面向对象编程中软件组件复用的主动编程策略

### 面向对象编程中软件组件复用的主动编程策略 在软件开发领域，面向对象编程（OOP）因其软件组件复用的潜力而备受关注。然而，目前我们对组件复用的过程了解甚少，本文将通过对有经验的Smalltalk程序员的研究，探讨软件复用的策略以及示例在其中的作用。 #### 1. 软件复用的背景与需求 面向对象编程语言的一个关键吸引力在于其软件组件复用的潜力。一个设计良好的对象类定义了封装的状态和行为，可以“插入”到目标应用程序中以满足某些功能需求，就像“软件集成电路”一样。尽管这种潜力大多只是被提及，但有关面向对象语言代码复用优势的实证证据正在逐渐出现。 程序员在为当前项目招募现有软件组件时，通常需要完成两个基本任务： - **识别候选组件**：如果组件是自己生成的或程序员已经熟悉的，识别过程可能很简单。但在大多数情况下，程序员对组件了解甚少，随着组件库规模的增加，定位新功能的难度也相应增加。研究人员已经开始应用各种分类和信息检索技术来解决在大型类库中定位未知功能的难题。 - **将组件集成到项目中**：如果组件是自己生成的或已经熟悉的，集成过程会简化。但对于不熟悉的组件，程序员必须进行某种形式的分析，确定组件的功能以及如何满足当前需求，然后设计和实现提取所需功能的代码。从程序员的角度来看，理解如何使用组件所花费的时间和精力必须少于重新构建组件本身。 #### 2. 复用实验的设置 研究选取了四位有经验的Smalltalk程序员，他们都有超过两年的Smalltalk编程经验和超过10年的一般编程经验，并且都参与过Smalltalk用户界面开发。每位程序员在两个独立的会话中完成了两个复用项目，这些项目近似于他们在正常工作环境中的应用程序原型设计活动。 在每个会话开始时，程序员会收到简要的说明，描述要增强的应用程序以及要复用的类。随后，他们会接受大约20分钟的应用程序介绍，包括主要应用程序类的层次视图、应用程序对象及其连接的设计图、典型交互场景的描述以及代码的全面讲解。在复用任务期间，程序员在标准的Smalltalk环境中按自己的节奏工作，实验人员会做笔记并录制编程活动的视频。 #### 3. 具体复用项目介绍 ##### 3.1 颜色混合器项目 - **项目描述**：颜色混合器将用户输入的RGB值转换为自定义颜色，并将这些颜色存储在命名颜色数据库中。原始应用程序有红、绿、蓝三个按钮，点击按钮会弹出对话框，用户可以输入整数来操作颜色组件。 - **复用任务**：程序员的任务是用水平滑块替换按钮 + 对话框的输入方式。他们只知道要使用新类HorizSliderPane，但对滑块的外观和功能一无所知。 - **示例应用**：类库中包含一个使用HorizSliderPane的示例应用——足球分析程序，其中五个滑块用于操作防守球员的特征，并在单独的窗格中绘制预测结果。 以下是颜色混合器项目涉及的主要类及其方法数量： | 类名 | 方法数量（自有） | 继承方法数量 | | --- | --- | --- | | ColorMixer | 6 - 54 | 118 - 338 | | ColorMixWindow | 6 - 54 | 118 - 338 | | Buttonpane | 6 - 54 | 118 - 338 | | ListPane | 6 - 54 | 118 - 338 | | GraphPane | 6 - 54 | 118 - 338 | | Dictionary | 6 - 54 | 118 - 338 | ##### 3.2 图书馆项目 - **项目描述**：图书馆采购应用程序管理书籍类别的分层集合，用户可以通过选择列表项和菜单选项来操作类别，如添加、删除、重命名类别以及浏览和编辑采购信息。 - **复用任务**：程序员需要使用新类HierarchyPane来增强该项目，同样对该类的外观和功能一无所知。 - **示例应用**：类层次结构中包含一个使用HierarchyPane的示例——组织图，其中节点对应员工，用户可以添加、命名、重新分配员工并给出项目描述。 