第一章、软件的建设观点与质量目标

多维软件视图

软件构造这门课，我们首先接触的就是多维软件视图：
从时间分为：瞬时（Moment）、周期（Period）
从编码分为：构建（开发）（Build-time）、运行（Run-time）
从代码分为：代码（Code-level）、模块（Component）
这里每个层次关注的点是不一样的
Build-time：

1. Code-level：代码逻辑组织
2. Component-level：代码物理组织
3. Moment：某一时刻的软件形态
4. Period：软件形态随时间变化

Run-time:

1. Code-level：逻辑实体再内存中的呈现
2. Component-level：物理实体在物理硬件环境中的呈现
3. Moment：逻辑/物理实体在内存/硬件环境中特定时刻的形态
4. Period：逻辑/物理实体在内存/硬件环境中的形态随时间变化

软件形态的质量因素

软件质量（外部取决于内部）：

1. 外部：正确性、健壮（鲁棒）性、易扩展性、复用性、兼容性、效率、可移植性、易用性、功能性、时效性
2. 内部因素：LOC、RUCS(可读、可理解、清晰、大小)

软件构造的5个主要目标：

1. 代码容易理解
2. 易用，开发便宜
3. 低复杂度，易扩展
4. 健壮性、正确性
5. 效率

软件测试与测试优先编程

残留缺陷率：每1000行中bug的数目（1~10，0.1 ~ 1，0.01 ~0.1）
测试的主要目的：测试出错误
测试的层面：单元测试、集成测试、系统测试
改完之后再测试：回归测试

测试

$\left\{ \begin{array}{c} 静态测试 ：看代码\\ 动态测试：边运行边看\end{array}\right.$
$\left\{ \begin{array}{c} Test（测试）：发现有没有错误 \\ Debug（调试）：找到错误在哪\end{array}\right.$
$\left\{ \begin{array}{c} 白盒测试：按代码一步一步调试 \\ 黑盒测试：结果正确即可\end{array}\right.$
测试用例：输入+执行条件+期望结果（assertEquals）
测试有限编程：先写spec再写测试再写代码
$\left\{ \begin{array}{c} 白盒测试：尽量所有的路径都走一次\\ 黑盒测试：划分等价类（对称自反传递），重点测边界\end{array}\right.$
覆盖：路径覆盖>分支覆盖>语句覆盖

软件构建的过程与工具

软件生命周期与配置管理

生命周期：SDLC：重点：软件设计→编码→测试
2种基本模型
$\left\{ \begin{array}{c} 线性过程\\ 迭代过程\end{array}\right.$
模型：瀑布模型、增量模型、原型模型、V字模型、螺旋模型
敏捷开发：敏捷=增量+迭代

软件配置管理（SCM）

SCM：追踪和控制软件的变化
软件配置项（SCI）：软件中发生变化的基本单元（多为文件）
基线（baseline）：稳定的版本
配置管理数据库（CMOB）：变化的信息

版本控制管理（VCS）

$\left\{ \begin{array}{c} 本地版本控制系统：仓库在本地 \\ 集中式版本控制系统： 仓库在一个服务器\\ 分布式版本控制系统：服务器和本地都有仓库\end{array}\right.$

Github

Github:$\left\{ \begin{array}{c} 存变化的文件\\ 子节点指向父亲结点，可以有0/1/2个父亲节点\end{array}\right.$

数据类型与类型检查

$\left\{ \begin{array}{c} 静态类型检查：语法错误（类名，函数名，参数的数目/类型，返回值） \\ 动态类型检查：非法参数，非法返回值，null，数组越界\end{array}\right.$
$\left\{ \begin{array}{c} 基本数据类型：int，long，boolean，char，byte，short，float\\ 对象数据类型：String，BigIntegar，基本数据类型的包装(Integer，Boolean……)\end{array}\right.$

重载overload：操作名称一样，输入参数不同
$\left\{ \begin{array}{c} 静态类型语言：编译时检查 \\ 动态类型语言：运行时检查\end{array}\right.$

immutable与mutable

$\left\{ \begin{array}{c} 可变数据类型：StringBuilder，Date，数组 \\ 不可变数据类型：String，基本数据类型与它们的封装\end{array}\right.$
不可变数据类型：

