軟件體系結(jié)構(gòu)KWIC實驗

1、 軟件體系結(jié)構(gòu) 實驗：軟件體系結(jié)構(gòu)風格之應(yīng)用 一、實驗?zāi)康?通過 KWIC 實例分析，理解和掌握軟件體系結(jié)構(gòu)風格設(shè)計與實現(xiàn)。 二、實驗內(nèi)容 多種軟件風格設(shè)計與實現(xiàn)之 KWIC 實例 ： 1采用主/子程序體系結(jié)構(gòu)風格實現(xiàn) KWIC 關(guān)鍵詞索引系統(tǒng) 2采用面向?qū)ο篌w系架構(gòu)風格實現(xiàn) KWIC 關(guān)鍵詞索引系統(tǒng) 3采用管道過濾體系架構(gòu)風格實現(xiàn) KWIC 關(guān)鍵詞索引系統(tǒng) 4采用事件過程調(diào)用體系架構(gòu)風格實現(xiàn) KWIC 關(guān)鍵詞索引系統(tǒng) 三、實驗要求與實驗環(huán)境 熟練掌握基于主/子程序體系結(jié)構(gòu)風格的 KWIC 關(guān)鍵詞索引系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，完成基于面向?qū)ο篌w系架構(gòu)風格的 KWIC 關(guān)鍵詞索引系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)。選做基于

2、管道過濾體系架構(gòu)風格的 KWIC 關(guān)鍵詞索引系統(tǒng)；選做基于事件過程調(diào)用體系架構(gòu)風格的 KWIC 關(guān)鍵詞索引系統(tǒng)。 實驗課前完成實驗報告的實驗?zāi)康?、實驗環(huán)境、實驗內(nèi)容、實驗操作過程等內(nèi)容；實驗課中獨立/團隊操作完成實驗報告的實驗操作、實驗結(jié)果及結(jié)論等內(nèi)容；每人一臺 PC 機，所需軟件 Win2003/XP 、 UML 工具（ EclipseUML/ Rose/Visio/StartUML/）、Eclipse/MyEclipse、JDK6.0 等。 四、實驗操作 1、采用主/子程序體系結(jié)構(gòu)風格實現(xiàn) KWIC 關(guān)鍵詞索引系統(tǒng) 主程序/子程序風格（Main Program/Subroutine Sty

3、le）將系統(tǒng)組織成層次結(jié)構(gòu)，包括一個主程序和一系列子程序。主程序是系統(tǒng)的控制器，負責調(diào)度各子程序的執(zhí)行。各子程序又是一個局部的控制器，調(diào)度其子程序的執(zhí)行。 設(shè)計詞匯表： 主程序 main(), 子程序 shift(), sort() 方法，方法的調(diào)用，返回構(gòu)件和連接件類型： 構(gòu)件：各類子程序，如 shift(),sort() 連接件：方法的調(diào)用基本的計算模型： 子程序有 shift(), sort()方法，shift() 對單詞進行移位，sort()方法對單詞進行排序 風格的基本不變性： 主程序有順序地調(diào)用子程序，單線程控制。 KWIC 的主/子程序體系結(jié)構(gòu)風格示意圖如下所示： 主程序/子程序

4、風格的重要設(shè)計決策與約束有： 基于聲明-使用（程序調(diào)用）關(guān)系建立連接件，以層次分解的方式建立系統(tǒng)部件，共同組成層次結(jié)構(gòu)。 每一個上層部件可以“使用”下層部件，但下層部件不能“使用”上層部件，即不允許逆方向調(diào)用。 系統(tǒng)應(yīng)該是單線程執(zhí)行。主程序部件擁有最初的執(zhí)行控制權(quán)，并在“使用”中將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給下層子程序。 子程序只能夠通過上層轉(zhuǎn)移來獲得控制權(quán)，可以在執(zhí)行中將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給下層的子子程序，并在自身執(zhí)行完成之后必須將控制權(quán)還交給上層部件。 KWIC 主程序/子程序風格的 Java 語言實現(xiàn)見附件。 主程序/子程序風格的主要實現(xiàn)機制是模塊實現(xiàn)，它將每個子程序都實現(xiàn)為一個模塊，主程序?qū)崿F(xiàn)為整個系統(tǒng)的起始

