第 13 章 設計模型
13-1 再談物件導向設計 13-2 建立互動圖 13-3 建立狀態機圖 13-4 設計模型的類別圖 13-5 物件設計：類別正規化 13-6 本章總結13-2
再談物件導向設計
13-1-1 物件導向設計的主要工作 13-1-2 分析與設計類別的差異 13-1-3 設計類別的特點
1311 物件導向設計的主要工作
-互動塑模
物件導向設計就是在執行類別屬性、行為和類別 關係的細部設計來建立設計模型（ Design Model ）的類別圖。 物件導向設計的主要工作是進行「互動塑模」 （ Interaction Modeling ），其主要目的如下所示 ： • 指派實體、控制和邊界物件的行為。 • 顯示實體、控制和邊界物件之間的詳細互動過程。 • 決定類別操作。1311 物件導向設計的主要工作
-設計類別的來源
設計類別的來源主要有兩種，如下所示： • 更新分析類別：這是互動塑模的主要工作，我 們可以透過建立互動圖來進一步更新分析類別 成為設計類別。 • 類別函數庫（ Class Library ）：在設計模型加入 類別函數庫的類別，這是一些解決方案的現成 元件，可以如同零件一般的加入設計模型的類 別圖，而不用自行建立，例如：時間、日期、 字串和集合類別等。1311 物件導向設計的主要工作
-建立的 UML 圖形
在物件導向設計階段需要建立的 UML 圖形，包含
：
• 互動圖（ Interaction Diagrams ）、狀態機圖 （ State Machine Diagrams ）和套件圖
（ Package Diagram ，詳見第 15 章）。
• 設計類別圖（ Design Class Diagrams ）：包含類 別、類別關係、屬性、方法、能見度和資料型 態等。
13-1-2 分析與設計類別的差異 - 說明
分析類別只需掌握系統行為，並不用考量實作問 題的細節；設計類別需要定義完整類別的詳細內 容來執行其責任，包含類別屬性和操作，如下所 示： • 類別屬性：詳細定義屬性名稱、資料型態、能 見度和初始值。 • 類別操作：詳細定義操作名稱、參數清單和傳 回值型態。13-1-2 分析與設計類別的差異 - 圖例
使用【帳戶】類別為例，說明分析與設計類別的差異，如 下圖所示：
1313 設計類別的特點
-完整性
完整性（ Completeness ）是指設計類別完全滿足 類別使用者的需求，和其合理的期望功能，例如 ：購買電腦，電腦擁有 CPU 、主機版、記憶體、 硬碟、連接線和機殼，如果缺一項，就表示它不 完整。 如果類別可以滿足使用者合理的期望功能，就表 示設計類別是一個完整性類別。1313 設計類別的特點
-充分性
充分性（ Sufficiency ）是指設計類別的操作剛剛 好滿足類別可以實現的功能，簡單的說，每一個 設計類別都是各有所長的平凡人，大家通力合作 來完成特定的功能；而不是一個超人，一個人就 可以完成所有的功能。 例如：帳戶類別可以更新和查詢餘額是十分正常 的，但是，如果擁有信用管理或處理信用卡等操 作，這個設計類別就不滿足充分性。1313 設計類別的特點
-單純性
單純性（ Primitiveness ）是指設計類別提供的操 作是一種單純且不可分割的服務，換句話說，我 們不應該在同一設計類別提供多種相同功能的操 作。例如：當類別已經提供單一帳戶的存款操作 時，就不需要提供多帳戶的批次存款操作。1313 設計類別的特點
-高內聚力
內聚力（ Cohesion ）是單一物件或軟體元件之中 互動關係的緊密程度，互動愈多，表示它的內聚 力愈高。 高內聚力是指一個物件提供的功能愈單純愈好， 一個好的設計類別應該專注其責任，不應該作太 多事和分派太多的責任，換句話說，每一個設計 類別應該只需少量的操作即可。1313 設計類別的特點
-低耦合度
耦合度（ Coupling ）是指一個物件或軟體元件， 與另一個物件或軟體元件之間連接關係的強度。 耦合度是用來衡量類別之間的相依關係，高耦合 度表示類別程式碼會十分難更改，因為相關互動 的類別太多，更改一個類別的程式碼，可能影響 一大串類別。換句話說，一個良好設計類別如果 更改程式碼，應該不會影響太多類別，因為它是 一個低耦合度的類別。13-2 建立互動圖
