面向对象的软件体系结构
软件开发中的软件体系结构和设计研究和应用
软件开发中的软件体系结构和设计研究和应用软件开发中的软件体系结构和设计研究和应用1. 引言软件体系结构和设计是软件开发过程中的重要环节，它们起着指导和规范开发过程、减少系统错误和故障的作用。
本文将介绍软件体系结构和设计的概念、研究内容和应用情况。
2. 软件体系结构软件体系结构是软件系统的整体结构和组件之间的关系，它包括了系统的组织方式、组件的职责和关系、系统的行为和性能特性等。
软件体系结构的设计需要考虑系统的可扩展性、灵活性、可维护性、可重用性等方面的要求。
常见的软件体系结构模式有分层结构、客户端-服务器结构、发布订阅结构等。
3. 软件设计软件设计是指根据软件功能和需求对软件进行分析、概念化、详细设计和建模的过程。
在软件设计阶段，开发人员需要确定系统的模块划分、接口设计、算法设计等。
良好的软件设计能够提高系统的可维护性、可理解性和可扩展性。
常用的软件设计方法有结构化设计、面向对象设计和面向服务设计。
4. 软件体系结构和设计的研究内容软件体系结构和设计的研究内容主要包括以下几个方面：(1) 组织和管理软件系统：研究如何将系统划分为若干模块，并定义模块之间的关系和接口。
(2) 软件体系结构模式：研究常用的软件体系结构模式，如面向对象、分布式、并行等，以及它们的特点和适用领域。
(3) 软件设计原则和方法：研究通用的软件设计原则和方法，如高内聚低耦合、单一职责原则、开闭原则等，以及如何根据具体需求选择合适的设计方法。
(4) 软件设计模式：研究常用的软件设计模式，如单例模式、工厂模式、观察者模式等，以及它们的应用场景和使用方法。
(5) 软件质量保证：研究如何通过软件体系结构和设计来保证系统的质量，包括性能、可靠性、安全性等方面的要求。
5. 软件体系结构和设计的应用情况软件体系结构和设计的研究成果在实际软件开发中得到了广泛应用。
它们对于大型软件系统的开发和维护起到了重要的指导作用。
比如，在分布式系统开发中，研究人员通过软件体系结构和设计的方法来解决系统的可扩展性、容错性等问题；在移动应用开发中，研究人员通过软件设计模式和原则来提高应用的用户体验和性能。
软件体系结构概述
软件体系结构概述软件体系结构是指软件系统的组织方式和结构框架，包括系统的组件、模块、连接方式以及它们之间的关系。
软件体系结构定义了系统的主要构成和交互方式，以及系统的整体特性和行为。
软件体系结构的设计和选择对于系统的可维护性、可扩展性、可靠性和性能等方面都有重要影响。
软件体系结构可以理解为一个软件系统的蓝图或者设计模板，它指导和限制了系统在开发和维护过程中的各个方面，并对系统的演化和重用性提供支持。
常见的软件体系结构包括客户端-服务器体系结构、分层体系结构、面向对象体系结构、面向服务体系结构等。
客户端-服务器体系结构是最常见的软件体系结构之一，它将软件系统划分为客户端和服务器两部分。
客户端负责用户界面和用户交互，服务器负责处理业务逻辑和数据存储。
这种体系结构可以提高系统的可伸缩性和可靠性，同时也增加了系统的复杂性和通信开销。
分层体系结构将软件系统划分为多个层次，每个层次具有特定的功能。
常见的层次包括表示层、业务逻辑层和数据访问层。
表示层负责用户界面的展示和交互，业务逻辑层负责系统的业务逻辑处理，数据访问层负责数据的存储和访问。
分层体系结构可以提高系统的可重用性和可维护性，同时也增加了系统的复杂性和通信开销。
面向对象体系结构利用面向对象的思想和技术进行软件系统的设计和实现。
它将软件系统划分为多个对象，每个对象具有特定的属性和方法，并通过消息传递进行交互。
面向对象体系结构可以提高系统的可重用性和可维护性，同时也增加了系统的复杂性和内存开销。
面向服务体系结构将软件系统划分为多个服务，每个服务具有特定的功能和接口。
这些服务通过网络进行通信和交互，从而实现系统的功能需求。
面向服务体系结构可以提高系统的可扩展性和跨平台性，同时也增加了系统的通信开销和服务管理的复杂性。
除了以上常见的软件体系结构外，还有其他一些特定领域的体系结构，如实时系统体系结构、并行系统体系结构等。