5、模塊。依照抽象規(guī)格的層次關(guān)系，實現(xiàn)模塊也被組織為相應(yīng)的層次機構(gòu)，通過導(dǎo)入/導(dǎo)出關(guān)系相連接。 需要強調(diào)的是，雖然主程序/子程序風格非常類似于結(jié)構(gòu)化程序的結(jié)構(gòu)，但是主程序/子程序風格是基于部件與連接件建立的高層結(jié)構(gòu)。它的部件不同于程序，而是更加粗粒度的模塊。而且，在部件的實現(xiàn)模塊內(nèi)部，可以使用結(jié)構(gòu)化方法，也可以使用面向?qū)ο蠓椒?，這并不妨礙整個系統(tǒng)的高層結(jié)構(gòu)符合主程序/子程序風格的約定。 主程序/子程序風格的優(yōu)點有： 流程清晰，易于理解。強控制性。嚴格的層次分解和嚴格的控制權(quán)轉(zhuǎn)移使得主程序/子程序風格對程序的實際執(zhí)行過程具備很強的控制能力，這帶來了一個特點：如果一個子程序所連接的子子程序是正確的，那

6、么就很容易保證該子程序的“正確性”。所以，主程序/子程序風格比其他常見風格更能控制程序的“正確性”。 2、采用面向?qū)ο篌w系結(jié)構(gòu)風格實現(xiàn) KWIC 關(guān)鍵詞索引系統(tǒng) 面向?qū)ο笫斤L格，需要強調(diào)說明的是它的“對象”是部件，屬于高層結(jié)構(gòu)的元素，雖然名稱相同，但它并不是面向?qū)ο蠓椒ㄖ兴龅摹皩ο蟆睂嶓w?！懊嫦?qū)ο笫健憋L格的命名是因為它借鑒了面向?qū)ο蠓椒ǖ乃枷耄皇且驗樗褂妹嫦驅(qū)ο蠓椒▽崿F(xiàn)體系結(jié)構(gòu)，這也是在該風格名稱中有一個“式”字的原因。 面向?qū)ο笫斤L格的主要實現(xiàn)機制是模塊實現(xiàn)，它將每個對象部件實例都實現(xiàn)為一個模塊。存在連接的對象部件實例之間會存在模塊的導(dǎo)入/導(dǎo)出關(guān)系。 每個模塊內(nèi)部可以是基于面向?qū)ο?/p>

7、方法的實現(xiàn)，也可以是基于結(jié)構(gòu)化方法的實現(xiàn)。 設(shè)計詞匯表： (1) input, output, shift, sort, main 類 (2) shift, sort, output 對象 (3) 對象間的消息傳遞構(gòu)件和連接件類型： (1) 構(gòu)件類型：對象 (2) 連接件的類型：為對象間的消息傳遞 KWIC 的面向?qū)ο蟪绦蝮w系結(jié)構(gòu)風格示意圖如下所示： 基本的計算模型： Input 模塊從文本文件 input.txt 中一行一行讀取單 Shift 模塊用于將單詞移位。 Sort 模塊將單詞進行排序。 Output 模塊將最終結(jié)果寫到文本文件 output.txt 中 KWIC 面向?qū)ο箫L格的 J

8、ava 語言實現(xiàn)見附件。 面向?qū)ο笫斤L格的優(yōu)點有： 內(nèi)部實現(xiàn)的可修改性。因為面向?qū)ο笫斤L格要求封裝內(nèi)部數(shù)據(jù)，隱藏內(nèi)部實現(xiàn)，所以它可以在不影響外界的情況下，變更其內(nèi)部實現(xiàn)。 易開發(fā)、易理解、易復(fù)用的結(jié)構(gòu)組織。面向?qū)ο笫斤L格將系統(tǒng)組織為一系列平等、自治的單位，每個單位負責自身的“正確性”，不同單位之間僅僅是通過方法調(diào)用相連接，這非常契合模塊化思想，能夠建立一個易開發(fā)、易理解、易復(fù)用的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。 3、采用管道和過濾器體系結(jié)構(gòu)風格實現(xiàn) KWIC 關(guān)鍵詞索引系統(tǒng) 管道-過濾器風格將系統(tǒng)的功能邏輯建立為部件集合。每個部件實例完成一個對數(shù)據(jù)流的獨立功能處理，它接收數(shù)據(jù)流輸入，進行轉(zhuǎn)換和增量后進行數(shù)據(jù)流輸出。