13-2-1 建立系統循序圖 13-2-2 從強韌圖建立通訊圖 13-2-3 將通訊圖轉換成循序圖 13-2-4 直接從強韌圖建立循序圖 13-2-5 使用互動塑模找出屬性與操作13-2-1 建立系統循序圖 - 基礎
對於每一個使用案例來說，系統循序圖就是一個 摘要版本的循序圖，它是將系統視為一個黑盒子 ，不用考量系統的內部，只強調動作者如何跨越 系統邊界與系統進行互動過程的訊息傳遞。 一般來說，我們會替使用案例規格的主流程，和 一些常用且複雜的替代流程建立系統循序圖。13-2-1 建立系統循序圖 - 建立步驟
基本上，從使用案例情節建立系統循序圖的步驟 ，如下所示： • Step 1 ：在右邊繪出系統的生命線。 • Step 2 ：對於每一個操作系統的動作者，在左 邊建立動作者的生命線。 • Step 3 ：針對使用案例每一個動作者產生的系 統事件，建立訊息。13-2-1 建立系統循序圖 - 案例 ( 主流程 )
我們準備替 ATM 自動櫃員機系統的提款使用案例 建立系統循序圖，其主流程的步驟，如下所示： 1. 客戶選提款選項。 2. include:: 取得帳戶資料。 3. 系統顯示所有可用帳戶選單，並且等待選擇。 4. 客戶選擇其中一個帳戶。 5. 系統顯示提款金額選單。 6. 客戶選擇提款金額。 延伸點 :: 選擇自行輸入提款金額。 7. 系統送出款項且更新銀行的帳戶餘額。13-2-1 建立系統循序圖 - 案例 ( 步驟一 )
Step 1 ：在右邊繪出 ATM 系統的生命線，左邊是
13-2-1 建立系統循序圖 - 案例 ( 步驟二 )
Step 2 ：檢視主流 程中屬於動作者送 出的訊息，即步驟 1 、 4 和 6 ，然後一 一從上而下繪出從 客戶送至系統的訊 息，即可完成系統 循序圖的建立，如 右圖所示：13-2-2 從強韌圖建立通訊圖 - 說明
強韌圖（ Robustness Diagram ）和 UML 通訊圖
（ Communication Diagram ）的觀念十分相似，我 們可以將強韌圖視為是一種簡化版本的通訊圖， 只需在物件之間加上訊息，就可以從強韌圖建立 成通訊圖。
13-2-2 從強韌圖建立通訊圖 - 強韌圖
例如：第 10-5-3 節登入使用案例的強韌圖，如下
13-2-2 從強韌圖建立通訊圖 - 步驟一
Step 1 ：首先參考強韌圖一一建立動作者和各物件的參與 者，分別標示為邊界、控制和實體物件，如下圖所示：
13-2-2 從強韌圖建立通訊圖 - 步驟二
Step 2 ：然後參考強韌圖一一建立各物件之間的連接，如 下圖所示：
13-2-2 從強韌圖建立通訊圖 - 步驟三
Step 3 ：接著建立訊息，首先從動作者送出第一層訊息來 執行登入，如下圖所示：
13-2-2 從強韌圖建立通訊圖 - 步驟四
Step 4 ：登入表單介面物件送出第二層驗證使用者訊息至 控制物件，如下圖所示：
13-2-2 從強韌圖建立通訊圖 - 步驟五
Step 5 ：控制物件送出第三層訊息取得使用者的密碼和姓 名至實體物件，傳回值是姓名與密碼，如下圖所示：
13-2-2 從強韌圖建立通訊圖 - 步驟六
Step 6 ：傳送第三層訊息給網站首頁介面物件，訊息參數 是會員姓名，顯示歡迎會員進入網站的訊息文字，如下圖 所示：
13-2-3 將通訊圖轉換成循序圖 - 步驟一
Step 1 ：請依序將通訊圖的動作者和所有分析物件都從左 至右排列成群組，如下圖所示：
13-2-3 將通訊圖轉換成循序圖 - 步驟二
Step 2 ：繪出第一層訊息，從動作者傳送至登入表單介面 物件的登入訊息，如下圖所示：
13-2-3 將通訊圖轉換成循序圖 - 步驟三
Step 3 ：繪出第二層訊息，在登入表單介面物件需要再送 出第二層的驗證使用者訊息至控制物件，參數也是名稱與 密碼，如下圖所示：
13-2-3 將通訊圖轉換成循序圖 - 步驟四
Step 4 ：繪出第三層訊息，控制物件送出第三層訊息取得 密碼和姓名後，通過驗證，即可再送出第三層訊息顯示網 站首頁，完成循序圖的建立，如下圖所示：
