OO Unit4 总结

陈嘉民-23371149 2025-06-11 02:22:50

正向建模和开发

一、正向建模流程

需求分析先行

每次迭代前深入理解新增功能需求（如第14次的热门书架/阅读功能、第15次的信用分系统）
明确系统边界和关键约束条件（如整理流程规则、状态转移条件）

UML设计驱动开发

类图设计定义核心实体（Book, User, Shelf等）及其关系
状态图设计（第14/15次）：
- 定义书籍的6种状态（普通书架/热门书架/借还处/预约处/阅览室/用户）
- 使用@Trigger注解关联状态转移方法与UML
顺序图设计（第15次）：
- 绘制"预定新书"和"取书"场景的交互流程
- 通过@SendMessage注解映射消息路径

编码实现

严格遵循UML设计实现核心类
关键方法添加UML关联注解：

// 状态转移注解示例
@Trigger(from="bs", to="user")
public void borrowBook() { ... }

// 顺序图消息注解示例
@SendMessage(from="User", to="AppointmentOffice")
public void orderBook() { ... }

设计回溯调整

编码过程中发现设计缺陷时更新UML图
保持代码与UML的60%以上一致性（类属性/方法）

二、建模关键挑战

状态一致性维护

书籍状态与物理位置同步
信用分变化触发权限变更（状态机隐式转移）

时间维度处理

预约有效期计算（开/闭馆送达差异）
借阅期限的日历计算（非固定天数）

规则冲突解决

整理流程约束（如开馆后借还处需清空）
信用分权限与基础规则的叠加校验

架构设计和追踪关系

一、核心类职责划分

BookCollection（书籍集合）

管理同一ISBN下的所有副本
提供副本查找、可用副本检索功能

实现开馆/闭馆时的整理策略：

// 开馆整理示例
public List<LibraryMoveInfo> sortAfterOpen(LocalDate date, LibraryBookState destState) {
    // 处理不同位置的书籍移动逻辑
}

BookCopy（书籍副本）

维护单本书籍的状态信息：

private LibraryBookState location; // 当前位置
private User reservedFor;         // 预约用户
private LocalDate reserveExpiry;  // 预约有效期

记录移动历史轨迹

管理借阅期限计算：

public void setBorrowDate(LocalDate date) {
    borrowDate = date.plusDays(bookId.isTypeB() ? 30 : 60);
}

User（用户）

管理用户状态：

private Map<LibraryBookIsbn, BookCopy> borrowedBooks; // 已借书籍
private LibraryBookIsbn reservedIsbn;                // 预约ISBN
private int creditScore = 100;                       // 信用分

实现信用分规则：

public void updateCreditScore(int alter) {
    creditScore = Math.max(0, Math.min(180, creditScore + alter));
}

Library（系统核心）

全局状态管理：

private Map<LibraryBookIsbn, BookCollection> collections; // 书籍集合
private Map<String, User> users;                        // 用户集合
private Set<LibraryBookIsbn> hotBooks;                  // 热门书籍

指令路由中心：

public void processCommand(LibraryCommand cmd) {
    // 路由到不同处理逻辑
}

二、UML

类图：

状态图：

顺序图：

由上图可见，UML与项目代码基本上保持了很高的统一性。

类图：各类的属性方法及类与类间的关系基本一一对应。
状态图：涵盖了所有书籍的转移状态，与代码高度一致。
顺序图：由于正向建模时的结构就很简单，所以顺序图也会很简单。

