軟件工程第一講

1、第一講 概述學(xué)習(xí)目的什么是軟件，什么是軟件工程軟件工程和計算機科學(xué)間有什么不同，軟件工程和系統(tǒng)工程間有什么不同什么是軟件過程，什么是軟件過程框架什么是軟件生存周期軟件過程模型：瀑布模型、演化模型、基于構(gòu)件的軟件工程過程迭代：增量交付、螺旋開發(fā)過程活動：軟件規(guī)格說明、軟件設(shè)計和實現(xiàn)、軟件確認(rèn)、軟件進(jìn)化什么是軟件工程方法什么是CASE優(yōu)秀軟件的屬性是什么軟件工程的目標(biāo)和原則是什么一、軟件的發(fā)展時間硬件的發(fā)展軟件的發(fā)展代表事件代表事件1946年第一臺計算機彈道計算程序60年代每秒百萬次的大型計算機軟件是為某一專門的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計的70年代微機的出現(xiàn)出現(xiàn)了專門的軟件公司，軟件成為產(chǎn)品90年代計算機進(jìn)入家

2、庭，兼容機的大量生產(chǎn)軟件生產(chǎn)企業(yè)出現(xiàn)，軟件產(chǎn)品種類豐富：系統(tǒng)軟件、工具軟件、應(yīng)用軟件當(dāng)前Internet對全球開放夸平臺的編程語言使軟件應(yīng)用更加廣泛，軟件市場不斷擴大。二、軟件的定義計算機發(fā)展階段硬、軟件關(guān)系軟件生產(chǎn)方式軟件定義要點初期以硬件生產(chǎn)為主，軟件處于從屬地位。個體、手工方式生產(chǎn)程序或機器指令程序第二階段軟硬件均考慮互助合作的手工方式程序說明書第三階段軟件在計算機系統(tǒng)中的比重越來越大軟件設(shè)計和生產(chǎn)開始采用工程學(xué)的基本原理和方法文檔程序1、軟件定義的發(fā)展二、軟件的定義當(dāng)前軟件的定義為：計算機程序和所有使程序正確運行所需要的相關(guān)文檔和配置信息。軟件產(chǎn)品可為特定客戶和通用市場開發(fā)。2、軟件的

3、特點3、軟件的種類三、軟件危機一般情況下，人們把與軟件開發(fā)相聯(lián)系的問題看作“危機（crisis）”與軟件開發(fā)相關(guān)的主要問題：軟件的質(zhì)量、軟件的生產(chǎn)率等Pressman，Roger S 1992年編寫的Software Engineering: A Practitioners Approach一書中提出用“chronic affliction（慢性折磨）”來描述與軟件開發(fā)相關(guān)的問題比“危機（crisis）”更貼切。為了解決軟件危機，1968年秋在當(dāng)時的聯(lián)邦德國近50名第一流的編程人員、計算機科學(xué)家和工業(yè)巨頭，制定擺脫軟件危機的辦法。盡管當(dāng)時專家無法設(shè)計出一張指導(dǎo)軟件業(yè)走向更牢固陣地的詳細(xì)路線圖，

4、但他們確實為這一目標(biāo)創(chuàng)造了一個名詞：軟件工程（software engineering）。四、軟件工程軟件工程廣義的定義為：軟件工程是一門工程學(xué)科，涉及軟件生產(chǎn)的各個方面，從最初的系統(tǒng)描述一直到使用后的系統(tǒng)維護(hù)，都屬于其學(xué)科范疇。軟件工程狹義的定義是：“運用系統(tǒng)的、規(guī)范的、可定量的方法來開發(fā)、運行和維護(hù)軟件”。五、軟件工程和計算機科學(xué)的區(qū)別計算機科學(xué)研究的是構(gòu)成計算機和軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)的有關(guān)理論和方法，而軟件工程則側(cè)重于軟件開發(fā)和交付的實際活動。軟件工程人員必須具有一定的計算機科學(xué)知識。六、軟件工程與系統(tǒng)工程的區(qū)別系統(tǒng)工程側(cè)重于計算機開發(fā)的所有方面，包括硬件、軟件和處理過程。軟件工程只是它的一部分

