any word character, including underscore, same as[a-zA-Z_0-9]
\., \(, \), \*, \+, ... 需要转义字符
Grammar定义语法规则（BNF格式的文本），Parser generator根据语法规则产生一个parser，用户利用parser来解析文本，看其是否符合语法定义并对其做各种处理（例如转成parse tree）。
java.util.regex
第十一章 面向可复用性和可维护性的设计模式
除了类本身，设计模式更强调多个类/对象之间的关系和交互过程，比接口/类复用的力度更大
包括创建型模式，结构型模式和行为类模式
1 创建型模式
工厂方法模式
也叫作虚拟构造器。
当client不知道/不确定要创建哪个具体类的实例，或者不想在client代码中指明要具体创建的实例时，用工厂方法。
定义一个用于创建对象的接口，让该接口的子类型来决定实例化哪一个类，从而使一个类的实例化延迟到其子类。
静态工厂方法： 既可以在ADT内部实现，也可以构造单独的工厂类。
相比于通过构造器（new）构建对象：
- 静态工厂方法可具有指定的更有意义的名称
- 不必在每次调用的时候都创建新的工厂对象
- 可以返回原返回类型的任意子类型
缺点：每增加一种产品就要增加一个新的工厂子类
遵循了OCP原则。
2 结构型模式
（1）适配器模式
将某个类/接口转换为client期望的其他形式。解决类之间接口不兼容的问题。通过增加一个接口，将已存在的子类封装起来，client面向接口编程，从而隐藏了具体子类。也叫作wrapper。
加个适配器以便于复用。
可采用继承或者委托的方法。
（2）装饰器模式
对一种数据结构进行不同的扩展，可以使用继承让每个子类实现不同的特性。但如果需要特性的任意组合，继承就不再适用，如果使用继承就会导致组合爆炸，有大量的代码重复。
问题就在于如何为对象增加不同侧面的特性。可以对每一个特性创造子类，然后通过委派机制增加到对象上。以递归的方式实现。
就像套娃一样。
3 行为类模式
策略模式
有多种不同的算法来实现同一个任务，但需要client根据需要动态切换算法，而不是写死在代码里。
例如排序有冒泡排序，快排等等。
可以为不同的实现算法构造抽象接口，利用委托，运行时动态传入client倾向的算法类实例。
优点：容易拓展新的算法实现；把算法和客户上下文分隔开。
使用委派来实现
模板模式
做事情的步骤一样，但具体方法不同。
共性的步骤在抽象类内公共实现，差异化的步骤在各个子类中实现。模板方法定义了一个算法的步骤，并允许子类作为一个或多个步骤提供实现。
使用继承和重写实现模板模式，被广泛用在框架中，白盒框架。例子如下
public abstract class CarBuilder {protected abstract void BuildSkeleton();protected abstract void InstallEngine();protected abstract void InstallDoor();// Template Method that specifies the general logicpublic void BuildCar() { //通用逻辑BuildSkeleton();InstallEngine();InstallDoor();}
}public class PorcheBuilder extends CarBuilder {protected void BuildSkeleton() {System.out.println("Building Porche Skeleton");}protected void InstallEngine() {System.out.println("Installing Porche Engine");}protected void InstallDoor() {System.out.println("Installing Porche Door");}
}public class BeetleBuilder extends CarBuilder {protected void BuildSkeleton() {System.out.println("Building Beetle Skeleton");}protected void InstallEngine() {System.out.println("Installing Beetle Engine");}protected void InstallDoor() {System.out.println("Installing Beetle Door");}
}
迭代器模式
客户端希望对放入容器/集合类的一组ADT对象进行遍历访问，而无需关心容器的具体类型。也就是说，不管对象被放到哪里，都应该提供同样的遍历方式。
让自己的集合类实现Iterable接口，并实现自己的独特Iterator迭代器，允许客户端利用这个迭代器进行显示或隐式的迭代遍历。
Vistor Pattern
