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本节将论述评价模块设计优劣的三个特征因素：“信息隐藏”、“内聚与耦合”和“封闭——开放性”。
5。2。1 信息隐藏
在一节不和谐的课堂里，老师叹气道：“要是坐在后排聊天的同学能象中间打牌的同学那么安静，就不会影响到前排睡觉的同学。”
这个故事告诉我们，如果不想让坏事传播开来，就应该把坏事隐藏起来，“家丑不可外扬”就是这个道理。为了尽量避免某个模块的行为去干扰同一系统中的其它模块，在设计模块时就要注意信息隐藏。应该让模块仅仅公开必须要让外界知道的内容，而隐藏其它一切内容。
模块的信息隐藏可以通过接口设计来实现。一个模块仅提供有限个接口（Interface），执行模块的功能或与模块交流信息必须且只须通过调用公有接口来实现。如果模块是一个C＋＋对象，那么该模块的公有接口就对应于对象的公有函数。如果模块是一个COM对象，那么该模块的公有接口就是COM对象的接口。一个COM对象可以有多个接口，而每个接口实质上是一些函数的集合。＇Rogerson 1999＇
美国也许是世界上丑闻最多的国家，因为它追求民主，不懂得“隐藏信息”。但美国又是软件产业最发达的国家，模块化设计的方法都是美国人倡导的，他们应该很懂得“隐藏信息”。真是前后矛盾，这些美国佬！
5。2。2 内聚与耦合
内聚（Cohesion）是一个模块内部各成分之间相关联程度的度量。耦合（Coupling）是模块之间依赖程度的度量。内聚和耦合是密切相关的，与其它模块存在强耦合的模块通常意味着弱内聚，而强内聚的模块通常意味着与其它模块之间存在弱耦合。模块设计追求强内聚，弱耦合。
一、内聚强度
内聚按强度从低到高有以下几种类型：
（1）偶然内聚。如果一个模块的各成分之间毫无关系，则称为偶然内聚。
（2）逻辑内聚。几个逻辑上相关的功能被放在同一模块中，则称为逻辑内聚。如一个模块读取各种不同类型外设的输入。尽管逻辑内聚比偶然内聚合理一些，但逻辑内聚的模块各成分在功能上并无关系，即使局部功能的修改有时也会影响全局，因此这类模块的修改也比较困难。
（3）时间内聚。如果一个模块完成的功能必须在同一时间内执行（如系统初始化），但这些功能只是因为时间因素关联在一起，则称为时间内聚。
（4）过程内聚。如果一个模块内部的处理成分是相关的，而且这些处理必须以特定的次序执行，则称为过程内聚。
（5）通信内聚。如果一个模块的所有成分都操作同一数据集或生成同一数据集，则称为通信内聚。
（6）顺序内聚。如果一个模块的各个成分和同一个功能密切相关，而且一个成分的输出作为另一个成分的输入，则称为顺序内聚。
（7）功能内聚。模块的所有成分对于完成单一的功能都是必须的，则称为功能内聚。
二、耦合强度
耦合的强度依赖于以下几个因素：（1）一个模块对另一个模块的调用；（2）一个模块向另一个模块传递的数据量；（3）一个模块施加到另一个模块的控制的多少；（4）模块之间接口的复杂程度。
耦合按从强到弱的顺序可分为以下几种类型：
（1）内容耦合。当一个模块直接修改或操作另一个模块的数据；或者直接转入另一个模块时，就发生了内容耦合。此时，被修改的模块完全依赖于修改它的模块。
（2）公共耦合。两个以上的模块共同引用一个全局数据项就称为公共耦合。
（3）控制耦合。一个模块在界面上传递一个信号（如开关值、标志量等）控制另一个模块，接收信号的模块的动作根据信号值进行调整，称为控制耦合。
（4）标记耦合。模块间通过参数传递复杂的内部数据结构，称为标记耦合。此数据结构的变化将使相关的模块发生变化。
（5）数据耦合。模块间通过参数传递基本类型的数据，称为数据耦合。
（6）非直接耦合。模块间没有信息传递时，属于非直接耦合。
