軟件工程第四章-1(軟件設(shè)計(jì))

第四章軟件設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：(1)如何將分析模型轉(zhuǎn)換為軟件設(shè)計(jì)？(2)作為軟件工程師在軟件設(shè)計(jì)方面應(yīng)使用哪些基本原則和概念？軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人們不能在沒(méi)有設(shè)計(jì)圖的情況下建造房子，否則房子將難以建成，就算建成了也很難保證房子的質(zhì)量。計(jì)算機(jī)軟件比房子復(fù)雜的多，因此在開(kāi)發(fā)軟件時(shí)更需要一個(gè)”設(shè)計(jì)圖”來(lái)指導(dǎo)軟件的開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)了需求分析階段的工作，開(kāi)發(fā)人員已經(jīng)正確理解了系統(tǒng)的需求并以需求規(guī)格說(shuō)明書(shū)的文檔形式表達(dá)了系統(tǒng)“做什么”的問(wèn)題。軟件設(shè)計(jì)階段的任務(wù)是應(yīng)用一組原理與方法并遵循質(zhì)量的評(píng)價(jià)原則根據(jù)軟件的需求對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決“如何做”的問(wèn)題。

正確的軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是后續(xù)開(kāi)發(fā)步驟及軟件維護(hù)工作的基礎(chǔ)。如果沒(méi)有設(shè)計(jì)，只能建立一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)§4.1軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)和目的

軟件需求：解決“做什么”

軟件設(shè)計(jì)：解決“怎么做”

4.2軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)問(wèn)題結(jié)構(gòu)(軟件需求)軟件結(jié)構(gòu),從軟件需求規(guī)格說(shuō)明書(shū)出發(fā)，形成軟件的具體設(shè)計(jì)方案。映射將分析模型轉(zhuǎn)換為軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)流圖E-R圖狀態(tài)變遷圖加工規(guī)約控制規(guī)約數(shù)據(jù)對(duì)描述象數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)接口設(shè)計(jì)過(guò)程設(shè)計(jì)分析模型設(shè)計(jì)模型1.軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)階段：(1)概要設(shè)計(jì)(總體設(shè)計(jì))

將軟件需求轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。確定軟件的結(jié)構(gòu)以及各組成成分(子系統(tǒng)或模塊)之間的相互關(guān)系。(2)詳細(xì)設(shè)計(jì)

即過(guò)程設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)軟件的結(jié)構(gòu)表示進(jìn)行細(xì)化，確定模塊內(nèi)部的詳細(xì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，產(chǎn)生描述各模塊程序過(guò)程的詳細(xì)文檔。2軟件設(shè)計(jì)過(guò)程1)制定規(guī)范在進(jìn)入軟件開(kāi)發(fā)階段之初，首先應(yīng)為軟件開(kāi)發(fā)組制定在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)，以便協(xié)調(diào)組內(nèi)各成員的工作。⑴閱讀和理解軟件需求說(shuō)明，確認(rèn)用戶要求是否可行⑵確定最合適的設(shè)計(jì)方法。⑶規(guī)定設(shè)計(jì)文檔的編制標(biāo)準(zhǔn)。⑷規(guī)定編碼的信息形式（代碼體系），與硬件、操作系統(tǒng)的接口規(guī)約，命名規(guī)則等。

2)概要設(shè)計(jì)（軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)）基于功能層次結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)?！畲_定每個(gè)模塊的功能☆建立與已確定的軟件需求的對(duì)應(yīng)關(guān)系☆確定模塊間的調(diào)用關(guān)系☆確定模塊間的接口☆評(píng)估模塊劃分的質(zhì)量