1. 指向的空间所存的数据不可改变
2. 关键字final：指向的地址不再改变
3. 问题：垃圾回收

可变数据结构：
4. 防御使拷贝：return new
迭代器：Iterator
介绍：List，Set，Map
可变→不可变：Collections.unmodifiableList/Set/Map
注：只能看和读，可以改变封装之前的值改变它的值

spec

spec：
$\left\{ \begin{array}{c} 输入输出，数据类型 \\ 功能和正确性\\ 性能\end{array}\right.$
行为等价：基于spec的，再某一soec条件下，效果一样
spec：
$\left\{ \begin{array}{c} 前置条件：percondition（@param） \\ 后置条件：postcondition（@return，@throws）\end{array}\right.$
fail fast
spec强度，强于S₂>S₁同时满足以下条件（其中一个相同）：

1. S₂的前置条件更弱
2. 在S₁的前置条件下，S₂的后置条件更强
   此时S₂可以替代S₁（用户喜欢强的，程序员喜欢弱的，强的图更小）

ADT

$\left\{ \begin{array}{c} 构造器(Creators)：从无到有\\ 生产器(Producers)：根据旧的返回新的\\ 观察器(Observers)：返回参数\\ 变值器(Mutators)：只有mutable才有，唯一可以是void的，更改数据\end{array}\right.$
表示独立性：内部的参数独立
$\left\{ \begin{array}{c} spec：注释，类名 \\ Representation：具体的存储数据，成员变量 \\ Implementation：方法实现体\end{array}\right.$
不变量(Invariants)：任何时刻变量都要符合的要求
表示泄露→用private，final
接口(interface)：只定义方法与spec

RI与AF

AF(Abstraction Function)：映射：R(表示空间)→A(抽象空间)

1. 满射
2. 不一定单射
3. R中的非法值没有映射

RI：映射：R→boolean（R中的表示是否合法）
Rep invartiant：条件
注释：RI+AF+Safety from rep exposure

OOP

接口与类

一个接口可以有多个实现类，一个类可以实现多个接口
静态工厂方法：default方法：在接口中写实现体
接口中不能声明实现体：ArrayList × —— List √
$\left\{ \begin{array}{c} 扩展：接口 extends 接口 \\ 实现：类 implements 接口 \\ 继承：子类 extends 父类\end{array}\right.$
父类中没有用final修饰的可以重写：@overide；复用：super()
抽象类(abstract class)：至少一种方法是抽象的，没有被实现的

多态

$\left\{ \begin{array}{c} 重载(overload)：同一个函数名，参数一定不同，返回值可以不同 \\ 泛型：public class<E>；也可以用<?>： List<? extends 接口>\\ 子类型多态：继承树，处理顶层即可\end{array}\right.$
Object：equals，hashCode，toString

等价性

等价性：是基于AF的，要求的方法返回值相同
$\left\{ \begin{array}{c} 引用等价性(==)：对基本类型 (对对象类型比较的是ID)\\ 对象等价性(equals)：对对象类型\end{array}\right.$
$\left\{ \begin{array}{c} equals()：比较等价性，不能对数据修改，与null比较返回null，与hashCode()成对出现\\ hashCode()：查询的时候用，相同的hashCode一样即可，不一样的也可以相同\end{array}\right.$
equals()=true → hashCode()相同，反之则不行
$\left\{ \begin{array}{c} 观察等价性：observer的值相同\\ 行为等价性：observer+muator都一样\end{array}\right.$
$\left\{ \begin{array}{c} 观察等价性：observer的值相同\\ 行为等价性：observer+muator都一样\end{array}\right.$
$\left\{ \begin{array}{c} immutable：一定要重写equals+hashCode\\ mutable：不是必须的\end{array}\right.$

复用度的度量、形态与外部表现

$\left\{ \begin{array}{c} Programming For Reuse：面向复用的编程 \\ Programming With Reuse：基于复用的编程\end{array}\right.$
复用：
$\left\{ \begin{array}{c} 源代码级别：方法、语句\\ 模块级别：类、接口 \\ 库级别：API(用来调用) \\ 构架级别：框架(自己填写内容)\end{array}\right.$

