1052 Quiz#4 靜態 vs 動態的物件功能設定

時間: 165分鐘 (106/06/22 09:20 ~ 12:05 上傳時間截止)

你可以看自己手上的資料, 可以查網路上的說明或是範例, 但是請不要和同學討論

第一部份目標：撰寫一個概念上的字串編碼與加密解密工具程式

這個程式基本的功能是將一個 std::string 物件裡面的資料編碼與加密、解密，不過不需要你撰寫加密與解密的演算法，只需要把加密動作的概念表達出來就可以了，例如下面的程式輸出，第一列是最原始放在 std::string 裡面的明文；第二列我們用 AES(...) 代表經過 AES 加密演算法加密得到的密文；第三列是把第二列的 AES 密文用十六進位編碼的結果；第四列是把第三列的十六進位編碼還原回來並且以 AES 解密把還原回來的密文解密出來的結果

Hello, this is the plaintext.
AES(Hello, this is the plaintext.)
4145532848656C6C6F2C20746869732069732074686520706C61696E746578742E29
Hello, this is the plaintext.

這個程式的加密與解密只是概念上的動作，所以程式不至於太複雜, 底下先給你主要的程式碼

考試要求一

請你在 VC2010 裡開啟一個新的方案 StringEncoding1, 讓 Visual Studio 幫你建立方案的目錄, 然後請把下面的程式碼分別拷貝到不同的檔案裡, 測試執行, 應該可以得到前三列(黑字)的結果

#include <string>
#include <iostream>
using namespace std;

class AESEnc
{
public:
    AESEnc(string data);
    string encrypt(); // assume with fixed key
private:
    string m_data;
};

AESEnc::AESEnc(string data):m_data(data)
{
}

string AESEnc::encrypt()
{
    return string("AES(") + m_data + ")";
}

class HexAESEnc: public AESEnc
{
public:
    HexAESEnc(string data);
    string encrypt();
};

HexAESEnc::HexAESEnc(string data):AESEnc(data)
{
}

string HexAESEnc::encrypt()
{
    static const char* digits = "0123456789ABCDEF";
    string in = AESEnc::encrypt();
    string out;
    for (int i=0; i<in.length(); i++)
    {
        out.push_back(digits[(in[i]>>4) & 0x0f]);
        out.push_back(digits[in[i] & 0x0f]);
    }
    return out;
}

int main()
{
    string line1("Hello, this is the plaintext.");
    cout << line1 << endl;

    AESEnc aesEncData(line1);
    string line2 = aesEncData.encrypt();
    cout << line2 << endl;

    HexAESEnc hexAesEncData(line1);
    string line3 = hexAesEncData.encrypt();
    cout << line3 << endl;

/*
    HexAESDec hexAESDecData(line3);
    string line4 = hexAESDecData.decrypt();
    cout << line4 << endl;
*/

    return 0;
}

考試要求二

請參考上面的 AESEnc 與 HexAESEnc 類別以及其繼承架構，撰寫兩個類別 AESDec 與 HexAESDec，其中 HexAESDec 類別繼承 AESDec 類別，使得上面 main() 裡面註解掉的 3 列程式可以順利執行並且印出紅字的部份

AESDec 是一個負責 AES 解密的類別，建構元的參數是一個字串，字串裡面是 AES 演算法加密過的密文，建構元裡面把參數的字串拷貝到一個資料成員中，請撰寫一個 string decrypt() 成員函式來解密， 如果資料字串的內容是 AES(XYZ) 的話，就把 AES() 刪除掉傳回 XYZ，如果資料字串的內容只是 XYZ，就傳回 IAES(XYZ) 代表解密出來的字串。

HexAESDec 需要負責十六進位的解碼以及 AES 密文的解密，請繼承 AESDec 類別得到解密的功能，再加上十六進位解碼的功能。請先撰寫一個私有的成員函式 string decode(string &) 把輸入的十六進位編碼字串還原回來；再撰寫一個建構元函式，參數是一個字串，字串裡面是經過十六進位編碼後的 AES 密文，建構元在初始化串列裡用 decode 成員函式的輸出來初始化父類別 AESDec 物件，然後撰寫一個 string decrypt() 成員函式，運用 AESDec::decrypt() 來得到解密出來的明文字串。

目前這個程式的類別圖如下：

AESEnc 和 AESDec 類別負責基本的加解密，HexAESEnc 和 HexAESDec 類別則是附加了十六進位的編碼的加密和解密，這樣子的設計是靜態地設定物件的額外功能，所謂靜態的意思就是需要在程式裡設計類別 HexAESEnc 或是 HexAESDec，然後重新編譯過，如果今天我們有另外一種加解密方法 DESEnc 和 DESDec，那麼也許就需要 AESDESEnc 這種類別來表示先用 DES 加密再用 AES 加密，可能也需要 HexAESDESEnc 或是 HexDESEnc 或是 HexDESAESEnc 等等的組合，當符合的選項越來越多的時候，很難靜態地把所有可能需要的組合類別都先設計出來，所以就會有動態地設定物件功能的需求。

上面這個設計還有一個地方看起來有一些問題，就是原始資料保存在 AESEnc 和 AESDec 類別的 m_data 資料成員裡，如果有其他的加解密方法的類別例如 DESEnc 和 DESDec，它們需要保存原始資料嗎? 如果兩個類別都有原始資料，那麼合成起來的類別要把原始資料放在哪一個類別裡呢？如下圖，我們可以修改一下，另外設計專門存放原始資料的類別，這樣子就可以任意調整加密和編碼的順序，也可以任意調整兩種加密的順序：

