計算機軟件開發中Java編程語言的運用研究

任浩然，劉 丹

（延安職業技術學院 陜西 延安 716000）

1 引言

計算機軟件設計和開發為人們的學習、生活、工作帶來了極大的便利，計算機技術的快速發展，軟件變得越來越復雜，軟件中的數據和數據結構是基本的運行資源，操作數據和數據結構的邏輯通常是算法，數據和算法組成的一個邏輯整體即是軟件。數據通過獨立的變量或者函數參數在傳遞或者流動，整個程序是線性地去組織和構成的。數據類型和具體的數據來定義變量，算法的代碼邏輯來定義函數。兩者之間沒有必然的關聯。在整個程序的主入口調試代碼可以看到數據是如何在數據結構和算法的控制下流動的，函數一般可以將輸入參數、輸出數據、預期操作和算法表達清楚。編程方法面對整個處理過程更符合一般的線性的邏輯思維，但隨著軟件系統模塊的增加，數據、數據結構和算法邏輯之間的關聯關系成幾何倍數的增加，程序的數據、數據結構和算法定義和編寫也變得越來越困難。為了解決此問題，面向對象的編程語言[1]的設計思想出現，程序設計時，首先考慮系統中的對象，對象間直接的關系，對象之間的交互關系，確定對象的數據域。盡管面向對象的方式可以減少軟件系統中面向過程編程所帶來的復雜性問題，但由于類中的方法中的編程模式實際上還是面向過程的編碼，因此需要一定的設計模式對軟件系統進行解耦和復用，減少Java編程開發軟件過程中復雜性膨脹與蔓延的情況。

2 Java編程語言的特性

2.1 簡單穩定性

Java編程語言的簡單和穩定性體現在Java程序運行之前會進行代碼的安全性檢查，不支持goto語句，取消了指針的的語法，不需要關注內存分配和回收方面的問題。移除了指針的概念和其相關的操作，指針的操作可以自由移動并任意的讀取和存放操作系統的內存地址。不管這個內存地址存儲著的數據是否重要或正在被其他系統軟件使用，經常有越界使用讀寫內存地址的數據導致了整個操作系統崩潰的情況，Java特定的垃圾回收方式，不需要程序員直接去控制內存對象的回收，從而極大地避免了危險的操作，提高了穩定性。除此之外定義后的變量只有在滿足強制轉換規則的情況下才能強轉成功。在運行時的環境提供了穩定性保障機制，如字節碼校驗器、類裝載器、運行時內存模型校驗、文件訪問限制等，Java在字節碼的傳輸過程中還使用了公開密鑰加密機制（PKC），進一步地提高了底層的穩定性。

2.2 面向對象

面向對象是更加符合人的思維模式的，使用面向對象的方式開發軟件編寫程序更具有可讀性，在現實生活中一個對象的屬性和行為可以封裝成一個類，把具體的業務邏輯功能實現封裝成具體的方法，方法代碼塊中可以訪問類中的變量和實例變量，私有的變量可以通過公有的方法進行設置和獲取。所有的子類所共有的行為和屬性抽取為一個父類，所有的子類繼承該類可具備父類的屬性和行為，繼承具有單一性和傳遞性。這是代碼的復用的一種有效方式。運行時類型由實際賦給該變量的對象決定，因此表現出子類對象特有的方法，多個類進行修改和擴展新功能時，父類的代碼不會變更，只需要在子類的重寫的方法中修改自身的業務邏輯即可，因為面向對象的特點，所有的擴展變得更加的簡潔，符合人的思維習慣。

2.3 動態多線程

Java語言對多線程提供了極大的支持，線程對象一般是異步的搶占CPU等待著CPU的調度后執行，如果中間的細節全部交給程序員自己進行維護和管理，每個線程對象的私有程序計數器和堆棧以及CPU指令的地址都需要通盤考慮，及其容易將CPU指令的時序混淆容易產生死鎖等性能問題。Java內置了多線程的操作維護管理的機制，這種機制使得程序員能夠很簡潔地編寫多線程任務。Java的所有內置的類庫，都有對應的多線程包裝的類，利用多線程的機制線程對線程中創建、就緒、運行、阻塞以及死亡等狀態之間進行方便的切換。Java有一定的動態性，可以利用反射機制來獲取類似于動態語言的特性，Java的特殊情形的動態性讓其編程的時候更加靈活。