引导大模型架构设计

一、提炼关键

将题目描述发送给大模型，向其提出提取关键问题信息的询问。如：各种类书籍的限制、用户操作成功条件、整理规则等。

二、初步构建

接着提取核心业务类，并附以提供含义说明的请求。

三、细节补充

在二步骤的基础上，进一步补全核心业务类的属性和方法等，同时也可实现一定的代码补全。

架构设计思维演进

第一单元：递归下降（语法分析）

核心架构思维：自顶向下的模块化分解
通过递归下降法解析表达式，将复杂语法规则分解为相互递归的子模块（如 Lexer 词法分析、Parser 语法解析、Expr 表达式树）。
关键设计原则：
1. 层次化抽象：将表达式拆分为因子(Factor)→项(Term)→表达式(Expr)的层次结构，降低复杂度。
2. 单一职责：每个类仅处理一种语法规则（如 AddSubParser 处理加减法）。
3. 可扩展性：通过工厂模式动态添加新运算符（如乘方、三角函数），避免修改核心解析逻辑。
演进意义：
从面向过程转向模块化设计，学会用递归思想分解问题，奠定后续复杂架构的基础。

第二单元：多线程（电梯调度）

核心架构思维：并发资源的协作与隔离
设计多线程电梯系统时，重点解决线程安全、死锁预防和任务调度问题。
关键设计原则：
1. 生产者-消费者模型：调度器（Scheduler）作为任务队列，解耦请求输入线程与电梯工作线程。
2. 线程安全边界：通过BlockingQueue、synchronized和ReentrantLock封装共享资源（如请求队列）。
3. 状态模式：电梯运行状态（Running, Idle, Maintenance）封装为独立类，避免条件分支膨胀。
演进意义：
从静态模块化转向动态行为设计，掌握资源竞争与协作的平衡，强化系统鲁棒性思维。

第三单元：JML规格（社交网络）

核心架构思维：契约式设计与行为约束
基于JML规格实现社交网络系统，将需求转化为形式化契约，确保代码与设计一致。
关键设计原则：
1. 规格驱动开发：前置条件（requires）、后置条件（ensures）指导方法实现，如addPerson()需满足非空约束。
2. 数据不变性：用invariant定义核心属性（如network中无重复节点），保证系统状态始终合法。
3. 算法与实现分离：JML仅定义getShortestPath()的输入输出，内部用Dijkstra或并查集自由优化。
演进意义：
从“如何实现”转向“如何精确描述需求”，培养形式化验证思维，提升代码的可验证性与可靠性。

第四单元：UML建模（快递系统）

核心架构思维：系统级抽象与分层架构
使用UML对快递系统建模，从用例图到类图、状态图，全面抽象业务逻辑。
关键设计原则：
1. 分层架构：
  - 表现层（UI）：处理输入输出
  - 业务层（DeliveryService）：调度快递订单
  - 数据层（Database）：存储用户信息
2. 设计模式应用：
  - 观察者模式：物流状态变更时通知用户（OrderTracker → User）
  - 状态模式：订单状态（Pending, Shipped, Delivered）
3. 关系可视化：类图明确继承（车辆类型）、组合（订单与包裹）、依赖（调度器使用路径规划）。
演进意义：
从局部设计跃升至全局系统视角，用模型驱动开发（MDD），实现需求→设计→代码的全链路可控。

可维护性成为贯穿始终的主线：
递归下降的表达式树易扩展 → 多线程的解耦提升容错性 → JML确保代码与需求一致 → UML模型直接对应业务逻辑。

这一演进过程本质是问题复杂度的升维应对：从语法树（单一领域）→ 并发（资源竞争）→ 契约（行为规范）→ 系统建模（多模块协作），每一步都在扩充架构设计的武器库。

测试思维演进

第一单元：递归下降（语法分析）

测试核心：功能正确性 & 边界输入验证

主要方法：

黑盒测试为主： 构建大量边界用例（如多层嵌套括号、超大指数、空输入、非法字符）和复杂表达式组合，验证输出结果是否与预期（如手动计算、Matlab等工具）完全一致。
白盒补充： 通过代码覆盖率（如Jacoco）确保所有语法规则分支（如不同运算符、括号嵌套层数）都被执行到。
单元测试： 对关键模块（如Lexer.nextToken(), Parser.parseFactor()）进行独立测试。