主要任務(wù)：設(shè)計(jì)軟件的結(jié)構(gòu)，也就是要確定需求分析的每個(gè)需求要分配給哪些模塊，以及這些模塊相互間的組成關(guān)系。必要性：可以站在全局高度上，花較少成本，從較抽象的層次上分析對(duì)比多種可能的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案和軟件結(jié)構(gòu)，從中選出最佳方案和最合理的軟件結(jié)構(gòu)，從而用較低成本開(kāi)發(fā)出較高質(zhì)量的軟件系統(tǒng)。3)詳細(xì)設(shè)計(jì)（處理方式設(shè)計(jì)）確定為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能需求所必需的算法，評(píng)估算法的性能確定為滿足系統(tǒng)的性能需求所必需的算法和模塊間的控制方式4)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定軟件涉及的文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)庫(kù)的模式、子模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性和安全性的設(shè)計(jì)確定輸入，輸出文件的詳細(xì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)結(jié)合算法設(shè)計(jì)，確定算法所必需的邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其操作5)編寫(xiě)概要設(shè)計(jì)階段的文檔概要設(shè)計(jì)階段完成時(shí)應(yīng)編寫(xiě)以下文檔：概要設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)用戶手冊(cè)制定初步的測(cè)試計(jì)劃§4.3軟件設(shè)計(jì)遵循的原則

1.軟件采用層次結(jié)構(gòu)2.自頂向下，逐步細(xì)化3.模塊化4.抽象5.信息隱蔽6.信息局部化4.3.1軟件體系結(jié)構(gòu)軟件的體系結(jié)構(gòu)通過(guò)一個(gè)劃分過(guò)程來(lái)完成。該劃分過(guò)程從需求分析確立的目標(biāo)系統(tǒng)的模型出發(fā)，對(duì)整個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分割，使其每個(gè)部分用一個(gè)或幾個(gè)軟件成份即模塊加以解決，整個(gè)問(wèn)題就解決了1.控制結(jié)構(gòu)(程序結(jié)構(gòu))控制結(jié)構(gòu)是軟件模塊間關(guān)系的表示對(duì)模塊結(jié)構(gòu)圖的說(shuō)明模塊是指整個(gè)系統(tǒng)中一些相對(duì)獨(dú)立的程序單元，每個(gè)程序單元完成和實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的軟件功能。模塊被視為一個(gè)黑盒子，模塊通過(guò)其外部特征（名字，輸入/輸出信息）來(lái)標(biāo)識(shí)和調(diào)用。在模塊結(jié)構(gòu)圖中，矩形表示相對(duì)獨(dú)立的功能單元，稱(chēng)為“模塊”。連接上下層模塊的線段表示它們之間的調(diào)用關(guān)系。一個(gè)控制模塊可以調(diào)用一個(gè)或多個(gè)下屬模塊；同時(shí)一個(gè)下屬模塊也可以被多個(gè)控制模塊所調(diào)用。2.控制結(jié)構(gòu)的層次規(guī)則

只有一個(gè)頂層(0層)模塊0層外任一模塊都會(huì)在它的鄰層存在一模塊與它有關(guān)同層模塊間不發(fā)生聯(lián)系3.軟件結(jié)構(gòu)度量術(shù)語(yǔ)深度寬度扇出扇入(模塊的層數(shù))(同一層最大模塊數(shù))(一個(gè)模塊直接調(diào)用的模塊數(shù))(調(diào)用一個(gè)給定模塊的模塊個(gè)數(shù))4.3.2自頂向下，逐步細(xì)化將軟件的體系結(jié)構(gòu)按自頂向下方式，對(duì)各個(gè)層次的過(guò)程細(xì)節(jié)和數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)逐層細(xì)化，直到用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)句能夠?qū)崿F(xiàn)為止，從而最后確立整個(gè)的體系結(jié)構(gòu)。編外人員工資取得工資數(shù)據(jù)計(jì)時(shí)制工資額薪金制工資額編外人員稅款編外人員扣款常規(guī)扣款稅收扣款計(jì)算實(shí)發(fā)工資計(jì)時(shí)工人實(shí)發(fā)工資計(jì)薪工人實(shí)發(fā)工資編外人員實(shí)發(fā)工資4.3.3模塊化模塊是數(shù)據(jù)說(shuō)明、可執(zhí)行語(yǔ)句等程序?qū)ο髽?gòu)成并執(zhí)行相對(duì)獨(dú)立功能的邏輯實(shí)體，它可以單獨(dú)命名而且可以實(shí)現(xiàn)按名訪問(wèn)。例如，過(guò)程、函數(shù)、子程序、宏等等都可以看作模塊。模塊化是指把大型軟件按照規(guī)定的原則劃分為一個(gè)個(gè)較小的，相對(duì)獨(dú)立但又相關(guān)的模塊。模塊化是一種“分而治之，各個(gè)擊破”式的問(wèn)題求解方式，它降低了問(wèn)題的復(fù)雜程度，簡(jiǎn)化了軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程。模塊化的基礎(chǔ)是下面介紹的軟件工程設(shè)計(jì)原理。1、軟件工程設(shè)計(jì)原理C（P）是表示問(wèn)題P的復(fù)雜性程度的函數(shù)，E（P）表示解決問(wèn)題P的工作量。（人—年，人—月計(jì)）規(guī)律證明：如果有兩個(gè)問(wèn)題P1，P2，其復(fù)雜性滿足：C(P1)>C(P2)則其工作量滿足：E(P1)>E(P2)規(guī)律還證明：一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題P分解為兩個(gè)問(wèn)題P1+P2，則C（P）>C(P1)+C(P2)如果忽略因分解問(wèn)題而增加的工作量，即P1與P2是互相獨(dú)立的，則E（P）>E（P1）+（P2）

