2025年考研軟件工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)專項(xiàng)訓(xùn)練試卷及答案考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)和任務(wù)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需求分析階段的結(jié)果對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)階段有何重要影響？二、比較面向過(guò)程設(shè)計(jì)方法和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法在思想、基本單元、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、接口設(shè)計(jì)等方面的主要差異。簡(jiǎn)述面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)。三、解釋什么是系統(tǒng)架構(gòu)。列舉至少四種常見(jiàn)的系統(tǒng)架構(gòu)風(fēng)格，并簡(jiǎn)要說(shuō)明其中兩種（如客戶端-服務(wù)器架構(gòu)和N層架構(gòu)）的主要特點(diǎn)、適用場(chǎng)景及其優(yōu)缺點(diǎn)。四、在軟件設(shè)計(jì)中，什么是設(shè)計(jì)模式？請(qǐng)列舉三種你熟悉的設(shè)計(jì)模式（例如單例模式、工廠模式、觀察者模式），并分別簡(jiǎn)述其主要解決的問(wèn)題以及模式的基本結(jié)構(gòu)（可用文字描述關(guān)鍵角色和職責(zé)）。五、閱讀以下需求描述，并回答問(wèn)題：“開(kāi)發(fā)一個(gè)在線圖書(shū)商城系統(tǒng)。用戶可以瀏覽圖書(shū)列表，查看圖書(shū)詳情（書(shū)名、作者、價(jià)格、庫(kù)存等），將圖書(shū)加入購(gòu)物車，管理購(gòu)物車（增加、刪除圖書(shū)），進(jìn)行結(jié)算（選擇支付方式、確認(rèn)訂單），并查看訂單歷史。”1.根據(jù)上述需求，識(shí)別出該系統(tǒng)中的主要參與者（Actors）。2.繪制該系統(tǒng)的用例圖（文字描述即可，無(wú)需圖形符號(hào)），清晰表達(dá)主要參與者和他們與系統(tǒng)之間的核心交互（至少包含瀏覽圖書(shū)、查看詳情、加入購(gòu)物車、管理購(gòu)物車、結(jié)算、查看歷史訂單等用例）。六、闡述什么是面向接口的設(shè)計(jì)（Interface-OrientedDesign,IOD）。為什么在復(fù)雜的軟件系統(tǒng)中采用面向接口的設(shè)計(jì)通常被認(rèn)為是一種好的做法？請(qǐng)結(jié)合實(shí)際說(shuō)明。七、在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可維護(hù)性、性能、安全性等多個(gè)非功能性需求。請(qǐng)選擇其中兩個(gè)非功能性需求（例如可擴(kuò)展性和安全性），分別解釋它們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)中意味著什么，并各提出至少兩種在設(shè)計(jì)階段可以采取的策略或技術(shù)來(lái)滿足該需求。八、假設(shè)你需要為一個(gè)需要處理大量并發(fā)用戶請(qǐng)求的在線交易系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)層。請(qǐng)簡(jiǎn)述在設(shè)計(jì)該層時(shí)需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題（至少列舉四個(gè)），并針對(duì)其中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，提出你的設(shè)計(jì)思路和考慮因素。試卷答案一、主要目標(biāo)：將需求分析階段確定的系統(tǒng)功能和性能需求轉(zhuǎn)化為一個(gè)具體、可實(shí)現(xiàn)的、高效的、可靠的、易于維護(hù)的軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)藍(lán)圖。主要任務(wù)包括：系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊劃分、接口設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、算法選擇、設(shè)計(jì)模式應(yīng)用、遵循設(shè)計(jì)原則等。重要影響：1.指導(dǎo)后續(xù)工作：需求分析的結(jié)果是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輸入，為后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼實(shí)現(xiàn)、測(cè)試等階段提供了明確的指導(dǎo)和依據(jù)。