5.3 软件设计
一句话讲明白
需求阶段解决"做什么"，设计阶段解决"怎么做"——画出软件蓝图，把系统切成一块块好做、好改、好复用的模块。
生活类比
盖房子，需求是"三室两厅、朝南、能住四口人"；设计则是施工图：承重墙在哪、水电怎么走、每个房间的尺寸多少。
施工图有个铁律——每个房间功能要单纯（卧室就是睡觉），房间之间靠门和走廊连，不能把厨房的下水直接捅进卧室墙里。换成软件术语就是：高内聚、低耦合。
正经定义
软件设计的目标是根据软件分析的结果完成软件构建过程，绘制软件蓝图，权衡各种技术和实施方法的利弊，合理分配资源，构建详细设计方案和相关模型，指导软件实施。从方法上分为结构化设计（SD）与面向对象设计（OOD）。
拆解与流程
一、结构化设计 SD
面向数据流的方法，以 SRS、DFD、数据字典为基础，自顶向下、逐层分解、逐步求精、模块化。
| 阶段 | 又名 | 主要任务 |
|---|---|---|
| 概要设计 | 总体结构设计 | 确定软件系统结构、划分模块、确定每个模块的功能、接口和调用关系，形成模块结构图（系统结构图 SC） |
| 详细设计 | — | 为每个模块设计实现细节（输入/输出、处理流程、数据存储、用户界面、安全性和可靠性设计） |
模块三属性：功能（做什么）、逻辑（内部怎么做）、状态（使用环境和条件）。先确定外部特性（模块名、参数表、对系统造成的影响），再确定内部特性（代码和内部数据）。
信息隐藏与抽象：模块应设计成"黑盒"，外部只能用接口说明中给出的信息。
耦合（模块之间联系程度，越低越好）7 种，低 → 高：
非直接耦合 → 数据耦合 → 标记耦合 → 控制耦合 → 通信耦合（部分教材称外部耦合）→ 公共耦合 → 内容耦合
- 数据耦合：借参数传递简单数据；标记耦合：传记录等复杂数据结构；控制耦合：传的信息用于控制模块内部逻辑；公共耦合：多个模块访问同一个公共数据环境；内容耦合：直接访问另一个模块内部数据/有多个入口等（最该避免）。
内聚（模块内部联系紧密程度，越高越好）7 种，高 → 低：
功能内聚 → 顺序内聚 → 通信内聚 → 过程内聚 → 时间内聚 → 逻辑内聚 → 偶然内聚
铁律：高内聚、低耦合——内聚高则好理解好维护，耦合低则可独立开发维护。
详细设计的表示工具：图形工具（业务流程图、程序流程图、NS 流程图/盒图、PAD 图）、表格工具（判定表）、语言工具（PDL 伪码，可作注释插入源程序、可自动生成代码，但不如图形直观、复杂条件组合不如判定树清晰）。
二、面向对象设计 OOD
基本思想：抽象、封装、可扩展性（可扩展性主要通过继承和多态实现）。核心问题是同时提高可维护性和可复用性。
七大设计原则（必背）：
| 原则 | 一句话 |
|---|---|
| 单一职责 | 一个类应该有且仅有一个引起它变化的原因，否则应拆分 |
| 开闭原则 | 对扩展开放、对修改封闭 |
| 里氏替换 | 子类可以替换父类，可扩展父类功能但不能改变父类原有功能 |
| 依赖倒置 | 依赖于抽象而非具体实现，针对接口编程 |
| 接口隔离 | 用多个专门接口好过单一总接口 |
| 组合重用（合成复用） | 尽量用组合而不是继承达到复用 |
| 迪米特（最少知识） | 一个对象应对其他对象尽可能少地了解，降低耦合 |
类的三种类型：
| 类型 | 干什么 | 特征 |
|---|---|---|
| 实体类 | 映射需求中的每个实体，存永久存储体的信息（学员类、课程类） | 一定有属性，不一定有方法 |
| 控制类 | 控制用例工作，动宾短语转化来的名词（身份验证器） | 没有属性，一定有方法 |
| 边界类 | 位于系统与外界交接处（窗口、报表、通信协议、打印机接口、传感器、终端） | 可既有属性也有方法 |
