需求分析面向对象方法.docx
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需求分析面向对象方法
2.2 需求分析
需求分析是通过开发人员的分析概括，抽象为完整的需求定义，再形成一系列文档的过程。
2.2.1 需求分析的目的与意义
需求分析是一个非常重要的过程，它完成的好坏直接影响后续软件开发的质量。
有效的需求分析通常都具有一定的难度。
需求分析不仅仅是属于软件开发生命周期早期的一项工作，而且还应该贯穿于整个生命周期中，它应该随着项目的深入而不断地变化。
此外，为了方便后续的评审和测试等工作，需求的描述应该尽量做到：
具体、详细、可以测量和可以实现，并且基于时间。
2.2.2 需求分析的步骤
遵循科学的需求分析步骤可以使需求分析工作更高效。
需求分析的一般步骤如图2-3所示。
图2-3 需求分析的步骤
需求涉及的方面：
在功能方面，需求包括系统要做什么，相对于原系统目标系统需要进行哪些修改，目标用户有哪些，以及不同用户需要通过系统完成何种操作等。
在性能方面，需求包括用户对于系统执行速度、响应时间、吞吐量和并发度等指标的要求。
在运行环境方面，需求包括目标系统对于网络设置、硬件设备、温度和湿度等周围环境的要求，以及对操作系统、数据库和浏览器等软件配置的要求。
在界面方面，需求涉及数据的输入/输出格式的限制及方式、数据的存储介质和显示器的分辨率要求等问题。
1.获取需求，识别问题
开发人员从功能、性能、界面和运行环境等多个方面识别目标系统要解决哪些问题，要满足哪些限制条件，这个过程就是对需求的获取。
开发人员通过调查研究，要理解当前系统的工作模型和用户对新系统的设想与要求。
遗漏需求是最难修订的需求错误。
获取需求是需求分析的基础。
为了能有效地获取需求，开发人员应该采取科学的需求获取方法。
在实践中，获取需求的方法有很多种，比如，问卷调查、访谈、实地操作、建立原型和研究资料等。
问卷调查法是采用调查问卷的形式来进行需求分析的一种方法。
通过对用户填写的调查问卷进行汇总、统计和分析，开发人员便可以得到一些有用的信息。
采用这种方法时，调查问卷的设计很重要。
一般在设计调查问卷时，要合理地控制开放式问题和封闭式问题的比例。
开放式问题的回答不受限制，自由灵活，能够激发用户的思维，使他们能尽可能地阐述自己的真实想法。
但是，对开放式问题进行汇总和分析的工作会比较复杂。
封闭式问题的答案是预先设定的，用户从若干答案中进行选择。
封闭式问题便于对问卷信息进行归纳与整理，但是会限制用户的思维。
访谈通过开发人员与特定的用户代表进行座谈，进而了解到用户的意见，是最直接的需求获取方法。
为了使访谈有效，在进行访谈之前，开发人员要首先确定访谈的目的，进而准备一个问题列表，预先准备好希望通过访谈解决的问题。
在访谈的过程中，开发人员要注意态度诚恳，并保持虚心求教的姿态，同时还要对重点问题进行深入的讨论。
由于被访谈的用户身份可能多种多样，开发人员要根据用户的身份特点，进行提问，给予启发。
当然，进行详细的记录也是访谈过程中必不可少的工作。
访谈完成后，开发人员要对访谈的收获进行总结，澄清已解决的和有待进一步解决的问题。
关注用户的行为而不是他们的言语。
为了深入地了解用户需求，有时候开发人员还会以用户的身份直接参与到现有系统的使用过程中，在亲身实践的基础上，更直接地体会现有系统的弊端以及新系统应该解决的问题，这种需求获取方法就是实地操作。
通过实地操作得到的信息会更加准确和真实，但是这种方法会比较费时间。
当用户本身对需求的了解不太清晰的时候，开发人员通常采用建立原型系统的方法对用户需求进行挖掘。
原型系统就是目标系统的一个可操作的模型。
在初步获取需求后，开发人员会快速地开发一个原型系统。
通过对原型系统进行模拟操作，开发人员能及时获得用户的意见，从而对需求进行明确。
利用原型系统获取需求的方法的示意图如图2-4所示。
