設計模式在高校教科研工作量管理系統(tǒng)中的應用

韋婷 張揚 陳藝璇

（1.廣西工業(yè)職業(yè)技術學院 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530000 2.廣西職業(yè)技術學院 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530000）

1 引言

在計算機軟件行業(yè)里，軟件設計模式、軟件架構(gòu)、框架等概念的提出，是前人探索如何在軟件開發(fā)的不同過程、不同層次上實現(xiàn)重用而總結(jié)出來的思想、方法和技術。從代碼級語句復用、模塊復用、結(jié)構(gòu)復用、系統(tǒng)復用、文檔復用到思想復用，軟件復用技術幾乎覆蓋了整個軟件開發(fā)的生命周期。設計模式即是抽象層級較高的思想復用技術，與語言無關，與平臺無關，一套被反復使用、多人知曉的，并經(jīng)過分類編目的代碼設計經(jīng)驗的總結(jié)。前人總結(jié)出了很多種設計模式[1]，也提出了很多模式的形式化方法，但是很少有人對模式組合進行正式的研究[2]。而模式組合最直接的體現(xiàn)便是復合模式，形式上是將多個設計模式結(jié)合起來形成一個“框架”，以解決一般性問題。對于一個軟件系統(tǒng)，最密切相關的三類人員，即用戶、開發(fā)者、維護者，本文即通過這三個不同的視角去探究設計模式及其復合關系、設計原則是如何指導系統(tǒng)設計，在達到降低開發(fā)難度，利于團隊開發(fā)，提高系統(tǒng)可維護性的目標下，開發(fā)出一個高質(zhì)量、高標準化、高安全性，符合高職院校實際工作需求的教師工作量管理系統(tǒng)。

2 設計模式概述

2.1 設計模式的分類

設計模式主要分為三個大類，創(chuàng)建型模式包括工廠方法模式、抽象工廠模式、單例模式、建造者模式、原型模式等五種；結(jié)構(gòu)型模式包括適配器模式、裝飾器模式、代理模式、外觀模式、橋接模式等七種；行為型模式包括策略模式、模板方法模式、觀察者模式、迭代子模式等十一種。

2.2 設計模式選擇的步驟

如何在客觀世界的具體場景中選擇不同的設計模式，再根據(jù)編程語言實現(xiàn)？首先將需要解決的問題進行抽象，其次根據(jù)不同設計模式適用的場景進行選擇，最后再使用編程語言進行實現(xiàn)。多個設計模式之間必須要考慮到融合性、可擴展性，在設計過程中可使用UML 建模工具進行詳細設計。通過反復的修改和擴展，從而得到一個高質(zhì)量的軟件結(jié)構(gòu)。

2.3 設計模式在軟件設計中的應用

圖1：應用群系統(tǒng)的單點登錄

圖2：教師工作量管理系統(tǒng)功能總體架構(gòu)圖

圖3：教師工作量系統(tǒng)中的設計模式

在用戶視角中運用到的策略模式和單例模式，保證了各類用戶的只有一個實例，在用戶的權(quán)限管理設計中，可以根據(jù)部門、增刪查改權(quán)限、職務級別等多種途徑進行管理，可以設計不同的類來封裝不同的途徑算法，并使它們之間可以相互替換，這是典型的策略模式應用場景。在維護者視角中主要使用抽象工廠模式、策略模式和觀察者模式，體現(xiàn)在統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口功能和計算過程參數(shù)化功能模塊，在根據(jù)權(quán)重自動計算教師工作量的模塊中，當權(quán)重參數(shù)進行調(diào)整時，將自動通知所有依賴這個參數(shù)對象的其他所有對象，在這里權(quán)重參數(shù)對象就是觀察目標，其他被通知的對象就是觀察者，這是典型的觀察者模式的模式動機。

