2018-2019-2 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）。

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。

码云链接

https://gitee.com/J20175319/java20175319_jiangye/tree/master/shiyan2

实验步骤

（一）单元测试与TDD

单元测试

单元测试（unit testing），是指对软件中的最小可测试单元进行检查和验证。对于单元测试中单元的含义，一般来说，要根据实际情况去判定其具体含义，如Java里单元指一个类。

三种代码

• 伪代码
• 产品代码
• 测试代码

TDD(Test Driven Devlopment, 测试驱动开发)

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

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

IDEA中使用单元测试工具JUnit来辅助进行TDD

任务一：参考Intellj IDEA 简易教程 完成单元测试的学习；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；提交最后三个JUnit测试用例（正常情况，错误情况，边界情况）都通过的截图。

• 伪代码：

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:https://gitee.com/J20175319/java20175319_jiangye/blob/master/shiyan2/first2/src/MyUtil.java
• 测试代码（考虑正常情况，错误情况，边界情况）:https://gitee.com/J20175319/java20175319_jiangye/blob/master/shiyan2/first2/src/MyUtilTest.java
• 测试结果截图

任务二：参考积极主动敲代码，使用JUnit学习Java，以 TDD的方式研究学习StringBuffer；提交你的单元测试用例和测试通过的截图，截图要加上学号水印。

• 老师给出的产品代码

public static void main(String [] args){
StringBuffer buffer = new StringBuffer();
buffer.append('S');
buffer.append("tringBuffer");
System.out.println(buffer.charAt(1));
System.out.println(buffer.capacity());
System.out.println(buffer.indexOf("tring"));
System.out.println("buffer = " + buffer.toString());
System.out.println(buffer.length());

• 修改后的产品代码:https://gitee.com/J20175319/java20175319_jiangye/blob/master/shiyan2/second/src/StringBufferDemo.java
• 参考在https://javadoc.allimant.org/下载的CHM格式的Java API文档，可知:
  • charAt(int i)返回此序列中指定索引处的 char 值。第一个 char 值在索引 0 处，第二个在索引 1 处，依此类推，这类似于数组索引。
  • indexOf(String s)返回输入的子字符串的第一个字母在母字符串的位置。
  • capacity()返回当前容量。容量指可用于最新插入的字符的存储量，超过这一容量就需要再次进行分配。
  • length()返回子浮窗的长度。
• 编写测试代码对以上方法进行测试，并测试老师在博客中的提问超过16个字符会再分配18个字符的空间。那超过34个字符呢？
  
  测试代码:https://gitee.com/J20175319/java20175319_jiangye/blob/master/shiyan2/second/test/StringBufferDemoTest.java
• 测试代码截图：

（二）面向对象三要素

抽象

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。

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根据抽象关键的问题域来分解系统，关注是什么（what））、面向对象设计（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。）、面向对象编程实现(OOP是在设计的基础上用编程语言（如Java）编码。)
• 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。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。
• 继承：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。
• 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。
• 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

（三）设计模式初步

S.O.L.I.D原则

• 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。
• 对扩充开放（Open For Extension ）要求软件模块的行为必须是可以扩充的，在应用需求改变或需要满足新的应用需求时，我们要让模块以不同的方式工作
• 对修改封闭（Closed for Modification ）要求模块的源代码是不可改动的，任何人都不许修改已有模块的源代码。 基于OCP，利用面向对象中的多态性（Polymorphic），更灵活地处理变更拥抱变化，OCP可以用以下手段实现：
  • 抽象和继承
  • 面向接口编程
• SRP的内容是：
  • There should never be more than one reason for a class to change
  • 决不要有一个以上的理由修改一个类
• LSP的内容是：
  • Subtypes must be substitutable for their base types
  • Functions that use pointers or references to base classes must be able to use objects of derived classes without knowing it
  • 子类必须可以被其基类所代
  • 使用指向基类的指针或引用的函数，必须能够在不知道具体派生类对象类型的情况下使用它
  • LSP的核心思想是父类型对象可以被子类型对象所取代
• ISP的内容是：
  • Clients should not be forced to depend upon interfaces that they do not use
  • 客户不应该依赖他们并未使用的接口
• DIP的内容是：
  • High level modules should not depend upon low level modules. Both should depend upon abstractions
  • Abstractions should not depend upon details. Details should depend upon abstractions
  • 高层模块不应该依赖于低层模块。二者都应该依赖于抽象
  • 抽象不应该依赖于细节。细节应该依赖于抽象