5、。七、軟件過程及軟件過程模型（一）軟件過程一個軟件過程是一組引發(fā)軟件產(chǎn)品生產(chǎn)的活動。軟件過程是復(fù)雜的，像所有的智力過程一樣，它是依賴人的判斷的。因為需要判斷和創(chuàng)造力，所以軟件過程的自動化的嘗試只獲得了有限的成功。盡管軟件過程具有極大的差異性，但是有些活動還是所有軟件過程都具有的基本活動：軟件描述：必須定義軟件功能以及對其使用的限制。軟件開發(fā)：必須制作滿足描述的軟件。軟件有效性驗證：軟件必須經(jīng)過驗證以保證能夠滿足客戶的要求。軟件進(jìn)化：軟件必須隨客戶需求的變化不斷改進(jìn)。（一）軟件過程實現(xiàn)軟件過程改善的方式有很多，其一是通過過程標(biāo)準(zhǔn)化辦法來減少在一個機構(gòu)的軟件過程的隨意性，這樣可以改進(jìn)溝通、縮短培訓(xùn)

6、時間、使自動化的過程支持更經(jīng)濟。 七、軟件過程及軟件過程模型（二）軟件過程模型軟件過程模型是從一特定角度提出的軟件過程的簡化描述。模型的本質(zhì)就在于簡單化。軟件過程模型就是對被描述的實際過程的抽象，它包括構(gòu)成軟件過程的各種活動、軟件產(chǎn)品以及軟件工程參與人員的不同角色。1. 幾種可能建立的軟件過程模型如下 （1）工作流模型（2）數(shù)據(jù)流或活動模型 （3）角色/動作模型（二）軟件過程模型 一個軟件過程模型是軟件過程的一個抽象的表示法。每個過程模型從一個特定的角度表現(xiàn)一個過程，只提供過程某一側(cè)面的信息。2. 一般的過程模型有：（1）瀑布模型（2）進(jìn)化式開發(fā)模型（3）形式化系統(tǒng)開發(fā)（4）面向?qū)ο笊嫫谀Ｐ?/p>

7、（5）面向復(fù)用的開發(fā)（二）軟件過程模型3. 幾種軟件開發(fā)的通用模型和范例 （1）瀑布式模型系統(tǒng)需求分析軟件需求分析維 護(hù)設(shè) 計編 碼測 試（二）軟件過程模型瀑布式模型的特點：最老的軟件工程過程模型。面向階段的、線性的，每個階段只有當(dāng)前一個階段結(jié)束以后才能開始。優(yōu)點：缺點：適用范圍：（二）軟件過程模型（2）進(jìn)化式（原型）開發(fā)模型需求分析快速設(shè)計生產(chǎn)產(chǎn)品建立原型用戶評價原型修改原型（二）軟件過程模型進(jìn)化式開發(fā)（原型開發(fā)）又可分為兩類：探索式開發(fā)：其目標(biāo)是與用戶一起工作，共同探索系統(tǒng)需求，直到最后交付系統(tǒng)。開發(fā)從需求清楚的部分開始，根據(jù)用戶的建議逐漸向系統(tǒng)中添加功能。拋棄式原型：其目標(biāo)是理解用戶需求

8、，然后再給出系統(tǒng)的一個較好的需求定義。原型注重對客戶需求理解較差的那部分開始。優(yōu)點：用戶參與、快速設(shè)計缺點：整個軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不夠清晰（二）軟件過程模型（3）螺旋模型螺旋開發(fā)模型（the spiral model）綜合了傳統(tǒng)的生存期模型和原型開發(fā)模型的優(yōu)點，同時增加了一個新元素，即風(fēng)險分析（risk analysis），用來彌補兩者的不足。四個象限表示了定義的四個主要活動：1）計劃：目標(biāo)的確定，可選方案和限制2）風(fēng)險分析：可選方案的分析，風(fēng)險的確定、解決3）工程：下一級產(chǎn)品的開發(fā)4）用戶評價：工程結(jié)果的評價（二）軟件過程模型螺旋模型圖示如下：計劃評價制定風(fēng)險評估策略建模分析設(shè)計構(gòu)造編碼測試部署

