设计模式在软件重构中的应用与实现.pdf

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1、-88-中国科技信息2010年第6期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2010信息科技引言设计是一个构思的过程；模式是重复问题的解决方案的核心1；凡经过构思，获得重复问题的解决方案的核心，在广义上都可称为设计模式。重构是在不改变代码外在行为的前提下，对代码做出修改，以改进程序的内部结构。本质上说，重构就是：在代码写好之后，改进它的设计2。软件重构的两个重要的原因：1）.系统构造先天不足；2）.具体实现方式不当3。设计模式正好在这两个关键问题上体现了优势。软件重构通常包括架构重构、设计重构、系统代码重构三个层面的重构，而架构模式、面向对象

2、设计模式、面向对象程序设计语言的代码模式结合在一起，实设计模式在软件重构中的应用与实现王宏伟 董丽丽 西安建筑科技大学 7 1 0 0 5 5Application&Realization of Design Pattern in RefactoringWang Hongwei Dong LiliX i a n U n i v e r s i t y O f A r c h i t e c t u r e&T e c h n o l o g y,T h e C i t y O f X i a n 7 1 0 0 5 5p r o j e c t-P C S I M S s h o w s h

3、o w t o u s e m e c h a n i s m s o fd e s i g n p a t t e r n t o r e c o n s t r u c t o l d s y s t e m t h a t h a sn o t a d a p t e d i t s e l f t o m a n y c h a n g e s o f r e q u i r e m e n t s.A t t h e s a m e t i m e ,t h e w o r k i n g w a y i n t e g r a t e d i np r a c t i c a l

4、p r o j e c t-P C S I M S s h o w s h o w t o r e a l i z e a n e ws y s t e m t h a t i s c h a r a c t e r i s t i c o f r e u s i n g ,g o o dm a i n t e n a n c e,s t r o n g s t a b i l i t y,a n d f l e x i b l e d e a l i n g w i t hm a n y c h a n g e s o f r e q u i r e m e n t s.A n i n-d

5、e p t h d i s c u s s i o na b o u t u s i n g i t s f u n c t i o n a n d s i g n i f i c a n c e i s p r e s e n t e d.Key wordsa r c h i t e c t u r e d e s i g n p a t t e r n；o b j e c t-o r i e n t e d d e s i g np a t t e r n；i d i o m d e s i g n p a t t e r n；r e f a c t o r i n g摘 要文章介绍不同层

6、面的设计模式（架构模式，面向对象设计模式，面向对象程序设计语言的代码模式）的实现方式。结合实际项目P C S I M S，具体展示了应用这种设计模式机制来重构不适应需求变化的旧系统，从而实现一个具有复用特性、易维护特性、强壮的稳定特性以及具有灵活应对需求变化特性的新系统。讨论这种设计模式机制在软件重构中的作用与意义。关键词架构模式;面向对象设计模式;面向对象程序设计语言的代码模式;重构AbstractT h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e w o r k i n g w a y o f d i f f e r e n ts i d e s

7、 d e s i g n p a t t e r n s s u c h a s A r c h i t e c t u r e D e s i g nP a t t e r n,O b j e c t-O r i e n t e d D e s i g n P a t t e r n,I d i o m D e s i g nP a t t e r n.T h e w o r k i n g w a y i n t e g r a t e d i n p r a c t i c a l-89-现了系统设计上比较严格的高中低层次的搭配，使系统构造从不同的尺度实现了“高内聚、低耦合”，同时提高了

8、设计复用、代码复用，让重构后的系统具有灵活性、扩展性、稳定性，也提高了可理解性、可维护性，也加快了开发速度。在软件重构中，使用这三个层面的设计模式机制，在最大的程度上解耦，使重构后的系统能够灵活应对需求变化，以最小的成本来扩展系统新的业务需求；同时在最大程度上实现代码复用，使重构后的系统性能显著提升。1、模式在软件重构中的工作原理1.1 三层架构模式与 IoC(Inversionof Control)模式架构模式（A r c h i t e c t u r ePattern）表达了软件系统基本的组织结构方式或系统构成方式。架构模式帮助界定子系统的组成，指定了各子系统的职责，并且包括了组织各子系

