《軟件工程》教案-04 設計工程.doc

山東輕工業(yè)學院教師授課教案課程名稱：軟件工程課程代碼：0310040學 分：3課程類別：選修課開課單位:信息科學與技術學院授課班級：計科07-12授課教師：趙培英山東輕工業(yè)學院教務處制授課時間2009年 9 月 23 日 星期 三 第 34 節(jié)2009年 9 月 25 日 星期 五 第 34 節(jié)2009年 10 月 9 日 星期 五 第 34 節(jié)授課內容概要第四章 設計第一節(jié) 設計工程概述 設計的目標，設計的任務，軟件設計的過程。第二節(jié) 軟件設計原則 模塊化，抽象與逐步求精，信息隱藏，模塊獨立。第三節(jié) 軟件體系結構設計 各種體系結構風格。第四節(jié) 部件級設計技術結構化程序設計方法，設計的各種表示方法。第五節(jié) 人機界面設計影響人機界面設計的因素，涉及的模型，人機界面設計的黃金規(guī)則。第六節(jié) 設計歸檔、確認與驗證 設計文檔應包含的內容，設計確認與驗證的含義，設計評審的過程。目的要求了解設計的目標、任務、過程；了解結構化程序設計方法；了解設計的各種表示方法；了解人機界面設計的黃金規(guī)則；掌握軟件設計原則；掌握各種體系結構風格；掌握設計評審的方法。重 點軟件設計原則；各種體系結構風格；設計評審。難點耦合與內聚的概念及分類作業(yè)布置1.簡述軟件設計階段的任務和目標？2.軟件設計有哪些原則？3.簡述模塊、模塊化及模塊化設計的概念。4.舉例說明各種類型的模塊耦合和模塊內聚。5.比較各種體系結構風格。6.人機界面設計的黃金規(guī)則？7.如何進行設計評審？參考書1.軟件工程理論與實踐（第三版影印版），ShariLawrencePfleeger，高等教育出版社,2001年8月2軟件工程錢樂秋等 清華大學出版社課 型理論課學時分配復 習 5 分鐘主要教具多媒體講 授 35 分鐘教學方法多媒體課件指 導 2 分鐘教學手段講授結合實例總 結 3 分鐘備注授課：每周二56，雙周周五56，II公教JT301 答疑：每周四78節(jié)，機電C403學時分配：指本章節(jié)每節(jié)課（45分鐘）的平均分配情況授 課 過 程 及 內 容：第四章 設計 軟件設計原則 軟件體系結構設計 部件級設計技術 人機界面設計 設計規(guī)約與設計評審一、軟件設計工程概述 軟件設計的任務 軟件設計的目標 軟件設計的過程1軟件設計的任務 設計過程解決“怎么做”的問題,把軟件需求變換成軟件表示的過程,主要包含兩個階段： 軟件體系結構設計（概要設計） 部件級設計 （詳細設計） 根據(jù)用信息域表示的軟件需求，以及功能和性能需求，產生 數(shù)據(jù)/類設計 體系結構設計 接口設計 部件級設計 1）數(shù)據(jù)/類設計 類模型=類實現(xiàn)（數(shù)據(jù)結構） 在類和由CRC（類責任協(xié)作者）中定義的數(shù)據(jù)對象和關系以及數(shù)據(jù)字典中描述的詳細數(shù)據(jù)內容提供了數(shù)據(jù)設計活動的基礎2）體系結構設計 定義軟件的整體結構 由軟件部件、外部可見的屬性和它們之間的關系組成。 體系結構設計表示可以從系統(tǒng)規(guī)約、分析模型和分析模型中定義的子系統(tǒng)的交互導出。 3）接口設計 描述軟件內部、與協(xié)作系統(tǒng)之間、與人之間如何通信，主要包括三個方面： 設計模塊間接口 設計外部接口 設計人機接口 4）部件級設計 軟件體系結構的結構性元素軟件部件的過程性描述。 在編碼步驟，根據(jù)這種過程性描述，生成源程序代碼，然后通過測試最終得到完整有效的軟件。 部件設計的基礎:從類為基礎的模型、流模型、行為模型中得到的信息 2軟件設計的目標 1)設計必須實現(xiàn)分析模型中描述的所有顯式需求，必須滿足用戶希望的所有隱式需求。