9、交付反饋（二）軟件過程模型（4）形式化系統(tǒng)開發(fā)類似于瀑布模型的軟件開發(fā)方法。是對系統(tǒng)進(jìn)行形式化的數(shù)學(xué)描述，然后把這種描述用數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)換成程序。這種轉(zhuǎn)換是“正確性保持”的，因而可以保證開發(fā)的程序滿足其描述。 需求定義形式化描述形式化轉(zhuǎn)換集成和系統(tǒng)測試該方法與瀑布模型的本質(zhì)區(qū)別是：軟件需求描述被精煉成一個用數(shù)學(xué)符號表達(dá)的詳細(xì)的形式化描述。設(shè)計、實現(xiàn)和單元測試等開發(fā)過程被一個轉(zhuǎn)換的開發(fā)過程所替代，在這個轉(zhuǎn)換的開發(fā)過程中，形式化描述經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換變成一個可執(zhí)行的程序。已知的形式化開發(fā)過程的最好的例子是“凈室（Cleanroom）”過程。凈室參考模型(CRM)由軟件工程所(Linger和Trammell

10、 1996)提出，它為凈室項目運行定義了一套完整的過程和工作產(chǎn)品。CRM由14個分別對應(yīng)于軟件管理、規(guī)范、開發(fā)和認(rèn)證的獨立過程組成：管理過程包括項目計劃、項目管理、性能改進(jìn)以及工程變更。規(guī)范過程包括需求分析、功能規(guī)范、使用規(guī)范、使用規(guī)范、結(jié)構(gòu)規(guī)范和增量計劃。開發(fā)過程包括軟件再工程、增量設(shè)計和正確性驗證。認(rèn)證過程包括使用建模、測試計劃、統(tǒng)計測試和認(rèn)證。三種形式化語言和方法：VDM、Z方法和3. B方法。（二）軟件過程模型（二）軟件過程模型（5）面向?qū)ο笊嫫谀Ｐ统Ｒ?guī)方法與面向?qū)ο蠓椒ǖ谋容^比較項目設(shè)計方法常規(guī)的面向?qū)ο蟮哪繕?biāo)說明主要功能說明主要對象結(jié)果收集雷達(dá)信息更改顯示飛機顯示屏雷達(dá)接收器（二

11、）軟件過程模型（6）面向復(fù)用的開發(fā)這種方法是假定系統(tǒng)的各個組件已經(jīng)存在。系統(tǒng)開發(fā)的焦點在于集成這些組件，而不是從頭開始重新去開發(fā)。面向復(fù)用的方法依賴可以存取的可復(fù)用軟件組件以及能集成這些組件的框架。需求描述組件分析需求修改使用復(fù)用的系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)和集成系統(tǒng)有效性驗證（6）面向復(fù)用的開發(fā)初始需求階段和有效性驗證階段與其他過程差不多，面向復(fù)用過程的中間階段就大不相同了，這些階段是：組件分析：給出需求描述，然后搜尋能滿足需求的組件。需求修改：根據(jù)得到的組件信息來分析需求，然后修改需求以反映可得到的組件。使用復(fù)用的系統(tǒng)設(shè)計：開始設(shè)計系統(tǒng)的框架，或者重復(fù)使用一個已存在的框架。開發(fā)和集成：集成是開發(fā)過程的一

12、個重要部分。當(dāng)組件買不到時就要自己開發(fā)，然后將自己開發(fā)的和現(xiàn)成的組件集成，使之成為一個整體。明顯的優(yōu)勢：減少了需要開發(fā)的軟件數(shù)量，從而降低了軟件開發(fā)成本，同時也降低了風(fēng)險。 七、軟件過程及軟件過程模型（三）過程反復(fù)對于絕大多數(shù)系統(tǒng)，有必要針對系統(tǒng)不同部分采取不同的方法，即使用混合的模型。此外，也需要對過程的部分階段進(jìn)行反復(fù)以支持系統(tǒng)需求的改動和完善?；旌夏Ｐ陀校涸隽渴介_發(fā)和螺旋式開發(fā)。七、軟件過程及軟件過程模型（四）過程活動詳述1.軟件描述其目標(biāo)是確定系統(tǒng)需要哪些服務(wù)以及開發(fā)和運行期間受到哪些約束。這個活動又被稱為需求工程，對軟件過程而言是一個特別關(guān)鍵的階段，這個階段的錯誤將不可避免地帶到后續(xù)