9、统间关联关系的规则或指南4。分层架构模式是根据公共的属性，规定了每一层的职能，通过逐层调用实现系统功能。三层架构通常是指表示层（P r e s e n tL a y e r）、业务逻辑层（B u s i n e s sLayer）、数据访问层（Data AccessLayer）。表示层用来显示数据和接收用户输入的数据；数据访问层实现访问数据库的职责。业务逻辑层是系统架构中体现核心价值的部分，它的关注点集中在业务规则的制定、业务流程的实现、业务需求的有关系统设计，它在体系架构中的位置关键，处于表示层与数据访问层中间，起到数据交换中承上启下的作用。三层协作实现系统功能。反向控制模式（Inversi

10、on ofControl）是一种采用依赖注入的解耦方案。所谓依赖注入即组件之间的依赖关系，由容器在运行期决定，即由容器动态地取某种依赖关系注入到组件中。让组件依赖于抽象，当组件要与其他实际对象发生依赖关系的时候，通过抽象来注入依赖的实际对象。三层架构结合 IoC 模式的解耦方案，解除了业务逻辑层被表示层依赖的关系，实现了表示层与业务逻辑层的完全松耦合，使得业务规则发生变化，只修改业务逻辑层，而表示层无须修改。1.2 抽象工厂模式面向对象设计模式是以面向对象的思维来思考软件设计结构，它在设计层面刻画了面向对象的核心精神。面向对象设计模式是描述面向对象设计过程中，特定场景下类与相互通信对象之间常见

11、的组织关系，包括它们的角色、职责、协助方式几个方面。它是针对软件需求的变化性（客户需求的变化、软件技术上的变化），来实现应对变化提高复用的目标。模式用来管理变化。从宏观层面来看，面向对象的构建方式更能适应软件的变化，能将变化所带来的影响减到最小。抽象工厂模式（A b s t r a c t F a c t o r yPattern）是 GOF23 种模式之一。在软件系统中，经常面临着“一系列相互依赖的对象”的创建工作，同时由于需求的变化，存在更多系列的对象创建。这个对象的具体实现经常面临着剧烈的变化，但是它却拥有比较稳定的接口，如何应对这种变化？提供一种封装机制来隔离出“这个易变对象”的变化，

12、从而保持系统中其它依赖对象的对象不随着需求的改变而改变。A b s t r a c t P r o d u c t A 和AbstractProductB 是两个抽象产品，之所以抽象，是因为它们有可能有两种不 同 的 实 现，而 P r o d u c t A 1、ProductA2 和 ProductB1、ProductB2就是对两个抽象产品的具体分类的实现；AbstractFactory 是一个抽象工厂接口，它里面包含所有的产品创建的抽象方法，而 ConcreteFactory1 和ConcreteFactory2 就是具体工厂。通常 在 运 行 时 刻 再 创 建 一 个Concrete

13、Factory 类的实例，这个具体的工厂再创建具有特定实现的产品对象，也就是说，为创建不同的产品对象，客户端应使用不同的具体工厂。这样的好处是易于交换产品系列，由于具体工厂类，在一个应用中只需在初始化时出现一次，这使改变一个应用的具体工厂变得非常容易，它只需改变具体工厂即可使用不同的产品配置；其二是它让具体的创建实例过程与客户端分离，客户端是通过它们的抽象接口操纵实例，产品的具体类名被具体工厂的实现分离，不会出现在客户代码中。1.3 IDIOM 设计模式一个 IDIOM（面向对象程序设计语言的代码模式）设计模式是与某种编程语言（例如 c#）密切结合的一种低层次的设计模式。一个 IDIOM 可以