对特定类型object的特定操作（visit），在运行时将二者动态绑定到一起，该操作可以灵活更改，无需更改被visit的类。
本质上：将数据和作用于数据上的某种/些特定操作分离开来。
为ADT预留一个将来可扩展功能的“接入点”，外部实现的功能代码可以在不改变ADT本身的情况下在需要时通过委派介入ADT
迭代器：以遍历的形式访问集合数据而无暴露其内部表示，将“遍历”这项功能委托到外部的迭代器对象。
Visitor： 在特定的ADT上执行某种特定操作，但该操作不在ADT内部实现，而是委托到独立的visitor对象，客户端可灵活扩展/改变visitor的操作算法，而不影响ADT。
策略和游客都是通过委派建立两个对象的动态联系。
但是游客强调的是外部定义某种对ADT的操作，该操作于ADT自身关系不大（只是访问ADT），故ADT内部只需要开放accept(visitor)即可，client通过它设定visitor操作并在外部调用。
而Strategy则强调是对ADT内部某些要实现的功能的相应算法的灵活的替换。这些算法是ADT功能的重要组成部分，只不过是委托到外部strategy类而已。
区别：visitor是站在外部client的角度，灵活增加对ADT的各种不同操作（哪怕ADT没实现该操作），strategy则是站在内部ADT的角度，灵活变化对其内部功能的不同配置。
设计模式的共性和不同
第十二章 面向正确性与健壮性的软件构造
什么是健壮性和正确性
健壮性：系统在不正常输入或不正常外部环境下仍能够保持正常的程度。
面向健壮性的编程：处理未期望的行为和错误终止；即使终止执行，也要准确/无歧义的向用户展示全面的错误信息；错误信息有助于进行debug。
准则：程序员应总是假定用户恶意、假定代码失败。严于律己，宽以待人。
- 封闭实现细节，限定用户的恶意行为。
- 考虑极端情况
正确性：程序按照spec加以执行的能力，是最重要的质量指标。
正确性倾向于直接报错，健壮性则倾向于容错。
对比的例子如下：
健壮性：让用户变得更容易：出错也可以容忍，程序内部已有容错机制。
正确性：让开发者变得更容易：用户输入错误，直接结束。
对外的接口，倾向于健壮；对内的实现，倾向于正确。
可靠性=健壮性+正确性
如何度量健壮性和正确性
平均故障间隔时间（MTBF）：指两次故障之间的平均工作时间。总的运行时间/总的故障次数。
MTTF（故障前平均时间）描述不可修复系统
残余缺陷率：每千行代码中遗留的bug的数量
Java中的错误和异常
不要抛出Error对象。
内部错误：程序员通常无能为力，一旦发生，想办法让程序优雅的结束。
异常：自己的程序导致的问题，可以捕获可以处理。
异常处理
什么是异常
程序执行中的非正常事件，导致程序无法再按预想的流程执行。
Exceptions将错误信息传递给上层调用者，并报告“案发现场”的信息。
return之外的第二种退出途径。若找不到异常处理程序，整个系统完全退出。
不使用处理机制的缺点：正常的逻辑代码与错误处理代码交织在一起。使用错误处理机制，把它们分隔开。
异常的分类
RuntimeException：运行时异常，由程序员在代码里处理不当造成，例如数组越界，只要修改代码就可。
其他异常：由外部原因造成。能想到可能会出现这种错误，但不可避免，要进行处理。
Checked和Unchecked异常
编译器可帮助检查程序是否已抛出或处理了可能的异常。（Checked Exceptions）
编译器不会检查Unchecked Exceptions。但在执行时出现就会导致程序失败，是程序中的潜在bug。类似动态类型检查。
Checked异常处理操作，关键词
- try
- catch
- finally
- throws（声明异常，本方法可能会发生XX异常）
- throw（抛出XX异常）
使用Unchecked还是Checked
当客户端可以通过其他的方法恢复异常，那么采用Checked
当客户端对出现的这种异常无能为力，那么采用Unchecked
尽量使用unchecked exception来处理编程错误。如果客户端对一个Checked异常无能为力，可以把它转换为Unchecked异常，客户端会被挂起，并打印异常信息。
try{
..some code that throws SQLException
}catch(SQLException ex){
throw new RuntimeException(ex);
}总结
- Checked异常应该让客户端从中得到丰富的信息，以做出相应的处理
- 要想让代码更加易读，倾向于使用Unchecked异常来处理程序中的错误
错误可预料，但无法预防，但可以有手段从中恢复，此时使用Checked异常，否则使用Unchecked异常。
Use checked exceptions for special results (i.e., anticipated situations)
Use unchecked exceptions to signal bugs (unexpected failures)
使用throws声明Checked异常
“异常（Checked）”也是规约的一部分，在post-condition中刻画。