2.影響系統(tǒng)質(zhì)量：設(shè)計(jì)階段做出的決策直接決定了軟件的架構(gòu)、結(jié)構(gòu)和質(zhì)量。良好的設(shè)計(jì)能夠保證軟件的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性、可重用性和性能，反之則可能導(dǎo)致軟件難以修改、難以擴(kuò)展、性能低下等問(wèn)題。3.制約實(shí)現(xiàn)方式：設(shè)計(jì)階段確定的技術(shù)選型、架構(gòu)模式和模塊劃分會(huì)影響開(kāi)發(fā)人員如何具體實(shí)現(xiàn)代碼。4.影響開(kāi)發(fā)成本與周期：設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、是否合理直接影響后續(xù)的開(kāi)發(fā)工作量、難度和項(xiàng)目周期。二、主要差異：|特征|面向過(guò)程設(shè)計(jì)方法|面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法||:-----------|:-----------------------------------|:---------------------------------------||思想|自頂向下，功能驅(qū)動(dòng)|自底向上/自頂向下，數(shù)據(jù)/對(duì)象驅(qū)動(dòng)||基本單元|函數(shù)/過(guò)程（Procedure/Function）|對(duì)象（Object）||數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)|數(shù)據(jù)和操作過(guò)程分離，數(shù)據(jù)獨(dú)立性強(qiáng)但耦合可能高|數(shù)據(jù)和操作（方法）封裝在對(duì)象內(nèi)部，數(shù)據(jù)和操作耦合緊密||接口設(shè)計(jì)|接口通常由函數(shù)調(diào)用序列定義|接口通過(guò)對(duì)象的方法和屬性訪問(wèn)定義|面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)：1.更好的封裝性：將數(shù)據(jù)和行為封裝在一起，提高了模塊的獨(dú)立性，降低了模塊間的耦合度。2.更好的可維護(hù)性：對(duì)象獨(dú)立性高，修改一個(gè)對(duì)象的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)通常不影響其他對(duì)象，便于修改和擴(kuò)展。3.更好的可重用性：對(duì)象可以被獨(dú)立地創(chuàng)建和使用，易于在不同的系統(tǒng)中復(fù)用。4.更符合現(xiàn)實(shí)世界的建模：對(duì)象模型可以更自然地映射現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體和關(guān)系，提高系統(tǒng)的可理解性。三、系統(tǒng)架構(gòu)：系統(tǒng)架構(gòu)是系統(tǒng)各個(gè)組成部分（組件、模塊、子系統(tǒng)）的組織結(jié)構(gòu)以及它們之間的接口、交互關(guān)系和依賴關(guān)系的描述。它是系統(tǒng)的藍(lán)圖，定義了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵特性、組件間如何交互以及系統(tǒng)與外部環(huán)境如何交互。常見(jiàn)架構(gòu)風(fēng)格：1.分層架構(gòu)（LayeredArchitecture）：系統(tǒng)功能被劃分為不同的層，層與層之間單向依賴。常見(jiàn)如三層架構(gòu)（表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層）。優(yōu)點(diǎn)是職責(zé)清晰、易于維護(hù)、可重用性好；缺點(diǎn)是層間耦合可能仍然存在，性能可能受限于中間層。2.客戶端-服務(wù)器架構(gòu)（Client-ServerArchitecture）：系統(tǒng)分為提供服務(wù)的服務(wù)器端和請(qǐng)求服務(wù)的客戶端。優(yōu)點(diǎn)是分離了數(shù)據(jù)和邏輯，客戶端和服務(wù)器可以獨(dú)立開(kāi)發(fā)、升級(jí)和擴(kuò)展；缺點(diǎn)是服務(wù)器可能成為瓶頸，網(wǎng)絡(luò)依賴性強(qiáng)。3.N層架構(gòu)（N-TierArchitecture）：在分層架構(gòu)基礎(chǔ)上，可能進(jìn)一步細(xì)化或增加層次，如增加表示層（UI層）、應(yīng)用層（業(yè)務(wù)邏輯層）、數(shù)據(jù)層（數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)層）。