实时系统体系结构适用于对响应时间有严格要求的系统，它需要快速的响应和高可靠性。
面向对象软件体系结构与设计模式
面向对象软件体系结构与设计模式一、前言面向对象软件体系结构与设计模式是软件开发的重要组成部分，具有广泛的应用价值和产业意义。
本文将从面向对象软件体系结构和设计模式两个方面进行阐述，探讨其基本原理、实现方法以及应用效果。
二、面向对象软件体系结构面向对象软件体系结构是一种针对现代软件开发的设计和开发方法，其基本思想是以对象为基本单位进行系统分析和设计。
在面向对象软件体系结构中，软件系统被抽象为由各种不同类型的对象组成的集合，每个对象都具有自己的属性和方法，这些对象之间通过接口进行交互，形成一个统一的系统体系结构。
面向对象软件体系结构的优劣面向对象软件体系结构主要优势包括：1. 可复用性高：面向对象的程序设计可以高度重复使用，通过类和对象的复用，可以快速构建复杂的软件系统。
2. 易维护性高：由于面向对象的程序设计是基于类和对象的，代码的修改只需要修改相关类和对象，而不会影响系统的其他部分，从而提高了程序的可维护性。
3. 增强软件的可扩展性：面向对象开发模式下，程序员可以根据需要进行新的对象创建，从而实现弹性分层。
4. 更贴近对象的本质：程序员能够以更自然的方式来刻画问题本身中的对象。
面向对象软件体系结构的主要缺陷包括：1. 复杂度高：由于面向对象的软件系统需要对各种类型的对象进行抽象，存在相当大的复杂度，从而导致开发成本高。
2. 性能不佳：由于对多个对象的频繁交互需要进行额外的处理，面向对象软件系统在性能方面较差。
三、设计模式设计模式是一种基于面向对象编程技术的重要概念，用于解决软件设计过程中的一些常见问题。
设计模式可以被视为一个经过优化过的、在软件系统中反复使用的通用解决方案，可用于解决各种软件设计问题。
设计模式的分类根据其用途和实际应用场景，设计模式可分为三类：创建型、结构型和行为型。
下面分别进行讲解。
1. 创建型设计模式创建型设计模式通常用于创建对象的过程中，涵盖了一系列可用于创建对象的方法，例如工厂模式、单例模式、原型模式等。
软件体系结构
1.2软件体系结构研究的内容和范畴
• 体系结构风格、设计模式和应用框架的概念是从不同的目的和出发点讨论
软件体系结构，它们之间的概念经常互相借鉴和引用。
1.3体系结构设计原则
• 抽象
• 分而治之
• 封装和信息隐藏
• 模块化
• 高内聚和低耦合
• 关注点分离
• 策略和实现的分离
• 接口和实现的分离
1.3体系结构设计原则
Filter将文件分离为音频流和视频流，AVI解码Filter对视频流进行解码并送往Video表现Filter，
由后者将各帧在显示器上显示，默认的DirectSound设备用DirectSound将音频流输
出。。
1.1what is SA ？
• 其次，体系结构的描述的作用好像一个框架，系
统属性在这个框架下进行扩充，并且，它在考察
设计出合适的体系结构。经验不丰富的设计师往往把注意力集中在“功能性
需求”而疏忽了“非功能性需求”，殊不知后者恰恰是最能体现设计水平的
地方。
高水平的设计师高就高在“设计出恰好满足客户需求的软件，并且使开
发方和客户方获取最大的利益，而不是不惜代价设计出最先进的软件。（以
设计住宅为例）…
对于软件系统而言，能够满足需求的设计方案可能有很多种，究竟该选
能力，新的、更大的、更复杂的问题又摆在人们的面前。
1.1what is SA ？
• 这种全局结构的设计和规划问题包括 全局组织
结构；全局控制结构；通信和同步以及数据存取
协议；规定设计元素的功能；设计元素的组合；
物理分布；规模和性能；演化的维度；设计方案
的选择等。
• 1随着软件系统的规模和复杂性不断增加，系统
软件体系结构风格
软件体系结构风格软件体系结构设计的一个核心问题是能否使用重复的体系结构模式，即能否达到体系结构级的软件复用。
也就是说，能否在不同的软件系统中，使用同一体系结构。
基于这个目的，学者们开始研究和实践软件体系结构的风格和类型问题。
Garlan和Shaw根据此框架给出了通用体系结构风格的分类。
（1）数据流风格：批处理序列；管道／过滤器。
