火星蚊的地球記事

看完《深入淺出物件導向分析與設計》的筆記，這篇概括整理用 OOAD 開發軟體的開發週期，沒有太多細節。

1. 搞清楚客戶想要什麼

跟客戶聊天，從模模糊糊中搞清楚他想要什麼。或者問可以決定要做什麼的人，不管那個人是 PM、PL 還是其他各種頭銜…

利用 Commonality 及 Variability 了解客戶想要什麼、軟體要做什麼。

老實講，我覺得這真是門藝術。

2. 建立 feature list 及 use case diagram

跟客戶聊完天、了解系統要做什麼後建立 feature list，表示整個系統的功能概觀。畫張 use case diagram 呈現使用者或其他系統使用這個系統的藍圖，既然是藍圖，當然不會有太細節的東西啦！feature list 是以功能面的角度看整個系統，use case diagram 則是以「使用」的角度來看整個系統。feature list 裡的功能不管直接或間接，得要能跟 use case diagram 的 use case 互相對應。

Use case diagram example：

到這裡，對整個軟體系統，還只有比較概略性的藍圖，還沒進到 detail，我們要盡可能延後 detail！

Domain Analysis

辨識、收集、組織及表示領域相關資訊的流程，根據既有系統與其開發歷程的研究、領域專家的知識、潛在理論、領域中的新興技術。

是段看不懂在寫什麼的文言文…好吧這種時候我承認原文比較好懂…

在我的理解裡，這部分包含 survey 相關技術，例如 framework 如何使用，包括分析、了解原有架構及既有程式碼、找出相關的物件、物件間關係與互動等等，也包含了解此系統相關的背景知識、相關流程等等，例如要做一個請假系統，得要了解請假流程。

用客戶能理解的語言跟方式描述問題以及系統，不要跟他講什麼 class、variable 就對了。簡單來說──「講人話」。

3. 設計架構

根據 feature list、use case diagram 跟現有程式碼等等資訊將大問題分解成多個各自負責不同功能的 module。組織這些 module 並決定從哪個 module 開始動工。這個階段的重點是建立做事情的順序以及減少風險，更多細節。

如果有需要，套用 design pattern。design pattern 是解決特定問題的方式，能結構化程式，讓程式較易被理解、維護而且更有彈性。

4. 一個個處理小功能

將大問題分成許多小問題之後，準備各個擊破啦！

不同的開發方式：Feature driven & Use case driven development。

4-1. 想小功能的 requirement，建立 requirement list

依照描述的需求建立需求清單。類似 feature list 的概念，只是小一點，著重在要處理的小功能有何需求，會比最開始的 feature 更進入細節事項。

需求不只包含客戶想要的，也包含當事情不按正常狀況來時系統依然要能正常運作。畢竟客戶通常希望當事情不如預期時，系統仍然能正常運作。可以從兩方面著手：

1. 這個功能要拿來做什麼、該做什麼？
2. 在出錯的情況中，系統要做些什麼事？

4-2. 寫 Use case

requirement 及 use case 要能互相對應，跟 feature 與 use case diagram 一樣。

因為系統是跑在真實世界，不是只跑在預期狀況中，要考慮出錯的狀況。但是呢，有時候系統遇到出錯狀況時「如何反應才是正常」不見得是工程師能決定的，所以，請騷擾請教可以決定這件事的人。

更多跟 Use case 有關的細節

4-3. 設計物件細節及物件間的關係

• 運用 Textual analysis 分析 use case
• Class Diagram

4-4. 實作

運用 OO 原則：

• 操作 interface，而非操作 implementation。
• class 跟行為及功能性有關，有行為才加 class。
• 封裝會改變的東西
• Delegate
• Open Closed Principle（OCP）
• Single Responsibility Principle（SRP）
• Don’t Repeat Yourself（DRY）
• Liskov Substitution Principle（LSP）

