%BA%A7语言C++程序设计(第一版)-第十一章

11.1 仿真系统程序的总体设计265第十一章 用Ｃ＋＋语言设计面向对象程序 由于Ｃ＋＋语言支持抽象数据类型、类的继承机制以及以虚函数为代表的多态性，使得Ｃ＋＋语言成为面向对象程序设计（ＯＯＰ）的有力工具，虽然我们已经在各章（特别是第七章以后）分别介绍了其各种功能和机制的编程技术，但仍然不足以清楚地展示一个完整的面向对象程序设计和实现的总体过程。

本章拟通过自顶向下地介绍电梯仿真系统的用Ｃ＋＋语言描述的ＯＯＰ程序，向读者展示初步的面向对象的编程方法，并从中体现ＯＯＰ的风格和特征。

　面对一个实际问题，面向对象编程的过程一般分为三个阶段，即面向对象分析（ＯＯＡ），面向对象设计（ＯＯＤ）和面向对象实现（ＯＯＩ）。

前两个阶段与语言无关。

　ＯＯＡ阶段的任务是从问题陈述中把直接问题领域和系统行为的对象，类及类之间的联系抽取出来。

例如在办公大楼电梯仿真系统中，搭乘电梯的人，在楼间运行的电梯和各个楼层，它们是实际问题中的对象和类。

　ＯＯＤ阶段则需进一步对系统进行总体结构设计，把数据设计与过程设计结合为一体，封装为模块，同时为实现问题需求可能还需要引入其它一些对象和类。

　ＯＯＩ阶段才是用Ｃ＋＋语言进行编程实现的过程。

关于ＯＯＡ，ＯＯＤ的内容本书不可能详细讨论，在全部本科的学习过程中，学生将有机会在有关ＯＯＰ的后续课程（如数据结构、数据库系统原理、面向对象编程技术等）中得到系统的训练。

　另外，在实际问题中，可能与我们给出的这个实例有区别，即由于ＯＯＰ允许充分利用程序的可重用性，依靠一个越来越完备的类库，程序员在开发一个新的软件时新的类的对象可能只占程序的一小部分，而可以把主要精力用在ＯＯＡ和ＯＯＤ上面，这样的编程既可靠又快速，是面向对象编程的一大优点。

１１．１ 仿真系统程序的总体设计　在实际工作中，往往需要由计算机来模拟一个系统的运行过程。

例如工厂266第十一章用Ｃ＋＋语言设计面向对象程序的生产中，由原材料、工人、设备、产品等多因素构成的生产过程仿真；一个电厂的电力的生产、供应、管理的全过程的仿真；一个城市的道路交通系统、车流量、道路管理，其中包括各种道路、行人、司机、骑自行车的人、红绿灯系统、警察、各种车辆等等，它们在运行中全处在动态变化之中。

这样的一个仿真系统的开发，有利于有关部门安排警力，改进红绿灯系统的设置，在最紧张的地段拓宽路面，改行单行线，建设新道路、立交桥、地铁等等。

　当然，设计这样的仿真程序不是一件很容易的事。

Ｃ＋＋语言所支持的面向对象程序设计技术正是为规模较大、比较复杂的问题编制高质量、可读性好、可维护性好、可重用性好的软件最强有力的方法。

　本章要解决的问题是一个规模稍小一点的仿真问题，它是要编写一个程序，模拟办公大楼中全部电梯的工作过程。

这个仿真程序可以用来改善大楼管理，它也可以看成是一种游戏程序。

　下面让我们对这个系统作一个初步描述：　・办公大楼有十层，每层有电梯，同时有步行楼梯；　・全楼有不多于１０部电梯同时供使用，电梯容量为２４人，速度每上下一层需５秒，在某一层停下至少１５秒。

其运行状态可分：向上、向下、停止，当前乘客数，当前所在层数。

它设有一个“按钮数组”，例如第五层的按钮按下，意味着有乘客在第５层到达目标层，等等。

　・在楼的每一层，有电梯数，有按钮表示有人等待向上或向下，由若干人在等待，有若干电梯在本层停下，等等。

　・在大楼中（包括进出）的总人数不超过５００人，每个人站在电梯前有个目标层，他有一个最大的忍受等待时间，因为他可以选择电梯或是步行走楼梯，等等。

　・若干假设：　在每个时间段要进大楼的人数在０～１９９之间随机取值；　用电梯的每个人的目标层在１～１０之间取值；　一个人在进电梯或改走楼梯之前的等待时间在１８０～３６０秒范围内随机发生；　一个人到达目标层后第二次再乘电梯中间的工作时间在４００～６６００秒间随机取值。

以及其它假设。

　总之，在我们设计仿真程序之前应对整个系统有个比较量化的了解，同时应对整个系统的几方面因素有一定的划分。

　例如，可以把整个大楼视为系统的整体，在这个系统中运行的有不同类的对象：　11.1 仿真系统程序的总体设计267电梯集合，按自己规律不断运行的若干电梯，仿真系统应随时显示各个电梯的当前状态，同时在一定时刻应提供某些仿真统计结果。

