北京电子科技学院（BESTI）
实 验 报 告
课程：Java 班级： 1352 姓名：谈愈敏 学号：20135220
成绩： 指导教师：娄嘉鹏 实验日期：2015.5.8
实验密级： 预习程度： 实验时间：15:30~18:00
仪器组次：20 必修/选修：选修 实验序号：02
实验名称：Java面向对象程序设计
实验目的与要求： 1. 初步掌握单元测试和TDD
2. 理解并掌握面向对象三要素：封装、继承、多态
3. 初步掌握UML建模
4. 熟悉S.O.L.I.D原则
5. 了解设计模式
实验仪器：
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名称 |
型号 |
数量 |
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计算机 |
lenovo |
1 |
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实验楼 |
1 |
实验步骤：
先在实验楼中的~/Code目录中用自己的学号建立一个目录，代码和UML图要放到这个目录中。
（由于实验楼太卡，后面的都是在自己电脑上做的，并且在自己电脑上利用学号建立一个文件夹供检阅。）
（一）单元测试
（1）三种代码
需求：我们要在一个MyUtil类中解决一个百分制成绩转成“优、良、中、及格、不及格”五级制成绩的功能。
伪代码：
百分制转五分制： 如果成绩小于60，转成“不及格”；如果成绩在60与70之间，转成“及格”； 如果成绩在70与80之间，转成“中等” ；如果成绩在80与90之间，转成“良好”； 如果成绩在90与100之间，转成“优秀” ；其他，转成“错误”。
将伪代码翻译成产品代码：
为了发现自身程序的bug，编写测试代码：
先测试几组一般情况：
结果为测试通过。
测试异常情况，比如输入是负数：
修改MyUtil.java，增加对负分的判断，代码如下：
再次运行测试，测试结果符合预期，如下图所示：
测试边界情况：
我们发现边界情况中输入100时有一个Bug。我们修改MyUtil.java,把判断优秀的条件中包含输入为100的情况，代码如下：
测试都符合预期了。
一般要求是测试代码要比产品代码多。
(2) TDD(Test Driven Devlopment, 测试驱动开发)
通过砌砖的例子，我们知道应该先写测试代码，再写产品代码，保证代码的正确性。这种方法叫“测试驱动开发（TDD）”
TDD的一般步骤如下：
- 明确当前要完成的功能，记录成一个测试列表
- 快速完成编写针对此功能的测试用例
- 测试代码编译不通过（没产品代码呢）
- 编写产品代码
- 测试通过
- 对代码进行重构，并保证测试通过（重构下次实验练习）
- 循环完成所有功能的开发
基于TDD，我们不会出现过度设计的情况，需求通过测试用例表达出来了，我们的产品代码只要让测试通过就可以了。 Java中有单元测试工具JUnit来辅助进行TDD，我们用TDD的方式把前面百分制转五分制的例子重写一次，体会一下有测试工具支持的开发的好处。
打开Eclipse,单击File->New->Java Project新建一个TDDDemo的Java项目，如下图：
我们在TDDDemo项目中，把鼠标放到项目名TDDDemo上，单击右键，在弹出的菜单中选定New->Source Folder新建一个测试目录test，如下图：
我们把鼠标放到test目录上，单击右键，在弹出的菜单中选定New->JUnit Test Case新建一个测试用例类MyUtilTest，如下图：
增加第一个测试用例testNormal
图中的红叉说明代码存在语法错误，原因很简单，MyUtil类还不存在，类中的percentage2fivegrade方法也不存在，我们在TDDDemo的src目录中新建一个MyUtil的类，并实现percentage2fivegrade方法，如下图所示：
可以看到现在测试代码没有语法错误了，我们把鼠标放到MyUtilTest.java上，单击右键，选择Run as->JUnit Test,如下图：
测试结果出现了一个红条（red bar）,说明测试没通过，红条上面汇总了测试情况，运行了一个测试，没有错误，一个测试没通过。
修改MyUtil.Java吧，输入以下代码：
再运行测试，测试结果出现了一个绿条（green bar）,说明测试通过了。
TDD的目标是"Clean Code That Works"，TDD的slogan是"Keep the bar green, to Keep the code clean"