5. 測試

測試所有能想到的可能使用狀況跟不按規矩來的使用狀況。

unit test 已經有抽象上的「功能」觀念。unit test 一次只測一個小功能，但測一個小功能不等於測一個 function，也可能是測很多個 function 組合而成的「功能」。

在測試中要模擬 code 真正被使用的狀況跟情境，而不是測試簡單 call function 但實際上並不會這麼使用的狀況。

Murmur

這只是大通則，裡面很多細節是要依照 project 各自狀況不同有所改變的。雖然說是 OOAD 軟體開發週期，但以概念上來說我覺得前面的需求分析等等跟 OO 沒多大關係。

現在理解到程式設計到處都是 divide and conquer，小時候(?)不懂以為 divide and conquer 只存在 algorithm 裡……

最開始我很容易犯的毛病是一下子就想動手寫 code，然後搞得很崩潰，幾次之後就不會想這麼幹了。還有會一下子就掉進細節而且還出不來，難以維持以 big picture 的角度去看，就整個攪再一起，這點現在到底治好了沒我也不太確定…(欸)

雖然目前我只用到裡面的部分方法，但是似乎有個開發週期的框架後變得比較知道自己在幹嘛，腦子比較不會像果醬糊成一團。

commonality（共通性）跟 variability（變化性）算是觀念，可以套用到軟體開發的不同階段。

在釐清客戶需求的階段，commonality 可以想成軟體「像」什麼，也就是系統需要做的事。variability 則是軟體「不像」什麼，即系統不用處理的事。透過釐清系統像什麼、不像什麼，來了解客戶心中想要的系統究竟要做什麼事。

到了 design 及 implement 階段，分析 class 間的 commonality，可以將共同的部分抽到 base class。

很久很久以前（大概是還在用紙帶打洞的時代），會在 code 裡直接寫 variable 跟 function 所在的 address（我猜一開始說不定只有「要在哪裡取得資料」跟「要跳到哪裡繼續執行」的概念）。增加指令、修改程式後，會有很多 variable 及 function 的 address 被改變，像是中間多塞個指令就會讓後面東西 address 全改了，所以程式中所有 address 都需要重新調整（relocate）。

這種 relocate 工作太令人崩潰，於是有人想出 symbol 的概念──以符號代表某個 variable 或 function（其實就是取名字）。code 裡改用 symbol，不再直接寫 address。等程式要執行的時候再把 symbol 換成真正的 address。這就是最開始 linking 主要做的事。

隨著時代演進(?)，程式規模越來越大，人們開始在一個程式中分許多 module 並且分別 compile。有多個 module 後 linking 就要處理跨 module 的 variable 及 function 引用，也就是將在其他 module 中的 variable 跟 function 的 address 填入 reference 到它們的地方。例如在 A module 裡 call B module 的 function foo()，就要在 A module 中填入 foo() 真正的 address。

如此一來，compile 階段可以不用知道 symbol 的 address，而且 module 也可以獨立 compile，等到 link 階段再由 linker 處理 symbol 及 address 的轉換。linker 就像是將多個 compile 好的 module 黏起來。

linking 主要過程：

• Address and storage allocation
• Symbol resolution
• Relocation

object file 是 source code compile 後但尚未 link 的 binary 中間檔，通常跟可執行檔使用相同格式。object file 包含 compile 後的 machine code、data、symbol table、debug 資訊及字串等等。

object file 以不同 section 儲存不同資訊。

• File Header 描述檔案屬性、section table
• .text（.code）section 裡放 code
• .data section 放已經 initialize 的 global varible 及 static local variable
• .bss section 記錄沒有 initialize 的 variable，先記著「有這個 variable」跟它的 size。但是因為 variable 還沒有 value，所以在 object file 裡不需要浪費空間去記錄 value。

Ref

• http://en.wikipedia.org/wiki/Object_file

Executable Format 主要有：

• Windows 下的 PE（Portable Executable）
• Linux 下的 ELF（Executable Linkable Format）

其他還有 Intel/Microsoft 的 OMF（Object Module Format）、Unix 的 a.out 以及 MS-DOS COM 格式等等。