13、的系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的階段。需求工程過程產(chǎn)生用以描述系統(tǒng)的需求文檔。通常分為兩個層次：高層：最終用戶和客戶需要的需求描述低層（系統(tǒng)）：系統(tǒng)開發(fā)人員需要的較詳細(xì)的系統(tǒng)描述。 （四）過程活動詳述2.需求工程需求工程過程有四個主要階段：可行性研究：指明現(xiàn)有軟硬件技術(shù)能否實現(xiàn)用戶對新系統(tǒng)的要求。需求導(dǎo)出和分析：通過對現(xiàn)有系統(tǒng)分析、與潛在用戶和購買者討論、進(jìn)行任務(wù)分析等導(dǎo)出系統(tǒng)需求的過程。需求描述：把在分析活動中收集到的信息以文檔的形式確定下來。需求有效性驗證：檢查需求實現(xiàn)、一致和完備。（四）過程活動詳述3.軟件設(shè)計和實現(xiàn)將系統(tǒng)描述轉(zhuǎn)換成一個可運行的系統(tǒng)的過程。它總是包含設(shè)計和編程，在使用原型開發(fā)模型時，還

14、包括對軟件描述的精煉過程。軟件設(shè)計是對實現(xiàn)軟件的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的組件間的接口以及所用算法的描述。設(shè)計過程中一些特別的活動包括：體系結(jié)構(gòu)設(shè)計：識別系統(tǒng)是由哪些子系統(tǒng)構(gòu)成的，以及這些子系統(tǒng)之間的關(guān)系是怎樣的，并對這些內(nèi)容編寫文檔。抽象描述：給出每個子系統(tǒng)提供的服務(wù)以及子系統(tǒng)在什么范圍內(nèi)運行的抽象描述。接口設(shè)計：對每個子系統(tǒng)，都要給出與其他子系統(tǒng)間的接口設(shè)計并編寫文檔。3.軟件設(shè)計和實現(xiàn)組件設(shè)計：分派服務(wù)到不同的組件，并設(shè)計這些組件的接口。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計：詳細(xì)設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)階段要使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并給出描述。算法設(shè)計：詳細(xì)設(shè)計服務(wù)將要采用的算法并給出描述。（四）過程活動詳述（1）設(shè)計方法結(jié)構(gòu)化方法

15、采用一組符號和一些軟件設(shè)計的指導(dǎo)原則。結(jié)構(gòu)化方法的例子包括：結(jié)構(gòu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)分析、Jackson的系統(tǒng)開發(fā)和各種不同的面向?qū)ο笤O(shè)計。結(jié)構(gòu)化方法包括一個設(shè)計過程模型、表示設(shè)計的符號、格式化的報表、規(guī)則和設(shè)計指南。結(jié)構(gòu)化方法支持下列的系統(tǒng)模型：數(shù)據(jù)流模型：系統(tǒng)被看成是對數(shù)據(jù)的一系列轉(zhuǎn)換。實體關(guān)系模型：用來描述設(shè)計中的基本實體及其相互關(guān)系。是描述數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。結(jié)構(gòu)化模型：是系統(tǒng)組件及其相互關(guān)系的描述。面向?qū)ο蠓椒ǎ喊粋€系統(tǒng)的繼承模型、對象間靜態(tài)和動態(tài)關(guān)系模型以及系統(tǒng)運行時對象交互模型。 數(shù)據(jù)流模型實體關(guān)系模型結(jié)構(gòu)化模型ABCABCADCBABCSC圖中的模塊調(diào)用（1）簡單調(diào)用在SC