（点击查看大图）图2-4 利用原型系统获取需求
2.分析需求，建立目标系统的逻辑模型
在获得需求后，开发人员应该对问题进行分析抽象，并在此基础上从高层建立目标系统的逻辑模型。
模型是对事物高层次的抽象，通常由一组符号和组织这些符号的规则组成。
常用的模型图有数据流图、E-R图、用例图和状态转换图等，不同的模型从不同的角度或不同的侧重点描述目标系统。
绘制模型图的过程，既是开发人员进行逻辑思考的过程，也是开发人员更进一步认识目标系统的过程。
3.将需求文档化
获得需求后要将其描述出来，即将需求文档化。
对于大型的软件系统，需求阶段一般会输出三个文档：
系统定义文档（用户需求报告）；
系统需求文档（系统需求规格说明书）；
软件需求文档（软件需求规格说明书）。
对于简单的软件系统而言，需求阶段只需要输出软件需求文档（即软件需求规格说明书）就可以了。
软件需求规格说明书主要描述软件的需求，从开发人员的角度对目标系统的业务模型、功能模型和数据模型等内容进行描述。
作为后续的软件设计和测试的重要依据，需求阶段的输出文档应该具有清晰性、无二义性和准确性，并且能够全面和确切地描述用户需求。
4.需求验证
需求验证是对需求分析的成果进行评估和验证的过程。
为了确保需求分析的正确性、一致性、完整性和有效性，提高软件开发的效率，为后续的软件开发做好准备，需求验证的工作非常必要。
在需求验证的过程中，可以对需求阶段的输出文档进行多种检查，比如，一致性检查、完整性检查和有效性检查等。
同时，需求评审也是在这个阶段进行的。
2.3 面向对象的软件工程方法
2.3.1 面向对象的基本概念
近年来，为了克服传统软件工程方法存在的复用性和可维护性差以及难以满足用户需要等缺点，面向对象的思想越来越受到人们的欢迎和重视。
面向对象的思想提倡运用人类的思维方式，从现实世界中存在的事物出发来构造软件。
它建立在"对象"概念的基础上，以对象为中心，以类和继承为构造机制，来设计和构造相应的软件系统。
面向对象的基本思想最先体现在面向对象程序设计语言中，然后才逐渐形成了面向对象的分析和设计方法。
20世纪60年代开发的Simula67语言首次提出了对象的概念，它是第一个面向对象程序设计语言。
Ada语言是在20世纪70年代出现的又一种支持数据抽象的基于对象概念的程序设计语言。
最具有代表性和影响力的面向对象程序设计语言是由美国Xerox（施乐）公司PaloAlto研究中心的AlanKay开发的Smalltalk语言。
Smalltalk全面实现了面向对象技术的机制，丰富了面向对象的概念，它的发布引起了人们对面向对象概念的广泛关注。
随后产生了多种面向对象程序设计语言，如C++和Java等，同时，面向对象的分析和设计方法也被广泛应用于软件开发中。
比较具有代表性的基于面向对象思想的软件开发方法有GradyBooch提出的面向对象的分析与设计方法论、JimRumbaugh提出的面向对象的建模技术和ZvarJacobson提出的面向对象的软件工程方法学等。
AlanKay
2003年，AlanKay因在面向对象程序设计上的杰出贡献，成为图灵奖的得主。
AlanKay于1970年加入Xerox（施乐）公司的PaloAlto研究中心。
20世纪70年代初期，AlanKay等人开发了最具代表性和影响力的面向对象语言Smalltalk，因此，被誉为"Smalltalk之父"。
AlanKay不但是面向对象编程语言Smalltalk的发明人之一，也是面向对象编程思想的创始人之一。
他是笔记本电脑最早的构想者，同时也是现代WindowsGUI的架构师。
AlanKey可谓是计算机领域的大师。
相对于传统的软件工程思想而言，面向对象的思想更符合人类的思维逻辑，它淡化了计算机的观点，以现实世界中的模型作为构造软件系统的依据。
面向对象的基本概念包括对象、类、封装、继承和多态，下面一一介绍。
1.对象
对象可以是客观世界中存在的事物，也可以是概念化的实体，它由一组属性和操作组成。