2)設計必須是可讀、可理解的，使得將來易于編程、易于測試、易于維護。3)設計應從實現(xiàn)角度出發(fā)，給出與數(shù)據(jù)、功能、行為相關的軟件全貌。3軟件設計的過程 1)制定規(guī)范2)體系結構和接口設計3)數(shù)據(jù)/類設計4)部件級（過程）設計5)編寫設計文檔6)設計評審4軟件設計原則（1）抽象化 軟件系統(tǒng)進行模塊設計時，可有不同的抽象層次。 在最高的抽象層次上，可以使用問題所處環(huán)境的語言概括地描述問題的解法。 在較低的抽象層次上，則采用過程化的方法。 包括過程抽象和數(shù)據(jù)抽象1) 過程的抽象：在軟件工程中，從系統(tǒng)定義到實現(xiàn)，每進展一步都可以看做是對軟件解決方法的抽象化過程的一次細化。 r需求分析階段，用“問題所處環(huán)境的為大家所熟悉的術語”來描述軟件解決方法。 r從概要設計到詳細設計的過程中，抽象化的層次逐次降低。 r當產生源程序時到達最低抽象層次。 2) 數(shù)據(jù)抽象：在不同層次上描述數(shù)據(jù)對象的細節(jié)，定義與該數(shù)據(jù)對象相關的操作。（2）逐步求精 將軟件的體系結構按自頂向下方式，對各個層次的過程細節(jié)和數(shù)據(jù)細節(jié)逐層細化，直到用程序設計語言的語句能夠實現(xiàn)為止，從而最后確立整個的體系結構 逐步求精與抽象是一對互補的概念（3）模塊化 模塊化：指整個軟件被劃分成若干單獨命名和可編址的部分，稱之為模塊。這些模塊可以被組裝起來以滿足整個問題的需求。 把問題子問題的分解與軟件開發(fā)中的系統(tǒng)子系統(tǒng)或系統(tǒng)模塊對應起來，就能夠把一個大而復雜的軟件系統(tǒng)劃分成易于理解的比較單純的模塊結構。 模塊化的理論根據(jù)“分而治之”（P66）（4）信息隱藏 每個模塊的實現(xiàn)細節(jié)對于其它模塊來說應該是隱蔽的。即：塊中所包含的信息（包括數(shù)據(jù)和過程）不允許其它不需要這些信息的模塊使用 通過信息隱蔽，可使錯誤局部化 （5）模塊獨立 模塊獨立：是指軟件系統(tǒng)中每個模塊只涉及軟件要求的具體的子功能, 而和軟件系統(tǒng)中其它的模塊的接口是簡單的 一般采用兩個準則度量模塊獨立性。即模塊間耦合和模塊內聚： 內聚（cohesion）是一個模塊內部各個元素彼此結合的緊密程度的度量 耦合(coupling)是模塊之間互相連接的緊密程度的度量 模塊獨立性比較強的模塊應是高內聚低耦合的模塊。1）內聚 內聚性分七種類型 . 功能內聚 (Functional Cohesion)：模塊中各部分都是完成某一具體功能必不可少的組成部分。. 順序內聚 (Sequential Cohesion)：一個模塊完成多個功能，各個功能必須順序執(zhí)行。. 通信內聚 (Communication Cohesion)：一個模塊內各功能部分都使用了相同的輸入數(shù)據(jù)，或產生了相同的輸出數(shù)據(jù)。. 過程內聚（Procedural Cohesion）：一個模塊完成多個任務，這些任務必須按指定的過程進行。. 時間內聚（Classical Cohesion）：模塊的各個功能的執(zhí)行與時間有關，通常要求所有功能必須在同一時間段內執(zhí)行。例如初始化模塊和終止模塊。. 邏輯內聚（Logical Cohesion）：這種模塊把幾種相關的功能組合在一起，調用時，由傳送給模塊的判定參數(shù)來確定該模塊應執(zhí)行哪一種功能。. 巧合內聚（Coincidental Cohesion）：巧合內聚又稱為偶然內聚。模塊內各部分之間沒有聯(lián)系，或者即使有聯(lián)系也很松散。