20145215实验二 Java面向对象程序设计

20145215实验二 Java面向对象程序设计

一、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

二、实验步骤

（一）单元测试

（1）三种代码

• 伪代码：以简洁的自然语言表明设计步骤；

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：用以实现特定功能的程序或机器语言；

package exp1;
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：用以对产品代码进行测试的代码；

1. 测试一：选取某一合法输入值进行测试

package Test;
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!");
    }
}

运行结果如下：

2. 测试二：全面覆盖各等级段

package Test;
 public class MyUtilTest {
    public static void main(String[] args) {
        //测试正常情况
        if(MyUtil.percentage2fivegrade(55) != "不及格")
            System.out.println("test failed!");
        else if(MyUtil.percentage2fivegrade(65) != "及格")
            System.out.println("test failed!");
        else if(MyUtil.percentage2fivegrade(75) != "中等")
            System.out.println("test failed!");
        else if(MyUtil.percentage2fivegrade(85) != "良好")
            System.out.println("test failed!");
        else if(MyUtil.percentage2fivegrade(95) != "优秀")
            System.out.println("test failed!");
        else 
            System.out.println("test passed!");
    }
}

运行结果如下：

3. 测试三：异常情况测试

public class MyUtilTest {
    public static void main(String[] args) {
        //测试出错情况
        if(MyUtil.percentage2fivegrade(-10) != "错误")
            System.out.println("test failed 1!");
        else if(MyUtil.percentage2fivegrade(115) != "错误")
            System.out.println("test failed 2!");
        else 
            System.out.println("test passed!");
    }
}

运行结果如下：

和我们预期的结果不一样，原因是判断不及格时没有要求成绩大于零，因此我们增加对负分的判断：

if ((grade < 0))
            return "错误";

再次运行，测试结果符合预期，如下图所示：

4. 测试四：测试分段结点

package Test;
public class MyUtilTest {
    public static void main(String[] args) {
        //测试边界情况
        if(MyUtil.percentage2fivegrade(0) != "不及格")
            System.out.println("test failed 1!");
        else if(MyUtil.percentage2fivegrade(60) != "及格")
            System.out.println("test failed 2!");
        else if(MyUtil.percentage2fivegrade(70) != "中等")
            System.out.println("test failed 3!");
        else if(MyUtil.percentage2fivegrade(80) != "良好")
            System.out.println("test failed 4!");
        else if(MyUtil.percentage2fivegrade(90) != "优秀")
            System.out.println("test failed 5!");
        else if(MyUtil.percentage2fivegrade(100) != "优秀")
            System.out.println("test failed 6!");
        else 
            System.out.println("test passed!"); 
    }
}

运行结果如下：

于是把判断优秀的条件中包含输入为100的情况，对下面代码进行修改：

else if (grade < 100)
           return "优秀";

改成

else if (grade <= 100)
           return "优秀";

再次运行，测试结果符合预期，如下图所示：

（2）TDD(Test Driven Devlopment, 测试驱动开发)

• TDD：先写测试代码，然后再写产品代码的开发方法。
• TDD的一般步骤如下：

1. 明确当前要完成的功能，记录成一个测试列表
2. 快速完成编写针对此功能的测试用例
3. 测试代码编译不通过（没产品代码呢）
4. 编写产品代码
5. 测试通过
6. 对代码进行重构，并保证测试通过（重构下次实验练习）
7. 循环完成所有功能的开发

• 在此介绍IDEA下TDD的使用方法：鼠标右键->Go To ->Test
  

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

即“求同存异、去粗取精”的过程。将若干事物中相同的部分进行剥离整理，并形成具有某特定功能的产品，这一过程即为抽象。过程抽象的结果是函数，数据抽象的结果是抽象数据类型其显而易见的好处是（在程序设计中）减少了代码大重复性，提高了效率。

（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。
• 封装：将与某一将数据与相关行为包装在一起以实现信息就隐藏，核心内容是模块化和信息隐藏，与此相伴的是接口的使用。