属性是用来描述对象静态特征的数据项，是对客观世界实体所具有性质的抽象。
操作是用来描述对象动态特征。
比如，把人当成一个对象，那么他的属性就有身高、体重、姓名和年龄等静态特征，他的操作就包括工作、学习、吃饭和运动等；把汽车当成一个对象，那么它的属性就有品牌、颜色、价格和寿命等，它的操作就包括加速、减速和刹车等。
理解对象的概念时，需要注意以下几点。
对象的数据是封装起来的，对数据的处理需要通过特定的操作。
对象之间通过传递消息进行通信，不同的对象独立地处理自身的数据。
对象具有主动性。
要处理对象的内部数据时，外界需要通过接口向对象发送消息，请求它执行特定的操作。
2.类
类是对对象的抽象，是对具有相同属性和相同操作的一组相似对象的定义。
通常情况下，很多对象都有相似的特征。
比如，对于两个教师，他们虽然可能身高、体重、性别、年龄和籍贯等特征不同，但是职业却是相同的；对于两把椅子，它们可能颜色、形状、价格和位置等特征不同，但是作用却是相同的。
在这种情况下，我们就可以忽略事物的非本质特征，只注意那些与当前目标相关的本质特征，从中找出事物的共性，把本质特征相同的事物划分为一类，即将多个对象抽象为类。
对于同类对象，它们具有相同的属性和操作，但是每个对象的属性值可能不同，执行操作的结果也可能不同。
比如，在教务管理系统中，可以定义"学生"类，并定义编号、姓名和院系等属性，及登录该系统进行操作。
每位学生都有自己特定的编号、姓名和院系等属性值，并且执行登录操作后，都会进入个性化的主页。
谈到类的概念，就必须知道什么是类的实例。
实例是由某个特定的类描述的一个具体的对象。
比如，对于"教师"类，某位教师"王一"就是类的一个实例；对于"学生"类，某位学生"李二"就是该类的一个实例。
3.封装
封装是指把对象的属性和操作结合在一起，组成一个独立的单元。
封装强调两个概念，即独立和封闭。
独立是指对象是一个不可分割的整体，它集成了事物全部的属性和操作，并且它的存在不依赖于外部事物。
封闭是指与外部的事物通信时，对象要尽量地隐藏其内部的实现细节，它的内部信息对外界来说是隐蔽的，外界不能直接访问对象的内部信息，而只能通过有限的接口与对象发生联系。
可以说，类是数据封装的工具，而对象是封装的实现。
类的成员又分为公有成员、私有成员和保护成员，它们分别有不同的访问控制机制。
封装是软件模块化思想的重要体现。
4.继承
继承表示类之间的层次关系，它使得某类对象可以自动拥有另外一个或多个对象的全部属性和操作。
比如，某系统已经定义了一个学生类，现在还需要定义一个研究生类。
由于研究生也属于学生的一种，它具有学生所有的一切属性和操作，这时就可以采用继承的方法，使研究生类直接获得学生类的一切属性和操作。
在这个系统中，研究生类就叫做子类或派生类，学生类就叫做父类或基类。
子类可以把父类定义的内容自动作为自己的部分内容，同时再加入新的内容。
继承可以分为单重继承和多重继承。
单重继承是指一个子类只有一个父类。
多重继承是指一个子类可以同时继承多个父类。
单重继承构成的类之间的关系是树状结构，多重继承构成的类之间的关系是网状结构。
继承简化了定义一个新类的过程，有利于人们对事物的认识和描述，达到了软件复用的目的。
5.多态
多态是一种使父类中定义的属性或操作被子类继承后，可以有不同的实现的机制。
换句话说，多态允许属于不同类的对象对同一消息做出不同的响应。
当一个对象接收到进行某项操作的消息时，多态机制将根据对象所属的类，动态地选用该类中定义的操作。
比如，先定义一个父类"几何图形"，它具有"计算面积"的操作，然后再定义一些子类，如"三角形"、"长方形"和"圆形"，它们可继承父类"几何图形"的各种属性和操作，并且在各自的定义中要重新描述"计算面积"的操作。
这样，当有计算几何图形面积的消息发出时，对象会根据类的类型做出不同的响应，采用不同的面积计算公式。
多态这种机制极大地减少了软件设计中的冗余信息，提高了软件的可复用性和可扩展性。