$\left\{ \begin{array}{c} 白盒复用：直到复用的东西的实现 \\ 黑盒复用：不知道复用的东西的内部实现(尽量用黑盒)\end{array}\right.$
$\left\{ \begin{array}{c} 白盒框架：通过继承扩展 \\ 黑盒框架：通过委派扩展\end{array}\right.$
模块复用：
$\left\{ \begin{array}{c} 继承(inheritance) \\ 委派(delegation)\end{array}\right.$

面向复用的软件构造技术

LSP原则

LSP原则：子类型多态：用父类是可以用子类无条件的替换
为了实现LSP，我们要做到：

1. 子类型的方法只增不减
2. 子类型实现了抽象的父类中没有实现的方法
3. 重写的方法，参数与返回值与父类的相同，不能抛出更多的异常
4. 子类的spec：RI更强，前置条件pre相同或更弱，后置条件post相同或更强
   
   $\left\{ \begin{array}{c} 子类型参数：逆变(JAVA会当作重载) \\ 子类型返回值/异常：协变\end{array}\right.$
   $\left\{ \begin{array}{c} 逆变：具体→抽象 \\ 协变：抽象→具体\end{array}\right.$
   注：
5. 泛型不能改变：类型擦除→用通配符解决<? extends 父类/接口>/<? super 子类>
6. 数组可以：但敲定后就不可变了
   

委派(Comparator)

用另一个对象
继承与委派：
$\left\{ \begin{array}{c} 继承(inheritance)：要大部分的功能，类(class)层面的 \\ 委派(delegation)：要小部分的功能，对象(object)层面的\end{array}\right.$

CRP原则：一个包中的所有类应该是共同重用的。如果重用了包中的一个类，那么就要重用包中的所有类。
$\left\{ \begin{array}{c} Dependency：临时性的委派，在用的时候以参数方式传入，依赖关系\\ Association：永久性的委派，rep里保存，关联关系(在创建的时候传入)\\ Composition：更强的Association，在创建时自动生成\\ Aggregation：更弱的Association，在创建时传入，可以通过函数更改\end{array}\right.$

框架(Framework)的复用

框架的复用：浏览器→写插件
$\left\{ \begin{array}{c} 白盒框架：通过继承来扩展 \\ 黑盒框架：通过委派来扩展\end{array}\right.$

面向复用的设计模式

1. Adapter(适配器模式)：当新的客户端的输入或输出要求与老的方法不一致时，新建一个适配器，改变参数的样式，再委派给老的方法
2. Decorator(装饰器模式)：将某些功能通过委派的方式委派给同一个接口下的其他实现类 注：最后一行代码一共有4个Stack
3. Facade(外观模式)：当执行有固定逻辑顺序的几个方法是，通过外观模式一次性按固定的逻辑顺序调用这些方法(也可以一次性调用不同的ADT的方法)
4. Strategy(策略模式)：通过委派传入不同的ADT来以不同的实现方法完成目的
5. Template method(模板模式)：继承与重写→白盒框架
   父类 a = new 子类()
6. Iterator(迭代器模式)：JAVA已写好

可维护性的度量与构造原则

维护：纠错性、适应性、完善性、预防性
目标：easy to change(Maintainability可维护性、Extensibility可扩展性、Flexibility灵活性、Adaptability可适应性、Manageability可管理性、Supportability支持性)
OO设计原则：SOLID、GRASP
OO设计模式：
$\left\{ \begin{array}{c} FactoryMethod Pattern, Builder Pattern \\ Bridge Pattern, Proxy Pattern\\ Memento Pattern, State Pattern \end{array}\right.$
高内聚低耦合
信息隐藏，分离关注点

可维护性指数

SOILD原则

$\left\{ \begin{array}{c} SRP原则(单一责任原则)： 一个方法只实现一个功能，不是多于一个1个的原因改代码\\ OCP原则(开放-封闭原则)： 模块可扩展，在比改变内部的情况下扩展\\ LSP原则(Liskov替换原则)：子类型可以无条件的替换父类型\\ DIP原则(依赖转置原则)：一个类依赖于抽象类而不是具体的类\\ ISP原则(接口聚合原则)： 将大的接口拆分成小的接口(类从实现一个变成实现多个)\end{array}\right.$