9、連接件是管道機制，它將前一個過濾器的數(shù)據(jù)流輸出傳遞給后一個過濾器作為數(shù)據(jù)流輸入。連接件也可能會進行數(shù)據(jù)流的功能處理，進行轉(zhuǎn)換或增量，但連接件進行功能處理的目的為了適配前一個過濾器的輸出和后一個過濾器的輸入，而不是為了直接承載軟件系統(tǒng)的需求。 各個過濾器可以并發(fā)執(zhí)行。每個過濾器都可以在數(shù)據(jù)輸入不完備的情況下就開始進行處理，每次接到一部分數(shù)據(jù)流輸入就處理和產(chǎn)生一部分輸出。這樣，整個的過濾器網(wǎng)絡(luò)就形成了一條流水線。 設(shè)計詞匯表： Pipe, Filter 構(gòu)件和連接件類型構(gòu)件：Filter 連接件：Pipe KWIC 的管道過濾器體系結(jié)構(gòu)風格示意圖如下所示： input output Shiftin

10、g sorting Input medium Filter Pipe System I/O 基本的計算模型： 過濾器讀管道輸出流，過濾器寫管道輸入流，過濾器通過對輸入流的增量計算來完成 風格的基本不變性： 過濾器是獨立的實體，它們之間通過管道傳遞數(shù)據(jù) 管道-過濾器風格可以為所有過濾器部件實例建立模塊實現(xiàn)，每個過濾器部件實例被實 現(xiàn)為一個單獨的模塊，可以為所有簡單的管道連接件建立一個通用的模塊實現(xiàn)，為每個復(fù)雜的管道連接件建立一個單獨的模塊實現(xiàn)，相關(guān)聯(lián)過濾器部件的實現(xiàn)模塊要導(dǎo)入管道實現(xiàn)模塊。 因為管道-過濾器風格需要并發(fā)執(zhí)行，所以管道-過濾器風格需要為所有過濾器部件實例和復(fù)雜連接件實例建立進程實現(xiàn)

11、，每個過濾器部件實例和復(fù)雜連接件實例被實現(xiàn)為一個進程。 如果操作系統(tǒng)能夠提供管道機制，那么進程實現(xiàn)時的簡單管道可以利用操作系統(tǒng)提供的機制來實現(xiàn)。此時，所有的實現(xiàn)進程都需要部署在同一個物理節(jié)點。 如果有中間件平臺能夠提供管道機制，那么進程實現(xiàn)時的簡單管道可以利用中間件平臺提供的機制來實現(xiàn)。此時，各個實現(xiàn)進程可以被部署在不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。 KWIC 基于管道過濾器風格的 JAVA 語言實現(xiàn)見附件。 實驗結(jié)果：輸入文件： 輸出文件： 五、實驗總結(jié) 通過本次實驗認識到軟件體系結(jié)構(gòu)風格是描述某一特定應(yīng)用領(lǐng)域中系統(tǒng)組織方式的慣用模式。軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個核心問題是能否使用重復(fù)的體系結(jié)構(gòu)模式，即能達到體系結(jié)

12、構(gòu)級的軟件重用。也就是說，能否在不同的軟件系統(tǒng)中，使用同一體系結(jié)構(gòu)。 主/子程序體系結(jié)構(gòu)風格、面向?qū)ο篌w系架構(gòu)風格、管道過濾體系架構(gòu)風格、用事件過程調(diào)用體系架構(gòu)風格是四種常用的軟件體系結(jié)構(gòu)風格，對于實現(xiàn)同一種功能的軟件可以分別采用以上的這四種風格。在建立體系結(jié)構(gòu)過程中，不斷明確設(shè)計詞匯表、構(gòu)建和連接件的類型、可容許的結(jié)構(gòu)模式、基本的計算類型、風格的基本不變形、常用例子、優(yōu)缺點。通過明確這些問題，可以理解一種體系結(jié)構(gòu)的基本特征，從而為實現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)重用提供可能。 通過對 KWIC 進行建模和實現(xiàn)，讓我動手把簡單的軟件體系結(jié)構(gòu)代碼實現(xiàn)，在程序里體現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的基本思想，拓展了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本知識，將軟件

13、設(shè)計思想體現(xiàn)在編碼環(huán)節(jié)，為以后的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計提供基礎(chǔ)。 KWIC 主程序/子程序風格的 Java 語言實現(xiàn)： public static void alphabetize() String tmpArray = new StringshiftedLineIndexes.size(); shiftedLineIndexes.toArray(tmpArray); Arrays.sort(tmpArray); sortedLineIndexes=tmpArray; public static void Output(String outputAddress) FileWriter fw = null