14、帮助我们实现一个构件内特定的某方面的功能，或者帮助实现构件间特定的关系。当然，这是由于那种编程语言具有的特性所决定的这种能力5。.Net 下的 C#语言是一种面向对象程序设计语言。它的封装性、继承性、多态性能很好的支持面向对象的风格、开闭原则，实现软编码。C#中的泛型编程，也是.Net 下的典型特征，同一份代码可以多次复用。C#中的泛型编程利用参数化类型将类型抽象化。它通过晚期绑定的，在运行时实例化具体的类型，实质上是类型的多态，能够灵活应对类型的变化。2、模式在软件重构中的实现方式2.1 三层架构模式结合 IoC 模式实现层间解耦在分层架构中，由于层是一种弱耦合结构，层与层之间的依赖是向下的

15、，底层对上层而言是“无知”的，改变上层设计对于其调用的底层而言没有任何影响。如果在分层设计时，遵循了面向接口设计的思想，那么这种依赖也是弱依赖关系。因而在不改变接口定义的前提下理想的分层架构应该是一个支持可抽取、可替换的抽屉式架构。正因为如此业务逻辑层的设计对于支持一个可扩展的架构尤为关键，因为它扮演了两个不同的角色，对于数据访问层而言，它是调用者；对于表示层而言它是被调用者。依赖与被依赖关系都纠集在业务逻辑层上，应用 IoC 解耦方案，解除了业务逻辑层被表示层依赖的关系，实现了表示层与业务逻辑层的完全松耦合。满足依赖倒置的原则高层与底层共同依赖于抽象，表示层与业务层依赖于 IoC容器。IoC

16、 的依赖注入方式有三种，分别是构造注入、set 注入、接口注入。构造注入是基于构造函数，通过构造函数的参数来传递对象间的引用来-90-中国科技信息2010年第6期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2010信息科技为可服务对象指定服务；set 注入是基于 set,通过 get、set 方法传递对象间的引用来为可服务的对象指定服务；接口注入是基于接口，可服务的对象需要实现一个专门的接口，该接口提供了一个对象，可以用这个对象查找依赖，任何服务的使用者必须实现这个 接 口。2.2 抽象工厂模式实现业务逻辑的灵活更改和不同数据库的灵活切换通常在软

17、件开发中业务类型对象变化频繁，经常面临一系列相互依赖对象的创建工作，同时由于需求的变化，存在更多系列对象的创建工作，抽象工厂模式可以避免客户程序和这种多系列具体对象创建工作的紧耦合。在Pcsims系统的业务逻辑层也面临多系列相关对象的创建工作，也存在需求的变化，如何封装变化点，使业务逻辑的更改，数据库的更改，不会影响业务逻辑层的稳定性？抽象工厂模式可以实现这一封装，应对多系列相互依赖对象的创建工作，实现客户程序和多系列相关对象的创建工作的松耦合。PCSIMS通过组件服务（IoC 解耦方案）结合微软 EnterpriseLibrary 来实现。组件服务提供了注册所有业务逻辑的抽象工厂接口，它里面

18、包含所有的产品创建的抽象方法，运行时实例化相关的抽象方法。具体工厂创建具有特定实现的产品对象，在运行时实例化具体数据库的数据源，返回具体的数据库对象。这样灵活应对了多系列相关对象的创建工作。在微软EnterpriseLibrary 支持保存在应用程序配置文件中的节 中 的 连 接 字 符 串 信 息 配 置 创 建DataBase 对象。CreateDatabase 方法是 DatabaseFactory 类的一个静态方法。具体工厂基于配置文件中的信息创建一个正确的 database 类，并返回基类的子类的对象：Database 返回到客户代码。具体工厂模式创建的数据库，通过客户程序稳定的接口

19、，运行时读取配置文件中的连接字符串信息，以子类对象的形式，获得一个数据库实例。这样连接不同数据库的变化点，封装到配置文件和数据访问层中的一些数据库操纵语言。若数据库的技术需求发现变化，只需修改配置文件中的数据库的名称和数据访问层的一些操作语言。这就实现所谓的业务逻辑与数据访问的解耦。将程序由编译时转为运行时。图 1 抽象工厂模式-91-在 Pcsims 系统中，其中包括两大功能模块编辑审批和系统管理，存在大量的相关的业务对象相互依赖的操作方法，如：认定、审批、取消、导出、删除、编辑、新增等。故该系统采用抽象工厂模式，进一步简化代码的冗余，有利于两模块中操作的一致性。Pcsims使用抽象工厂模式