（2）调用／返回风格：主程序／子程序；面向对象风格；层次结构。
（3）独立构件风格：进程通信；事件系统。
（4）虚拟机风格：解释器；基于规则的系统。
（5）仓库风格：数据库系统；超文本系统；黑板系统。
下面，我们将介绍一些典型的软件体系结构风格。
1．分层系统层次系统组织成一个层次结构，每一层为上层服务，并作为下层客户。
例如，四层的分层式体系结构可以分为应用软件、业务软件、中间件和系统软件。
这种风格支持基于可增加抽象层的设计。
这样，允许将一个复杂问题分解成一个增量步骤序列的实现。
由于每一层最多只影响两层，同时只要给相邻层提供相同的接口，允许每层用不同的方法实现，同样为软件复用提供了强大的支持。
层次系统最广泛的应用是分层通信协议。
在这一应用领域中，每一层提供一个抽象的功能，作为上层通信的基础。
较低的层次定义低层的交互，最低层通常只定义硬件物理连接。
2．客户／服务器客户／服务器（Client/Server, C/S）软件体系结构是基于资源不对等，且为实现共享而提出来的，是20世纪90年代成熟起来的技术，C/S体系结构定义了工作站如何与服务器相连，以实现数据和应用分布到多个处理机上。
C/S体系结构有3个主要组成部分，即数据库服务器、客户应用程序和网络。
传统的C/S体系结构将应用一分为二，服务器（后台）负责数据管理，客户机（前台）完成与用户的交互任务。
服务器为多个客户应用程序管理数据，而客户程序发送、请求和分析从服务器接收的数据，这是一种“胖客户机”、“瘦服务器”的体系结构。
与二层C/S结构相比，在三层C/S体系结构中，增加了一个应用服务器。
软件体系结构
软件体系结构软件体系结构是指软件系统中各个组件之间的关系和结构的抽象描述。
它是构建软件系统的基础，对软件系统的设计和开发起着重要的指导作用。
本文将从软件体系结构的定义、目标和应用领域等方面对其进行详细的介绍。
一、软件体系结构的定义软件体系结构是指软件系统中各个组件之间的关系和结构的抽象描述，它包括软件系统的静态结构和动态行为。
静态结构是指软件系统中组件的组织方式和相互之间的关系，动态行为是指软件系统中组件的交互方式和相互之间的通信方式。
二、软件体系结构的目标软件体系结构的目标是实现软件系统的可重用性、可维护性、可扩展性和可伸缩性。
可重用性是指软件系统中的组件能够被多次使用，可维护性是指软件系统中的组件能够被轻松地修改和维护，可扩展性是指软件系统能够根据需求进行功能的扩展，可伸缩性是指软件系统能够根据需求进行性能的扩展。
三、软件体系结构的应用领域软件体系结构广泛应用于各个领域的软件系统开发，特别是大型跨平台和分布式系统的开发。
在金融领域，软件体系结构被应用于交易系统和风险管理系统的开发；在电子商务领域，软件体系结构被应用于在线购物系统和支付系统的开发；在物流领域，软件体系结构被应用于供应链管理系统和运输管理系统的开发。
四、软件体系结构的基本原则软件体系结构的设计应遵循以下基本原则：1. 模块化：将软件系统分为独立的模块，每个模块只负责特定的功能，通过接口进行通信和交互。
2. 松耦合：各个模块之间的依赖应尽量降低，避免模块之间的紧密耦合，以提高系统的灵活性和可维护性。
3. 高内聚：模块内部的各个元素之间应紧密关联，功能相关的元素应放在同一个模块中，以提高系统的内聚性。
4. 分层：将软件系统分为多个层次，每个层次负责不同的功能，上层层次通过接口调用下层层次的功能。
5. 可伸缩性：系统的设计应考虑未来的扩展需求，能够根据需求进行功能和性能的扩展。
六、软件体系结构的设计方法软件体系结构的设计方法有很多种，常用的有面向对象的体系结构设计方法、服务导向的体系结构设计方法和领域驱动设计方法。
软件设计与体系结构-第四章-面向对象的软件设计方法课件
l 概念模型与顶层架构设计:
l 在用户需求和相关的业务领域中，概念及概念关系的抽取
l 用户界面设计:
l 设计每个界面中的所有界面元素，确定初步的界面布局，定义用户界面动作对软件系统中设计元
素的要求
l 数据模型的设计:
l 确定设计模型中需要持久保存的类的对象及其属性，定义持久持久存储数据之间的组织方式，并
.