TDD的编码节奏是：
- 增加测试代码，JUnit出现红条
- 修改产品代码
- JUnit出现绿条，任务完成
增加一个测试异常情况的用例testException,如下图：
增加一个测试边界情况的用例testBoundary,如下图：
将MyUtil.Java进行修改完善后（同上的最后完善版）
public class MyUtil{
public static String percentage2fivegrade(int grade){
//如果成绩小于0，转成“错误”
if ((grade < 0))
return "错误";
//如果成绩小于60，转成“不及格”
else if (grade < 60)
return "不及格";
//如果成绩在60与70之间，转成“及格”
else if (grade < 70)
return "及格";
//如果成绩在70与80之间，转成“中等”
else if (grade < 80)
return "中等";
//如果成绩在80与90之间，转成“良好”
else if (grade < 90)
return "良好";
//如果成绩在90与100之间，转成“优秀”
else if (grade <= 100)
return "优秀";
//如果成绩大于100，转成“错误”
else
return "错误";
}
}
就可以让JUnit的gree bar出来，如下图：
不管用不用TDD，写出高质量的测试用例才是最重要的。
可参考一下《单元测试之道》这本书。另外，《Agile Java 中文版》展示了如何将Java和TDD进行有效的整合，通过TDD驱动项目开发。
（二）面向对象三要素
（1）抽象
抽象一词的本意是指人在认识思维活动中对事物表象因素的舍弃和对本质因素的抽取。抽象是人类认识复杂事物和现象时经常使用的思维工具，抽象思维能力在程序设计中非常重要，"去粗取精、化繁为简、由表及里、异中求同"的抽象能力很大程度上决定了程序员的程序设计能力。
抽象就是抽出事物的本质特征而暂时不考虑他们的细节。对于复杂系统问题人们借助分层次抽象的方法进行问题求解；在抽象的最高层，可以使用问题环境的语言，以概括的方式叙述问题的解。在抽象的较低层，则采用过程化的方式进行描述。在描述问题解时，使用面向问题和面向实现的术语。 程序设计中，抽象包括两个方面，一是过程抽象，二是数据抽象。 我们举个例子说明一下。比如有了以下Java代码：
System.out.println(1);
System.out.println(2);
System.out.println(3);
可以打印出“1,2,3”，想打印“1,2,3,4”怎么办？不要单纯的用复制，这是没有学会过程抽象的做法“拷贝粘贴”式开发。比如想打印出“1..100"怎么办？粘贴100行？
解决的方法是进行过程抽象，写一个函数printn：
public void printn(int n){
for(int i=1; i<=n; i++)
System.out.println(n);
}
打印出“1..100"也很简单了，只要调用printn(100);就行了
(以下这个部分是在实验楼环境下做的)
（2）封装，继承和多态
面向对象(Object-Oriented)的三要素包括：封装、继承、多态。面向对象的思想涉及到软件开发的各个方面，如面向对象分析（OOA）、面向对象设计（OOD）、面向对象编程实现(OOP)。OOA根据抽象关键的问题域来分解系统，关注是什么（what）。OOD是一种提供符号设计系统的面向对象的实现过程，用非常接近问题域术语的方法把系统构造成“现实世界”的对象，关注怎么做（how）,通过模型来实现功能规范。OOP则在设计的基础上用编程语言（如Java）编码。贯穿OOA、OOD和OOP的主线正是抽象。 OOD中建模会用图形化的建模语言UML（Unified Modeling Language）,UML是一种通用的建模语言，我们实验中使用umbrello进行建模，Windows中推荐大家使用 StarUML。
过程抽象的结果是函数，数据抽象的结果是抽象数据类型（Abstract Data Type，ADT），类可以作具有继承和多态机制的ADT。数据抽象才是OOP的核心和起源。
OO三要素的第一个要素是封装，封装就是将数据与相关行为包装在一起以实现信息就隐藏。Java中用类进行封装，比如一个Dog类：