除了可執行檔外，Dynamic Linking Library 跟 Static Linking Library 都是以 Executable Format 儲存。

ELF 標準中將使用 ELF 格式的檔案分成：

ELF file structure

ELF 檔是由 header、一堆 section 及一堆 table 組成的，各 table 也是 section。

ELF Header

描述整個 ELF 檔的屬性，可用 readelf -h xxx 查看。

struct 定義在 /usr/inclue/elf.h，Elf32_Ehdr or Elf64_Ehdr。

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typedef struct
{
  unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; /* Magic number and other info */
  Elf32_Half    e_type;         /* Object file type */
  Elf32_Half    e_machine;      /* Architecture */
  Elf32_Word    e_version;      /* Object file version */
  Elf32_Addr    e_entry;        /* Entry point virtual address */
  Elf32_Off e_phoff;        /* Program header table file offset */
  Elf32_Off e_shoff;        /* Section header table file offset */
  Elf32_Word    e_flags;        /* Processor-specific flags */
  Elf32_Half    e_ehsize;       /* ELF header size in bytes */
  Elf32_Half    e_phentsize;        /* Program header table entry size */
  Elf32_Half    e_phnum;        /* Program header table entry count */
  Elf32_Half    e_shentsize;        /* Section header table entry size */
  Elf32_Half    e_shnum;        /* Section header table entry count */
  Elf32_Half    e_shstrndx;     /* Section header string table index */
} Elf32_Ehdr;

e_ident 是 magic number 標示這是個 ELF 檔，前 4 個 byte 依序是 0x7f、0x45、0x4c、0x446，接著 3 個 byte 是 “ELF” 三個字母的 ASCII code。所有 ELF 檔前幾個 byte 都是這個內容。除此之外，幾乎所有可執行檔最開始幾個 byte 都是 magic number，供 OS 識別是哪種可執行檔。

e_phoff 表示程式執行時的入口位置，executable file 會填入 address，relocatable file 因為還會進行 relocate 所以值是 0。

從 section header table file offset e_shoff 可以知道 section table 所在位置，由 e_shentsize 及 e_shnum 可以知道 section header table 的 element size 以及總共有多少 element。從 ELF header 可以找到 section header table，由於其他 table 也都是 section，可以再從 section header table 取得所有其他 section 及 table 的資訊。

Section Header Table

描述各 section 的屬性，可用 readelf -S xxx 查看。

一個以 struct Elf32_Shdr（又稱 section descriptor）為 element 的 array，array 的第一個 element 是 NULL，struct 定義在 /usr/include/elf.h。因為 section header table 是個 array，所以 ELF 檔有些地方會以 section 在 section table 中的 index 來 access 或表示該 section。

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typedef struct
{
  Elf32_Word    sh_name;        /* Section name (string tbl index) */
  Elf32_Word    sh_type;        /* Section type */
  Elf32_Word    sh_flags;       /* Section flags */
  Elf32_Addr    sh_addr;        /* Section virtual addr at execution */
  Elf32_Off sh_offset;      /* Section file offset */
  Elf32_Word    sh_size;        /* Section size in bytes */
  Elf32_Word    sh_link;        /* Link to another section */
  Elf32_Word    sh_info;        /* Additional section information */
  Elf32_Word    sh_addralign;       /* Section alignment */
  Elf32_Word    sh_entsize;     /* Entry size if section holds table */
} Elf32_Shdr;

如果一個 section 存在 ELF 檔中，由 sh_offset 及 sh_size 可以知道其所在位置及大小。section 屬性主要由 section type sh_type 及 section flags sh_flags 決定。

String Table

.strtab 以及 .shstrtab section。

將 ELF 檔裡所用的字串，如 variable name、function name、section name 等存在一個 array 中，以 '\0' 隔開，並以字串在 array 中的 offset 表示該字串。

