第7章 软件结构与实现

人机交互技术编写组1第7章软件结构与实现人机交互技术编写组2内容提要窗口系统对交互系统实现的支持窗口系统提供设备独立性和资源的共享，在窗口系统，程序员不用担心输入和输出设备的初始化，应用程序从窗口系统管理器接收事件请求流，完成相应的交互操作。用户界面管理系统UIMSUIMS是抽象层次更高的支持交互系统实现的开发环境，为交互系统实现提供更高层支持。支持复杂人机交互系统的实现的软件体系结构包括E-O模型Seeheim模型MVC模型智能体模型人机交互技术编写组37.1窗口系统窗口系统强调为程序员提供硬件设备独立性，交互系统的实现建立在一个抽象的设备上，对抽象设备的操作通过设备驱动程序转换成具体的设备上的操作，这可以使交互系统的开发变得简单，也使交互系统的移植非常方便。人机交互技术编写组47.1窗口系统窗口系统为单一输入输出设备建立多个抽象设备来实现其资源的共享。每个抽象设备都可看作一个窗口的独立的输入输出设备，窗口系统为这些设备提供并发控制。从应用的角度看，每个应用程序独立地对设备进行操作，另一方面，窗口系统还为每个窗口提供一个抽象显示设备，这可以通过为每个活动的抽象显示设备建立一个窗口来实现。设备独立性和多任务管理是窗口系统的最重要的两个特性。人机交互技术编写组57.1.1窗口系统结构窗口系统一般有三种结构:在各个应用程序内部实现和管理多任务，由于每个应用程序都需要处理复杂的多任务管理，并且移植起来不方便。在操作系统核心集中处理多任务管理，应用程序不再对多任务进行管理，由于过分的依赖操作系统，应用程序需要处理因操作系统的不同而引起的差异。多任务的管理可由独立的管理程序进行管理，应用程序通过调用该管理程序提供的接口来实现对多任务的管理和设备的独立性操作，该管理程序可以在不同的操作系统下运行，因而基于此管理程序开发的交互系统是最容易移植的。人机交互技术编写组6一种客户/服务器结构客户应用程序客户应用程序客户应用程序﹒﹒﹒客户抽象终端抽象终端﹒﹒﹒抽象终端资源管理器设备驱动程序服务器设备鼠标窗口1窗口2窗口n键盘图7-1客户/服务器结构人机交互技术编写组7服务器端运行的三部分程序资源管理器是整个窗口系统的核心，负责多任务的管理，并通过设备驱动程序来管理外部设备。设备驱动程序负责外部设备的驱动，接受输入设备的输入，并将输入数据转换成统一的格式，通过设备驱动程序实现设备的独立性。抽象终端负责和客户应用程序的接口，对每个应用程序由窗口管理程序为其分配一个抽象终端。人机交互技术编写组8工作方式当外部设备产生一个输入请求，如鼠标单击某一个窗口内的一点，资源管理程序从设备驱动程序获得鼠标数据，产生鼠标驱动事件，并将该事件分发给与该窗口相对应的抽象终端，与抽象终端相对应的应用程序接受事件并进行相应的处理。实现时，客户程序和服务器程序可以在一台机器上，也可以分布在不同的机器上。人机交互技术编写组97.1.2设计交互应用程序在客户/服务器结构中，交互系统的应用程序通过调用服务器端一个独立的管理程序来管理多任务和提供设备的独立性，相当于客户-服务器中结构中的客户。交互应用一般来讲是由用户驱动的，即用户从外部设备上输入数据，应用程序的动作由用户输入来决定，应用程序可以采用下面的两种控制流程实现用户的交互。人机交互技术编写组101.应用程序内部事件处理循环设备客户应用程序开始读输入过程输入退出？结束服务器图7-2事件处理循环人机交互技术编写组11事件处理循环的程序代码while(1){read_event(myevent);switch(myevent.type){casetype_1:do_type1_process();/*处理对应事件1的动作*/break;casetype_2:do_type2_process();break;…casetype_n:do_typen_process();break;}}人机交互技术编写组122.事件注册方式窗口系统为每一个应用程序建立一个事件处理中心，事件处理中心负责事件的处理。应用程序将自己感兴趣的事件处理事先通过登记注册的方式通知事件处理中心，注册时同时告诉事件处理中心当事件产生时，应用程序需要进行的处理（回应过程）。当事件处理中心从窗口系统接收一个事件，分析这个事件属于哪个应用程序，然后把事件和控制转向该事件注册的回应过程，处理完后，回应过程把控制返还给事件处理中心，事件中心继续接收事件或者请求终止。人机交互技术编写组13应用程序开始启动通知者处理事件读输入请求回应退出？是否通知者图7-3事件注册方式处理流程图发送给正确的回调函数向通知者注册回调函数结束人机交互技术编写组142.事件注册方式这种方式的好处是一般应用程序不需要设计事件处理循环，只关心应用程序需要处理哪些交互事件，当事件发生时应用程序如何处理。当应用程序不需要处理某个事件时，应用程序还可以随时取消注册。因为只处理注册的事件，事件处理中心处理事件的效率相对比较高。Java语言中图形界面的交互就是采用的这种事件注册方式，下面的程序清单7-2说明了应用程序如何通知注册事件，事件处理中心通过什么方式调用应用程序的回调函数。人机交互技术编写组15程序清单7-2quit.javaimportjava.awt.*;importjava.awt.event.