封装实际上使用方法(method)将类的数据隐藏起来，控制用户对类的修改和访问数据的程度,从而带来模块化(Modularity)和信息隐藏(Information hiding)的好处；接口（interface）是封装的准确描述手段。 Dog类通过使用类和访问控制（private,public）隐藏了属性color,开放了接口setColor(),getColor(),bark()和toString。Dog类是一个模块，我们可以通过下面的代码使用它，测试代码与运行结果如下：
用UML中的类图来描述类Dog,首先我们在实验楼的环境中打开shell，在命令行中输入umbrello，打开UML建模软件umbrello，如下图所示：
先单击工具栏上的类图标，再在class diagram(类图)中单击一下，会弹出一个圣诞框，输入类名Dog,如下图：
我们把鼠标放到Dog类上，单击右键，选择Properties,在弹出的对话框中的Display中去掉Public Only选项，如下图：
我们把鼠标放到Dog类上，单击右键，选择New->Attribute,在弹出的对话框中的填好Type,Name,并选好Visibility，如下图：
我们把鼠标放到Dog类上，单击右键，选择New->Operation,在弹出的对话框中的填好Type,Name,并选好Visibility，如下图：
我们可以看到，在UML 里，一个类的属性能显示它的名字，类型，初始化值，属性也可以显示private，public，protected。 类的方法能显示它们的方法名，参数，返回类型，以及方法的private，public，protected属性。其中：
- +表示public
- #表示 protected
- -表示 private
使用UML可以让我们不必关注细节。同样，我们可以建立一个Cat类(请大家模仿Dog类实现Cat类)，如下图所示：
这时的测试类如以下UML图所示：
注意：UML类图要展示类之间的静态关系，AnimalTest类依赖Dog类和Cat类，UML中依赖用带箭头的直线表示。 对应的测试代码和运行结果如下图所示：
我们看到Dog类和Cat类都有Color属性和相应的setter和getter方法，明显违反了前面提到的DRY原则，我们可以通过继承解决这个问题，把Color属性和相应的setter和getter方法放到父类Animal中，如以下UML较图所示：
请大家注意UML类图中继承的表示法，是用一个带三角的直线指向父类，通过继承，我们消除了Dog类和Cat类中的重复代码，符合DRY的要求。
如上面所示，以封装为基础，继承可以实现代码复用，需要注意的是，继承更重要的作用是实现多态。 面向对象中允许不同类的对象对同一消息做出响应，即同一消息可以根据发送对象的不同而采用多种不同的行为方式，我们称此现象为多态性。Java中，多态是指不同的类对象调用同一个签名的成员方法时将执行不同代码的现象。多态是面向对象程序设计的灵活性和可扩展性的基础。 我们再看看上一个类图，我们可以进一步抽象，把Dog类中的bark()和Cat类中的meow()抽象成一个抽象方法shout(),Dog类和Cat类中覆盖这个方法。
Animal类是抽象类。 对应的代码如下：
测试代码和运行结果如下：
这时getInfo只需要一个了，参数为父类Animal,当方法参数类型为父类时，可以传入子类的对象。大家需要理解并记住“在Java中，当我们用父类声明引用，用子类生成对象时，多态就出现了”。
（三）设计模式初步
（1）S.O.L.I.D原则
面向对象三要素是“封装、继承、多态”，任何面向对象编程语言都会在语法上支持这三要素。如何借助抽象思维用好三要素特别是多态还是非常困难的，S.O.L.I.D类设计原则是一个很好的指导：
- SRP(Single Responsibility Principle,单一职责原则)
- OCP(Open-Closed Principle,开放-封闭原则)
- LSP(Liskov Substitusion Principle,Liskov替换原则)
- ISP(Interface Segregation Principle,接口分离原则)
- DIP(Dependency Inversion Principle,依赖倒置原则)
OCP是OOD中最重要的一个原则，OCP的内容是：
- software entities (class, modules, function, etc.) should open for extension,but closed for modification.