三、统一建模语言 UML
结构包括构造块、规则、公共机制三部分。构造块 = 事物 + 关系 + 图。
- 事物（建模元素）4 类：结构事物（类、接口、协作、用例、活动类、构件、节点，共 7 种）、行为事物（交互、状态机）、分组事物（包，只在开发阶段存在）、注释事物。
- 关系 4 种：依赖、关联、泛化、实现。
- UML 2.0 的 14 种图：类图、对象图、构件图、组合结构图、用例图、顺序图（序列图）、通信图（UML1.x 称协作图）、定时图、状态图、活动图、部署图、制品图、包图、交互概览图。
- 静态结构：类图、对象图、构件图、组合结构图、部署图、制品图、包图
- 动态行为：用例图、活动图、状态图；交互图四类：顺序图、通信图、定时图、交互概览图
- UML 5 个系统视图（4+1 视图）：
| 视图 | 回答什么 |
|---|---|
| 用例视图 | 最基本的需求分析模型，从外部角色视角展示系统功能 |
| 逻辑视图（设计视图） | 系统静态结构和动态行为，功能怎么实现 |
| 进程视图 | 可执行线程和进程建模，描述并发与同步 |
| 实现视图 | 组成物理代码的文件和构件 |
| 部署视图 | 把构件部署到物理节点，软件到硬件的映射 |
四、设计模式
设计模式是前人经验的总结，包含模式名称、问题、目的、解决方案、效果、实例代码和相关设计模式等要素。
- 按处理范围：类模式（编译时刻确定的静态关系）/ 对象模式（运行时刻变化，更具动态性）。
- 按目的（必背三大类）：
| 类型 | 干什么 | 典型模式 |
|---|---|---|
| 创建型 | 创建对象 | 工厂方法、抽象工厂、原型、单例、建造者 |
| 结构型 | 处理类或对象的组合 | 适配器、桥接、组合、装饰器、外观、享元、代理 |
| 行为型 | 描述类或对象的交互与职责分配 | 职责链、命令、解释器、迭代器、中介者、备忘录、观察者、状态、策略、模板方法、访问者 |
考试怎么考
- 题型：选择题高频，几乎每年必考 2-4 分；案例题偶尔考"设计不合理导致的返工"。
- 常见问法：
- "耦合度最低的是？" → 非直接耦合；"耦合度最高的是？" → 内容耦合
- "内聚度最高的是？" → 功能内聚；"最低的是？" → 偶然内聚
- "描述对象之间消息的时间次序，应选用？" → 顺序图
- "表示软件到硬件的映射和分布，是哪个视图？" → 部署视图
- "'对扩展开放、对修改封闭'指？" → 开闭原则；"一个对象应对其他对象尽可能少地了解" → 迪米特原则
- "某类没有属性但一定有方法" → 控制类；"一定有属性" → 实体类
- 陷阱词：把"高内聚低耦合"说成"高耦合低内聚"；把 UML 的"部署图"和"部署视图"当成两个完全不同的概念（其实部署图是部署视图的图形载体）。
易混辨析
| 对比 | 概要设计 | 详细设计 |
|---|---|---|
| 关注 | 系统有哪些模块、模块间关系 | 模块内部算法与局部数据结构 |
| 依据 | SRS、DFD | 概要设计（详细设计不得影响概要设计，改概要设计须项目经理同意） |
| 对比 | 白盒/结构视角 | 黑盒/功能视角 |
|---|---|---|
| 设计里体现为 | 关注模块内部逻辑 | 关注模块外部接口（详见 5.4 软件实现） |
一秒记忆
"设 计 三 句：耦 合 从 低 到 高 非 数 标 控 通 公 内（内容耦合最坏），内 聚 从 高 到 低 功 顺 通 过 时 逻 偶（偶然内聚最烂）。UML 五视图：用逻进实部（用例、逻辑、进程、实现、部署）。设计模式三大家：建造型、结构型、行为型——'建 结 行'。"