軟件工程思想-軟件工程基本觀念

1、 軟件工程基本觀念本章講述軟件工程的基本觀念，是關于軟件工程宏觀上的探討。如果你是軟件公司的老板，用不著在第一線工作，那么看這一章就夠了。但你一定要讓員工們相信不停地工作是人生最大的快樂，并且讓他們把本書看完。1.1節(jié)講述軟件工程的目標和常用的軟件工程模型。1.2節(jié)講述軟件開發(fā)的基本策略：“復用”、“分而治之”、“優(yōu)化折衷”，有助于指導實踐者選擇方法和產(chǎn)生新方法。1.3節(jié)例舉一些不正確的觀念，取材于早期軟件人員比較幼稚的想法，初學者可以引以為戒。1.4節(jié)探討一些有爭議的觀念?？赐瓯菊?，要樹立這樣的信念：軟件開發(fā)過程中的坎坎坷坷，仿佛只是人臉的凹凸不平，用熱水毛巾一把就可抹平。讓我們高舉程序主義

2、、軟件工程思想的偉大旗幟，緊密團結(jié)在以Microsoft為核心的軟件公司周圍，沿著比爾·蓋茨的生財之道，不分白天黑夜地編程，把建設有中國特色的軟件產(chǎn)業(yè)的偉大事業(yè)全面推向21世紀。1.1 軟件工程的目標與常用模型軟件工程的目標是提高軟件的質(zhì)量與生產(chǎn)率，最終實現(xiàn)軟件的工業(yè)化生產(chǎn)。質(zhì)量是軟件需求方最關心的問題，用戶即使不圖物美價廉，也要求個貨真價實。生產(chǎn)率是軟件供應方最關心的問題，老板和員工都想用更少的時間掙更多的錢。質(zhì)量與生產(chǎn)率之間有著內(nèi)在的了解，高生產(chǎn)率必須以質(zhì)量合格為前提。如果質(zhì)量不合格，對供需雙方都是壞事情。從短期效益看，追求高質(zhì)量會延長軟件開發(fā)時間并且增大費用，似乎降低了生產(chǎn)率。

3、從長期效益看，高質(zhì)量將保證軟件開發(fā)的全過程更加規(guī)范流暢，大大降低了軟件的維護代價，實質(zhì)上是提高了生產(chǎn)率，同時可獲得很好的信譽。質(zhì)量與生產(chǎn)率之間不存在根本的對立，好的軟件工程方法可以同時提高質(zhì)量與生產(chǎn)率。軟件供需雙方的代表能在餐桌上談笑風生，歸功于第一線開發(fā)人員的辛勤工作。質(zhì)量與生產(chǎn)率的提高就指望程序員與程序經(jīng)理。對開發(fā)人員而言，如果非得在質(zhì)量與生產(chǎn)率之間分個主次不可，那么應該是質(zhì)量第一，生產(chǎn)率第二。這是因為：（1）質(zhì)量直接體現(xiàn)在軟件的每段程序中，高質(zhì)量自然是開發(fā)人員的技術追求，也是職業(yè)道德的要求。（2）高質(zhì)量對所有的用戶都有價值，而高生產(chǎn)率只對開發(fā)方有意義。（3）如果一開始就追求高生產(chǎn)率，容易

4、使人急功近利，留下隱患。寧可進度慢些，也要保證每個環(huán)節(jié)的質(zhì)量，以圖長遠利益。軟件的質(zhì)量因素很多，如正確性，性能、可靠性、容錯性、易用性、靈活性、可擴充性、可理解性、可維護性等等。有些因素相互重疊，有些則相抵觸，真要提高質(zhì)量可不容易??！軟件工程的主要環(huán)節(jié)有：人員管理、項目管理、可行性與需求分析、系統(tǒng)設計、程序設計、測試、維護等，如圖1.1所示。人員管理項目管理維護測試程序設計系統(tǒng)設計可行性與需求分析圖1.1 軟件工程的主要環(huán)節(jié)軟件工程模型建議用一定的流程將各個環(huán)節(jié)連接起來，并可用規(guī)范的方式操作全過程，如同工廠的生產(chǎn)線。常見的軟件工程模型有：線性模型（圖1.2），漸增式模型（圖1.3），螺旋模型，

5、快速原型模型，形式化描述模型等等 Pressmam 1999, Sommerville 1992。維護測試程序設計系統(tǒng)設計可行性與需求分析圖1.2 軟件工程的線性模型 時間維護測試程序設計系統(tǒng)設計可行性與需求分析維護測試程序設計系統(tǒng)設計可行性與需求分析 進度 圖1.3 軟件工程的漸增式模型最早出現(xiàn)的軟件工程模型是線性模型（又稱瀑布模型）。線性模型太理想化，太單純，已不再適合現(xiàn)代的軟件開發(fā)模式，幾乎被業(yè)界拋棄。偶而被人提起，都屬于被貶對象，未被留一絲惋惜。但我們應該認識到，“線性”是人們最容易掌握并能熟練應用的思想方法。當人們碰到一個復雜的“非線性”問題時，總是千方百計地將其分解或轉(zhuǎn)化為一系列簡