2.3.2 面向对象的软件工程方法的特征与优势
自软件工程问世以来，出现了很多种软件工程的方法学。
方法、工具和过程是软件工程方法学的三个重要因素。
方法是指为了完成软件开发的各项任务所采用的技术方法。
工具是为方法的实行提供的自动或半自动的支持。
过程是指为了获得高质量的软件产品所需要完成的一系列任务的框架。
在软件工程领域，"方法学"是被广泛使用的一个词汇。
在20世纪70年代，"方法学"一词用于表示"开发软件产品的方式"，而该词实际上是指"方法的科学"。
"方法学"应用于整个软件工程的过程。
1.流行的软件工程方法
目前比较流行的软件工程方法包括面向过程的软件工程方法、面向数据的软件工程方法、面向对象的软件工程方法和形式化的软件工程方法。
（1）面向过程的软件工程方法基于"自顶向下，逐步求精"的原则来完成软件开发各阶段的任务。
程序的执行过程主要由顺序、选择和循环等控制结构来控制。
（2）面向数据的软件工程方法中的数据是指元数据。
元数据并不表示某一记录的具体信息，而是用来将一些基础数据组织起来，即元数据是组织数据的数据。
比如，信息系统中实体名及姓名的集合，或者数据库中物理表的表名及字段名的集合。
这种方法与关系数据库联系紧密，特别适合信息系统中数据层的设计与实现。
（3）面向对象的软件工程方法是当前最流行的软件工程方法，它主要有以下几个方面的特征。
把数据和操作封装在一起，形成对象。
对象是构成软件系统的基本构件。
把特征相似的对象抽象为类。
类之间可以存在继承或被继承的关系，形成软件系统的层次结构。
对象之间通过发送消息进行通信。
将对象的私有信息封装起来。
外界不能直接访问对象的内部信息，而必须是发送相应的消息后，通过有限的接口来访问。
（4）形式化的软件工程方法基于严格的数学逻辑，多应用于对安全性和可靠性要求较高的特殊领域。
2.面向对象的软件工程方法的优点
（1）符合人类的思维习惯。
通常人类在认识客观世界的事物时，不仅会考虑到事物会有哪些属性，还会考虑到事物能完成哪些操作，也就是说静态的属性及动态的动作特征都是组成事物的一部分，它们组合起来才能完整地表达一个事物。
而面向对象的软件工程方法最重要的特点就是把事物的属性和操作组成一个整体，以对象为核心，更符合人类的思维习惯。
此外，面向对象的软件工程方法更加注重人类在认识客观世界时循序渐进，逐步深化的特点。
用面向对象的软件工程方法进行软件开发的过程，是一个主动的多次反复迭代的过程，而不是把整个过程划分为几个严格的顺序阶段。
（2）稳定性好。
传统的软件工程方法基于功能分析和功能分解。
当软件功能发生变化时，很容易引起软件结构的改变。
而面向对象的软件工程方法则是基于对象的概念，用对象来表示与待解决的问题相关的实体，以对象之间的联系来表示实体之间的关系。
当目标系统的需求发生变化时，只要实体及实体之间的联系不发生变化，就不会引起软件系统结构的变化，而只需要对部分对象进行局部修改（如从现有的类中派生出新的子类）就可以实现系统功能的扩充。
因此，基于对象的软件系统稳定性比较好。
（3）可复用性好。
面向对象技术采用了继承和多态的机制，极大地提高了代码的可复用性。
从父类派生出子类，一方面复用了父类中定义的数据结构和代码，另一方面提高了代码的可扩展性。
复用是指使用一个产品的组件来简化另一个功能不同的产品的开发。
--StephenR.Schach
（4）可维护性好。
由于利用面向对象软件工程方法开发的软件系统稳定性好和可复用性好，而且采用了封装和信息隐藏机制，易于对局部软件进行调整，所以系统的可维护性比较好。
基于以上这些优点，面向对象的软件工程方法越来越受到人们的青睐。
2.4 面向对象需求分析方法
面向对象的需求分析基于面向对象的思想，以用例模型为基础。
开发人员在获取需求的基础上，建立目标系统的用例模型。
所谓用例是指系统中的一个功能单元，可以描述为操作者与系统之间的一次交互。
用例常被用来收集用户的需求。