16、圖中，調(diào)用線的箭頭指向被調(diào)用的模塊。（2）選擇調(diào)用圖中用菱形符號來表示選擇。（3）循環(huán)調(diào)用圖中用疊加在調(diào)用線始端的環(huán)形箭頭表示。作為面向數(shù)據(jù)流的設(shè)計方法，SD方法的中心任務(wù)就是把用DFD圖表示的系統(tǒng)分析模型方便地轉(zhuǎn)換為軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計模型。它所提供的方法與原則，主要是為了確定軟件的體系結(jié)構(gòu)與接口。它還提供了一種稱為SC圖的描述工具，專門用來描述軟件的總體結(jié)構(gòu)。 面向?qū)ο蠓椒ǎㄋ模┻^程活動詳述4.程序設(shè)計和調(diào)試程序設(shè)計因人而異，通常沒有統(tǒng)一的模式。程序設(shè)計者對自己開發(fā)的程序進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)錯誤并加以糾正。5.軟件有效性驗證是要看系統(tǒng)是否符合它的描述以及系統(tǒng)是否符合客戶的預(yù)期。測試過程同系統(tǒng)開發(fā)過程相

17、結(jié)合，分階段增量式進(jìn)行。絕大多數(shù)的有效性驗證成本發(fā)生在系統(tǒng)完成測試的時候。（四）過程活動詳述測試過程包括：（1）單元測試：測試單個組件，以確保其操作的正確性。（2）模塊測試：一個模塊是獨立組件（一個對象類、一個抽象的數(shù)據(jù)類型）的集合或是一個更松散的過程和函數(shù)集合。（3）子系統(tǒng)測試：對集成在一起的模塊集合進(jìn)行整體測試。側(cè)重于模塊接口錯誤。（4）系統(tǒng)測試：子系統(tǒng)被集成為系統(tǒng)。側(cè)重于找出子系統(tǒng)間發(fā)生的非與預(yù)期的交互行為和子系統(tǒng)接口問題。（5）接收測試：系統(tǒng)在運行之前進(jìn)行的最后階段的測試。真實數(shù)據(jù)測試，側(cè)重于對系統(tǒng)需求定義中的錯誤和遺漏糾正。 針對主要模塊，從接口上進(jìn)行檢驗/查錯。（灰盒測試） 針對系

18、統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制層次，確定模塊測試的順序和資源確認(rèn)每一個算法實現(xiàn)的前置條件和后置條件，設(shè)計相應(yīng)測試用例，特別注重非法的輸入條件用戶注冊/登陸/修改信息模塊輸入條件模塊測試項用戶登陸能在數(shù)據(jù)庫中正確查找該用戶名 (1)若存在該用戶名且密碼正確，應(yīng)能使用戶登陸 (2)若不存在該用戶名或密碼錯誤，應(yīng)能給出錯誤提示 (3)用戶注冊1能在數(shù)據(jù)庫中正確查找該用戶名是否已存在 (4)2若用戶名不存在，數(shù)據(jù)庫應(yīng)能正確添加該用戶 (5)3若用戶名已存在，應(yīng)能給出錯誤提示 (6)用戶修改信息數(shù)據(jù)庫相應(yīng)信息應(yīng)更新為用戶的輸入 (7)測試用例：編號測試用例用例覆蓋的測試項1.1用戶信息數(shù)據(jù)庫中不存在用戶”Jack”， 用

19、該用戶名登陸；或存在用戶”Jack”，密碼為”greatJack”，但用Jack用戶名登陸所用密碼不是”greatJack”。(3)1.2用戶信息數(shù)據(jù)庫中還沒有用戶”Jack”，用“Jack”名注冊。(4)(5)1.3用戶信息數(shù)據(jù)庫中已存在用戶”Jack”，密碼為”greatJack”，用該用戶名和密碼登陸。(1)(2)1.4用戶信息數(shù)據(jù)庫中已有用戶”Jack”，用“Jack”名注冊。(6)1.5用戶信息數(shù)據(jù)庫中已存在用戶”Jack”，密碼為”greatJack”，用該用戶名和密碼登陸后，修改某些信息，并修改密碼為”greatJacky”。(7)（四）過程活動詳述6.軟件進(jìn)化作為軟件，變更可以