上面的原理說(shuō)明把一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解為若干獨(dú)立的問(wèn)題，不僅能降低復(fù)雜性C（P），使問(wèn)題變得簡(jiǎn)單，而且還可以降低工作量E（P），從而降低開(kāi)發(fā)成本。因此在設(shè)計(jì)中采用“分而治之，各個(gè)擊破”的原理。如果繼續(xù)分解，總復(fù)雜度和工作量會(huì)繼續(xù)減少，但是，能否無(wú)限地分解下去，以至大事化小，小事化了呢？

否??！因?yàn)榉纸庖黾咏涌诘墓ぷ髁俊?/p>

模塊化和軟件成本成本或工作量模塊數(shù)量軟件總成本集成成本成本/模塊M最小成本區(qū)域4.3.4抽象化軟件系統(tǒng)進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)時(shí)，可有不同的抽象層次。抽象和分解抽象是人類(lèi)特有的一種思維方法，其原理是從事物的共性中抽取出所關(guān)注的本質(zhì)特征而暫時(shí)忽略事物的有關(guān)細(xì)節(jié)。抽象的過(guò)程是自底向上的，越在高層，抽象的程度越高，就越容易分析、弄清事物之間的關(guān)系。抽象舉例：數(shù)列2、4、6… 其本質(zhì)：能被2整除，抽象為“偶數(shù)”。數(shù)列1、3、5… 其本質(zhì)：不能被2整除，抽象為“奇數(shù)”。踢足球、長(zhǎng)跑、游泳……抽象為“體育運(yùn)動(dòng)”?！@些都是抽象的過(guò)程。抽象與分解是軟件工程中的應(yīng)用示意圖需求分析數(shù)據(jù)流圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)圖procedureSPELLCHECK

begin

loopgetnextwordaddwordtowordlistinsortorder計(jì)算機(jī)儲(chǔ)蓄系統(tǒng)某銀行欲開(kāi)發(fā)一個(gè)計(jì)算機(jī)儲(chǔ)蓄系統(tǒng)。業(yè)務(wù)活動(dòng)描述如下，儲(chǔ)戶填寫(xiě)的存款單或取款單由業(yè)務(wù)員鍵入系統(tǒng)，如果是存款，……抽象抽象抽象分解分解分解Mapsinto結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法示意圖需求分析數(shù)據(jù)流圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)圖遵循自頂向下的系統(tǒng)化分解的思想，應(yīng)用一組轉(zhuǎn)化規(guī)則將軟件的數(shù)據(jù)流圖逐步轉(zhuǎn)化為一組程序模塊的層次結(jié)構(gòu)。4.3.5信息隱蔽

(InformationHiding)

模塊所包含的信息，不允許其它不需要這些信息的模塊訪問(wèn)，獨(dú)立的模塊間僅僅交換為完成系統(tǒng)功能而必須交換的信息。信息隱蔽的目的：

提高模塊的獨(dú)立性，減少修改或維護(hù)時(shí)的影響面。信息隱藏的圖示說(shuō)明模塊控制接口"secret"?算法?數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?外部接口的細(xì)節(jié)?資源分配策略用戶模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)4.3.6信息局部化