以下是图书馆项目涉及的主要类及其方法数量： | 类名 | 方法数量（自有） | 继承方法数量 | | --- | --- | --- | | Library | 4 - 54 | 118 - 319 | | NetworkNode | 4 - 54 | 118 - 319 | | Listpane | 4 - 54 | 118 - 319 | | NetworkConnection | 4 - 54 | 118 - 319 | | LibraryWindow | 4 - 54 | 118 - 319 | #### 4. 复用“使用方式”的策略 在大多数关于面向对象系统组件复用的讨论中，焦点通常集中在被复用的类上。但研究观察表明，这种对组件的关注可能过于简化。程序员为了直接复用组件，需要停止手头的项目并花费时间分析和思考目标类。这些程序员更关注最终目标，因此他们积极利用环境中的所有资源，立即开始编程，通过复用“使用方式”间接复用组件。 具体来说，复用编程的主要实体不是目标类，而是该类的示例应用程序。程序员会找到并复用示例应用程序中体现的组件复用模式。尽管程序员对大量借用示例的做法有复杂的感受，认为这可能不是“正确”的复用方式，但在实验结束时的询问中，他们表示在Smalltalk应用程序原型设计中经常使用这种策略。 Smalltalk通过其“senders”查询为识别和复用示例使用上下文提供了明确的支持。所有程序员都早期且多次使用了“senders”查询，并能够辨别目标类定义的各种消息，只对更重要的方法查询发送者。 #### 5. 复用示例代码的具体方式 ##### 5.1 复制代码片段 程序员最常见的复用方式是借用作为目标类接口的代码，包括从方法中复制的代码块和整个方法。例如，所有程序员都从示例应用程序的openon:方法中借用代码，该方法负责创建和初始化窗口及子窗格，定义它们的图形和行为特征。在Smalltalk中，子窗格的实例化通常很复杂，复制实例化代码片段（8 - 15行代码）可以节省确定新子窗格初始化方式的时间。 ##### 5.2 将借用代码作为功能规范 有时，借用的代码本身不能直接复用，而是作为功能规范使用。在颜色混合器项目中处理滑块事件时，程序员从足球程序中复制了sliderActive:方法。该方法有三个功能：处理鼠标活动、更新球员特征和绘制预测性能。在颜色混合器项目中，只有第一个功能可以直接复用，但程序员能够将该代码理解为自己版本中需要完成的任务规范。 ##### 5.3 复用自己刚完成的代码 在少数情况下，借用的代码来自程序员自己刚完成的工作。例如，在颜色混合器项目中，程序员先开发一个滑块的代码，然后基于该代码实现另外两个滑块。在这种情况下，程序员确切知道需要更改的内容，“编程”工作只是进行物理编辑。 #### 6. 复制/编辑策略的优缺点 ##### 6.1 优点 - **节省时间**：减少了程序员的打字量，帮助确保代码细节（如行分隔符的位置）正确。 - **减轻分析负担**：避免了对目标类进行深入分析以生成特定使用场景的正确协议，从而实现快速编程进展。对于借用协议的许多部分，程序员知道需要编辑的代码部分以及如何进行编辑。 ##### 6.2 缺点 - **对协议理解不足**：由于对目标类协议了解不够，可能会导致问题。例如，在颜色混合器项目中，程序员复制了足球程序中滑块的初始化代码，但对滑块协议了解不足，无法确定某个属性是否是滑块正常运行的先决条件以及合理的起始值，只能猜测，这导致滑块的初始位置与起始颜色不匹配。 - **与项目设计冲突**：示例建议的组件接口可能与当前项目的设计冲突。在足球程序中，所有滑块的活动由一个方法处理，但在颜色混合器项目中，程序员发现这种方式在区分不同滑块实例时会有问题，因此决定采用更熟悉的原始用户界面按钮模型，开发了三个单独的滑块活动方法。 综上所述，通过对这些有经验的Smalltalk程序员复用行为的研究，我们可以看到示例在软件复用中扮演着重要的角色，但也存在一些问题需要解决。