13-2-4 直接從強韌圖建立循序圖 - 強韌圖
將第 10-5-3 節查詢租 片記錄使 用案例的 強韌圖建 立成循序 圖，其強 韌圖如右 圖所示：13-2-4 直接從強韌圖建立循序圖 - 步驟一
Step 1 ：請依序將強韌圖的動作者和所有分析物件都從左 至右排列成群組，如下圖所示：
13-2-4 直接從強韌圖建立循序圖 - 步驟二
Step 2 ：參考第 10-5-3 節查詢租片記錄的主流程和活動圖 ，從動作者送出的第 1 個登入訊息開始，依據活動圖的動 作轉換順序一一繪出訊息，如上述圖例。
13-2-4 直接從強韌圖建立循序圖 - 步驟三
Step 3 ：從動作者送出的第 2 個選擇租片查詢訊息開始， 依據活動圖的動作轉換順序繪出傳送的訊息，如下圖所示 ：
13-2-4 直接從強韌圖建立循序圖 - 步驟四
Step 4 ：從動作者送出的第 3 個設定查詢條件訊息開始， 依據活動圖的動作轉換順序繪出傳送的訊息，如下圖所示 ：
1325 使用互動塑模找出屬性與操作
-循序圖
在建立分析模型後，就可以使用互動塑模找出屬性與操作 ，從建立的循序圖或通訊圖找出分析類別的屬性與操作。 例如：在租片管理系統的【顯示客戶信用等級】使用案例 ，其循序圖如下圖所示：1325 使用互動塑模找出屬性與操作
-設計類別
從上述循序圖可以找出分析類別的屬性與操作來建立設計 類別，如下圖所示：
1325 使用互動塑模找出屬性與操作
-基本規則
從互動圖找出屬性和操作的基本規則，如下所示： 類別屬性 類別操作 邊界類別 從第 10-5-1 節使用案例主流 程活動圖的輸入或輸出註解 文字，可以找出邊界類別的 屬性 在循序圖中傳遞至邊界類別的 訊息，就是邊界類別的操作， 通常都是一些顯示介面的操作 控制類別 從循序圖傳遞訊息的參數可 以找到控制類別的屬性 在循序圖中傳遞至控制類別的訊息，就是控制類別的操作 實體類別 從第 10-5-1 節活動圖的註解 文字、使用案例規格和與實 體連接的控制類別中，可以 找出實體類別的屬性 在循序圖中傳遞至實體類別的 訊息，就是實體類別的操作， 通常都是一些資料存取的操作13-3 建立狀態機圖 - 說明
狀態機圖適合描述單一類別且跨越多個使用案例的行為變 換過程，在實務上，狀態機圖會搭配其他互動圖來描述類 別行為，我們並不會替每一類別都建立狀態機圖，只會針 對哪些需要描述物件整個生命周期的行為，才需要建立狀 態機圖來幫助我們了解到底是怎麼一回事。 一般來說，在模型中的每一物件都一定擁有狀態（ States ），狀態機圖可以表示在物件生命周期中，不同時間點的 狀態變更。如果物件是狀態控制物件（ State Controlled Object ），表示此物件在接收訊息後，就會因不同的狀態 而產生不同的行為，換句話說，我們需要針對模型中的狀 態控制物件建立狀態機圖。133 建立狀態機圖
-案例：銀行帳戶物件的狀態說明
銀行帳戶的餘額會因存款和提款事件而改變其值，依帳戶 餘額的金額大小，帳戶物件擁有：空帳戶、信用和負債三 種狀態，其狀態機圖如下圖所示：
13-4 設計模型的類別圖
13-4-1 建立設計模型類別圖的基本步驟 13-4-2 在設計模型加入集合類別
1341 建立設計模型類別圖的基本步驟
-範例 ( 分析模型 )
1341 建立設計模型類別圖的基本步驟
-範例 ( 通訊圖 )
1341 建立設計模型類別圖的基本步驟
-步驟一：加入類別操作 ( 找出訊息 )
類別操作可以從通訊圖中傳遞的訊息找出，在上述通訊圖 的三個類別所接收的訊息，可以分別轉換成類別操作，其 說明如下表所示： 類別 責任 訊息 代繳費用控制 處理代繳 代繳 ( 單號 ) 帳單 N/A 取得金額 (): 帳單金額 帳戶 維護餘額 扣款 ( 帳單金額 )1341 建立設計模型類別圖的基本步驟
-步驟一：加入類別操作 ( 更新類別圖 )
依據上表的訊 息說明，我們 可以將分析類 別的責任改為 類別操作，和 在類別加入從 訊息找到的操 作。1341 建立設計模型類別圖的基本步驟
-步驟二：加入類別屬性