Unchecked异常不用声明。
应该声明的异常包括调用的其他函数传来的异常和自己造出的异常。如果没有handler处理抛出的Checked异常，程序就会中止执行。
LSP：子类型可以抛出父类型抛出的异常的子类型，也可以不抛出任何异常。但不能抛出比父类型更宽泛的异常。
如何抛出异常
抛出一个异常类的对象，可以添加参数把信息传递给client
throw new EOFEXception();String gripe = "Content-length: " + len + ", Received: " + n;
throw new EOFEXception(gripe);创建异常类
public class FooException extends Exception {public FooException() { super(); }public FooException(String message) { super(message); }public FooException(String message, Throwable cause) { super(message, cause); }public FooException(Throwable cause) { super(cause); }
}捕获异常
异常发生后，如果找不到处理器，就终止执行程序，在控制台打印出stack trace。
try {codemore codemore code
}
catch (ExceptionType e) {handler for this type
}try中代码抛出异常，并被catch捕获之后，try中抛出异常代码之后的代码不会再执行，执行捕获异常的catch中代码。
也可以不在本方法内处理，而是传递给调用方，由client处理。
注意：如果父类型的方法没有抛出异常，那么子类型中的方法必须捕获所有的Checked异常。
捕获多种异常，把父类型写下面。
重抛和链接异常
在catch中抛出异常，目的是更改异常的类型，更方便client端获取错误信息并处理。
try {access the database
}
catch (SQLException e) {throw new ServletException("database error: " + e.getMessage());
}但这么做最好保留“根原因”
try {access the database
}
catch (SQLException e) {Throwable se = new ServletException("database error");se.initCause(e);throw se;
}
Throwable e = se.getCause();finally 语句
当异常抛出时，方法中正常执行的代码被终止，如果异常发生前曾申请过某些资源，那么异常发生后这些资源要被恰当的清理。可以使用finally。
finally部分的代码，无论是否捕获异常都会被执行。
- 未抛出异常：不执行catch，执行try之后执行finally。再执行模块以外的语句
- 捕获抛出的异常：不执行try中抛出异常之后的代码，执行catch，finally，再执行模块以外的语句
- 抛出异常但未被捕获：不执行try中抛出异常之后的代码，不执行catch，执行finally然后程序终止。
finally的优先级最高，以下代码返回false
static boolean decision() {try {return true;} finally {return false;}
}断言
最好的防御就是不要引入bug。主要针对正确性，不符合，抛出error
避免扩散
什么是断言
在开发阶段的代码嵌入，检验某些“假设”是否成立。
可以添加信息
assert (number >= 0) : "number is negative: " + number;断言是对代码中程序员所做假设的文档化，不会影响运行时性能（在实际使用时，断言会被disabled）。
使用断言
保证：内部不变量、表示不变量、控制流不变量、方法的前置条件和后置条件符合要求或保持不变。
因为在使用时，断言会被disabled。所以在断言中不要包含业务逻辑。
// don't do this:
assert list.remove(x);// do this:
boolean found = list.remove(x);
assert found;程序之外的事情，不受控制的不要乱断言。断言是为了保证程序正确性。
使用异常处理文件/网络/用户输入等。
断言和异常的区别
断言保证正确性（开发阶段），处理绝不应该发生的错误
错误、异常处理保证健壮性（写在开发阶段，处理运行时的异常），处理预料到可以发生的不正常情况。
有些人认为不应该针对参数的合法性使用断言。（看参数的来源，内部就用断言，外部就抛出异常）
开发阶段尽可能用断言消除bugs，在发行版本里用异常处理机制处理漏掉的错误。
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