把關(guān)系密切的軟件元素物理地放得彼此靠近。優(yōu)點(diǎn)：可維護(hù)性好可靠性好可理解性好§4.4模塊的獨(dú)立性4.4.1模塊獨(dú)立性的概念模塊獨(dú)立的含義：模塊完成獨(dú)立的功能符合信息隱蔽和信息局部化原則模塊間關(guān)聯(lián)和依賴(lài)程度盡量小所謂模塊獨(dú)立性是指模塊完成它自身規(guī)定的功能而與系統(tǒng)中其它的模塊保持一定的相對(duì)獨(dú)立。模塊的獨(dú)立性是評(píng)價(jià)模塊化設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。一個(gè)好的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其模塊的獨(dú)立性也較好。這是因?yàn)椋旱谝?，?dú)立性好的模塊，模塊之間的相關(guān)因子較小導(dǎo)致模塊之間的接口也較簡(jiǎn)單。第二，獨(dú)立的模塊比較容易測(cè)試和維護(hù)。因?yàn)榫植啃院玫哪K，錯(cuò)誤局部于模塊內(nèi)部，傳播范圍小，修改設(shè)計(jì)和程序需要的工作量比較小。模塊的獨(dú)立性可以使用內(nèi)聚和耦合這兩個(gè)定性的指標(biāo)來(lái)度量。4.4.2模塊獨(dú)立性的度量

模塊獨(dú)立性取決于模塊的內(nèi)部和外部特征。SD方法提出的定性的度量標(biāo)準(zhǔn)：

模塊之間的耦合性模塊自身的內(nèi)聚性

耦合是模塊之間的互相連接的緊密程度的度量。

內(nèi)聚是模塊功能強(qiáng)度(一個(gè)模塊內(nèi)部各個(gè)元素彼此結(jié)合的緊密程度)的度量。

模塊獨(dú)立性比較強(qiáng)的模塊應(yīng)是高內(nèi)聚低耦合的模塊。1.模塊獨(dú)立性的度量之一:耦合性

模塊間相對(duì)獨(dú)立性（相互依賴(lài)程度）的度量

耦合性越高，模塊獨(dú)立性越弱無(wú)耦合－沒(méi)有依賴(lài)關(guān)系松散耦合－有少量依賴(lài)關(guān)系緊密耦合－有很多依賴(lài)關(guān)系

耦合強(qiáng)度依賴(lài)的因素：一模塊對(duì)另一模塊的引用一模塊向另一模塊傳遞的數(shù)據(jù)量一模塊施加到另一模塊的控制的數(shù)量模塊間接口的復(fù)雜程度模塊間耦合的類(lèi)型