14、; try fw = new FileWriter(outputAddress); catch (IOException e) / TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); BufferedWriter bw=new BufferedWriter(fw); for(int i=0;isortedLineIndexes.length;i+) try bw.write(sortedLineIndexesi); bw.newLine(); catch (IOException e) / TODO Auto-generated catch

15、 block e.printStackTrace(); try bw.close(); catch (IOException e) / TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); public static void Input(String iFile) FileReader fr=null; try fr=new FileReader(iFile); catch (FileNotFoundException e) e.printStackTrace(); BufferedReader br=new BufferedReader(

16、fr); textLines=new ArrayList(); try while(br.ready() textLines.add(br.readLine(); catch (IOException e) e.printStackTrace(); public static void CircularShift() shiftedLineIndexes=new ArrayList(); for(int i=0;itextLines.size();i+) String orinLine=textLines.get(i); String sarray=orinLine.split( ); for

17、(int j=0;j1) if(j=sarray.length-1) for(int k=0;k(sarray.length-1);k+) newLine=newLine+ +sarrayk; else for(int k=j+1;ksarray.length;k+) newLine=newLine+ +sarrayk; for(int m=0;mj;m+) newLine=newLine+ +sarraym; shiftedLineIndexes.add(newLine); KWIC 面向?qū)ο箫L格的 Java 語言實現(xiàn)： /InputStore.java import java.io.Buf

18、feredReader; import java.io.FileNotFoundException; import java.io.FileReader; import java.io.IOException; import java.util.ArrayList; public class InputStore public ArrayList ls; public InputStore(ArrayList ls) this.ls=ls; public void input(String inputFile) FileReader fr=null; try fr=new FileReader

19、(inputFile); catch (FileNotFoundException e) / TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); BufferedReader br=new BufferedReader(fr); try while(br.ready() ls.add(br.readLine(); catch (IOException e) / TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); /Output.java import java.io.BufferedWr

20、iter; import java.io.FileWriter; import java.io.IOException; import java.util.ArrayList; public class Output public ArrayList ls; public Output(ArrayList ls) this.ls=ls; public void output(String outputAddress) FileWriter fw = null; try fw = new FileWriter(outputAddress); catch (IOException e) / TOD

21、O Auto-generated catch block e.printStackTrace(); BufferedWriter bw=new BufferedWriter(fw); for(int i=0;ils.size();i+) try bw.write(ls.get(i); bw.newLine(); catch (IOException e) / TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); try bw.close(); catch (IOException e) / TODO Auto-generated catch

22、block e.printStackTrace(); /Alphabetizer.java import java.util.ArrayList; import java.util.Arrays; public class Alphabetizer public ArrayList ls; public Alphabetizer(ArrayList ls) this.ls=ls; public void alpha() String tmpArray = new Stringls.size(); ls.toArray(tmpArray); Arrays.sort(tmpArray); for(

23、int i=0;ils.size();i+) ls.set(i, tmpArrayi); /CircularShifter.java import java.util.ArrayList; public class CircularShifter public ArrayList ls; public CircularShifter(ArrayList ls) this.ls=ls; public void shift() ArrayList shiftedLineIndexes=new ArrayList(); for(int i=0;ils.size();i+) String orinLi

24、ne=ls.get(i); String sarray=orinLine.split( ); for(int j=0;j1) if(j=sarray.length-1) for(int k=0;k(sarray.length-1);k+) newLine=newLine+ +sarrayk; else for(int k=j+1;ksarray.length;k+) newLine=newLine+ +sarrayk; for(int m=0;mj;m+) newLine=newLine+ +sarraym; shiftedLineIndexes.add(newLine); ls=shifte

25、dLineIndexes; /Main.java import java.util.ArrayList; public class Main public static void main(String args) / TODO Auto-generated method stub ArrayListls=new ArrayList(); InputStore inputStore=new InputStore(ls); inputStore.input(input.txt); CircularShifter cs=new CircularShifter(ls); cs.shift(); Al

26、phabetizer alp=new Alphabetizer(cs.ls); alp.alpha(); Output output=new Output(alp.ls); output.output(output.txt); KWIC 基于管道過濾器風格的 JAVA 語言實現(xiàn) /Main類 package kwic_pipe; import java.io.File; import java.util.Scanner; public class Main public static void main(String args) File infile = new File(e:mykwic_

27、in.txt); File outfile = new File(e:mykwic_out.txt); Scanner inputfile; Scanner outputfile; try inputfile = new Scanner(infile); outputfile = new Scanner(outfile); / 定義三個管道 Pipe pipe1 = new Pipe(); Pipe pipe2 = new Pipe(); Pipe pipe3 = new Pipe(); / 定義四種過濾器 Input input = new Input(infile, pipe1); Shi