常用于Web應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)是更好的可伸縮性、可維護(hù)性；缺點(diǎn)是層次增多可能增加復(fù)雜性。4.模型-視圖-控制器架構(gòu)（MVCArchitecture）：主要用于交互式應(yīng)用程序，將應(yīng)用分為模型（數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)邏輯）、視圖（用戶界面）、控制器（處理用戶輸入、協(xié)調(diào)模型和視圖）。優(yōu)點(diǎn)是分離關(guān)注點(diǎn)，提高了代碼的可維護(hù)性和可測(cè)試性。選擇與分析：*客戶端-服務(wù)器架構(gòu)：*特點(diǎn)：將應(yīng)用分為邏輯上分離的客戶端和服務(wù)器端?？蛻舳素?fù)責(zé)用戶界面和部分本地邏輯，服務(wù)器端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、業(yè)務(wù)邏輯處理和全局服務(wù)。兩者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信。*優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)發(fā)維護(hù)方便（客戶端/服務(wù)器可獨(dú)立修改），可擴(kuò)展性好（增加服務(wù)器節(jié)點(diǎn)），適用于分布在不同地理位置的系統(tǒng)。*缺點(diǎn)：服務(wù)器端是單點(diǎn)故障（若未做集群），網(wǎng)絡(luò)延遲和帶寬影響性能，服務(wù)器端可能成為性能瓶頸。*N層架構(gòu)（以三層為例）：*特點(diǎn)：分為表示層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層。用戶通過(guò)表示層與系統(tǒng)交互，表示層將用戶請(qǐng)求發(fā)送到業(yè)務(wù)邏輯層，業(yè)務(wù)邏輯層處理業(yè)務(wù)規(guī)則并可能調(diào)用數(shù)據(jù)訪問(wèn)層進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，數(shù)據(jù)訪問(wèn)層與數(shù)據(jù)庫(kù)交互。*優(yōu)點(diǎn)：職責(zé)清晰，層間解耦較好，易于實(shí)現(xiàn)組件重用（如UI組件、業(yè)務(wù)邏輯組件），便于維護(hù)和升級(jí)（修改一層通常不影響其他層）。*缺點(diǎn)：過(guò)多層次的交互可能引入額外的開(kāi)銷，層間接口設(shè)計(jì)不當(dāng)可能導(dǎo)致耦合。四、設(shè)計(jì)模式：設(shè)計(jì)模式是針對(duì)軟件設(shè)計(jì)中反復(fù)出現(xiàn)的問(wèn)題的、可復(fù)用的解決方案。它不是具體的代碼，而是一套被驗(yàn)證過(guò)的方法論，描述了在特定場(chǎng)景下如何組織代碼、如何進(jìn)行交互以解決特定問(wèn)題。列舉三種設(shè)計(jì)模式：1.單例模式（SingletonPattern）：*解決的問(wèn)題：確保一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)全局訪問(wèn)點(diǎn)來(lái)獲取該實(shí)例。*基本結(jié)構(gòu)（文字描述）：*角色：*單例類（Singleton）：負(fù)責(zé)創(chuàng)建自身實(shí)例，并確保不會(huì)創(chuàng)建第二個(gè)實(shí)例。通常包含一個(gè)私有的靜態(tài)實(shí)例變量和一個(gè)私有的構(gòu)造函數(shù)（防止外部直接new），一個(gè)公有的靜態(tài)方法（如`getInstance()`）用于獲取實(shí)例。*客戶端（Client）：使用單例類的實(shí)例。*職責(zé)：?jiǎn)卫愗?fù)責(zé)管理自己的唯一實(shí)例，并提供訪問(wèn)該實(shí)例的接口。2.工廠模式（FactoryMethodPattern）：*解決的問(wèn)題：將對(duì)象的創(chuàng)建邏輯封裝在一個(gè)工廠類中，解耦了對(duì)象的創(chuàng)建和使用，使得系統(tǒng)更容易擴(kuò)展，不需要修改客戶端代碼就能添加新的產(chǎn)品類型。*基本結(jié)構(gòu)（文字描述）：*角色：*產(chǎn)品接口（ProductInterface）：定義產(chǎn)品的公共接口。*具體產(chǎn)品類（ConcreteProduct）：實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品接口的具體類。*工廠接口（FactoryInterface）：定義創(chuàng)建產(chǎn)品的接口，聲明`createProduct()`方法。*具體工廠類（ConcreteFactory）：實(shí)現(xiàn)工廠接口，負(fù)責(zé)創(chuàng)建具體產(chǎn)品類的實(shí)例。