如果模块间必须存在耦合，就尽量使用数据耦合，少用控制耦合，限制公共耦合的范围，坚决避免使用内容耦合。
5。2。3 封闭——开放性
如果一个模块可以作为一个独立体被其它程序引用，则称模块具有封闭性。如果一个模块可以被扩充，则称模块具有开放性。
从字面上看，让模块具有“封闭——开放性”是矛盾的，但这种特征在软件开发过程中是客观存在的。当着手一个新问题时，我们很难一次性解决问题。应该先纵观问题的一些重要方面，同时作好以后补充的准备。因此让模块存在“开放性”并不是坏事情。“封闭性”也是需要的，因为我们不能等到完全掌握解决问题的信息后再把程序做成别人能用的模块。
模块的“封闭——开放性”实际上对应于软件质量因素中的可复用性和可扩充性。采用面向过程的方法进行程序设计，很难开发出既具有封闭性又具有开放性的模块。采用面向对象设计方法可以较好地解决这个问题。
5。3 数据结构与算法设计
学会设计数据结构与算法，可以让我们编写出高效率的程序。也许有人要问，在计算机速度日新月异的今天，为什么还需要高效率的程序？
因为我们的雄心与能力是一起增长的，技术进步最快也快不过人们欲望的增长。计算速度和存储容量上的革新仅仅提供了处理更复杂问题的有效工具，所以高效率的程序永远不会过时。
设计高效率的程序是基于良好的数据结构与算法，而不是基于编程小技巧。大多数计算机科学系在设置课程时，都重视学习基本的软件工程原理，以及数据结构与算法设计。
一般说来，数据结构与算法就是一类数据的表示及其相关的操作（这里算法不是指数值计算的算法）。从数据表示的观点来看，存储在数组中的一个有序整数表也是一种数据结构。算法是指对数据结构施加的一些操作，例如对一个线性表进行检索、插入、删除等操作。一个算法如果能在所要求的资源限制（Resource Constraints）范围内将问题解决好，则称这个算法是有效率（Efficient）的。例如一个资源限制可能是“用于存储数据的内存有限”，或者“允许执行每个子任务所需的时间有限”。一个算法如果比其它已知算法所需要的资源都少，这个算法也被称为是有效率的。算法的代价（Cost）是指消耗的资源量。一般说来，代价是由一个关键资源例如时间或空间来评估的。
毋庸置疑，人们编写程序是为了解决问题。只有通过预先分析问题来确定必须达到的性能目标，才有希望挑选出正确的数据结构。有相当多的程序员忽视了这一分析过程，而直接选用某一个他们习惯使用的，但是与问题不相称的数据结构，结果设计出一个低效率的程序。如果使用简单的设计就能够达到性能目标时，选用复杂的数据结构也是没有道理的。
人们对常用的数据结构与算法的研究已经相当透彻，可以归纳出一些设计原则：
（1）每一种数据结构与算法都有其时间、空间的开销和收益。当面临一个新的设计问题时，设计者要彻底地掌握怎样权衡时空开销和算法有效性的方法。这就需要懂得算法分析的原理，而且还需要了解所使用的物理介质的特性（例如，数据存储在磁盘上与存储在内存中，就有不同的考虑）。
（2）与开销和收益有关的是时间——空间的权衡。通常可以用更大的时间开销来换取空间的收益，反之亦然。时间——空间的权衡普遍地存在于软件开发的各个阶段中。
（3）程序员应该充分地了解一些常用的数据结构与算法，避免不必要的重复设计工作。
（4）数据结构与算法为应用服务。我们必须先了解应用的需求，再寻找或设计与实际应用相匹配的数据结构。＇Shaffer 1998＇
5。4 用 户 界 面 设 计
某个人总有办法让自己保持心情愉快、信心十足。有一天，他向一名围棋九段和一名乒乓球世界冠军挑战，结果他全胜了。因为他跟围棋九段打乒乓球，跟乒乓球冠军下围棋。用户界面的编程技术是人们熟悉得不得了的事，我决定讲一讲比较陌生的“用户界面设计美学”。