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
• …

设计模式有四个基本要素：

• 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（trade-offs）

Java类库中大量使用设计模式：

• Factory：java.util.Calendar
• Compsite：java.awt.Container
• Decorator：java I/0
• Iterator：java.util.Enumeration
• Strategy：java.awt.LayoutManager
• …

任务三：参考实验二 Java面向对象程序设计对设计模式示例进行扩充，体会OCP原则和DIP原则的应用，初步理解设计模式；用自己的学号%6进行取余运算，根据结果进行代码扩充

• 我的学号19%6=1，任务为:让系统支持Short类，并在MyDoc类中添加测试代码表明添加正确，提交测试代码和运行结的截图，加上学号水印
• 已有的支持Int型的代码：

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();
  }
}

• 要支持Short类，Document类要修改构造方法，这还违反了OCP原则。封装、继承、多态解决不了问题了，这时需要设计模式了，通过增加了一层抽象层使代码符合了OCP原则。代码有良好的可扩充性、可维护性，代价是代码多了，效率变低下了。
• 产品代码：https://gitee.com/J20175319/java20175319_jiangye/blob/master/shiyan2/third/src/MyDoc.java
• 测试结果截图：

（四）练习

任务四：使用TDD的方式设计关实现复数类Complex。

• 要求：

// 定义属性并生成getter,setter
double RealPart;
double ImagePart;
// 定义构造函数
public Complex()
public Complex(double R,double I)

//Override Object
public boolean equals(Object obj)
public String toString()

// 定义公有方法:加减乘除
Complex ComplexAdd(Complex a)
Complex ComplexSub(Complex a)
Complex ComplexMulti(Complex a)
Complex ComplexDiv(Complex a)

• 产品代码：https://gitee.com/J20175319/java20175319_jiangye/blob/master/shiyan2/fourth/src/Complex.java
• 测试代码：https://gitee.com/J20175319/java20175319_jiangye/blob/master/shiyan2/fourth/Test/ComplexTest.java
• 测试结果截图：

任务五：使用StarUML对实验二中的代码进行建模；发类图的截图，加上学号水印，类图中至少两个类；类，继承，接口实现，组合在UML中表达

• 使用https://online.visual-paradigm.com/diagrams.jsp#diagramlist:new=ClassDiagram在线制作UML图
• 选取任务三的代码进行建模
• UML类图：

实验过程中遇到的问题及解决方法

• 问题一：任务二借助junit进行TDD时，@Test显示红色。

• 问题一解决方法：仔细研究老师博客，发现问题是我任务一导入junit的包以后，进行任务二时就省去了导入包的操作。每次创建新项目以后，若需要使用junit都要重新导入junit包。

• 问题二：使用markdown时代码块出现排版错误的问题。

• 问题二解决方法：参考Markdown 语法手册 （完整整理版）可知，我应当在代码的上下文用三个`字符包围，如：
  
  
  
  同时也能让语法高亮。我的错误来源于这种错误写法：
  
  

• 问题三：任务4虚数为负数时，测试不通过

• 问题三解决方案：经检查，是toString()方法中i<0部分出了问题

这里输出的实际值是r + i的值的字符串形式，因此输出错误。

修改后，先强制将r进行类型转换，测试通过。

PSP

步骤	耗时/h	百分比
需求分析	0.5	10%
设计	2	40%
代码实现	1	20%
测试	1	20%
分析总结	0.5	10%