　楼层集合，各个楼层的状态也是在不停地变化，停下的电梯，等电梯的人群、各按钮的状态，各层状态虽各不相同但有共同的属性。

　人员集合，所有大楼中的人，都处在不断变化着的各种状态之中，等待，搭乘（电梯），工作，步行（楼梯）等。

在等待的人分布在各个楼层，以不同的目标层为目的，他们分乘不同的电梯，在不同的楼层工作，不同的时间间隔后再次使用电梯进入等待状态。

　整个仿真过程按一定的统计结果和随机性假设来运行。

　系统的基本要求是：设定和控制仿真时间，管理整个系统的正常运行，随时显示系统的当前状态，输出一段仿真运行后的结果。

　这样的一个仿真系统的运行过程可以用下面的程序来描述：　//simulation.cpp#include"simulation.h"#include<…>#include<…>simulation simone;void main(void){simone.display();while(simone.continues()){simone.perform();simone.display();}simone.results();}这是一个抽象的仿真程序的运行，让我们就以此作为自顶向下（Ｔｏｐ－Ｄｏｗｎ）的ｏｏｐ设计过程的开始。

　１１．２ 仿真程序ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ的框架　现在目标已经明确，就是要写出上节末程序中要求的包括ｄｉｓｐｌａｙ268第十一章用Ｃ＋＋语言设计面向对象程序（），ｃｏｎｔｉｎｕｅｓ（），ｐｅｒｆｏｒｍ（）和ｒｅｓｕｌｔｓ（）作为函数成员的类的说明和定义。

　我们按照写大程序的习惯，把程序分为两部分：　 ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ｈ：类的说明部分　 ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ｃｐｐ：类的实现部分　当然，主函数ｍａｉｎ（）也可以包含在里面。

　//simulation.h 这就是所谓的头文件#ifndef _SIMULATION_H#define _SIMULATION_Henum Bool{false,true};class simulation{long timeSimulate; //仿真时间（秒数）long timeRemaining; //剩余时间（秒数）public:simulation();Bool continues(void);void SetTime(long secs);long getTime(void);void reduceTime(long secs);void perform(void);void display(void);void results(void);};＃ｅｎｄｉｆ ／／＿ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮ＿Ｈ　程序说明：　⑴　第２～３行和１９行的编译预处理命令的功能为：　第２行：如果未对＿ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮ＿Ｈ作出定义，则向下一行进行，否则跳过这段程序直到第１９行以后。

　第３行：把＿ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮ＿Ｈ定义为空串。

　第１９行：与第２行呼应，如条件不成立，跳过这级程序。

　它们的作用是避免这个头文件的内容在多次被包含的情况下重复运行。

　⑵　类ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ有两个私有数据成员：ｔｉｍｅＳｉｍｕｌａｔｅ是一个长整数，纪录设定的仿真时间；另一个ｔｉｍｅＲｅｍａｉｎｉｎｇ则纪录剩余的仿真时间长度，当这个值变为０时仿真停止。

　11.2 仿真程序ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ的框架269⑶　类ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ说明了８个公有函数成员，除了构造函数和上文中要求的ｃｏｎｔｉｎｕｅｓ（），ｐｅｒｆｏｒｍ（），ｄｉｓｐｌａｙ（）和ｒｅｓｕｌｔｓ（）之外，另说明了ＳｅｔＴｉｍｅ（），ｇｅｔＴｉｍｅ（），ｒｅｄｕｃｅＴｉｍｅ（）三个可以在运行中改变和读取时间设置的操作。

　⑷　从这段程序可以看出，类ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ的任何一个实例或对象都是一次实际的仿真过程。

　下面是类ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ的定义或称实现。

　//simulation.cpp#include "simulation.h"#include <iostream.h>#include <conio.h>simulation::simulation(){timeSimulate=3600;timeRemaining=timeSimulate;} //以3600秒—1小时为缺省设置时间Bool simulation::continues(void){if(timeRemaining>0)return true;else return false;} //根据剩余时间判定是否继续仿真void simulation::SetTime(long secs){timeSimulation=secs;timeRemaining=timeSimulate;} //运行中设置仿真时间long simulation::getTime(void){return timeRemaining;} //读出剩余时间void simulation::reduceTime(long secs){if(secs>timeRemaining)270第十一章用Ｃ＋＋语言设计面向对象程序timeRemaining=0;elsetimeRemaining-=secs;} //减少仿真时间void simulation::perform(void){cout<<"Simulation! Press <space> to continume";while(getch()!=" ");reduceTime(600);} //这是一个虚拟的运行操作void simulation::display(void){cout<<endl<<"Time remaining";cout<<timeRemaining<<"secs";} //显示信息void simulation::results(void){cout<<endl<<"Simulation results:";cout<<endl<<"Time at start:"<<timeSimulate<<"secs";cout<<endl<<"Time at end:"<<timeRemaining<<"secs";} //显示仿真结果⑴　这是一个抽象的框架程序，是自顶向下设计过程的开始，但它又是可运行的，读者可以按上节的ｍａｉｎ（）来执行它。