有位爱好书画的博士后请我欣赏钢琴演奏会。我从头到尾只听到“叮叮咚咚”的声音，实在享受不到“高雅”，就请这位朋友指点。他虽然也不懂钢琴，却从欣赏书法的角度设法解释如何欣赏音乐。可是我既不懂书法也不懂音乐，真是坐立不安。“美”似乎真的不可言传。我在读本科时，特别喜欢编写用户界面程序，并且常向同学演示、卖弄。我觉得还不过瘾，就写了一篇“用户界面设计美学”的短文＇林锐 1997＇。凡是路过我实验室的同学都被我逮住，被迫听完我得意之极的朗读，茫然者与痛苦者居多。不久我的朗读便所向披糜，闻声者逃之夭夭。现在我又把那篇短文摘录至此，请您忍着点吧。
5。4。1 界面设计中美的需求与导向作用
人们对美的向往和追求是与生俱有的。显然没有人愿意丑化自己的程序，也没有用户嗜好丑陋的界面。软件开发者要设计美，用户要享受美，所以界面的美是开发者与用户的共同需求。
界面美的概念很抽象，以致让人无法说清楚什么是界面的美。但它同时又很现实，以致人人都可以去欣赏和感受界面美，并且挑剔美中之不足。美学不是一种量化的学问，如果因此而轻视美学指导，必将导致在设计过程中光依赖程序员个人的经验与感觉。由于程序员接受的教育主要是如何使计算机完成工作，而不是人如何工作，因此仅靠程序员主观想象设计而成的界面往往得不到大众用户的认可。
美的界面能消除用户由感觉引起的乏味、紧张和疲劳（情绪低落），大大提高用户的工作效率，从而进一步为发挥用户技能和为用户完成任务作出贡献。从人机界面发展历史与趋势上可以看出人们对界面美的需求，以及美在界面设计中的导向作用。
界面设计已经经历了两个界限分明的时代。第一代是以文本为基础的简单交互，如常见的命令行，字符菜单等。由于第一代界面考虑人的因素太少，用户兴趣不高。随着技术的发展，出现了第二代直接操纵的界面。它大量使用图形、语音和其它交互媒介，充分地考虑了人对美的需求。直接操纵的界面使用视听、触摸等技术，让人可以凭借生活常识、经历和推理来操纵软件，愉快地完成任务。更高层次的界面甚至模拟了人的生活空间，例如虚拟现实环境。
界面的美充分体现了人机交互作用中人的特性与意图，越来越多的用户将通过具有吸引力而令人愉快的人机界面与计算机打交道。
5。4。2 界面美的内涵
本节从合适性、风格和广义美三个方面论述界面美的内涵。
一、界面的合适性
界面的合适性是指界面是否与软件功能相融洽。如果界面不适合于软件的功能，那么界面将毫无用处，界面美的内涵就无从谈起。所以界面的合适性是界面美的首要因素，它提醒设计者不要片面追求外观漂亮而导致失真或华而不实。界面的合适性既提倡外美内秀，又强调恰如其分。
合适性差的界面无疑会混淆软件意图，致使用户产生误解。即使它不损害软件功能与性能，也会使用户产生不该有的情绪波动。例如一些软件开发者喜欢为其作品加一段动画演示，以便吸引更多用户的关注。这本是无可非议的，问题在于这演示是否合情合理。如果运行一个程序，它首先表演一套复杂的动画，在后台演奏雄壮的进行曲，电闪雷鸣之后出来的却是一个普通的文本编辑器。整个过程让用户置身于云里雾里，而结果却让用户感到惊谔而不是惊喜。合适性差的界面只会给软件带来厄运。
二、界面的风格
界面的风格有两类，一是“一致性”，二是“个性化”。
商业应用软件的界面设计注重一致性。设计者必须密切注意在相同应用领域中最流行的软件的界面，必须尊重用户使用这些软件的习惯。例如商业软件习惯于设置F1键为帮助热键，如果某个设计者别出心裁地让F1键成为程序终止的热键，那么在用户渴望得到帮助而伸手击F1键的一刹那，他的工作就此完蛋。相信这个用户“一朝被蛇咬，十年怕井绳”。
目前流行的软件开发工具如Visual C＋＋、Visual Basic、Delphi、C＋＋ Builder、Power Builder等，都能够快速地开发出非常相似的图形用户界面。在Internet/Intranet领域，浏览器几乎成了唯一的客户机程序，因为用户希望用完全一致的软件来完成千变万化的应用任务。