*;classQuitextendsFrameimplementsActionListener{ButtoncancelButton,okButton;publicQuit(){cancelButton=newButton(Cancel);okButton=newButton(OK);setLayout(newFlowLayout());add(cancelButton);add(okButton);addWindowListener(newProgramTerminator());cancelButton.addActionListener(this);okButton.addActionListener(this);}人机交互技术编写组16publicvoidactionPerformed(ActionEventevent){ButtonclickedButton=(Button)event.getSource();if(clickedButton==cancelButton){setTitle(YouclickedCANCEL);}else{//theeventsourceisokButtonsetTitle(YouclickedOK);}}classProgramTerminatorimplementsWindowListener{publicvoidwindowClosing(WindowEventevent){System.exit(0);}人机交互技术编写组17publicvoidwindowActivated(WindowEventevent){}publicvoidwindowClosed(WindowEventevent){}publicvoidwindowDeactivated(WindowEventevent){}publicvoidwindowDeiconified(WindowEventevent){}publicvoidwindowIconified(WindowEventevent){}publicvoidwindowOpened(WindowEventevent){}}publicstaticvoidmain(Stringargs[]){Quitf=newQuit();f.setBounds(100,100,200,70);f.setVisible(true);}}人机交互技术编写组182.事件注册方式在上面的程序中，当应用程序创建窗口对象时，通过addWindowListener方法通知事件处理中心该应用程序需要处理窗口关闭事件，并且当用户用鼠标器单击窗口右上角的小关闭按钮时，事件处理程序会自动调用ProgramTerminator的一个方法，结束当前的应用程序,在该程序中还用到了交互系统开发软件包中的交互对象Button，在7.2节中将仔细讨论交互系统开发软件包，图7-4说明了程序初始的显示画面。图7-4Quit.java运行结果人机交互技术编写组197.2交互系统开发软件包一般的窗口系统，输入和显示是分离的。交互系统开发软件包在支持窗口管理的基础上增加了另一种抽象，它把输入和输出的行为结合起来。从用户角度讲，图形用户界面WIMP非常重要的特征就是将输入和输出行为与屏幕上的一个独立的对象连接在一起。鼠标自硬件设备的输入（鼠标的移动）与显示屏上鼠标的输出（小的箭头光标或窗口内坐标的位置）是分离的。屏幕上光标的移动和鼠标的物理运动密切相关，即当鼠标在桌面上移动时，屏幕上的光标也跟着移动。视觉上的光标与物理的设备都称为“鼠标”。人机交互技术编写组20交互系统开发软件包图7-5说明了如何将输入和输出通过一个按钮联系在一起。当用户移动鼠标到按钮时，屏幕的光标变换形状，提示用户可以单击鼠标，以选中按钮，如果此时用户按鼠标上的按键，屏幕上的按钮变亮，就像按下键盘上的某些键一样，让用户感到确实按下了屏幕上的按钮，释放鼠标键，屏幕上的按钮变暗，就像真正释放屏幕上的按钮。人机交互技术编写组21按钮按钮按钮按钮单击按钮移动单击释放移动图7-5按钮交互对象行为人机交互技术编写组22输入和输出的融合一般来说，窗口系统提供了上述简单的输入和输出的融合，复杂情况下输入输出的融合需要程序员来实现。为了帮助程序员实现输入和输出融合，需要在窗口系统之上，提供更高层的对交互系统实现的支持——交互系统开发软件包。交互系统开发软件包为程序员提供一组已经定义好的交互对象，也称为交互界面元素或窗口组件，程序员可以使用这些组件编写自己的应用程序。交互对象有预先定义好的行为，用户可以根据自己的需要选择使用。人机交互技术编写组23对象之间的关系为了提供交互对象灵活性，交互对象可以根据用户的需要进行定制，程序员可以根据自己特殊的要求调用交互对象。例如：当创建一个特别的按钮时，按钮上的标签可以是程序员设置的一个参数.较复杂的交互对象可以由较小的、简单的对象构建，整个应用可以看作是一组交互对象的集合，这些对象存在着一定的关系，交互对象的行为描述了整个应用的语义。人机交互技术编写组24交互对象和交互系统开发软件包的特性这些组件可以被定义为一类交互对象，这类交互对象可以在一个应用中多次激活，不同的实例可以有微小的区别。复杂的交互对象可以由简单的交互对象构建。实例和继承是面向对象程序设计的基石，类可以看作交互对象的模板。人机交互技术编写组25交互系统开发软件包的面向对象特性交互系统开发软件包是面向对象的，但这并不意味着开发的应用程序所需要的语言必须支持面向对象的概念，也可以使用非面向对象的程序设计语言。程序员通过设置不同的实例属性的值来调整交互对象的行为和外观，这些属性可以在实例程序编译之前设置，如在程序Quit.java中两个按钮交互对象cancelButton和okButton，这些按钮的显示文本在程序编译时已经设定。人机交互技术编写组26Java语言中的交互系统开发软件包抽象窗口工具包AWT(AbstractWindowingToolkit)它将交互对象，诸如：按钮、菜单、对话框等映射到相应的Java的类Button、Menu、Dialog程序员要么直接使用这些类，要么使用它们的子类。从某种意义上讲，这些类规范了交互对象的行为。利用子类可以很容易增设新的属性人机交互技术编写组27JAVA软件包的事件处理机制在AWT1.0，程序员需要通过继承按钮的子类来指定按钮的行为从AWT1.1以后，程序员使用一种类似于传统的回调过程的方法来指定按钮的行为但这里注册的不再是一个回调函数，而是一个事件监听对象，如在Quit.Java中的用于处理窗口事件的ProgramTermin