首先要找到系统的使用者，即用例的操作者。
操作者是在系统之外，透过系统边界与系统进行有意义交互的任何事物。
"在系统之外"是指操作者本身并不是系统的组成部分，而是与系统进行交互的外界事物。
这种交互应该是"有意义"的交互，即操作者向系统发出请求后，系统要给出相应的回应。
而且，操作者并不限于人，也可以是时间、温度和其他系统等。
比如，目标系统需要每隔一段时间就进行一次系统更新，那么时间就是操作者。
可以把操作者执行的每一个系统功能都看作一个用例。
可以说，用例描述了系统的功能，涉及系统为了实现一个功能目标而关联的操作者、对象和行为。
识别用例时，要注意用例是由系统执行的，并且用例的结果是操作者可以观测到的。
用例是站在用户的角度对系统进行的描述，所以描述用例要尽量使用业务语言而不是技术语言。
关于用例模型的详细创建方法，本书的实践部分会进行介绍。
图2-13所示为某图书馆信息管理系统的用例图。
（点击查看大图）图2-13 图书馆信息管理系统的用例图
确定了系统的所有用例之后，就可以开始识别目标系统中的对象和类了。
把具有相似属性和操作的对象定义为一个类。
属性定义对象的静态特征，一个对象往往包含很多属性。
比如，读者的属性可能有姓名、年龄、年级、性别、学号、身份证号、籍贯、民族和血型等。
目标系统不可能关注对象的所有属性，而只是考虑与业务相关的属性。
比如，在"图书馆信息管理"系统中，可能就不会考虑读者的民族和血型等属性。
操作定义了对象的行为，并以某种方式修改对象的属性值。
目标系统的类可以划分为边界类、控制类和实体类，如图2-14所示。
图2-14 边界类、控制类和实体类的图符
边界类代表了系统及其操作者的边界，描述操作者与系统之间的交互。
它更加关注系统的职责，而不是实现职责的具体细节。
通常，界面控制类、系统和设备接口类都属于边界类。
控制类代表了系统的逻辑控制，描述一个用例所具有的事件流的控制行为，实现对用例行为的封装。
通常，可以为每个用例定义一个控制类。
实体类描述了系统中必须存储的信息及相关的行为，通常对应于现实世界中的事物。
确定了系统的类和对象之后，就可以分析类之间的关系了。
对象或类之间的关系有依赖、关联、聚合、组合、泛化和实现。
依赖关系是"非结构化"的和短暂的关系，表明某个对象会影响另外一个对象的行为或服务。
关联关系是"结构化"的关系，描述对象之间的连接。
聚合关系和组合关系是特殊的关联关系，它们强调整体和部分之间的从属性，组合是聚合的一种形式，组合关系对应的整体和部分具有很强的归属关系和一致的生存期。
比如，计算机和显示器就属于聚合关系。
泛化关系与类间的继承类似。
实现关系是针对类与接口的关系。
明确了对象、类和类之间的层次关系之后，需要进一步识别出对象之间的动态交互行为，即系统响应外部事件或操作的工作过程。
一般采用顺序图将用例和分析的对象联系在一起，描述用例的行为是如何在对象之间分布的。
最后，需要将需求分析的结果用多种模型图表示出来，并对其进行评审。
由于分析的过程是一个循序渐进的过程，合理的分析模型需要多次迭代才能得到。
面向对象需求分析的示意图如图2-15所示。
（点击查看大图）图2-15 面向对象的需求分析
2.5 UML简介
UML（UnifiedModelingLanguage），即统一建模语言，是一种标准的图形化建模语言。
它主要用于软件的分析与设计，用定义完善的符号来图形化地展现一个软件系统。
UML的使用可以贯穿于软件开发周期的每一个阶段，适用于数据建模、业务建模、对象建模和组件建模。
作为一种建模语言，UML并不涉及编程的问题，即与语言平台无关，这就使开发人员可以专注于建立软件系统的模型和结构。
UML作为一种语言，可以像其他语言一样，用来编写小说、百科全书、诗歌、祷告、新闻报道，甚至是软件工程的教科书。
语言是表达思想的一种工具，而不应该约束语言所能表达的思想类型或者表达的方式。
--StephenR.Schach