26
概念模型和顶层架构设计
l 边界类: 其职责包括: l 边界控制: l 包括定义数据的格式及内容转换，输出结果的呈现，软件运行过程中界
面的变化与切换等。 l 外部接口: l 实现目标软件系统与外部系统或外部设备之间的信息交流和互操作，主
要关注跨越目标软件系统边界的通信协议 l 环境隔离: l 对目标软件系统与操作系统、数据库管理系统、中间件等环境软件进行
事件流中步骤（1）
l （3）如果账户余额小于取款金额，则显示信息“账户余额不足，请重新输入”，并返回主事件流
中步骤（1）
l （4）顾客在确认取款金额前右以选择取消交易。
l 后置条件: 如果取款成功，系统从账户余额中减去相应数额，并返回等待状态；如果顾客取消交易，
则返回等待状态
.
19
用例的分析与设计
体技术没有关系 l 顶层架构的设计 l 目的: 为后续的分析和设计活动建立一种结构和划分
.
24
概念模型和顶层架构设计
l 关键概念来源: l 为建立以UML类图表示的领域概念模型，首先必须标识关键概念。关键
概念的来源包括: l （1）业务需求描述、用例说明； l （2）业务领域中的相关规范、标准、术语定义。 l （3）反映业务领域知识的既往经验。 l 业务需求描述 l 业务领域中的相关规范、标准、述评呼定义 l 反映业务领域知识的既往经验
软件体系结构
软件体系结构随着计算机科学和技术的不断发展，软件开发也越来越重要。
软件体系结构是软件开发中非常关键的一环。
它是指软件系统中各组件之间的关系和交互方式的一种描述方式。
软件体系结构不仅仅是软件系统的设计，还涉及到软件系统的架构、组件、模式等多方面的内容。
软件体系结构的定义软件体系结构是指软件设计时所考虑到的系统结构和组件之间的关系，以及它们之间的交互方式和通信方式。
它是软件系统设计的基础，可以帮助程序员们更好地规划和管理整个项目。
在实际开发过程中，软件体系结构可以将软件系统划分为若干个独立的部分，每个部分可以独立开发，最终组合成一个完整的软件系统。
软件体系结构的重要性软件体系结构在软件开发生命周期的各个阶段都会发挥重要作用。
它可以帮助软件开发者们更清楚地定义系统范围、确定模块之间的关系、减少冲突和风险等。
此外，软件体系结构还可以帮助软件开发者预测系统的变化，让系统更加易维护和扩展。
软件体系结构的种类软件体系结构可以根据不同的标准进行分类。
下面介绍几种常见的分类方式。
1. 根据结构组织按照软件系统的结构组织方式来分类，可以分为：层次体系结构、客户/服务器体系结构、面向对象体系结构等。
层次体系结构将软件系统划分为若干个层次，每个层次尽量保持独立，每个层次只依赖于下一层次，不依赖于上一层次。
这种体系结构的好处是简单易懂，可维护性高。
客户/服务器体系结构是指将软件系统分为服务器端和客户端两部分。
服务器提供各种服务，客户端通过调用服务器端提供的服务来实现自己的功能。
这种体系结构的好处是扩展性好，因为只要增加一台服务器就可以为更多的客户端提供服务。
面向对象体系结构是指将软件系统看成是若干个对象的集合。
每个对象有一些属性和方法，它们之间可以相互调用来完成一些功能。
这种体系结构的好处是维护性好，因为不同对象之间的关系比较简单清晰。
2. 根据数据流方向按照数据流的方向来分类，可以分为：单向体系结构、双向体系结构。
单向体系结构是指软件系统在数据流的传递方向上是单向的，只有一个方向。
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interDeptLink: deptServer: LAN 1 Fileserver
1..* 1 1
deptCorpLink: TCP/IP 1 1..*
corpServer: 1 MainFrame
opStation: WorkStation
1..*
opCorpLink: TCP/IP
三层C/S商业系统的配置图
:Configure Knowledge
2.2 用配置图描述系统结构
并不是所有的系统都需要建立配置图，一个单 机系统只需建立包图或构件图。配置图主要用于在 网络环境下运行的分布式系统或嵌入式系统的建模。
打印机 系统管理 （执行码） 通用应用 （执行码）
资源管理
桌面 客户 资源管理 （执行码）
