实验内容
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
实验要求
1.没有Linux基础的同学建议先学习《Linux基础入门（新版）》《Vim编辑器》 课程
2.完成实验、撰写实验报告，实验报告以博客方式发表在博客园，注意实验报告重点是运行结果，遇到的问题(工具查找，安装，使用，程序的编辑，调试，运行等)、解决办法（空洞的方法如“查网络”、“问同学”、“看书”等一律得0分）以及分析（从中可以得到什么启示，有什么收获，教训等）。报告可以参考范飞龙老师的指导
实验过程：
（一）单元测试
(1) 三种代码
编程是智力活动，不是打字，编程前要把干什么、如何干想清楚才能把程序写对、写好。与目前不少同学一说编程就打开编辑器写代码不同，我希望同学们养成一个习惯，当你们想用程序解决问题时，要会写三种码：
伪代码
产品代码
测试代码
我们通过一个例子说明如何写这三种代码。
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”
产品代码：
翻译好的MyUtil.java如下：
public class MyUtil{
public static String percentage2fivegrade(int grade){
//如果成绩小于60，转成“不及格”
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";
//其他，转成“错误”
else
return "错误";
}
}
测试代码：
public class MyUtilTest {
public static void main(String[] args) {
// 百分制成绩是50时应该返回五级制的“不及格”
if(MyUtil.percentage2fivegrade(50) != "不及格")
System.out.println("test failed!");
else
System.out.println("test passed!");
}
}
实验截图：
(2) TDD(Test Driven Devlopment, 测试驱动开发)
这种先写测试代码，然后再写产品代码的开发方法叫“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：
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。下面原因说的也很清楚：测试代码第十行传入55时，期望结果是“不及格”，代码返回了“错误”，修改MyUtil.Java
测试结果出现了一个绿条（green bar）,说明测试通过了。
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
（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”，想打引“1,2,3,4”怎么办？同学们的做法大多是把上面的代码拷贝下来，再加一行：
System.out.println(1);
System.out.println(2);
System.out.println(3);
System.out.println(4);
这就是没有学会过程抽象的做法“拷贝粘贴”式开发。解决问题没？解决了，但有问题，比如想打印出“1..100"怎么办？粘贴100行？这两段代码有三行重复的代码，违反了常见的一个编程原则DRY(Don't Repeat Yourself)，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);
}
上面两段代码就可以用;
printn(3);
printn(4);
代替了，打印出“1..100"也很简单，只要调用printn(100);就行了。
（2）封装、继承与多态
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：
public class Dog {
private String color;
public String getColor() {
return color;
}
public void setColor(String color) {
this.color = color;
}
public String bark(){
return "汪汪";
}
public String toString(){
return "The Dog's color is " + this.getColor() +", and it shouts "+ this.bark() + "!";
}
}
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：
我们可以用UML中的类图来描述类Dog
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
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：
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。
继承指一个类的定义可以基于另外一个已经存在的类，即子类基于父类，从而实现父类代码的重用。既存类称作基类、超类、父类(base class、super class、parent class)，新类称作派生类、继承类、子类（derived class、inherited class、child class）。继承关系表达了”Is a kind of“的关系，称为“ISA”关系。继承的关键在于确认子类为父类的一个特殊类型
。继承是实现软件可重用的根基，是提高软件系统的可扩展性与可维护性的主要途径。
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。
另外，在Umbrello中UML图是可以转化成Java代码的，有Java代码也可以生成UML图的。
（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。
遇到的问题及解决方法
出现的问题：在前两个实验时，由于网络太不给力，所以选择在自己电脑上完成，并截图。
另外一大问题就是，测试代码的编写过程中因为不太熟悉程序的编写，最后是自己对照着产品代码来写的测试代码，所以测试代码出现了很多问题，花费了很多时间去修改。
实验收获
这次实验尽管花了很多时间，但是我也收获了很多。首先，通过这次实验，我对虚拟机的使用更加熟悉，也更加适应这种实验模式。单元测试也帮助我提升了自己的能力，一步一步地引导我学会处理可能出现的种种问题，同时也教会我以后在编写程序的时候要考虑到各种可能性，以提高代码的安全性。
通过这次实验，我还接触到了很多以前没有听说过的知识，例如TDD，虽然陌生，处理起来比较吃力，但对我来说还是比较开眼界的。我觉得通过每一次的java实验，不仅提高了我的学习能力，更培养了持之以恒的意识，虽然有些困难，仍然尽力去做，可能最后还是没有结果，但是也会去努力一下。
练习
1使用TDD的方式设计关实现复数类Complex。
代码：
package shiyanlou;
//复数打印、相加、相减
public class ComplexTest {
// main方法
public static void main(String[] a) {
Complex b = new Complex(2, 5);
Complex c = new Complex(3, -4);
System.out.println(b + "+" + c + "=" + b.add(c));
System.out.println(b + "-" + c + "=" + b.minus(c));
System.out.println(b + "*" + c + "=" + b.multiply(c));
System.out.println(b + "/" + c + "=" + b.divide(c));
}
}
// Complex类
class Complex {
private double m;// 实部
private double n;// 虚部
public Complex(double m, double n) {
this.m = m;
this.n = n;
}
// add
public Complex add(Complex c) {
return new Complex(m + c.m, n + c.n);
}
// minus
public Complex minus(Complex c) {
return new Complex(m - c.m, n - c.n);
}
// multiply
public Complex multiply(Complex c) { return new Complex(m * c.m - n * c.n, m * c.n + n * c.m);
}
// divide
public Complex divide(Complex c) {
double d = Math.sqrt(c.m * c.m) + Math.sqrt(c.n * c.n);
return new Complex((m * c.m + n * c.n) / d, Math.round((m * c.n - n * c.m) / d));
}
public String toString() {
String rtr_str = "";
if (n > 0)
rtr_str = "(" + m + "+" + n + "i" + ")";
if (n == 0)
rtr_str = "(" + m + ")";
if (n < 0)
rtr_str = "(" + m + n + "i" + ")";
return rtr_str;
}
}
运行结果：
2.实验报告中统计自己的PSP(Personal Software Process)时间
|
步骤 |
耗时 |
百分比 |
|
需求分析 |
0.5h |
10% |
|
设计 |
1h | 20% |
|
代码实现 |
1.5h | 30% |
|
测试 |
1h | 20% |
|
分析总结 |
1h | 20% |
3.总结单元测试的好处
（1）使可以放心的修改测试用代码而不用担心会影响设计的测试代码。
（2） 更容易在早期发现问题所在，问题不容易堆积，可以马上解决。