6、單的線性問題，然后逐個解決。一個軟件系統(tǒng)的整體可能是復雜的，而單個子程序總是簡單的，可以用線性的方式來實現(xiàn)，否則干活就太累了。線性是一種簡潔，簡潔就是美。當我們領會了線性的精神，就不要再呆板地套用線性模型的外表，而應該用活它。例如漸增式模型實質(zhì)就是分段的線性模型，如圖1.3所示。螺旋模型則是接連的彎曲了的線性模型。在其它模型中都能夠找到線性模型的影子。套用固定的模型不是程序員的聰明之舉。比如“程序設計”與“測試”之間的關系，習慣上總以為程序設計在先，測試在后，如圖1.4（a）所示。而對于一些復雜的程序，將測試分為同步測試與總測試更有效，如圖1.4（b）所示。程序設計總測試程序設計測 試同步測試

7、（a） （b）圖1.4 （a）程序設計在先測試在后 （b）測試分為同步測試與總測試不論是什么軟件工程模型，總是少不了圖1.1中的各個環(huán)節(jié)。本書擗開具體的軟件工程模型，順序講述人員管理、項目管理、可行性與需求分析、系統(tǒng)設計、程序設計、測試，以及維護與再生工程。其中程序設計部分以C+/C語言為例。1.2 軟件開發(fā)的基本策略人們都有自己的世界觀和方法論，能自然而然地運用于生活和工作中。同樣，程序員腦子里的軟件工程觀念會無形地支配其怎么去做事情。軟件工程三十年的發(fā)展，已經(jīng)積累了相當多的方法，但這些方法不是嚴密的理論。實踐人員不應該教條地套用方法，更重要的是學會“選擇合適的方法”和“產(chǎn)生新方法”。有謀略

8、才會有好的戰(zhàn)術。幾千年前，我們的祖先就在打鬧之際寫下了很多心得體會，被現(xiàn)代人很好地運用于工業(yè)和商業(yè)。本節(jié)講述軟件開發(fā)中的三種基本策略：“復用”、“分而治之”、“優(yōu)化折衷”。1.2.1 復用復用就是指“利用現(xiàn)成的東西”，文人稱之為“拿來主義”。被復用的對象可以是有形的物體，也可以是無形的成果。復用不是人類懶惰的表現(xiàn)而是智慧的表現(xiàn)。因為人類總是在繼承了前人的成果，不斷加以利用、改進或創(chuàng)新后才會進步。所以當我們歡度國慶時，要搞清楚祖國遠不止50歲，我們今天享用到的財富還有上下五千年人民的貢獻。進步只是應該的，不進步則就可恥了。復用的內(nèi)涵包括了提高質(zhì)量與生產(chǎn)率兩者。由經(jīng)驗可知，在一個新系統(tǒng)中，大部分的

9、內(nèi)容是成熟的，只有小部分內(nèi)容是創(chuàng)新的。一般地可以相信成熟的東西總是比較可靠的（即具有高質(zhì)量），而大量成熟的工作可以通過復用來快速實現(xiàn)（即具有高生產(chǎn)率）。勤勞并且聰明的人們應該把大部分的時間用在小比例的創(chuàng)新工作上，而把小部分的時間用在大比例的成熟工作中，這樣才能把工作做得又快又好。把復用的思想用于軟件開發(fā)，稱為軟件復用。據(jù)統(tǒng)計，世上已有1000億多行程序，無數(shù)功能被重寫了成千上萬次，真是浪費哪。面向?qū)ο螅∣bject Oriented）學者的口頭禪就是“請不要再發(fā)明相同的車輪子了” 。將具有一定集成度并可以重復使用的軟件組成單元稱為軟構件(Software Component)。軟件復用可以表述

10、為：構造新的軟件系統(tǒng)可以不必每次從零做起，直接使用已有的軟構件，即可組裝（或加以合理修改）成新的系統(tǒng)。復用方法合理化并簡化了軟件開發(fā)過程，減少了總的開發(fā)工作量與維護代價，既降低了軟件的成本又提高了生產(chǎn)率。另一方面，由于軟構件是經(jīng)過反復使用驗證的，自身具有較高的質(zhì)量。因此由軟構件組成的新系統(tǒng)也具有較高的質(zhì)量。利用軟構件生產(chǎn)應用軟件的過程如圖1.5所示。軟件復用不僅要使自己拿來方便，還要讓別人拿去方便，是“拿來拿去主義”。面向?qū)ο蠓椒?，Microsoft公司的COM規(guī)范 Rogerson 1999，都能很好地用于實現(xiàn)大規(guī)模的軟件復用。查詢軟構件庫用構件建造新軟件定義所需構件集合應用軟件系統(tǒng)分解提取