*職責(zé)：工廠接口負(fù)責(zé)聲明創(chuàng)建產(chǎn)品的操作，具體工廠負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建具體產(chǎn)品實(shí)例的邏輯。客戶端通過(guò)工廠接口獲取產(chǎn)品對(duì)象，而不直接依賴于具體的產(chǎn)品類。3.觀察者模式（ObserverPattern）：*解決的問(wèn)題：建立一種對(duì)象間的一對(duì)多依賴關(guān)系，當(dāng)一個(gè)對(duì)象（主題Subject）的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，所有依賴于它的對(duì)象（觀察者Observer）都會(huì)得到通知并自動(dòng)更新。*基本結(jié)構(gòu)（文字描述）：*角色：*主題（Subject）：維護(hù)一組觀察者的列表，提供注冊(cè)、移除和通知觀察者的方法。狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)負(fù)責(zé)通知所有觀察者。*觀察者（Observer）：定義一個(gè)更新接口`update()`，當(dāng)收到主題通知時(shí)被調(diào)用。具體的觀察者類實(shí)現(xiàn)此接口，根據(jù)主題狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的操作。*具體主題（ConcreteSubject）：具體實(shí)現(xiàn)主題的類，存儲(chǔ)狀態(tài)，提供狀態(tài)改變的方法，并在狀態(tài)改變時(shí)調(diào)用`notifyObservers()`。*具體觀察者（ConcreteObserver）：具體實(shí)現(xiàn)觀察者接口的類，包含需要更新的數(shù)據(jù)，并在被通知時(shí)更新自身狀態(tài)。*職責(zé)：主題負(fù)責(zé)管理觀察者，并在狀態(tài)改變時(shí)通知它們；觀察者負(fù)責(zé)響應(yīng)主題的通知，進(jìn)行更新。五、1.主要參與者（Actors）：用戶、購(gòu)物車、支付系統(tǒng)、訂單系統(tǒng)、歷史訂單系統(tǒng)。2.用例圖（文字描述）：*外部參與者：用戶*系統(tǒng)邊界：在方框內(nèi)繪制系統(tǒng)名稱（如“在線圖書(shū)商城系統(tǒng)”）*用例：*瀏覽圖書(shū)列表*查看圖書(shū)詳情*加入購(gòu)物車*管理購(gòu)物車（增加圖書(shū)、刪除圖書(shū)）*進(jìn)行結(jié)算（選擇支付方式、確認(rèn)訂單）*查看訂單歷史*關(guān)系：*用戶與系統(tǒng)之間繪制直線連接，在線條兩端繪制“<->”表示交互。*將每個(gè)用例與對(duì)應(yīng)的用戶連接起來(lái)。例如：*用戶<->瀏覽圖書(shū)列表*用戶<->查看圖書(shū)詳情*用戶<->加入購(gòu)物車*用戶<->管理購(gòu)物車*用戶<->進(jìn)行結(jié)算*用戶<->查看訂單歷史六、面向接口的設(shè)計(jì)（IOD）：面向接口的設(shè)計(jì)是一種軟件設(shè)計(jì)范式，強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)類之間，應(yīng)該優(yōu)先考慮它們之間的接口。在設(shè)計(jì)階段，先定義清晰的接口，然后基于這些接口進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。接口是獨(dú)立于具體實(shí)現(xiàn)的契約，定義了類應(yīng)該提供哪些操作以及這些操作的參數(shù)和返回值，但不規(guī)定這些操作的具體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。采用IOD的原因和好處：1.提高抽象級(jí)別：接口提供了對(duì)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的抽象，使得開(kāi)發(fā)者可以專注于接口定義的功能，降低了對(duì)具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的關(guān)注，提高了設(shè)計(jì)的抽象層次。2.增強(qiáng)組件解耦：接口定義了組件間的交互契約。只要實(shí)現(xiàn)類遵循接口規(guī)范，調(diào)用者就不需要知道實(shí)現(xiàn)類的具體細(xì)節(jié)，兩者之間的耦合度降低。一個(gè)組件的實(shí)現(xiàn)可以很容易地被另一個(gè)實(shí)現(xiàn)了相同接口的不同組件替換，而不會(huì)影響調(diào)用者。3.提高可測(cè)試性：可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)接口的樁（Stub）或模擬對(duì)象（MockObject）來(lái)替代真實(shí)的實(shí)現(xiàn)類，方便對(duì)組件進(jìn)行單元測(cè)試，即使該組件依賴的其他組件尚未準(zhǔn)備好或?