UML是由GradyBooch、JimRumbaugh和IvarJacobson三位专家共同开发的。
1996年6月和10月分别发布的UML0.9版本和UML0.91版本当时就获得了工业界、科技界和用户的广泛支持。
1996年底，UML已经占领了面向对象技术市场85%的份额，成为事实上的可视化建模语言的工业标准。
1997年11月，OMG（国际对象管理组织）把UML1.1作为基于面向对象技术的标准建模语言。
目前，UML已经推出了2.0版本，其巨大的市场潜力和经济价值正逐渐得到人们广泛的认可。
UML2.0版本由4个部分组成。
基础机构；
上层结构；
对象约束语言；
图交换标准。
基础结构和上层结构构成了UML2.0提案需求的主体部分。
基础结构的设计目标是定义一个元语言的核心库，通过对此核心的复用，可以定义各种元模型。
上层结构的设计目标是复用基础结构中的制品，提高对基于构件开发和模型驱动体系结构的支持，同时优化架构的规约能力。
UML2.0支持13种图，其中有6种结构图和7种行为图。
结构图也称为静态模型图，主要用来表示系统的结构，它包括类图、组织结构图、组件图、部署图、对象图和包图。
行为图也称为动态模型图，主要用来表示系统的行为，它包括活动图、交互图、用例图和状态机图。
其中交互图是顺序图、通信图、交互概况图和时序图的统称。
UML2.0的13种图如图2-16所示。
（点击查看大图）图2-16 UML2.0中的13种图
结构图中比较常用的有类图和对象图。
类图主要用来表示类、接口、协作以及它们之间的关系。
对象图主要表示对象的特征以及对象之间的关系。
行为图中比较常用的有用例图、顺序图、状态机图和活动图。
用例图用来描述一组用例、用例的操作者以及它们之间的关系。
顺序图用来显示若干对象间的动态协作关系，强调对象之间发送消息的先后顺序，描述对象之间的交互过程。
状态机图用来描述类的对象的所有可能的状态，以及引起状态转换的事件。
活动图用来重点描述事物执行的控制流或数据流，是一种描述交互的方法。
UML使问题表述标准化，有效促进了软件开发团队内部各种角色人员的交流，提高了软件开发的效率。
UML软件工程组织官方网站为http:
//www.uml.org/。
2.6 利用Rose创建网上书店系统的用例模型
（1）
数据流图是一种结构化需求分析工具，而用例模型多用在面向对象需求分析方法中。
用例图是UML中的一种动态图，用于定义系统的行为，并展示操作者与用例之间的相互作用。
本节将具体介绍如何用Rose来创建网上书店系统的用例模型。
创建用例模型时首先要确定用例的操作者，即系统的使用者。
比如，在某高校的"教务管理系统"中，学生、教师和教务工作人员都可能成为用例的操作者。
在识别和判断操作者时要注意以下两点。
（1）操作者处于系统之外，即操作者本身并不是系统的组成部分，而是与系统进行交互的外界事物。
（2）操作者与系统之间要进行有意义的交互。
也就是说，操作者向系统发出请求后，系统要给出相应的回应。
识别出操作者后，可以把操作者所执行的一系列系统功能归结为一个个用例。
识别用例时还要注意，用例是站在用户的角度对系统进行的描述，要尽量使用业务语言。
此外，每个用例应该针对一个可测量的任务或目标，即用例之间应该是独立的。
通常软件开发人员可以从需求的描述中提取用例，对于一个独立的事件，只要找到它的操作者、操作者的行为以及行为的对象就可以定义一个用例了。
用例模型不仅包括用例图，还包括与用例图相关的文字性描述。
因此，在绘制完用例图后，还要对每个用例的细节做详细的文字性说明。
可以使用Rose来创建用例模型。
RationalRose2003中提供的用例图的建模符号以及对符号的相关描述如图2-26所示。
用例模型可以建立在不同的层次上，具有不同的粒度。
顶层用例图比较概要地描述系统
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