對於通訊圖中傳 遞的訊息參數， 我們需要考量是 否需要加入類別 ，例如：【代繳 費用控制】類別 接收的訊息有【 單號】參數，我 們應該在此類別 新增【代繳單 號】屬性，如右 圖所示：1341 建立設計模型類別圖的基本步驟
-步驟三：決定資料型態
對於類別的屬 性，我們需要 進一步決定其 資料型態，如 果屬性有初值 ，也應該一併 指定。例如： 【帳戶】類別 的餘額屬性為 double 型態， 其初值為 0.0 。1341 建立設計模型類別圖的基本步驟
-步驟四：決定能見度
在類別的 屬性和操 作都需要 決定其能 見度 （ Visibility ），如右 圖所示：1341 建立設計模型類別圖的基本步驟
-步驟五：加入類別關係
類別關係 包含：結 合關係、 聚合關係 、組合關 係和一般 關係。1342 在設計模型加入集合類別
-集合物件的基礎
集合物件（ Collections ）可以視為是一個容器， 其儲存的內容是物件，能夠儲存不定數量的物件 ，並且提供相關方法來新增、刪除和取出儲存的 物件元素。 事實上，集合物件就是物件導向程式的資料結構 ，這是實作 UML 類別圖中一對多和多對多類別關 係（ Relationships ）的最佳選擇。在 Java 平台最 常使用的是 Vector 、 ArrayList 和 Hashtable 等物件 。1342 在設計模型加入集合類別
-在一對多關係加入集合類別
現在，我們就可以在【客戶】類別加上【帳戶清單】屬性 來實作一對多的類別關係，和新增帳戶的操作，並且將它 改為單向結合關係，如下圖所示：
13-5 物件設計：類別正規化
13-5-1 第一階物件正規化型式 13-5-2 第二階物件正規化型式 13-5-3 第三階物件正規化型式135 物件設計：類別正規化
-說明
類別正規化（ Class Normalization ）是一個重組物 件內部結構的過程，讓我們可以重新調整物件屬 性和操作的結構來提高內聚力和降低耦合度，簡 單的說，就是幫助我們建立良好的設計類別。 不過，在實作上我們更少採用類別正規化來建立 良好的設計類別，因為它和第 14 章設計樣式 （ Desgin Patterns ）在功能上是重疊的，但是， 類別正規化的觀念十分重要，因為它是讀者進入 物件設計（ Object Design ）學習設計樣式的重要 橋樑。135 物件設計：類別正規化
-三個階段
如同資料庫設計理論的資料表正規化，類別正規 化基本上也分為三個階段，如下所示：
• 第一階物件正規化型式（ First Object Normal Form ， 1ONF ）。
• 第二階物件正規化型式（ Second Object Normal Form ， 2ONF ）。
• 第三階物件正規化型式（ Third Object Normal Form ， 3ONF ）。
1351 第一階物件正規化型式
-說明
第一階物件正規化型式是針對類別中集合物件的 屬性，如果類別擁有集合物件的屬性，此屬性的 相關操作只能針對集合物件本身，不能是其儲存 的元素，否則會造成重複的群組操作。 當設計模型符合 1ONF ，表示在模型中的所有類 別都符合 1ONF 。1351 第一階物件正規化型式
-範例 ( 不符合 1ONF )
例如：【學生】類 別，如下圖所示：
1351 第一階物件正規化型式
-範例 ( 符合 1ONF )
1ONF 的作法是將屬於集合物件元素的相關操作切割成另 一個【研討會】類別，如下圖所示：
1352 第二階物件正規化型式
-說明
第二階物件正規化型式是針對類別中多個群組屬 性共用同一組操作的情況（將分屬多個觀念的群 組屬性放在同一個類別），當更改其中一個屬性 時，我們需要更改所有相同屬性值的物件。1352 第二階物件正規化型式
-範例 ( 不符合 2ONF )
例如：更改【 研討會】類別 的【課程名 稱】或【教授 姓名】屬性， 我們需要更改 所有屬於同一 個課程名稱或 教授姓名的研 討會物件，如 右圖所示：1352 第二階物件正規化型式
-範例 ( 符合 2ONF )
我們可以將分屬不同觀念的群組屬性一一分割成類別，建 立出符合 2ONF 的類別，如下圖所示：