20、为了实现业务逻辑层能跨数据库复用利用 ADO.net 的框架很容易解决数据库访问的统一外观问题，但是具体每个业务查询的 Sql 语句仍然带有数据库特性。2.3 面向对象程序设计的实现机制面向对象程序设计语言是只某种语言，具有一种机制，支持面向对象风格的程序设计语言。对象不仅仅是指托管对象的内存了，从概念层面上讲，对象是某种拥有责任的抽象；从规格层面上讲，对象是一系列可以被其它对象使用的接口；从语言的实现层面来看，对象封装了行为和状态。面向对象程序设计语言通过三大机制封装、继承、多态实现面向对象程序设计。封装机制：隐藏内部实现，对外提供统一接口。当内部实现发生变化，只需改变内部的行为和状态，而对

21、象的接口是稳定的，无需改变，因此它是面向对象的优点。继承机制：复用现有代码，它在某种程度上破坏了封装性，子类父类耦合度高，然而符合李氏替换原则子类必须能够替换掉他们的父类型2。可提高复用基类。由于子类型的可替换性使得父类型的模块在无需修改的情况下就可扩展。它是面向对象的基础。多态机制：具有表现多种形态能力的特征，可改写对象行为。通过基类引用子类的指针，实现动态绑定（运行时绑定）实现改写行为的多态性，它是面向对象的典型特征。传统的多态性实际上是由虚函数（virtual fuction）利用虚表（virtual table）实现的。它也离不开继承，换句话说多态实际上覆盖了继承。面向对象程序设计语言

22、，通过三大机制，在代码重构层面实现松耦合。面向对象程序设计语言的编程思想，不仅支持面向对象风格，而且能够培养面向对象设计模式思维。3、设计模式在软件重构中的应用3.1 三层架构模式与 IoC 模式在重构中的应用在系统的设计过程中，经常是从现实中分析抽象的思想来设计，当代码实现具体业务功能时，发现所有的实现是依赖于抽象的。抽象的粒度合适，业务实现越方便越容易扩展。正如业内遵循的一条规则“实现依赖于抽象，而不是抽象依赖于实现”来解耦，这也是“反向控制”的一种实现方式。下面结合 PCSIMS 系统来说明“反向控制”对三层架构中表示层与业务逻辑层的弱耦合关系实现解耦，使表示层与业务层达到松耦合，业务逻

23、辑层的逻辑变化，不影响稳定的表示 层。PCSIMS 系统是在.Net 下开发的项目。Windsor 是 castle 的一个 IoC 容器。它构建 Microkerod 之上，功能强大，能检测出类型和类型之间的工作依赖性并提供服务的机制。控制反转是关于一个对象如何获取其所依赖的引用，这个责任的反转。IoC 中采用的基本技术是“反射”编程。通俗的说，反射就是根据给出的类名来生成对象，这种编程方式可以让对象在生成时才决定要生成哪个 对 象。在表示层注册接口，依赖 IoC组件服务。表示层I S e a r c h S e r v i c e sS e a r c h=C o m p o n e n

24、t S e r v i c e s.GetComponent(SearchService);架构中封装 Castle 的 IOC 容器,提供组件服务。public static T GetComponent(string compenentName)if(container=null)container=new WindsorContainer(new XmlInterpreter();T tag;tag=(T)containercompenentName;return tag;根据 webconfig 中的注册，容器找到业务层的实现类业务逻辑层 public class SearchServ