- 软件实体（类，模块，函数等）应该对扩充开放，对修改封闭。
对扩充开放（Open For Extension ）要求软件模块的行为必须是可以扩充的，在应用需求改变或需要满足新的应用需求时，我们要让模块以不同的方式工作； 对修改封闭（Closed for Modification ）要求模块的源代码是不可改动的，任何人都不许修改已有模块的源代码。
基于OCP，利用面向对象中的多态性（Polymorphic），更灵活地处理变更拥抱变化，OCP可以用以下手段实现：（1）抽象和继承，（2）面向接口编程。
比如，在一个图形系统中，已经存在三个模块Shape,Square,Circle,
用户现大需要一个Triangle模块是一个合理的要求，由于我们使用了多态，原先的模块不需要改变，只要新增加一个模块Triangle就可以了。这个图形系统是符合OCP原则的。
SRP的内容是：
- There should never be more than one reason for a class to change
- 决不要有一个以上的理由修改一个类
对象提供单一职责的高度封装，对象的改变仅仅依赖于单一职责的改变，它基于软件设计中的高内聚性定义。
LSP的内容是：
- Subtypes must be substitutable for their base types
- Functions that use pointers or references to base classes must be able to use objects of derived classes without knowing it
- 子类必须可以被其基类所代
- 使用指向基类的指针或引用的函数，必须能够在不知道具体派生类对象类型的情况下使用它
LSP的核心思想是父类型对象可以被子类型对象所取代。我们前面举的Animal,Dog,Cat的那个例子是符合LSP原则的。下面是一个常见的反例，不少Java教材讲继承时都举这个例子，其实是错误的。
Square类与Rectangle类不存在继承关系。
LSP告诉大家的一点是不要滥用继承，LSP原则清楚地指出，OOD中“ISA关系”是就行为功能而言。行为功能（behavior）不是内在的、私有的，而是外在、公开的，是客户程序所依赖的接口。
ISP的内容是：
- Clients should not be forced to depend upon interfaces that they do not use
- 客户不应该依赖他们并未使用的接口
DIP的内容是：
- High level modules should not depend upon low level modules. Both should depend upon abstractions
- Abstractions should not depend upon details. Details should depend upon abstractions
- 高层模块不应该依赖于低层模块。二者都应该依赖于抽象
- 抽象不应该依赖于细节。细节应该依赖于抽象
通过接口或者抽象类，DIP在应用中通过依赖注入的方式实现解耦，重用低级模块，重用实现，解除依赖。
（2）模式与设计模式
模式是某外在环境(Context) 下﹐对特定问题(Problem)的惯用解决之道(Solution)。模式必须使得问题明晰，阐明为什么用它来求解问题，以及在什么情况下有用，什么情况下不能起作用，每个模式因其重复性从而可被复用，本身有自己的名字，有可传授性，能移植到不同情景下。模式可以看作对一个问题可复用的专家级解决方法。 计算机科学中有很多模式:
- GRASP模式
- 分析模式
- 软件体系结构模式
- 设计模式：创建型，结构型，行为型
- 管理模式： The Manager Pool 实现模式
- 界面设计交互模式
- …
这里面最重要的是设计模式，在面向对象中设计模式的地位可以和面向过程编程中的数据结构的地位相当。
（3）设计模式实示例
设计模式(design pattern)提供一个用于细化软件系统的子系统或组件，或它们之间的关系图，它描述通信组件的公共再现结构，通信组件可以解决特定语境中的一个设计问题。
设计模式背后是抽象和SOLID原则。 设计模式有四个基本要素：
- Pattern name：描述模式，便于交流，存档
- Problem：描述何处应用该模式
- Solution：描述一个设计的组成元素，不针对特例
- Consequence：应用该模式的结果和权衡（trade-offs）
Java类库中大量使用设计模式：
- Factory：java.util.Calendar
- Compsite：java.awt.Container
- Decorator：java I/0
- Iterator：java.util.Enumeration
- Strategy：java.awt.LayoutManager
- …
设计了一个文档系统，如下图UML类图所示：
对应的代码如下：
客户如果要求系统支持Float类，这是一个合理的要求，要支持Float类，Document类要修改两个地方，这违反了OCP原则，使用多态可以解决部分问题：
对应的代码如下：
要支持Float类，Document类要修改构造方法，这还违反了OCP原则。封装、继承、多态解决不了问题了，这时需要设计模式了：