11、構件 存在 創(chuàng)建新構件 構件不存在圖1.5 利用軟構件生產(chǎn)應用軟件的過程1.2.2 分而治之分而治之是指把一個復雜的問題分解成若干個簡單的問題，然后逐個解決。這種樸素的思想來源于人們生活與工作的經(jīng)驗，完全適合于技術領域。軟件人員在執(zhí)行分而治之的時候，應該著重考慮：復雜問題分解后，每個問題能否用程序?qū)崿F(xiàn)？所有程序最終能否集成為一個軟件系統(tǒng)并有效解決原始的復雜問題？軟件系統(tǒng)復雜問題 解決原始問題程序1子問題1 分解 集成程序2子問題2程序n子問題n圖1.6 軟件領域的分而治之策略圖1.6表示了軟件領域的分而治之策略。諸如軟件的體系結(jié)構設計、模塊化設計都是分而治之的具體表現(xiàn)。軟件的分而治之不可以“硬

12、分硬治”。不像為了吃一個西瓜或是一只雞，揮刀斬成n塊，再把每塊塞進嘴里粉碎攪拌，然后交由胃腸來消化吸收，象征復雜問題的西瓜或是雞也就此消失了。1.2.3 優(yōu)化折衷軟件的優(yōu)化是指優(yōu)化軟件的各個質(zhì)量因素，如提高運行速度，提高對內(nèi)存資源的利用率，使用戶界面更加友好，使三維圖形的真實感更強等等。想做好優(yōu)化工作，首先要讓開發(fā)人員都有正確的認識：優(yōu)化工作不是可有可無的事情，而是必須要做的事情。當優(yōu)化工作成為一種責任時，程序員才會不斷改進軟件中的算法，數(shù)據(jù)結(jié)構和程序組織，從而提高軟件質(zhì)量。著名的3D游戲軟件Quake，能夠在PC機上實時地繪制高度真實感的復雜場景。Quake的開發(fā)者能把很多成熟的圖形技術發(fā)揮

13、到極致，例如把Bresenham畫線、多邊形裁剪、樹遍歷等算法的速度提高近一個數(shù)量級。我第一次看到Quake時不僅感到震動，而且深受打擊。這個PC游戲軟件的技術水平已經(jīng)遠勝于我所見識到的國內(nèi)領先的圖形學相關科研成果。這對我們?nèi)找媸⑿械狞c到完止的研發(fā)工作真是莫大的諷刺。所以當我們開發(fā)的軟件表現(xiàn)出很多不可救藥的病癥時，不要怨機器差。真的是我們自己沒有把工作做好，寫不好字卻嫌筆鈍。就假設我們經(jīng)過思想教育后，精神抖擻，隨時準備為優(yōu)化工作干上六天七夜。但愿意做并不意味著就能把事情做好。優(yōu)化工作的復雜之處是很多目標存在千絲萬縷的關系，可謂數(shù)不清理還亂。當不能夠使所有的目標都得到優(yōu)化時，就需要“折衷”策略。

14、軟件中的折衷策略是指通過協(xié)調(diào)各個質(zhì)量因素，實現(xiàn)整體質(zhì)量的最優(yōu)。就象黨支部副書記扮演和事佬的角色：“為了使整個組織具有最好的戰(zhàn)斗力，我們要重用幾個人，照顧一些人，在萬不得已的情況下委屈一批人”。軟件折衷的重要原則是不能使某一方損失關鍵的職能，更不可以象“舍魚而取熊掌”那樣拋棄一方。例如3D動畫軟件的瓶頸通常是速度，但如果為了提高速度而在程序中取消光照明計算，那么場景就會喪失真實感，3D動畫也就不再有意義了（如果人類全是色盲，計算機圖形學將變得異常簡單）。人都有惰性，如果允許濫用折衷的話，那么一當碰到困難，人們就會用拆東墻補西墻的方式去折衷，不再下苦功去做有意義的優(yōu)化。所以我們有必要為折衷制定嚴正