2）耦合 模塊間的耦合方式. 非直接耦合(Nondirect Coupling)：兩個模塊之間沒有直接關系，它們的聯(lián)系完全是通過主模塊的控制和調用來實現(xiàn)的。. 數(shù)據(jù)耦合 (Data Coupling)：模塊間僅通過參數(shù)表傳遞簡單數(shù)據(jù)參數(shù) (不是控制參數(shù)、公共數(shù)據(jù)結構或外部變量) 交換信息。. 標記耦合 (Stamp Coupling)：模塊間通過參數(shù)表傳遞一個數(shù)據(jù)結構的一部分（不是簡單變量。. 控制耦合 (Control Coupling)：如果一個模塊通過傳送開關、標志、名字等控制信息，明顯地控制選擇另一模塊的功能，就是控制耦合。. 外部耦合（External Coupling）：一組模塊都訪問同一全局簡單變量而不是同一全局數(shù)據(jù)結構，而且不是通過參數(shù)表傳遞該全局變量的信息，則稱之為外部耦合。. 公共耦合（Common Coupling）：若一組模塊都訪問同一個公共數(shù)據(jù)環(huán)境，則它們之間的耦合就稱為公共耦合。公共的數(shù)據(jù)環(huán)境可以是全局數(shù)據(jù)結構、共享的通信區(qū)、內存的公共覆蓋區(qū)等。公共耦合的復雜程度隨耦合模塊的個數(shù)增加而顯著增加。若只是兩模塊間有公共數(shù)據(jù)環(huán)境，則公共耦合有兩種情況。松散公共耦合和緊密公共耦合。. 內容耦合 (Content Coupling)：如發(fā)生下列情形，兩個模塊之間就發(fā)生了內容耦合：a) 一個模塊直接訪問另一個模塊的內部數(shù)據(jù);b) 一個模塊不通過正常入口轉到另一模塊內部;c) 兩個模塊有一部分程序代碼重迭(只可能出現(xiàn)在匯編語言中);d) 一個模塊有多個入口。二、軟件體系結構設計 軟件體系結構設計的一個核心問題是能否使用重復的體系結構模式，即能否達到體系結構級的軟件重用 軟件體系結構風格是描述某一特定應用領域中系統(tǒng)組織方式的慣用模式。1軟件體系結構的風格 （1）倉庫風格體系結構 以數(shù)據(jù)為中心，有兩種不同的構件：中央數(shù)據(jù)結構說明當前狀態(tài)，獨立構件在中央數(shù)據(jù)存貯上執(zhí)行，倉庫與外構件間的相互作用在系統(tǒng)中會有大的變化 例子：數(shù)據(jù)庫，黑板系統(tǒng)（2）數(shù)據(jù)流風格的體系結構 輸入數(shù)據(jù)被一系列的構件變換成輸出數(shù)據(jù)。 構件被稱為過濾器，連接件為管道 過濾器必須是獨立的實體，它不能與其它的過濾器共享數(shù)據(jù)，而且一個過濾器不知道它上游和下游的標識 例：編譯程序（3）調用和返回風格的體系結構 非常容易修改和擴充的體系結構。 包含：主程序/子程序風格體系結構和遠程過程調用風格的體系結構 在這里要了解幾個概念： 程序結構的深度：程序結構的層次數(shù)稱為結構的深度。結構的深度在一定意義上反映了程序結構的規(guī)模和復雜程度。 程序結構的寬度：層次結構中同一層模塊的最大模塊個數(shù)稱為結構的寬度。 模塊的扇入和扇出：扇出表示一個模塊直接調用（或控制）的其它模塊數(shù)目。扇入則定義為調用（或控制）一個給定模塊的模塊個數(shù)。多扇出意味著需要控制和協(xié)調許多下屬模塊。而多扇入的模塊通常是公用模塊。（4）面向對象風格的體系結構 系統(tǒng)部件封裝數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)操作。 部件之間通過消息來交互和協(xié)調。 （5）層次式風格的體系結構 定義不同的層次，每一層為上層服務，并作為下層客戶二、評估可選的體系結構 同一軟件需求，不同設計方法，導出不同的軟件結構。 