3 用戶視角

3.1 單點登錄

在文獻[3]中的“用戶為中心”，“以人為本”的設計理念，認為在開發(fā)產(chǎn)品的每一個步驟中，都要把用戶列入考慮范圍，除了產(chǎn)品的功能，用戶體驗起著關鍵的影響。本文研究的重點不在于用戶體驗的諸多要素，而是把其中的思想，用于設計模式的分析及應用中。作為一個軟件產(chǎn)品，在智慧校園和高職院校爭創(chuàng)“高水平學校、高水平專業(yè)”的多驅(qū)動背景下，本文設計的是一個覆蓋教學、科研等諸多方面，涉及教務處、人事處、財務處等多個部門的教師工作量系統(tǒng)，屬于Web 應用系統(tǒng)。用戶不僅是教師，還有相關的系部、學院行政部門人員及領導。對于用戶，面對的不止有教師工作量系統(tǒng)，往往還有學校的其他業(yè)務應用系統(tǒng)。如果每個系統(tǒng)都要登錄/退出之后，再一次登錄去使用下一個系統(tǒng)，這種用戶體檢是不太好的。而系統(tǒng)間跳轉(zhuǎn)一般需要系統(tǒng)與系統(tǒng)之間建立連接，若原系統(tǒng)間未曾對接過，便需要修改新增對接功能。這樣既不具備可行性，也違背了設計模式中一條最基礎，最重要的原則，即開閉原則——當新增一個功能時，盡量去擴展而不是修改。對于這樣多系統(tǒng)組成的應用群，復雜性應該由系統(tǒng)內(nèi)部承擔，而不是用戶。用戶期待的應該是一次登錄/退出，訪問整個應用群與訪問單個系統(tǒng)一樣，即單點登錄。本文項目基于統(tǒng)一的身份認證系統(tǒng)/中心，采用的是Webservice 技術實現(xiàn)的單點登錄。統(tǒng)一身份認證中心接受用戶的用戶名密碼等安全信息，其他系統(tǒng)不提供登錄入口，只接受認證中心的間接授權(quán)。統(tǒng)一身份認證中心，承擔的是多應用群中共性的功能或模塊。這種具有共性，同時具備整體-部分關系正是 “組合模式”的設計思想的體現(xiàn)。應用群系統(tǒng)的單點登錄如圖1 所示。

3.2 細粒度權(quán)限控制

粗粒度的權(quán)限管理，一般指的是資源類型的權(quán)限管理，比如菜單、頁面按鈕。等。而細粒度權(quán)限管理，就是數(shù)據(jù)級別的權(quán)限管理，比如系部的領導只能訪問本系教師的信息，教師只看到自己的菜單。實現(xiàn)方式如當服務接口提供一個系部的id 參數(shù)，設計一個控制器，根據(jù)當前用戶的信息得到該用戶屬于哪個系，調(diào)用服務時將系部id傳入，實現(xiàn)該用戶只查詢本系的教師員工信息。對于同樣的數(shù)據(jù)，對于不同的用戶或者角色，可以有不同的顯示，并支持進行各種處理，這是“策略模式”的應用。

4 維護者視角

4.1 統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口

對于一個學院，教師的基礎數(shù)據(jù)以及學院組織架構(gòu)數(shù)據(jù)應由人事系統(tǒng)下行到數(shù)據(jù)庫，保證工作量管理系統(tǒng)和學院共享數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)保持一致性，而工作量管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)有可能也會提供給其他系統(tǒng)使用，因而設計一個開放數(shù)據(jù)接口十分必要。有了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，系統(tǒng)間便具備了很好的擴展性。遵循接口規(guī)范，未來需要進行大規(guī)模數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化的各類各級系統(tǒng)便能方便獲取到相關數(shù)據(jù)。這便是設計原則中的依賴倒轉(zhuǎn)，中心思想是接口編程，制定好規(guī)范，把展現(xiàn)細節(jié)的任務交給實現(xiàn)類去完成。

4.2 計算過程參數(shù)化

分析了國內(nèi)高校的工作量管理系統(tǒng)，學校間的差異性使得計算公式和流程并未做到通用化。在完成教務處提供的工作量計算表格提取計算的公式并參數(shù)化的工作后，面對類別多，公式復雜的工作量統(tǒng)計，需要一個靈活擴展的算法或策略，根據(jù)字符串進行判斷選擇計算參數(shù)，建立一個字符串和計算權(quán)重的對應關系，當工作量的計算方法和參數(shù)改變時不需要對系統(tǒng)進行大量修改，只需維護對應關系表即可，這里也用到了“策略模式”的設計思想。

5 開發(fā)者視角

工作量管理系統(tǒng)面向的是多用戶、多角色，用戶界面邏輯的更改比業(yè)務和數(shù)據(jù)邏輯更為頻繁。所以，把數(shù)據(jù)和表示層分開，再頻繁的用戶界面的更改，也不影響到數(shù)據(jù)和業(yè)務邏輯。通過經(jīng)典的MVC 模式來設計及實現(xiàn)，它的基本思想是數(shù)據(jù)，顯示和處理相分離。模型(Model)負責數(shù)據(jù)管理，視圖(View)負責數(shù)據(jù)顯示，控制器(Controller)負責業(yè)務邏輯和響應策略。把分離出來的業(yè)務邏輯，交由控制器負責，實現(xiàn)視圖將請求先發(fā)送給控制器，由控制器選擇對應的模型來處理；模型返回的處理結(jié)果要先發(fā)送給控制器，由控制器選擇對應的視圖來展現(xiàn)，繼而形成一個閉環(huán)。模型作為一個“觀察者”，讓控制器和視圖在松耦合的狀態(tài)實現(xiàn)更新，這便是“觀察者模式”。