抽象工厂模式应用如下：
对应代码如下：
我们看到通过增加了一层抽象层使代码符合了OCP原则。代码有良好的可扩充性、可维护性，代价是代码多了，效率变低下了。 设计模式初学者容易过度使用它们，导致过度设计，也就是说，遵守DRY和OCP当然好，但会出现YAGNI(You aren't gonna need it, 你不会需要它)问题。 DRY原则和YAGNI原则并非完全兼容。前者追求"抽象化"，要求找到通用的解决方法；后者追求"快和省"，意味着不要把精力放在抽象化上面，因为很可能"你不会需要它"。怎么平衡呢？有一个Rule of three （三次原则）：第一次用到某个功能时，你写一个特定的解决方法；第二次又用到的时候，你拷贝上一次的代码（违反了DRY）；第三次出现的时候，你才着手"抽象化"，写出通用的解决方法。 设计模式学习先参考一下《深入浅出设计模式》，这本书可读性非常好。
除SOLID原则外还有很多其它的面向对象原则。如：
- "组合替代继承":这是说相对于继承，要更倾向于使用组合；
- "笛米特法则"：这是说"你的类对其它类知道的越少越好"；
- "共同封闭原则"：这是说"相关类应该打包在一起"；
- "稳定抽象原则"：这是说"类越稳定，越应该由抽象类组成";
当然，这些原则并不是孤立存在的，而是紧密联系的，遵循一个原则的同时也就遵循了另外一个或多个原则；反之，违反了其中一个原则也很可能同时就违反了另外一个或多个原则。 设计模式是这些原则在一些特定场景的应用结果。因此，可以把设计模式看作"框架"，把OOD原则看作"规范"。 在学习设计模式的过程中，要经常性的反思，这个设计模式体现了面向对象设计原则中的哪个或哪一些原则。
（四）练习
统计的PSP(Personal Software Process)时间
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步骤 |
耗时(min) |
百分比 |
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需求分析 |
10~15 |
15% |
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设计 |
25~30 |
25% |
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代码实现 |
35~40 |
40% |
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测试 |
5~10 |
5% |
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分析总结 |
10~15 |
15% |
伪代码：
1，设计一个复数类，将复数的实部和虚部分别用变量表示。
2，通过实部和虚部分别相加减实现复数的相加减。
3，按照复数的格式将复数打印出来。
产品代码：
package shiyan2_20135220;
public class ComplexDemo{
double re,im;
//构造函数
ComplexDemo(){
this.re=0;
this.im=0;
}
ComplexDemo(double re,double im){
this.re=re;
this.im=im;
}
//设置实部
public void setRealPart(double re){
this.re = re;
}
//设置虚部
public void setImaginaryPart(double im){
this.im = im;
}
//获取实部
public double getRealPart(){
return this.re;
}
//获取虚部
public double getImaginaryPart(){
return this.im;
}
//实现复数的加减
public void add(ComplexDemo c){
this.re = this.re + c.re;
this.im = this.im + c.im;
}
public void minus(ComplexDemo c){
this.re = this.re - c.re;
this.im = this.im - c.im;
}
//打印复数
public String toString(){
if(this.im!=0)
return "复数的值为："+this.getRealPart()+"+"+this.getImaginaryPart()+"i";
else
return "复数的值为："+this.getRealPart();
}
}
测试代码：
单元测试的好处：
1、经过单元测试的代码，质量能够得到保证。
2、单元测试发现的问题很容易定位。
3、修改代码犯的错，经过单元测试易发现。
4、单元测试可以在早期就发现性能问题。
实验体会：
这次实验花费了较长的时间，内容虽然有些多，但是从这次实验中学到了很多课本上没有的东西，知道了写代码的正确步骤，有三种代码要写。
还认识到了单元测试的重要性，并且自身使用TDD的方式设计关实现复数类Complex，巩固了大致过程，初步掌握单元测试和TDD，也提升了自身
编程完善性。除此之外，还初步掌握了UML建模，熟悉了S.O.L.I.D原则，初步了解了设计模式。