未来的研究可以进一步探讨如何更好地利用示例来支持软件复用，以及如何改进复用文档和工具以提高复用效率。 ### 面向对象编程中软件组件复用的主动编程策略 #### 7. 对复用文档和工具支持的启示 从本次研究中可以看出，当前的复用情况存在一些可以改进的地方，这对复用文档和工具支持提出了新的要求。 ##### 7.1 复用文档的改进方向 目前对于如何记录用于复用的代码，研究才刚刚起步。但从程序员的角度来看，复用文档需要满足以下要求： - **简洁易懂**：理解如何使用组件的时间和精力要远小于重新构建组件。例如，文档应该以清晰的方式说明组件的功能、输入输出参数以及使用示例。 - **结合示例**：示例在复用过程中起着关键作用，复用文档应包含丰富的示例，展示组件在不同场景下的使用方式。可以参考本次研究中示例应用的形式，为程序员提供具体的复用模式。 - **解释协议**：对于组件的协议，如方法的调用顺序、参数的含义等，文档要进行详细解释，以减少程序员因对协议理解不足而产生的问题。 ##### 7.2 工具支持的改进方向 - **增强示例识别功能**：虽然Smalltalk的“senders”查询提供了一定的示例识别支持，但可以进一步改进。例如，开发更智能的工具，能够自动分析示例应用与当前项目的相关性，并为程序员推荐最适合的示例。 - **提供协议分析工具**：帮助程序员理解组件的协议，例如通过可视化的方式展示方法之间的调用关系、参数的传递过程等，减少程序员对协议的猜测和误解。 - **支持代码修改提示**：当示例代码与当前项目设计冲突时，工具可以提供修改建议，帮助程序员快速调整代码以适应项目需求。 #### 8. 复用策略的流程图分析 下面是一个复用过程的mermaid流程图，展示了程序员在复用组件时的主要步骤： ```mermaid graph TD; A[开始复用任务] --> B[识别候选组件]; B --> C{组件是否熟悉}; C -- 是 --> D[直接集成组件]; C -- 否 --> E[使用“senders”查询示例]; E --> F[找到示例应用]; F --> G[复用示例中的代码模式]; G --> H{示例代码是否直接可用}; H -- 是 --> I[复制代码到项目]; H -- 否 --> J[将代码作为功能规范分析]; J --> K[根据规范编写代码]; I --> L[调整代码以适应项目]; K --> L; L --> M[完成组件集成]; D --> M; ``` 从这个流程图可以看出，复用过程并不是简单地直接使用组件，而是一个结合示例分析和代码调整的复杂过程。程序员在面对不熟悉的组件时，通过示例来间接复用组件是一种常见且有效的策略。 #### 9. 总结与展望 本次研究通过对四位有经验的Smalltalk程序员的复用任务进行观察和分析，揭示了软件复用过程中的一些关键策略和问题。 ##### 9.1 主要发现总结 - **复用“使用方式”**：程序员更倾向于通过复用示例应用中的组件使用模式来间接复用组件，而不是直接分析目标类。 - **示例的重要性**：示例在复用过程中扮演着核心角色，尽管程序员对大量借用示例有保留意见，但在实际工作中经常使用这种策略。 - **复制/编辑策略的利弊**：复制和编辑示例代码可以提高编程效率，但也可能因对协议理解不足和与项目设计冲突而产生问题。 ##### 9.2 未来研究方向 - **优化复用文档**：进一步研究如何创建更有效的复用文档，结合示例和详细的协议解释，帮助程序员更好地理解和使用组件。 - **改进工具支持**：开发更智能的工具，增强示例识别、协议分析和代码修改提示等功能，提高复用效率。 - **探索新的复用策略**：研究是否存在其他更有效的复用策略，以满足不断增长的软件复用需求。 在软件开发领域，软件复用是提高开发效率和质量的重要手段。通过深入理解程序员在复用过程中的策略和需求，我们可以不断改进复用文档和工具支持，推动软件复用技术的发展。希望未来的研究能够为软件开发者提供更强大的复用支持，使软件复用变得更加高效和可靠。