第二部份目標：運用 decorator 樣板，撰寫一個能夠動態地設定物件功能的字串編碼與加密解密工具程式

想要能夠動態地組合基本物件提供的功能，就不能用上面繼承的方法來合併不同的功能，需要運用委託的機制來達成這個需求，例如下圖所示：

或是

因為在這種資料處理的過程中，一定是一個階段一個階段分別完成的，不會混在一起先加密一部份資料、另外一部份先做 Hex 編碼，所以兩張圖裡面的委託機制都形成一個串列。

物件 :AESEnc 連接到物件 :PlainData，代表的意義是加密的資料由 :PlainData 物件提供，物件 :HexEnc 連接到物件 :AESEnc 代表的意義是編碼的資料來自 AES 加密過後的資料；因為連接的目標物件有兩種，所以如下圖我們定義一個共通的界面 IData，:PlainData 只會是最終端的物件，其它加密、編碼、解密、解碼的功能物件都在串列的中間，我們把它抽象化為 Filter 界面，如上圖這樣子串起來的架構可以用下圖右側的聚合關係來表示

上圖裡面 Filter::ctor(IData&) 主要是在建立物件之間的關聯性，參數是提供資料的物件，需要把這個關聯性記錄在 m_source 資料成員裡面

各種 Filter 的衍生類別一起畫出來可以得到下圖

這樣子的類別設計，在運用的時候基本上會用物件的建構元把物件之間的關聯性建立好，然後在主要的 pumpData() 界面裡，沿著串列將資料一層一層的處理好資料，所有的關聯性都是客戶端程式動態組合出來的，不需要另外定義類別，主要的使用方法如同下面這個 main 函式所顯示

int main()
{
    PlainData data("Hello, this is the plaintext.");
    cout << data.pumpData() << endl;

    AESEnc aesEncData(data);
    cout << aesEncData.pumpData() << endl;

    DESEnc *pDesEncData = new DESEnc(aesEncData);
    cout << pDesEncData->pumpData() << endl;

    AESDec aesDecData(aesEncData);
    cout << aesDecData.pumpData() << endl;

    DESDec desDecData(*pDesEncData);
    cout << desDecData.pumpData() << endl;

    HexEnc hexEncData(aesEncData);
    cout << hexEncData.pumpData() << endl;
    
    HexDec hexDecData(hexEncData);
    cout << hexDecData.pumpData() << endl;

    delete pDesEncData;    
    return 0;
}

Hello, this is the plaintext.
AES(Hello, this is the plaintext.)
DES(AES(Hello, this is the plaintext.))
Hello, this is the plaintext.
AES(Hello, this is the plaintext.)
4145532848656C6C6F2C20746869732069732074686520706C61696E746578742E29
AES(Hello, this is the plaintext.)

考試要求三

請在前面的方案中加入一個新的專案 StringEncoding2, 並且完成下面的類別來支援前面這個 main() 函式裡的測試

請完成 IData 抽象類別的設計

1. 這個類別裡只有 virtual 的解構元以及 virtual 的 string pumpData() 界面
   
   
2. 需要把這 pumpData() 定義為純粹的虛擬函式

請完成 PlainData 類別的設計

1. 建構元參數是一個 string 的物件，請把這個 string 物件的內容拷貝下來，這是最原始的資料
   
   
2. 這個類別的 pumpData() 其實等於是一個 accessor, 就直接把 m_data 裡面紀錄的資料拷貝出去

請完成 Filter 抽象類別的設計

1. 這是 AESEnc, AESDec, HexEnc, HexDec 的共通界面，主要功能是維護物件的關聯性，並且完成委託機制的實作
   
   
2. 製作建構元，建構元參數是 IData 的參考，代表資料的來源，把它紀錄在 m_source 參考變數裡面
   
   
3. 委託機制是在 pumpData() 成員函式裡面實作的，這個函式裡面需要要求前一級的 Filter 物件把資料準備好，也就是 return m_source.pumpData();

請完成 AESEnc、AESDec、HexEnc、HexDec 類別的設計

1. 以 AESEnc 類別為例，主要需要完成 string pumpData() 界面以及 void encrypt(string &in, string &out) 輔助函式
   
   
2. string pumpData() 裡面首先需要呼叫 Filter::pumpData() 來請前一級的物件準備好需要處理的資料，然後呼叫 encrypt() 輔助函式來處理資料，最後回傳處理好的字串
   
   
3. void encrypt(string &in, string &out); 基本上把前一級準備好的資料當作第一個參數，定義一個新的 string 物件當作第二個參數，加密完的資料放在第二個參數裡面。
   
   
4. 其它幾個類別的設計都類似

請以前面的 main() 函式測試

考試時間: 165分鐘 (09:20 ~ 12:05 上傳時間截止)

後續:

1. 在電子商務的應用裡面，常常需要把加密過的資料透過 email 來傳遞給遠方，此時需要做 Base64 的編碼與解碼，可以設計新的 Filter 衍生類別 Base64Enc 和 Bae64Dec 來完成這個功能
   
   
2. 基本的 Decorator 樣板如下圖所示，大家常常用視窗、捲動軸、工具列、選單列、狀態列的組合當例子，也常常用咖啡店咖啡的組合或是飲料店裡飲料的組合、比薩店比薩的口味組合來作為解釋範例