Symbol Table

.symtab section，可用 readelf -s xxx 查看。

記錄 object file 所用到的 symbol。每個 symbol 有其對應的 symbol value，variable 及 function 的 symbol value 是它們的 address。

symbol table 是以 struct Elf32_Sym 為 element 的 array，Elf32_Sym 一樣定義在 /usr/include/elf.h。

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typedef struct
{
  Elf32_Word    st_name;        /* Symbol name (string tbl index) */
  Elf32_Addr    st_value;       /* Symbol value */
  Elf32_Word    st_size;        /* Symbol size */
  unsigned char st_info;        /* Symbol type and binding */
  unsigned char st_other;       /* Symbol visibility */
  Elf32_Section st_shndx;       /* Section index */
} Elf32_Sym;

對 linking 較重要的兩種 symbol：global symbol 及 external symbol。global symbol 是定義在此 object file 中並且會讓其他 object file 使用到的 symbol，external symbol 則是此 object file reference 到的其他 object file 中的 symbol。簡單講就是給別人用跟用別人的 symbol，有點繞舌。

Relocation tables

存 relocation 的資訊，.rel.text section。每個需要 relocate 的 section 都會有一個 relocation table。

relocation 可參考 Static Link。

Linking View and Execuion View

上述以 section 來劃分 ELF 內容的角度是 Linking View。

ELF 在 mapping 到 virtual address space 時是以 page 為單位，如果 section 的大小不是 page 大小的整數倍又以 section 為單位進行 mapping，會浪費許多 memory。load ELF 時 OS 只在乎 section 的屬性如可讀、可寫、可執行，OS 不在乎 section 的內容，為了節省記憶體空間延伸出「將屬性相同的 section 合併成一個 segment，再對應到 virtual address space」的方式。linker 在 link object file 時會盡量將相同屬性的 section 放在一起。

segment 是以 load 的角度劃分 ELF，也就是 Execution View。

Ref

• http://refspecs.linuxbase.org/elf/elf.pdf
• http://en.wikipedia.org/wiki/Executable_and_Linkable_Format
• 《程式設計師的自我修養》ch 3, 6

定義演算法家族，將個別演算法封裝起來，讓它們可以互相替換。此 pattern 讓演算法的變動不會影響到使用演算法的部分。

Strategy pattern 是一種定義一系列演算法的方法，所有演算法完成的都是相同的工作，只是實作不同，它可以以相同的方式 call 所有演算法，減少了各種演算法 class 與使用演算法的 class 間的耦合。

例子：最短路徑搜尋

將 shortest path algorithm 封裝起來，讓 RouteFinder 使用。RouteFinder 使用 ShortestPathStrategy 找 shortest path（RouteFinder 將找路徑的工作 delegate 給 ShortestPathStrategy），ShortestPathStrategy 的 instance 則依據使用哪種 algorithm 決定。

有新的 algorithm 或 strategy 時只要 implement ShortestPathStrategy 並換掉 RouteFinder 使用的 instance 即可。

使用 RouteFinder 的 client code 跟演算法 strategy 的 class 就是分開、不互相耦合的。

Ref

• 《深入淺出設計模式》
• http://teddy-chen-tw.blogspot.tw/2013/08/strategy-pattern.html
• http://www.dotblogs.com.tw/joysdw12/archive/2013/03/07/95769.aspx

機械式開關切換時訊號會有 bounce（彈跳）現象。

上圖為理想狀況，下圖為實際上有 bounce 的狀況。bounce 持續時間約為 10~20 ms。

程式在 bounce 期間會讀取到 bounce 的訊號造成判斷錯誤。例如按一下按鈕開關我們期望程式只讀到一次 on 的訊號，bounce 會造成程式讀到很多次 on 的訊號。

解決方式軟體及硬體皆有，硬體的我看不懂所以這裡只說軟體。(欸)

軟體解決方式：不處理 bounce 時間內的訊號。「不處理」的實際做法可以自己硬寫也可以在 add_event_detect() 裡設定。

圖片來源：http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/design/electronics/switchesrev2.shtml