同一問題的不同軟件結構：體系結構權衡分析法（ATAM，architecture trade-off analysis method） 在進行軟件體系結構設計時，可以參考如下規(guī)則： (1)改進軟件結構提高模塊獨立性(2)模塊適當?shù)纳疃取挾?、扇出和扇?3)模塊判斷作用范圍應在其控制作用范圍內(4)力爭降低模塊接口的復雜度(5)設計單入口單出口的模塊(6)模塊功能應該是可以預測的模塊大小適中(7)一般一個模塊包含的語句在3050條左右較好。(8)一個設計好的軟件結構，通常頂層扇出比較高，中層扇出比較少，底層有高扇入。三、部件級設計技術 結構化程序設計方法1部件級設計技術 在部件級設計階段，主要完成如下工作： 為每個部件確定采用的算法，選擇某種適當?shù)墓ぞ弑磉_算法的過程，編寫部件的詳細過程性描述； 確定每一部件內部使用的數(shù)據(jù)結構； 在部件級設計結束時，應該把上述結果寫入部件級設計說明書，并且通過復審形成正式文檔，作為下一階段（編碼階段）的工作依據(jù)。 2結構化程序設計方法 結構化程序設計的定義： “如果一個程序的代碼塊僅僅通過順序、選擇和循環(huán)這三種基本控制結構進行連結，并且每個代碼塊只有一個入口和一個出口，則稱這個程序是結構化的”。 結構化程序設計方法 自頂向下，逐步求精 隨著面向對象和軟件復用的發(fā)展，更現(xiàn)實、更有效的開發(fā)途徑可能是自頂向下和自底向上兩種方法有機的結合。 3部件描述方式 圖形表示：程序流程圖 ，N-S圖 ，PAD 表格表示：判定表 語言表示：PDL四、人機界面設計1 人機界面設計中人的因素 人對感知過程的認識 用戶的技能和行為方式 用戶所要求完成的整個任務以及用戶對人機界面部分的特殊要求2人機界面設計中涉及的模型 設計模型（design model）：軟件工程師創(chuàng)建的，整個系統(tǒng)設計模型包括對軟件的數(shù)據(jù)結構、體系結構、界面和過程的表示。界面設計往往是設計模型的附帶結果。 用戶模型（user model）：人機工程師創(chuàng)建的，用戶模型描述系統(tǒng)終端用戶的特點。設計前，應對用戶分類，了解用戶的特點，包括年齡、性別、實際能力（physical abilities）、教育、文化和種族背景、動機、目的以及個性。 用戶的模型（users model）或系統(tǒng)感覺（system perception）：終端用戶主觀想象的系統(tǒng)映象，描述了期望的系統(tǒng)能提供的操作。 系統(tǒng)映象（system image）：系統(tǒng)實現(xiàn)者創(chuàng)建的，包括基于計算機的系統(tǒng)的外在表示（界面的觀感）和用來描述系統(tǒng)語法和語義的支撐信息（書、手冊、錄像帶、幫助文件）。3人機界面設計的黃金法則 讓用戶擁有控制權 減少用戶的記憶負擔 保持界面一致 五、設計規(guī)約與設計評審1設計規(guī)約的內容2設計評審 軟件設計的最終目標是要取得最佳方案 “最佳”是指在所有候選方案中，就節(jié)省開發(fā)費用，降低資源消耗，縮短開發(fā)時間的條件，選擇能夠贏得較高的生產率、較高的可靠性和可維護性的方案 設計評審的內容 可追溯性： 即分析該軟件的系統(tǒng)結構、子系統(tǒng)結構 確認該軟件設計是否覆蓋了所有已確定的軟件需求，軟件每一成分是否可追溯到某一項需求。 接口： 即分析軟件各部分之間的聯(lián)系 確認該軟件的內部接口與外部接口是否已經(jīng)明確定義。部件是否滿足高內聚和低耦合的要求。部件作用范圍是否在其控制范圍之內。 風險：即確認該軟件設計在現(xiàn)有技術條件下和預算范圍內是否能按時實現(xiàn) 實用性：即確