低

無(wú)直接耦合耦數(shù)據(jù)耦合合標(biāo)記耦合性控制耦合外部耦合公共耦合高

內(nèi)容耦合模塊獨(dú)立性弱(低耦合)強(qiáng)(中耦合)(較強(qiáng)耦合)(強(qiáng)耦合)(1)無(wú)直接耦合兩個(gè)模塊沒(méi)有直接關(guān)系(模塊1和模塊2)，模塊獨(dú)立性最強(qiáng)。模塊1模塊2模塊3模塊4(2)數(shù)據(jù)耦合一模塊調(diào)用另一模塊時(shí)，被調(diào)用模塊的輸入、輸出都是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)(若干參數(shù))。屬松散耦合。數(shù)據(jù)耦合舉例開(kāi)發(fā)票計(jì)算水費(fèi)單價(jià)數(shù)量金額(3)標(biāo)記耦合(特征耦合)如兩個(gè)模塊通過(guò)傳遞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(不是簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)，而是記錄、數(shù)組等)加以聯(lián)系，或都與一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有關(guān)系,則稱(chēng)這兩個(gè)模塊間存在標(biāo)記偶合。標(biāo)記耦合舉例計(jì)算水電費(fèi)計(jì)算水費(fèi)計(jì)算電費(fèi)住戶情況水費(fèi)電費(fèi)住戶情況“住戶情況”是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),圖中模塊都與此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有關(guān).將標(biāo)記耦合修改為數(shù)據(jù)耦合舉例計(jì)算水電費(fèi)計(jì)算水費(fèi)計(jì)算電費(fèi)本月用水量本月用電量水費(fèi)電費(fèi)(4)控制耦合一模塊向下屬模塊傳遞的信息(開(kāi)關(guān)量、標(biāo)志等控制被調(diào)用模塊決策的變量)控制了被調(diào)用模塊的內(nèi)部邏輯?？刂岂詈吓e例A計(jì)算平均分或最高分B平均/最高(控制信號(hào))成績(jī)讀入分?jǐn)?shù)輸出結(jié)果計(jì)算平均分計(jì)算最高分平均/最高?B控制耦合增加了理解和編程的復(fù)雜性，調(diào)用模塊必須知道被調(diào)模塊的內(nèi)部邏輯，增加了相互依賴(lài)去除模塊間控制耦合的方法：(1)將被調(diào)用模塊內(nèi)的判定上移到調(diào)用模塊中進(jìn)行(2)被調(diào)用模塊分解成若干單一功能模塊改控制耦合為數(shù)據(jù)耦合舉例A計(jì)算平均分B1平均成績(jī)最高成績(jī)計(jì)算最高分B2(5)外部耦合一組模塊均與同一外部環(huán)境關(guān)聯(lián)(例如,I/O模塊與特定的設(shè)備、格式和通信協(xié)議相關(guān)聯(lián)),它們之間便存在外部耦合。外部偶合必不可少,但這種模塊數(shù)目應(yīng)盡量少。(6)公共耦合(公共數(shù)據(jù)區(qū)耦合)一組模塊引用同一個(gè)公用數(shù)據(jù)區(qū)(也稱(chēng)全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)、公共數(shù)據(jù)環(huán)境)。公共數(shù)據(jù)區(qū)指：

全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)共享通訊區(qū)內(nèi)存公共覆蓋區(qū)等公共耦合舉例Ａ公共數(shù)據(jù)區(qū)CB模塊A、B、C間存在錯(cuò)綜復(fù)雜的聯(lián)系(1)軟件可理解性降低(2)診斷錯(cuò)誤困難(3)軟件可維護(hù)性差，(4)軟件可靠性差(公共數(shù)據(jù)區(qū)及全程變量無(wú)保護(hù)措施)慎用公共數(shù)據(jù)區(qū)和全程變量!!!公共耦合存在的問(wèn)題：(7)內(nèi)容耦合一模塊直接訪問(wèn)另一模塊的內(nèi)部信息(程序代碼或數(shù)據(jù)）最不好的耦合形式!!!ABAB模塊代碼重疊Entry1……Entry1……多入口模塊（8）模塊化設(shè)計(jì)的原則和目標(biāo)耦合是影響軟件復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要因素目標(biāo)：建立模塊間耦合度盡可能松散的系統(tǒng)（9）如何降低模塊間耦合度：(1)盡量使用數(shù)據(jù)耦合少用控制耦合限制公共耦合的范圍堅(jiān)決避免使用內(nèi)容耦合!!(2)降低接口的復(fù)雜性2.模塊獨(dú)立性的度量之二：內(nèi)聚性

一個(gè)模塊內(nèi)部元素在功能上相互關(guān)聯(lián)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)目標(biāo)：高內(nèi)聚

(模塊在軟件過(guò)程中完成單一的任務(wù))模塊的內(nèi)聚性類(lèi)型

低偶然內(nèi)聚0分邏輯內(nèi)聚1分內(nèi)時(shí)間內(nèi)聚3分聚過(guò)程內(nèi)聚5分性通信內(nèi)聚7分信息內(nèi)聚9分高功能內(nèi)聚10分模塊獨(dú)立性弱(功能分散)強(qiáng)(功能單一)(1)偶然內(nèi)聚(巧合內(nèi)聚)

模塊內(nèi)各部分間無(wú)聯(lián)系A(chǔ)BCMMOVEOTORREADFILEFMOVESTOT模塊M中的三個(gè)語(yǔ)句沒(méi)有任何聯(lián)系缺點(diǎn)：可理解性差，可修改性差例:(2)邏輯內(nèi)聚把幾種相關(guān)功能（邏輯上相似的功能）組合在一模塊內(nèi)，每次調(diào)用由傳給模塊的參數(shù)確定執(zhí)行哪