接 button、switch 時會用到。（看到 button 這字想到的是 GUI 上的…）

電路中希望維持一個電位基準值，好判斷某個電壓值是 0 還是 1。pull-up 跟 pull-down 電阻就是用來維持基準電位的，如果電路沒有接個東西，程式會讀到雜訊（亂數值）。

switch 斷開時上半部的電路是通的，logic gate 會讀到較高的電位。switch 接上後，logic gate 的電位會變低（從電流來看是下半部電路會接通，以至於電位會改變）。如果認定 switch 接上是邏輯的 1 則 logic gate 是低電位時表示邏輯的 1，高電位表示邏輯的 0。

pull-down 電阻是反過來，switch 斷開時 logic gate 會讀到低電位，接上後是高電位。所以高電位表示邏輯 1，低電位表示邏輯 0。

接 Raspberry Pi 時，上面說的 logic gate 就是 Raspberry Pi 的 GPIO pin。

murmur：被高低電位搞得頭有點暈，不太確定那個電流的理解對不對？沒搞得很懂 logic gate 在乎的是電位還是電位差……我的電路學只有高中程度啊……Orz

圖片來源及 Ref：

• http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%8A%E6%8B%89%E7%94%B5%E9%98%BB
• http://playground.arduino.cc/CommonTopics/PullUpDownResistor

最近的感想。

念書的時候常覺得書上的理論跟實際上的使用或實作有一段距離，我說不上來那是落差還是什麼，但就是有點搭得起來又哪裡怪怪的。後來工作後我有點疑問──在學校念的那些理論，真的有用嗎？如果業界是以實務為主，為什麼我們需要學那些理論？從這個問題就看得出來我當學生的時候很少好好理解過為啥自己要念那些書…

我最近得到的答案是──理論會提供我們背景知識與架構，可以讓我們能較快速的理解系統跟軟體的運作方式，而不至於迷失在茫茫程式碼海中，要從許多的片段中慢慢拼湊才能知道整個系統的樣貌。當然，理論提供的是偏向概念上的了解，它不會有太細部的東西，實務上的細節是會隨著情境不同而調整的。

軟體的結構也一樣。最近工作上，我發現因為對整個軟體的架構比較熟悉了，所以能比較快猜測、反應出可能是哪邊有問題，不像之前一遇到問題就得重新 trace，也似乎比較看得出來改動哪個部分會影響到那些東西。開始稍微能體會軟體有其架構的重要性，當它有個結構、有些規則可循，programmer 比較能知道改動的影響範圍，出問題時也能比較快找到。我們可以不用去記憶一些特例跟「這邊改了那邊還有那那邊也需要改」的事情，這也會減少出錯的可能。對我這種不喜歡記那麼多細節還會搞混的人來說這真是太棒了！

最近在看《深入淺出設計模式》，我想 design pattern 也是一種軟體上的結構，如果知道某個部分是使用某個 pattern，就能馬上了解其大致的運作。不過我不了解 pattern 的時候，看那些 code 只有一個感想──幹嘛把事情搞得那麼複雜？

可惜的是，我現在仍然不覺得「軟體有其架構帶來的效益」這件事能有精確量化的指標。因為沒有對照組，沒有一套沒有架構的同樣軟體去比較有架構與沒有架構的差別，可能只能用間接的方式去量度關於軟體有架構的益處。

封裝會改變的東西，減少改動一個部分會影響到其他部分的狀況。

將 class 中容易改變的部分封裝到另一個 class 有助於保護原本 class 有不必要的改變。

程式改變可能改動到相關功能，如果一個 class 中常修改的地方並非該 class 負責的事情，修改它是不必要的，而且可能引入其他功能受到影響的風險。如果能將常修改的地方封裝，就可以保護原本 class 的其他功能不受影響。

「封裝」不單指將東西包成 class，把一堆 property 放到 map 之類的 container 也是封裝。

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