1. 封装示例：

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() + "!";
    }
}

检测示例：

public class DogTest {
    public static void main(String[] args) {
        Dog d = new Dog();
        d.setColor("Yellow");
        getInfo(d);
    }
    public static void getInfo(Dog d) {
        System.out.println(d.toString());
    }
}

运行结果如下：

利用StarUML软件进行UML建模，可以将以上思路进行具象化表示：

将图形转化成代码的方式是：Tools->Java->Generate code...
可能会弹出这个错误：

解决方法是：Model->Profiles... 将左边的Java Profile移到右边：

接着根据提示将转化的代码保存到你想保存的位置，打开就行了。

• 继承：以封装为基础，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。其更为广泛而重要的作用是实现多态。

1. 继承示例：Dog类和Cat类都有Color属性和相应的setter和getter方法，可以通过继承使其精炼化，把Color属性和相应的setter和getter方法放到父类Animal中，代码如下：

public abstract class Animal {
    private String color;
    public String getColor() {
        return color;
    }
    public void setColor(String color) {
        this.color = color;
    }
    public abstract String shout();
}
public class Cat extends Animal {

    public String shout() {
        return "喵喵";
    }
    public String toString() {
        return "The Cat's color is " + this.getColor() +", and it shouts "+ this.shout() + "!";
    }
}
public class Dog extends Animal
{
    public String shout() {
        return "汪汪";
    }
    public String toString() {
        return "The Dog's color is " + this.getColor() +", and it shouts "+ this.shout() + "!";
    }
}

在Java中，当我们用父类声明引用，用子类生成对象时，多态就出现了。封装、继承与多态是在抽象的基础上进行的“进化”，用于减少重复和赘余。其中很重要的思想就是模块化和信息隐藏。

(三)设计模式

（1）S.O.L.I.D原则

• SRP(Single Responsibility Principle,单一职责原则)
  对象提供单一职责的高度封装，对象的改变仅仅依赖于单一职责的改变
• OCP(Open-Closed Principle,开放-封闭原则)
  即对扩充开放（功能可增加），对修改封闭（源代码不可改动）
  OCP实现手段：（1）抽象和继承，（2）面向接口编程
• LSP(Liskov Substitusion Principle,Liskov替换原则)
  子类必须可以被其基类所代，父类型对象可以被子类型对象所取代
• ISP(Interface Segregation Principle,接口分离原则)
  客户不应该依赖他们并未使用的接口
• DIP(Dependency Inversion Principle,依赖倒置原则)

（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。其中最重要的是设计模式。

（3）设计模式实示例

设计模式四个基本元素
Pattern name：描述模式，便于交流，存档
Problem：描述何处应用该模式
Solution：描述一个设计的组成元素，不针对特例
Consequence：应用该模式的结果和权衡
示例如下：

package exp1;
class Integer { 
   int value;    
   public Integer(){
      value=100;  
   }    
   public void DisplayValue(){
        System.out.println(value);  
   } 
} 
class Document { 
   Integer pi; 
   public Document(){
       pi = new Integer(); 
   } 
   public void DisplayData(){
      pi.DisplayValue();  
   } 
} 
public class MyDoc{ 
   static Document d;
   public static void main(String [] args) { 
        d = new Document(); 
        d.DisplayData(); 
  } 
}

运行结果：

（四）练习

使用TDD的方式设计关实现复数类Complex

1.伪代码：

Complex类要输出实部，输出虚部，并按照a+bi的形式输出复数。
Complex类中有两个变量，实部RealPart和虚部ImaginePart；

方法：
getRealPart(int RealPart);返回实部
getImaginePart(int ImaginePart);返回虚部
add(Complex c);实现复数相加
minus(Complex c);实现复数相减
multiply(Complex c);实现复数相乘
toString(int RealPart,int ImaginePart);将复数输出成a+bi的格式。