2.4 平臺無關性

平臺無關是Java編程語言的一個優勢，平臺主要考慮軟件平臺和硬件平臺，軟件運行時的環境不會對程序的運行造成兼容性之類的影響，導致程序出現異?；蛘邟炱鸬默F象，系統軟件如操作系統的變化不會影響程序的正常運行。硬件平臺一般是處理器平臺的架構，無論是Intel的復雜指令集還是Arm的精簡指令集，在不同的處理器硬件平臺間進行移植可以做到運行結果一致。主要的原理是JVM把Java的源代碼編譯成了以class后綴結尾的中間代碼，JVM再將中間代碼翻譯成所在的具體的不同軟硬件平臺的機器碼，并驅動平臺執行該平臺對應的機器碼。

3 設計模式

3.1 MVC架構

實際開發中Java語言在絕大部分的B/S情況下只是在處理M（Model）+C（Controller）的邏輯，而從概念上來看，M代表的就是數據模型、而C則僅僅是一種控制層邏輯，MVC的軟件開發的架構，簡單的描述了軟件的View層，主要負責展示當觀察者到模型M層的變化，便使用一定的策略來組合C層的業務邏輯，包含了觀察者模式、組合模式和策略模式，MVC模式中的M不僅僅代表的是數據模型，而是包括了數據模型之內的所有業務邏輯相關的代碼，而C則是比較輕量級的，它被賦予只有處理輸入/輸出參數以及對該請求進行邏輯流程控制的職能，如果Java代碼中對C層有過重的邏輯代碼侵入，這是不符合MVC架構規范的。構建復雜的軟件系統只有遵循一定的設計原則并合適地運用相應的設計模式，這樣的Java代碼才不至于在復雜的邏輯中迷失方向。

3.2 工廠模式

基于Spring MVC框架[2]的開發中，C層作為服務的入口主要承擔接收和轉換由終端層或者其他服務發送的網絡請求，并將其轉化為Java數據對象，然后對數據對象進行參數合法性校驗，之后通過在C依賴注入對應Service層服務接口，并進行業務邏輯層方法調用，如果業務邏輯并不復雜，那么可以直接操作數據庫持久層完成業務邏輯；而如果Service層方法發現非常多的邏輯條件每個條件所需要處理的代碼量超過一定的規模，那么此時通過Factory工廠模式拆分不同的業務處理邏輯，而對于公共的處理邏輯則可以通過抽象類定義抽象方法進行抽象。類通常一開始很小，但是隨著程序的增長而逐漸膨脹。一個類應該只賦予它一個職責。如果它所承擔的職責太多，就需要抽象公共的業務邏輯使得代碼“減負”。復雜性[3]的含義一般是指任何在軟件中難于理解和修改的邏輯。含義模糊的代碼和互相依賴模塊是最主要的復雜性來源。代碼里面的重要信息不是顯而易見的，如果不結合其他模塊，就會無法理解代碼的真實含義。在大多數情況下，分割過大的類可以避免代碼和功能的重復。使用類似觀察者模式、組合模式、策略模式以及工廠模式等的設計模式可以減少重復的代碼，提高表達力，提早構建簡單抽象的軟件結構，使得代碼變得整潔可理解，不再復雜。

4 結語

綜上所述，傳統的面向過程的編程方法的復雜性隨著系統的規模增加會呈幾何倍數的增加，為了降低編程過程中系統的復雜性，Java的面向對象的特性可以減少開發軟件過程中復雜性膨脹與蔓延的情況，此外使用諸如觀察者模式、組合模式、策略模式以及工廠模式等的設計模式和MVC的架構可以減少重復的代碼，找出易變化的部分，合理抽象，用抽象構建框架、用實現擴展細節。對擴展開放，對修改關閉。在軟件需要進行拓展的時候，不去修改原有的代碼，降低了軟件開發過程中引入的復雜性。