20、發(fā)生在系統(tǒng)開發(fā)之中或之后的任何時間里。軟件開發(fā)與軟件維護(hù)過程不同。八、軟件過程自動化工具計算機輔助軟件工程（CASE）是用來支持軟件過程活動的軟件。CASE是計算機輔助軟件工程（ComputerAided Software Engineering）的英文縮寫。它包括很多種類的程序工具：代碼編輯器、報告生成器等。支持分析和設(shè)計的CASE工具，有時被稱為高端CASE工具，它支持軟件過程中的早期階段。相比之下，那些支持實現(xiàn)和測試的工具，如調(diào)試器、程序分析系統(tǒng)、測試用例生成器和程序編輯器等，則被稱為低端工具。 九、軟件工程成本由于整個軟件過程中確切的成本分布取決于所采用的過程和開發(fā)的軟件類型。如果把開

21、發(fā)一個復(fù)雜的軟件系統(tǒng)所需的全部成本看作100個成本單元，那么這些單元的可能分布如下圖： 描述設(shè)計開發(fā)集成和測試0255075100圖 開發(fā)成本分布十、軟件工程方法軟件工程方法是一種軟件開發(fā)的結(jié)構(gòu)化方法，其目的是使高質(zhì)量軟件的生產(chǎn)性價比較高。結(jié)構(gòu)化分析方法（DeMarco，1978）和JSD方法（Jackson，1983）在20世紀(jì)70年代首次開發(fā)出來，這些方法旨在識別系統(tǒng)中基本的功能模塊，而面向功能的方法現(xiàn)在仍被廣泛應(yīng)用。面向?qū)ο蟮姆椒ㄊ荁ooch（1994）和Rumbaugh等（1991）等人在20世紀(jì)80年代至90年代提出的?，F(xiàn)在，這些方法已經(jīng)被集成為一種方法統(tǒng)一建模語言（UML）（Fow

22、ler和Scott，1997；Booch等，1999；Rumbaugh等，1999a，1999b）。 十、軟件工程方法組件描述實例系統(tǒng)模型描述對要開發(fā)的系統(tǒng)模型和定義這些模型所使用的符號描述對象模型、數(shù)據(jù)流模型、狀態(tài)機模型規(guī)則系統(tǒng)模型總的使用約束系統(tǒng)模型中每一個實體都要有一個名字建議啟發(fā)式方法可使設(shè)計活動具有創(chuàng)意，使用該方法可做出組織得很好的系統(tǒng)模型任何一個對象都不要有超過7個以上的相關(guān)子對象過程指南描述開發(fā)系統(tǒng)模型要遵循的活動以及這些活動的組織結(jié)構(gòu)在定義與對象關(guān)聯(lián)的操作前應(yīng)記錄對象的屬性十一、優(yōu)良軟件的屬性表1-5 優(yōu)良軟件必須具有的特性產(chǎn)品特性描述可維護(hù)性軟件必須能夠不斷進(jìn)化以滿足客戶的需

23、求變化，這是軟件產(chǎn)品最根本的特性，因為工作環(huán)境是不斷變化的，軟件也必然要跟著變化?？梢蕾囆攒浖梢蕾囆园ㄒ幌盗刑匦裕煽啃?、保密性、安全性?？煽康能浖谙到y(tǒng)失敗的情況下，也不會導(dǎo)致人員傷亡和經(jīng)濟損失。有效性軟件不要浪費內(nèi)存和處理器等系統(tǒng)資源，因而有效性應(yīng)包括響應(yīng)時間、處理時間、內(nèi)存利用率等方面?？捎眯钥捎眯跃褪怯脩舨挥锰厥獾嘏湍懿僮?。這就意味著，軟件必須具備相似的用戶界面和充分的說明文檔。十二、軟件工程所面臨的主要問題1.遺留系統(tǒng)的挑戰(zhàn)維護(hù)和更新這些軟件，既要避免過多的支出，又要不斷地交付基本地業(yè)務(wù)服務(wù)。2.多樣性的挑戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中包含不同類型地計算機和支持系統(tǒng)。必須開發(fā)新的技術(shù)，制作可靠的軟件，從