面型维护的设计模式

$\left\{ \begin{array}{c} 工厂方法：客户端尽量用接口，建一个专门用来构造的类→静态工厂方法 \\ 抽象工厂方法： 要一组有固定搭配的对象→多个工厂方法\\ 代理模式(Proxy)：隔离ADT与client\\ 观察者模式(Observer)：一个对多个，双方互相委派，永久委派\\ 访问者模式(Visitor)：双方委派，临时委派\end{array}\right.$

Observer与Visitor

1.Observer：
2.Visitor：
Visitor与Strategy的区别：

设计模式对比：

1.一颗继承树：
1.1适配器(Adaptor)：
1.2代理模式(Proxy)：
1.3模板模式(Template)：
2.两颗继承树的设计模式：
2.1策略模式(Strategy)：
2.2遍历器模式(Iterator)：
2.3工厂方法：
2.4抽象工厂方法：
2.5观察者模式(Observer)：
2.6访问者模式(Visitor)：

面向可维护的构造技术

$\left\{ \begin{array}{c} 基于自动机编程 \\ 基于状态的编程：一个状态一个子类，FSM\\ 备忘录模式：Ctrl+Z\end{array}\right.$
语法：正则表达式
语法成分语法继承树)：终止(叶)+非终止(非叶)
$\left\{ \begin{array}{c} 终止：没有“=”再解释 \\ 非终止：还有“=”再解释\\ 递归：“=”左右两端都有\end{array}\right.$
html：_ 斜体 _ ; 斜体 :# 健壮性与正确性
健壮性：
$\left\{ \begin{array}{c} 处理未期望的行为/错误 \\ 终止执行也要返回错误信息 \\ 信息要有助于debug\end{array}\right.$
我们要注意：封闭细节+极端情况
$\left\{ \begin{array}{c} 健壮性：容忍错误，使用户容易 \\ 正确性：不满足前置条件的就可以做任何处理，使开发者容易\end{array}\right.$
健壮性+正确性=可靠性
我们的接口要做到：
$\left\{ \begin{array}{c} 对外：注重健壮性 \\ 对内：注重正确性\end{array}\right.$
术语：
$\left\{ \begin{array}{c} error：程序员犯的错误\\ defect：缺陷，bug的根源 \\ fault：defect ≈ fault，bug \\ fauilure：失效，运行时的外在表现\end{array}\right.$
error导致→defect/fault/bug导致→failure
test：对合法和非法的都要测试
Code→Test→Debug

健壮性：错误与异常处理

Throwable：
$\left\{ \begin{array}{c} Error：我们无能为力，由于输入/设备/物理因素导致的 \\ Expection：可处理，用try-catch向上传\end{array}\right.$

Error

Expection：

$\left\{ \begin{array}{c} Runtime Expection：不能有的→代码不当导致的，验证后一定可以避免的 \\ 其他：是我们要进行处理的→健壮性编程面向的对象，验证也不一定能避免\end{array}\right.$
$\left\{ \begin{array}{c} Runtime Expection：不能有的→代码不当导致的，验证后一定可以避免的 \\ 其他：是我们要进行处理的→健壮性编程面向的对象，验证也不一定能避免\end{array}\right.$

check与uncheck

$\left\{ \begin{array}{c} uncheck：error+RuntimeExpection 不能恢复\\ check：其他的异常，由编译器(静态)检查得出，能恢复\end{array}\right.$

关键字

$\left\{ \begin{array}{c} try \\ catch \\ finally\\ throw：扔出checked异常，不建议扔出unchecked(语法上允许)\\ throws：自己的+下面传上来的\end{array}\right.$

TWR：try（Resource res = ……）{……}
throwable：栈结构

正确性：断言与防御式编程

目标：fail fast

断言

assert （期望的结果）: “提示信息”;
AssertError→直接结束
判断的内容：RI(表示不变量)、内部不变量、控制流不变量、方法的pre、方法的post
不用assert外部的不受控制的
开发阶段使用，运行时注释掉→影响性能和健壮性
assert的开关：
$\left\{ \begin{array}{c} 开：-ea \\ 关：-da\end{array}\right.$
$\left\{ \begin{array}{c} assert：针对正确性，不可以发生的情况 \\ exception：针对健壮性，可以发生的不正常情况\end{array}\right.$