数据库服务器 DB:数据库
3.5 代理
从部件的角度看，代理（agent）是服务器。 从体系结构的角度看，代理是模拟企业工作流程中 的行动者。在代理的体系结构中，需要一个控制器。
mymailer: Mailer
image.java
+Mailbox +RoutingList －MailQueue
:Mailbox :RoutingList
:MailQueue
2. 组件的实例 表示运行期间可执行的软件模块。只有可执行的 组件才有实例。
2.3 用构件图来描述系统软件环境的配置
窗口控制 （whnd.cpp） 窗口控制 (whnd.obj) 图形库 (graphic.dll)
流程处理系统 层状系统
客户－服务器系统
三级和多级系统
代理
三、体系结构图的标记法
通常采用一组简单的工程式样标记来构造体系结 构图（architecture diagram）,这组标记是以UML的 配置图为基础的。 配置图由多个结点（ node)、连接器（ connector） 构成。
Client Node(客户机结点)
体系结构模式表示软件系统的基本结构化组织图式。 体系结构模式可以作为具体软件体系结构的模板。
2.设计模式(design pattern) 由一些更基本的成分构成,是进行设计的“砖头”， 可以用于同类的其他设计，也称为模型架构(model framework)。它用于细化软件系统的子系统或组件。
二、常用的通用模式
数据库 服务请求
结果 应用程序
网络
客户(Client)
典型的客户－服务器(C/S)结构
一、如何解决客户－服务器系统的限制？
１. 针对网络瓶颈问题，尽量减少客户机作远程调用， 如把一组运算组合起来，在一个远程调用中处理。 ２ 为了解决服务器的变动引起客户机的改变，采用 “轻型客户机” (thin cilent)。如Web浏览器/服务器模式， 简称B/S (Browser/Server）模式。 它无须在不同的客户机上安装不同的客户应用程序， 而只需安装通用的浏览器软件。 简化了系统的开发和维护。系统的开发者无须再为不 同级别的用户设计开发不同的客户应用程序了，只需把所 有的功能都实现在Web服务器上，并就不同的功能为各个 组别的用户设置权限就可以了。
存储层
数据库
UML包表达的体系结构单元
2.2 用配置图描述系统结构 配置图是一个架构，用来详细说明技术单元和它 们之间的链接。又可分为硬件环境的配置图和软件环 境的配置图。
三、设计样式
ONE DESKTOP
ONE DEPARTMENT
THE CORPORATION
UserStation: Personal Computer
表示层 表 示
应用逻辑层
领
域
服
务
存储层
数据库
图6.1 UML包表达的体系结构单元
2.1 用包图描述系统的体系结构
二、应用包图要解决的问题
表 示
⑴如何组织包？ 应将概念或语义相近的模 型元素 ( 对象类 ) 纳入一个包。 即包具有高内聚性，包中的类 具有功能相关性。
表示层
应用逻辑层
领
域
服
务
⑵如何确定包之间的关系？ 包之间的联系主要有两种： 依赖和泛化。
Thin Clients
（客户机） Thin Clients （轻型客户机）
ClientB Web Server （服务器）
HTTP
ClientA
CORBA/IIOP
business logic node（商业逻辑结点）
SQL
Security （保安）
Event （事件）
Search （搜索）
:Object Database :Health Care Domain TCP/IP a Windows PC(客户机) :Heart Unit UI :Configure users :Heart Unit Client Facade 医院诊疗系统的配置图(C/S)
:Heart Unit Server Application
Client A
Client B
Client C Client D
Server (服务器)
客户机/服务器系统
限制： 1. 客户机与服务器的通信依赖于网络，可能出现网络阻 塞的瓶颈(bottleneck)现象。 2. 服务器及界面的改变将引起客户机的相应改变。
C/S结构的数据库
服务器(Server) DBMS
关 系
通信控制 (comhnd.cpp)