根據(jù)圖2 教師工作量的系統(tǒng)功能，需要設計多個視圖，多個模型，多個控制器才能完成，本文項目按照視圖組-控制器組-模型組來構(gòu)造整個程序框架。

視圖組的設計，按照子功能模塊做相應設計，如工作量的錄入視圖、工作量的審核視圖等。對于每個視圖頁面，會有一些如導航、頁腳是每個頁面共有的，采用模板模式，封裝不變的部分，擴展可變部分，提取各個頁面的共有代碼，而變化（不同）的那部分將作為擴展，共同構(gòu)成頁面視圖。對于樹形菜單、按鈕等各類組件的視圖，通過使用“組合模式”，能一致地處理組合視圖和普通視圖。

模型組的設計，包括工作量表單的增、刪、改、查模型、用戶表單的增、、刪、改、查模型等。一個模型可以對應不同的視圖。而對于這些模型，都需要建立在數(shù)據(jù)庫連接的基礎上進行數(shù)據(jù)交換的，因此設計一個數(shù)據(jù)庫連接公共模型，其他如工作量表單、用戶表單等對應數(shù)據(jù)模型把其當做工廠類，調(diào)用并創(chuàng)建一個連接即可進一步做數(shù)據(jù)操作。這里用到了“工廠模式”。再則，對于數(shù)據(jù)庫的增、刪、改、查，每個不同表單都用到的相同操作，因此進行封裝并且暴露方法接口，既能減少重復的代碼，也使得程序結(jié)構(gòu)清晰。這種封裝作為公共模塊供其他模型使用，實例化之后即可使用，也是用到了“工廠模式”。

控制器組的設計，本文進行了細化，分為兩個層次的處理，一是路由設置，二是控制器的處理邏輯。路由中定義了一定的請求分發(fā)邏輯，建立數(shù)據(jù)模型與視圖之間的映射關系。部分請求，還要掛載中間件，用于自動執(zhí)行一些函數(shù)。經(jīng)過路由選擇后，交由不同的處理程序，如查詢、刪除、添加、修改等。這種映射關系，實現(xiàn)了不同的控制器實例響應不同的用戶操作視圖，即用到了“策略模式”。

如圖3 所示，MVC 作為復合模式，本文項目使用到了 “觀察者模式”、 “組合模式”、“工廠模式”、“策略模式”、“模板模式”等多種模式。通過MVC 模式的設計思想而構(gòu)建的項目或者系統(tǒng)框架，一些軟件開發(fā)人員亦稱之為MVC 框架。不同的項目或者系統(tǒng)，根據(jù)實際情況，構(gòu)建的MVC 框架都會有所不同。MVC模式的出現(xiàn)最早可追溯到上世紀的70年代，經(jīng)過多年發(fā)展依然有很強的生命力，如今還衍生出了MVP、MVVM 等模式，但圍繞的核心問題還是界面的展示與業(yè)務邏輯的分割。本文在MVC 模式具體的應用中，進行了細化，對于視圖（組）、控制器（組）、模型（組）的實現(xiàn)上均做了接口化的處理，采用了資源接口的編程方式。在代碼實現(xiàn)上，采用先精細化、模塊化，后組合構(gòu)建的方式，亦順應了當前在云計算發(fā)展下興起的微服務思想。

6 總結(jié)

本文以一個高職院校教師工作量管理系統(tǒng)為例，探析了設計原則、設計模式及其復合關系是如何應用到系統(tǒng)設計及開發(fā)中的。設計模式作為最佳的實踐代表，對其合理的應用，不應只基于開發(fā)者、維護者視角，還應基于用戶視角。各類軟件系統(tǒng)最終是要面向用戶的，用戶需求及用戶體驗是軟件設計與開發(fā)的終極目標?；ヂ?lián)網(wǎng)快速發(fā)展，需求變更頻繁，要求持續(xù)交付，是微服務興起的關鍵背景[4]。用戶層面，是模式和架構(gòu)發(fā)展的根本驅(qū)動力。對于開發(fā)者和維護者，使用合適的設計模式，一方面提高協(xié)同開發(fā)效率，提高模塊、框架的復用性，另一方面利于日后的維護、升級、擴展。設計原則、設計模式及其復合關系所體現(xiàn)的思想，對軟件系統(tǒng)設計與開發(fā)具有重要的指導意義，是理論與實踐辯證統(tǒng)一、持續(xù)發(fā)展的最佳體現(xiàn)。