2.测试代码：

package Test;
import exp1.MyComplex;
import org.junit.Test;
import static org.junit.Assert.*;
public class MyComplexTest {
    MyComplex a=new MyComplex(1,2);
    MyComplex b=new MyComplex(1,-4);
    MyComplex c=new MyComplex(19,0);
    MyComplex d=new MyComplex(0,-3);
    MyComplex e=new MyComplex(0,0);
    @Test
    public void getRealPart() throws Exception {
        assertEquals(1, MyComplex.getRealPart(1));
        assertEquals(-1, MyComplex.getRealPart(-1));
        assertEquals(5, MyComplex.getRealPart(5));
        assertEquals(22, MyComplex.getRealPart(22));
        assertEquals(-100, MyComplex.getRealPart(-100));
        assertEquals(0, MyComplex.getRealPart(0));
    }
    @Test
    public void getImaginePart() throws Exception {
        assertEquals(1, MyComplex.getImaginePart(1));
        assertEquals(-1, MyComplex.getImaginePart(-1));
        assertEquals(5, MyComplex.getImaginePart(5));
        assertEquals(22, MyComplex.getImaginePart(22));
        assertEquals(-100, MyComplex.getImaginePart(-100));
        assertEquals(0, MyComplex.getImaginePart(0));
    }
    @Test
    public void add() throws Exception {
        assertEquals("(2.0-2.0i)", a.add(b).toString());
        assertEquals("(20.0+2.0i)", a.add(c).toString());
        assertEquals("(1.0-1.0i)", a.add(d).toString());
        assertEquals("(1.0+2.0i)", a.add(e).toString());
    }
    @Test
    public void minus() throws Exception {
        assertEquals("(0.0+6.0i)", a.minus(b).toString());
        assertEquals("(-18.0+2.0i)", a.minus(c).toString());
        assertEquals("(1.0+5.0i)", a.minus(d).toString());
        assertEquals("(1.0+2.0i)", a.minus(e).toString());
    }
    @Test
    public void multiply() throws Exception {
        assertEquals("(9.0-2.0i)", a.multiply(b).toString());
        assertEquals("(19.0+38.0i)", a.multiply(c).toString());
        assertEquals("(6.0-3.0i)", a.multiply(d).toString());
        assertEquals("(0.0)", a.multiply(e).toString());
    }
}

单元测试运行通过：

3.产品代码:

package exp1;
import java.util.Scanner;
public class MyComplex {
    static int r;
    static int i;
    private double m;
    private double n;
    public static int getRealPart(int RealPart){
        r = RealPart;
        return r;
    }
    public static int getImaginePart(int ImaginePart){
        i = ImaginePart;
        return i;
    }
    public MyComplex(double m, double n) {
        this.m = m;
        this.n = n;
    }
    public MyComplex add(MyComplex c) {
        return new MyComplex(m + c.m, n + c.n);
    }
    public MyComplex minus(MyComplex c) {
        return new MyComplex(m - c.m, n - c.n);
    }
    public MyComplex multiply(MyComplex c) {
        return new MyComplex(m * c.m - n * c.n, m * c.n + n * c.m);
    }
    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;
    }
}

PSP(Personal Software Process)时间

步骤	耗时	百分比
需求分析	10min	9.1%
设计	15min	13.6%
代码实现	40min	36.4%
测试	25min	22.7%
分析总结	20min	18.2%

总结

这次最大的收获就是学会了Junit单元测试，从表面上看，每个单元程序都编写测试代码似乎是增加了工作量，但是其实这些代码不仅为你织起了一张保护网，而且还可以帮助你快速定位错误从而使你大大减少修复BUG的时间。在我看来，单元测试不仅能保证项目进度还能优化我们的设计，我们可以从测试中发现一些设计时所遗漏的问题，从而改善自己的代码，测试说到底其实也就是一个发现BUG的过程，我们没有必要对一些能够肯定正确的答案进行测试，相反，我们要尽可能把那些觉得容易出错的答案进行测试，这样也就能够更快的发现BUG的所在，BUG发现的越晚，修改它所需要的成本就越高。总而言之，单元测试带给我们的好处远不止这些，学好单元测试对我们以后开发程序会有更大的帮助！