28、ft shift = new Shift(pipe1, pipe2); Output output = new Output(pipe3, outfile); / 啟動四種過濾器的線程 input.transform() shift. transform (); output. transform (); / 直接輸出結(jié)果 System.out.println(- infile -); String str = null; while (inputfile.hasNextLine() str = inputfile.nextLine(); System.out.println(str); Sy

29、stem.out.println(input end); Thread.sleep(3000); System.out.println(- outfile -); while (outputfile.hasNextLine() System.out.println(str); inputfile.close(); outputfile.close(); catch (Exception e) e.getMessage(); /Filter類 package kwic_pipe; import java.io.IOException; public abstract class Filter /

30、定義輸入管道 protected Pipe input; /定義輸出管道 protected Pipe output; private boolean isStart = false; Filter(Pipe input, Pipe output) this.input = input; this.output = output; / 防止多次調(diào)用，調(diào)用之后線程開始執(zhí)行 public void start() if(!isStart) isStart = true; Thread thread = new Thread(); thread.start(); /線程的 run 方法 public

31、 void run() try this.transform(); catch (IOException e) e.getMessage(); /將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所需數(shù)據(jù)并寫入輸出管道 /由子類實現(xiàn)抽象方法 protected abstract void transform()throws IOException; Pipe類 package kwic_pipe; import java.io.IOException; import java.io.PipedReader; import java.io.PipedWriter; import java.io.PrintWriter; impo

32、rt java.util.Scanner; public class Pipe /輸入管道 private Scanner pipereader; /輸出管道 private PrintWriter pipewriter; public Pipe() PipedWriter pw = new PipedWriter(); PipedReader pr = new PipedReader(); try pw.connect(pr); catch (IOException e) e.getMessage(); pipewriter = new PrintWriter(pw); pipereader

33、 = new Scanner(pr); /讀入一行數(shù)據(jù)到管道 /return 讀入的數(shù)據(jù) public String readerLine() throws IOException return pipereader.nextLine(); /從管道輸出一行數(shù)據(jù) public void writerLine(String strline) throws IOException pipewriter.println(strline); /將讀管道關(guān)閉，調(diào)用該方法后，不能再從管道中讀數(shù)據(jù) /如不能關(guān)閉則拋出異 public void closeReader() throws IOException

34、 pipereader.close(); /先刷新數(shù)據(jù)，在將寫管道關(guān)閉，調(diào)用該方法后，不能向管道中寫數(shù)據(jù) /如不能關(guān)閉則拋出異常 public void closeWriter() throws IOException pipewriter.flush(); pipewriter.close(); Alphabetizer類 package kwic_pipe; import java.io.IOException; import java.util.ArrayList; import java.util.Collections; public class Alphabetizer exten

35、ds Filter private ArrayList al = new ArrayList(); Alphabetizer(Pipe input, Pipe output) super(input, output); /對讀入的數(shù)據(jù)進行排序 protected void transform() throws IOException String templine = null; /讀入數(shù)據(jù) while(templine = input.readerLine() != null) al.add(templine); /按字母表排序 Collections.sort(al); /對排序后的數(shù)據(jù)進

36、行輸出 for(int i = 0; i al.size(); i+) output.writerLine(al.get(i); input.closeReader(); output.closeWriter(); Shift類 package kwic_pipe; import java.io.IOException; import java.util.ArrayList; public class Shift extends Filter /單詞的列表 private ArrayList wordlist = new ArrayList(); /重組后的行的列表 private Array

37、List linelist = new ArrayList(); Shift(Pipe input, Pipe output) super(input, output); Override protected void transform() throws IOException String templine = ; /讀數(shù)據(jù) while(templine = input.readerLine() != null) /將數(shù)據(jù)拆分為不同單詞 this.lineSplitWord(templine); /將單詞重組為句子 this.recombination(); /輸出重組結(jié)果 for(int

38、 i = 0; i linelist.size(); i+) output.writerLine(linelist.get(i); /清空wordlist、linelist和templine wordlist.clear(); linelist.clear(); templine = ; input.closeReader(); output.closeWriter(); /從一行中提取單詞存入單詞表中 private void lineSplitWord(String line) String word = ; int i = 0; while(i line.length() if(line.charAt(i) != ) word += line.charAt(i); else wordlist.add(word); i+; pr