通信控制 (comhnd.obj)
客户程序 (client.exe)
主控模块 (main.cpp)
主控模块 (main.obj)
构件
构件图实例
Ⅲ 基于模式的软件体系结构
一、什么是软件体系结构的通用模式 1. 体系结构模式（architecrul pattern）
面向对象的
软件体系结构
高等教育出版社 高等教育电子音像出版社
Ⅰ面向对象体系结构
一、什么是体系结构
从一般意义上说，体系结构包括两个层面: 硬件体系结构（Hardware Architecture ） 软件体系结构（Software Architecture ）
硬件体系结构指系统的硬件组织模式；而软件体 系结构则描述软件的组织模式。这里我们主要关注软 件体系结构的问题。 体系结构反映了系统的总体结构，是从全局上描 述系统。
ClientC
ClientD
第三级
business logic node（商业逻辑结点）
客 户 机
Security
（安全）
Event
（事件）
Search
（搜索）
第二级
Database management node
（数据库管理结点）
第一级
三级体系结构
3.4 三级和多级系统
可由三级系统的概念推广到多级系统(multi-tier system), 即由多个C/S对组成。
Ⅰ面向对象体系结构
二、体系结构建模
体系结构建模（architecture modeling）首先要 建立系统的基本模型，并将该模型映射到软硬件单 元上。主要讨论以UML为基础的体系结构建模。
三、什么是面向对象的体系结构？ 面向对象的体系结构与传统的体系结构不同， 它强调的是分布式对象的分配、部件及其界面、 面向对象的通信方法。
Ⅰ面向对象体系结构
四、建立软件体系结构的重要性
软件技术研究的主要方面：软件理论、编程和 软件设计方法、软件工程环境、软件体系结构和中 间件中，软件体系结构最重要。 软件开发首先要解决高层问题的决策，再逐步 细化。 系统能否适应用户初期需求的模糊性和需求的 变化，主要取决于软件体系结构。 软件体系结构是软件质量的保证。
含商业逻 辑对象
Database management node （数据库管理结点）
四级体系结构
多级系统的特点
优点： １. 系统功能分布在多级或服务器上，系统易于维护和 扩充。 ２. 进行分级控制，可对不同级的客户机提供不同水平 的服务。 ３. 可方便地将中间级与企业的其他系统连接起来。 ４. 多级系统可以对同时使用系统的客户机提供服务。 限制： １. 各对客户机与服务器之间有多种不同的通信协议，要 求熟悉不同协议的专业人员。 ２. 数据行经的多级结点，分布在不同的计算机系统中，目管理 桌面 客户 项目管理 （执行码）
打印机
项目与资源管理系统的配置图
2.3 用构件图来描述系统软件环境的配置 构件图又称为组件图，组件（Component）是系 统的物理可替换的单位，代表系统的一个物理组件及 其联系，表达的是系统代码本身的结构。 １. 简单组件与扩充组件
Mailer
3
后处理器
System Services（系统服务）
流程处理系统
系统的主要特色是：三个处理部件之间是单向连接的， 可能安装在不同的计算机上。 常用于数据与图像处理、计算机模拟、数值解题等。
3.1 流程处理系统
优点： 系统由各处理部件简单组合，易于扩充处理， 部件易于复用。适合于在大规模并行计算机中 (massively parallel computer)运行，解决复杂的工 程技术问题。 限制：
3.2 层状系统
优点： 1. 按照功能层次划分，降低系统复杂度，系统设 计更加清晰。 2. 内层与外界隔离，可有效控制内层的函数和服 务。 ３. 新的及常用运算（查询）可在界面层中引入， 由内层服务支持，可提高系统性能。 ４. 独立的层，可以作为构件或结点使用。 限制： 1. 层数过多，系统性能下降。 2. 标准化的层界面可能变得臃肿，使函数调用性 能下降。
3.4 三级和多级系统
第一级是数据库管理结点(database management node)。 第二级或中间级是“商业逻辑结点” (business logic node), 是指具体应用中实施的 程序逻辑和法则。 第三级是用户界面级，强调高效、方便易用的用户界面。