防御式编程

对于非法输入：garbage in, garbage out

代码调试(debugging)

Debug的方式

$\left\{ \begin{array}{c} 边写边debug \\ 写完再debug\end{array}\right.$

诊断

$\left\{ \begin{array}{c} Instrumentation：System.out.print，logging \\ Divide and Conquer：一块一块运行 \\ Slicing：缩小查找的范围，找和错误相关的代码，倒退\\ Focus on difference：找每次提交的差异\\ Symbolic Debugging：用于学术上，输入符号值→符号表达式\\ Debugger\\ Learn From Other\end{array}\right.$

工具

logging

并发

2种并行模式：
$\left\{ \begin{array}{c} 共享内存\\ 消息传递\end{array}\right.$
$\left\{ \begin{array}{c} 进程(Process)：私有空间，彼此隔离\\ 线程(Thread)：程序内部的控制机制\end{array}\right.$

进程

• 拥有计算机的所有资源
• 多进程间不共享内存→用消息传递
• 进程=程序=应用
• 一个应用可以有多个进程
• OS支持进程间通信：不仅限于本机，也可以是不同机器间
• JAVA虚拟机(JVM)通常为单一进程(也可以是多个：ProcessBuilder)

线程

• 进程内的小程序
• 进程=虚拟机，线程=虚拟CPU
• 一个线程可分出多个
  
• 共享进程资源：内存
• 难以获得现成的私有内存，但线程有自己的堆栈
• 线程的协调需要代价
• 每个应用至少一个线程(主线程，自动创建的)
• 主线程可以创建其他的线程：接口，Runnable
  
  学过的-able：
  $\left\{ \begin{array}{c} Comparable/Comparator \\ Iterable/Iterator \\ Observable/Obesrver\\ Throwable\\ Runnable\end{array}\right.$
  
  Thread应该start而非run，不能start→Runnable

交错竞争

• 一个核的每一时刻只能执行一个线程
• 时间分片→多进程/多线程共享处理：OS自动调度
• 一般，多核的线程/进程数也多于核数
• 时间交错
• 外围的发布访问慢
• Thread.sleep()：自己暂停
• Thread.interrupt()：其他线程请求(不一定答应，sleep时才会答应)
• Thread.isinterrupt()：检测是否暂停
• Thread.yield()：自己放弃占用
• Thread.join()

线程安全

线程安全：ADT/方法在多线程中执行正确

4种线程安全的方法

$\left\{ \begin{array}{c} 限制数据共享(Confinement)：不共享数据 \\ 共享不可变数据(Immutability)：共享只读的数据 \\ 共享线程安全的数据(ThreadsafeDataType)\\ 同步机制(synchronization)\end{array}\right.$
说明

• List,Set,Map都是线程不安全的→解决方法：
  Collection.unmodifiable；
  Collection.synchronizedList/Set/Map(new ArraryList/HashSet/HashMap())
• 对于线程安全的数据的2种不安全
  $\left\{ \begin{array}{c} 迭代器遍历：iterator()；for(Object x:xList)\\ 多个操作放在一起(线程安全数据只针对一行代码)\end{array}\right.$
• 编写注释：Thread safety agrument：
• 同步机制：
  lock：List c = Collection.synchronizedList();
  synchronized(Object lock){操作}→只锁{}内的
  相同的锁对应相同的钥匙
  应该互斥
  可以用自己来加锁：synchronized(this)→Monitor模式
  对于函数：public synchronized void ……(Creater不用)(尽量少用，影响性能)
  $\left\{ \begin{array}{c} 共享的mutable)→用锁\\ 多个mutable→要用同一个锁\end{array}\right.$

死锁

2个地方都有的2把锁，顺序不同，一人拿了一个钥匙
解决方法：

• 大家lock的顺序一致
• 用额外的锁同一锁在最外层