15、的立場：在保證其它因素不差的前提下，使某些因素變得更好。下面讓我們用“優(yōu)化折衷”的策略解決“魚和熊掌不可得兼”的難題。問題提出：假設魚每千克10元，熊掌每千克一萬元。有個倔脾氣的人只有20元錢，非得要吃上一公斤美妙的“熊掌燒魚”，怎么辦？解決方案：化9元9角9分錢買999克魚肉，化10元錢買1克熊掌肉，可做一道“熊掌戲魚”菜。剩下的那一分錢還可建立獎勵基金。1.3 一些不正確的觀念本節(jié)例舉并分析一些不正確的軟件工程觀念，可幫助初學者少犯相似的錯誤。觀念之一：我們擁有一套講述如何開發(fā)軟件的書籍，書中充滿了標準與示例，可以幫助我們解決軟件開發(fā)中遇到的任何問題?？陀^情況：好的參考書無疑能指導我們的工

16、作。充分利用書籍中的方法、技術和技巧，可以有效地解決軟件開發(fā)中大量常見的問題。但實踐者并不能因此依賴于書籍，這是因為：（1）現(xiàn)實的工作中，由于條件千差萬別，即使是相當成熟的軟件工程規(guī)范，常常也無法套用。（2）軟件技術日新月異，沒有哪一種軟件標準能長盛不衰。祖?zhèn)髅胤皆谀承╊I域很吃香，而在軟件領域則意味著落后。觀念之二：我們擁有最好的開發(fā)工具、最好的計算機，一定能做出優(yōu)秀的軟件?？陀^情況：良好的開發(fā)環(huán)境只是產(chǎn)出成果的必要條件，而不是充分條件。如果擁有好環(huán)境的是一群庸人，難保他們不干出南轅北轍的事情。觀念之三：如果我們落后于計劃，可以增加更多的程序員來解決?？陀^情況：軟件開發(fā)不同于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，人

17、多不見得力量大。如果給落后于計劃的項目增添新手，可能會更加延誤項目。因為：（1）新手會產(chǎn)生很多新的錯誤，使項目混亂。（2）老手向新手解釋工作以及交流思想都要花費時間，使實際開發(fā)時間更少。所以科學的項目計劃很重要，不在乎計劃能提前多少，重在恰如其分。如果用“大躍進”的方式奔向共產(chǎn)主義，只會產(chǎn)生倒退的后果。觀念之四：既然需求分析很困難，不管三七二十一先把軟件做了再說，反正軟件是靈活的，隨時可以修改?？陀^情況：對需求把握得越準確，軟件的修修補補就越少。有些需求在一開始時很難確定，在開發(fā)過程中要不斷地加以改正。軟件修改越早代價越少，修改越晚代價越大，就跟治病一樣道理。1.4 一些有爭議的觀念本節(jié)探討一

18、些有爭議的觀念，目的不在于得出“正確”或“錯誤”的評斷，而在于爭議會激發(fā)更多理性的思考。爭議之一：如果軟件運行較慢，是換一臺更快的計算機，還是設計一種更快的算法？整理觀點：如果開發(fā)軟件的目的是為了學習或是研究，那么應該設計一種更快的算法。如果該軟件已經(jīng)用于商業(yè)，則需謹慎考慮：若換一臺更快的計算機能解決問題，則是最快的解決方案。改進算法雖然可以從根本上提高軟件的運行速度，但可能引入錯誤以及延誤進程。技術狂毫無疑問會選擇后者，因為他們覺得放棄任何可以優(yōu)化的機會就等于犯罪。類似的爭議還有：是買現(xiàn)成的程序，還是徹底自己開發(fā)？技術人員和商業(yè)人士常常會有不同的選擇。爭議之二：有最好的軟件工程方法，最好的編

19、程語言嗎？整理觀點：在軟件領域永遠沒有最好的，只有更好的。能解決問題的都是好方法或是好語言。程序員在最初學習Basic、Fortran、 Pascal、C、C+等語言時會感覺一個比一個好，不免有喜新厭舊之舉。而如今的Visual Basic、Delphi、Visual C+、Java等語言各有所長，真的難分優(yōu)劣。開發(fā)人員應該根據(jù)客觀條件，選擇自己熟悉的方法和語言，才能保證合格的質(zhì)量與生產(chǎn)率。程序設計是自由與快樂的事情，不要發(fā)誓忠于某某主義而自尋煩惱。爭議之三：編程時是否應該多使用技巧？整理觀點：就軟件開發(fā)而言，技巧的優(yōu)點在于能另辟蹊徑地解決一些問題，缺點是技巧并不為人熟知。若在程序中用太多的技巧，可能會留下隱患，別人也難以理解程序。鑒于一個局部的優(yōu)點對整個系統(tǒng)而言是微不足道的，而一個錯誤則可能是致命的。整理建議用自然的方式編程，少用技巧。狼三則的故事告訴我們“失敗的技巧通常是技倆”。當我們在編程時無法判斷是用了技巧還是用了技倆，那就少用。賣油翁的故事又告訴我們“熟能生