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜。4.提高可維護(hù)性和可擴(kuò)展性：由于組件間的解耦，修改一個(gè)組件的實(shí)現(xiàn)（只要接口不變）通常不會(huì)影響其他組件，降低了修改帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)需要擴(kuò)展系統(tǒng)功能時(shí)，可以更容易地添加新的組件或修改現(xiàn)有組件，只要它們遵循定義好的接口即可。5.促進(jìn)代碼復(fù)用：定義良好的接口更容易被其他系統(tǒng)或組件復(fù)用，因?yàn)閺?fù)用方只需要關(guān)心接口契約，而無(wú)需關(guān)心具體的實(shí)現(xiàn)。七、1.可擴(kuò)展性：*含義：指系統(tǒng)在不修改現(xiàn)有代碼的情況下，能夠容易地添加新功能或修改現(xiàn)有功能的能力。通常要求系統(tǒng)架構(gòu)具有足夠的靈活性，能夠容納變化。*設(shè)計(jì)策略/技術(shù)：*使用抽象和多態(tài)：定義抽象基類或接口，通過(guò)繼承和多態(tài)機(jī)制實(shí)現(xiàn)具體功能，增加新的功能時(shí)只需添加新的子類。*模塊化設(shè)計(jì)：將系統(tǒng)劃分為獨(dú)立的模塊，模塊間通過(guò)明確定義的接口交互，修改或添加模塊影響范圍有限。*采用插件式架構(gòu)：允許系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)加載和卸載功能模塊（插件）。*事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)（EDA）：通過(guò)事件和監(jiān)聽(tīng)器機(jī)制解耦組件，新的功能可以作為新的事件處理器或監(jiān)聽(tīng)器輕松集成。2.安全性：*含義：指系統(tǒng)保護(hù)自身資源和數(shù)據(jù)，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)、泄露、篡改或破壞的能力。需要從多個(gè)層面（網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用、數(shù)據(jù)、訪問(wèn)控制等）進(jìn)行防護(hù)。*設(shè)計(jì)策略/技術(shù)：*最小權(quán)限原則：確保每個(gè)組件或用戶只擁有完成其任務(wù)所必需的最小權(quán)限。*輸入驗(yàn)證和輸出編碼：嚴(yán)格驗(yàn)證所有外部輸入，對(duì)所有輸出進(jìn)行適當(dāng)編碼，防止注入攻擊（如SQL注入、XSS）。*身份認(rèn)證和授權(quán)：實(shí)施強(qiáng)身份認(rèn)證機(jī)制（如密碼、多因素認(rèn)證），并基于用戶角色或?qū)傩詫?shí)施細(xì)粒度的訪問(wèn)控制策略。*安全的數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)：對(duì)敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸（如HTTPS）和加密存儲(chǔ)。*安全審計(jì)和日志記錄：記錄關(guān)鍵操作和安全事件，便于追蹤和分析潛在的安全問(wèn)題。*定期安全評(píng)估和漏洞掃描：主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)系統(tǒng)中的安全漏洞。八、關(guān)鍵問(wèn)題及設(shè)計(jì)思路：選擇關(guān)鍵問(wèn)題：并發(fā)處理能力與資源競(jìng)爭(zhēng)設(shè)計(jì)思路與考慮因素：1.并發(fā)訪問(wèn)控制：必須設(shè)計(jì)機(jī)制來(lái)管理多個(gè)用戶同時(shí)訪問(wèn)和修改數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的情況，防止數(shù)據(jù)不一致（如并發(fā)下單導(dǎo)致庫(kù)存超賣）?？紤]因素：*數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)隔離級(jí)別：選擇合適的隔離級(jí)別（如讀已提交、可重復(fù)讀、串行化）以平衡并發(fā)性能和數(shù)據(jù)一致性。串行化提供最強(qiáng)一致性但性能最低，讀已提交性能較好但可能存在臟讀、不可重復(fù)讀。*樂(lè)觀鎖與悲觀鎖：樂(lè)觀鎖適用于寫(xiě)沖突概率較低的場(chǎng)景，通過(guò)版本號(hào)或時(shí)間戳在更新時(shí)檢查版本是否一致；悲觀鎖適用于寫(xiě)沖突概率較高或數(shù)據(jù)一致性要求極高的場(chǎng)景，在讀取時(shí)就鎖定數(shù)據(jù)直到事務(wù)結(jié)束?？紤]鎖的粒度（行鎖、表鎖）和開(kāi)銷。*