25、ice:M a r s h a l B y R e f O b j e c t,ISearchServices3.2 抽象工厂模式在系统重构中的应用提供了一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，应对“多系列对象创建”的需求变化。在开发 PCSIMS系统中，有九个业务要处理需要定义九个相对应的类，而每个类都需要根据不同需要而返回不同的对象（IoC组件服务实现），且实现业务逻辑根据需要选择不同的数据库中的数据源。通常可能取的数据源类型有三种：1）SQL Server 数据库；2）Oracle数据库；3）Access 数据库。以 SQLServer 数据库为例，说明抽象工厂模式有利于产品的一致性。业

26、务逻辑层 public class SearchService .Database db=DatabaseFactory.CreateDatabase();.SearchDALdal=new SearchDAL(db);Web.config 是 EnterpriseLibrary配置文件的工具,通过配置文件得到了Configuration 对象,用这个对象来操作dataConfiguration 中的 providerName得到不同数据库的配置，无须改变稳定的业务逻辑模块。而不同数据库的语法差异，使数据访问模块发生一些变 化。数据访问层 public class SearchDAL-92-中

27、国科技信息2010年第6期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2010信息科技 Database db;public SearchDAL(Database db)this.db=db;,3.3 代码模式在重构中的应用C s h a rp（C#）语言中，泛型是类型的多态即通过参数化类型来实现在同一份代码上操作多种数据类型。泛型编程是一种编程范式，它利用“参数化类型”将类型抽象化，从而实现更为灵活的复用。C#泛型赋予了代码更强的类型安全，更好的复用，更高的效率，更清晰的约束。C#泛型能力由 CLR 在运行时支持，这使得泛型能力可以在各个支持

28、CLR的语言之间进行无缝的互操作。C#泛型代码在被编译为 IL 代码和元数据时，采用特殊的占位符，来表示泛型类型，并用专用的 IL 指令支持泛型操作。而 真 正 的 泛 型 实 例 化 工 作 以“on-demand”的方式，发生在 JIT编译时。C#泛型编译机制，在第一轮编译时，编译器只为 Stack类型产生“泛型版”的 IL 代码与元数据中的 T-进行实例化，T 在中间只充当占位符。在 JIT 编译时，当 JIT 编译器第一次遇到 Stack时，将用 int替换“泛型版”IL 代码与元数据中的T-进行泛型类型的实例化。封装机制和多态性提高代码的复用，实现代码级的解耦。public clas

29、s DropDownListBind:C o m m o n.W e b C o n t r o l s.DropDownListBindpublic void BindDropDownList(EntityList dataSource,DropDownList ddlName,stringddlText,string ddlValue)where T:Entity,new()d d l N a m e.DataSource=dataSource;d d l N a m e.参考文献 1 G O F.D e s i g n P a t t e r n E l e m e n t s o fR

30、 e u s e a b l e O b j e c t-O r i e n t e d S o f t w a r eA d d s i o n-W e s t e y P r e s s 2 M a r t i n F o w l e r.R e f a c t o r i n g :I m p r o v i n gt h e D e s i g n o f E x i t i n g C o d e A d d s i o n-W e s t e y P r e s s 3 牛树长,杨海波.面向对象项目开发经验集大成.电子工业出版社 4 李伟,吴庆海.软件架构的艺术.电子工业出版社 5

31、 程成,陈霞.软件工程.机械工业出版社作者介绍王宏伟；出生，1 9 7 8 年 1 0 月；性别，男；籍贯，陕西榆林府谷县；学历：硕士；研究方向：计算机软件与理论;董丽丽；出生，1 9 6 0 年；性别，女；籍贯，西安；学历：博士；职称：教授；研究方向：分布式计算。DataTextField=ddlText;d d l N a m e.DataValueField=ddlValue;ddlName.DataBind();4、结语三类不同层面的设计模式是一种高层次的构思模式。通常在业务规则熟悉，系统模块稳定性和易变性划分清晰的系统重构中是较容易应用与实现，然而在开发新系统时使用它，可能会误用，增加了开发成本。在系统重构中应用这三类不同层面的设计模式，使系统能够灵活应对需求的变化，将需求变化带来的重新编译和部署的代价降到最低，同时提高了代码的复用，减少了旧系统的冗余代码，显著地提高了软件系统的性能。