实验二 Java面向对象程序设计
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
3. 严禁抄袭，有该行为者实验成绩归零，并附加其他惩罚措施。
4. 请大家先在实验楼中的~/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，截图中没有学号的会要求重做，然后跟着下面的步骤练习。
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：
我们增加第一个测试用例testNormal,注意测试用例前一定要有注解@Test,测试用例方法名任意，输入代码Eclipse中如下图所示：
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。
测试结果出现了一个绿条（green bar）,说明测试通过了。
（二）面向对象三要素
（1）抽象
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。
（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。
我们可以用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：
（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。
（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。
（四）练习
1使用TDD的方式设计关实现复数类Complex。
//伪代码 //复数类 类有虚部实部 复数的加法运算 复数的减法运算 复数的乘法运算 复数的除法运算
//产品代码 public class ComplexDemo { // 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; } } //测试代码
public static ComplexTest{ public static void main(String[] args){ class Complex {
private double m;// 实部 private double n;// 虚部
public Complex(double m, double n) { this.m = m; this.n = n; }
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; }
}
}
}
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 |
1h |
10% |
|
设计 |
1h | 20% |
|
代码实现 |
2h | 30% |
|
测试 |
1h | 30% |
|
分析总结 |
1h |
10%
|
五，总结和体会
经过这次试验，我发现自己存在许多问题，最开始不知道如何使用虚拟机，以及编写程序不断出现错误，经过数次结束实验，重新开始实验，我对虚拟机的使用也渐渐熟悉，编写程序也越来越顺利。
在画图过程中也遇到不少问题，都是通过请教同学或者自己研究写出来的，经过此次实验。我明白身为编译者就应该努力是程序变得更加完善，让使用者用的顺利。