测试思维： “找错” - 重点在于发现解析逻辑中的漏洞（如运算符优先级处理错误、括号匹配错误、异常输入崩溃）。

第二单元：多线程（电梯调度）

测试核心：并发安全性 & 调度策略有效性 & 系统稳定性

主要方法：

压力/负载测试： 模拟高峰请求（如瞬间涌入大量请求）、长时间运行，观察系统是否崩溃、死锁、活锁或响应时间剧增。
并发干扰测试： 刻意构造特定时序的并发操作（如多个乘客同时呼叫电梯、电梯在临界点改变方向时收到新请求），使用Thread.sleep()或CountDownLatch等工具模拟时序，检查共享资源（如请求队列、电梯状态）是否被正确同步。
随机性测试： 利用随机请求生成器进行长时间测试，暴露非确定性Bug（如偶发的数据竞争、死锁）。
性能测试： 衡量平均/最长等待时间、吞吐量（单位时间运送乘客数），评估调度算法优劣。
死锁检测工具： 使用jstack分析线程堆栈，或借助VisualVM等工具监控线程状态。

测试思维： “破坏” - 重点在于模拟极端和异常并发场景，“攻击” 系统以暴露其脆弱性（线程安全、死锁、资源耗尽）。

第三单元：JML规格（社交网络）

测试核心：规格符合性 & 数据一致性

主要方法：

规格驱动测试：
- 基于requires的无效输入测试： 对每个方法的requires子句，构造违反前置条件的输入（如添加已存在的Person，查询不存在的Person的Value），验证是否抛出指定异常（如PersonIdConflictException, PersonNotFoundException）。
- 基于ensures/invariant的有效输入测试： 对满足前置条件的输入，验证方法执行后结果是否满足后置条件，以及类不变式是否始终保持（如addRelation后两人acquaintance列表是否相互包含，group的ValueSum是否正确更新）。
路径/分支覆盖： 结合规格要求，确保代码中所有逻辑路径（尤其是边界条件处理）被覆盖。

测试思维： “验证” - 重点在于证明代码行为严格符合形式化规格定义的所有约束（前置条件、后置条件、不变式）。

第四单元：UML建模（快递系统）

测试核心业务流程完整性 & 模型实现一致性 & 系统交互有效性

主要方法：

基于场景/用例的测试：
- 正向流程： 模拟完整的业务场景（如用户下单→仓库拣货→快递员接单→配送→签收），验证系统状态转换（对应状态图）和数据流（对应序列图/活动图）是否符合设计。
- 异常/分支流程： 模拟业务规则中的异常（如库存不足、订单取消、配送超时、用户拒收），验证系统是否能按模型设计的替代路径正确处理。
模型一致性检查：
- 验证代码实现是否与类图（类结构、关系）、状态图（对象状态转换）、序列图（对象间交互时序）保持一致。
集成/系统测试：
- 重点测试不同子系统/模块（如订单管理、库存管理、物流跟踪）之间的接口交互是否符合UML协作图/组件图的定义。
用户验收测试模拟：
- 根据UML用例图设计的参与者（Actor）和用例（Use Case），构造测试用例，验证系统是否满足最终用户需求。

课程收获

四个单元的学习让我实现了从技术实现者到系统设计者的蜕变：递归下降教会我用分治思想拆解复杂语法规则，奠定模块化设计基础；多线程实战赋予我驾驭并发混沌的能力，通过资源隔离与状态机设计保障系统健壮性；JML规格训练我以数学契约精神精确锚定需求与实现，让代码成为可验证的逻辑命题；UML建模则引导我构建业务与技术的桥梁，用分层架构与设计模式实现从现实场景到软件系统的抽象映射——最终凝练成应对复杂性的核心方法论：分解、隔离、约束、抽象，让我真正理解软件工程不仅是写代码，更是为现实世界构建可持续进化的数字孪生。

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