在娱乐领域的软件中，有个性化的界面自然比泯然于众的界面更具有吸引力。一般说来，计算机专业人员玩过的软件不计其数。界面看多了，真有种“曾经沧海难为水”的感觉。不过当我看到一个叫Sonique的放音乐的软件时，不禁对其界面的创意啧啧称赞，忍不住象贴美女像那样把它贴到书中，如图5。7所示。
图5。7 Sonique软件的几种界面
人们经常搞不清楚什么情况下应该追求“一致性”或“个性化”。在大白天，当人们都穿戴整齐时，有些人喜欢只挂几片遮羞布。而当大家都赤条条地在共公浴室洗澡时，却也有人喜欢穿着衣服。
三、界面的广义美
尽管界面的美并没有增加软件的功能与性能，却又是必为可少的。用户使用界面时，除了直接的感官美感外，还有很大一部分美感是间接的，它们存在于人们的使用体验中，例如方便，实用等。与图形用户界面相比，命令行是最原始的界面，它难记又难看。但对于熟练的用户而言，他们乐于使用命令行以获得高效率。命令行因具有高效率而赢得了专业人士的喜爱，早期的Unix系统就是彻头彻尾的命令系统。可以说，一切有利于人机交互的界面设计因素都具有广义美。
界面设计的一些特殊考虑也体现了广义美，如设法使残障人也可以使用软件。IBM公司在1985年已经创建了残障人国家支持中心。Apple公司的专门教育办公室则提供了一些有利于残障人使用的计算机信息产品。
5。5 系统设计示例
——支持协同工作的交互式三维图形软件开发系统
本节论述“支持协同工作的交互式三维图形软件开发系统”的系统设计，作为本章的示例（ 取材于作者的博士论文工作＇林锐 2000＇）。
5。5。1 设计背景
图形标准在图形领域有着重要的地位，它不仅加速了3D应用程序的开发，而且使3D应用程序的可移植性更好。历史上曾出现的图形标准（或API）有Core、GKS、PHIGS、PEX、GL、Dore、RenderMan、Hoops、OpenGL等等。经过竞争与淘汰，目前OpenGL成为国际上公认的3D图形工业标准，在Unix与PC平台得到广泛应用。OpenGL提供了数百个库函数，可以方便地绘制具有真实感的3D图形。但是在开发交互式的3D图形应用程序时，图形的绘制只是一部分工作，更多的工作集中在场景数据结构、图形对象、三维交互和图形用户界面的设计上。
由于OpenGL与窗口系统无关，不提供任何交互手段，必须由程序员自己编写所有的交互功能。并且OpenGL 的编程接口是低级的C函数，不提供可复用的对象库或者应用程序框架，开发效率不高。为了克服这些困难，人们往往在图形标准之上再建立更高级的开发工具（3D Toolkit或3D Engine）。基于OpenGL的著名的开发工具有Open Inventor、IRIS Performer、Optimeizer/Cosmo3D以及GLUT等等。Open Inventor被誉为是交互式3D开发工具的“事实标准”，但显然没有一个3D开发工具能满足所有的应用需求，3D的广泛应用需要更多的开发工具支持。
随着计算机图形技术与网络技术的迅猛发展，两者的结合势在必行。在商业、科研、教育、娱乐等领域，用于分布式虚拟环境（Distributed Virtual Environments； DVEs）和计算机支持协同工作（Computer Supported Cooperative Work； CSCW）的图形系统已成为研究与应用的热点。著名的DVEs系统有DIVE、dVS、MR、Repo…3D等。但是这些DVEs系统缺乏3D开发工具的交互式图形功能以及通用性，而通用的3D开发工具如Open Inventor则又不支持分布式计算和协同工作。由于在窗口系统、图形支撑库、编程语言等方面存在差异，上述DVEs系统和3D开发工具难以方便地结合使用。
我们多方面分析了3D需求及软硬件条件，研制完成运行于P