第16章 軟件工程基本知識(簡)

第16章軟件工程基本知識16.1軟件工程概述16.2結(jié)構(gòu)化分析方法16.3結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法16.4軟件測試16.5程序調(diào)試16.1軟件工程概述16.1.1軟件定義與軟件的特點(diǎn)16.1.2軟件危機(jī)與軟件工程16.1.3軟件工程過程與軟件生命周期16.1.4軟件工程的目標(biāo)與原則16.1.5軟件開發(fā)工具與軟件開發(fā)環(huán)境16.1.1軟件定義與軟件的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)軟件包括程序、數(shù)據(jù)及相關(guān)文檔的完整集合。軟件的特點(diǎn)：①是一種邏輯實(shí)體，具有抽象性；②一旦研制成功，可以多次拷貝；③在運(yùn)行、使用期間不存在磨損、老化問題④軟件的開發(fā)、運(yùn)行對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有依賴性，受計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的限制；⑤軟件復(fù)雜性高，成本昂貴；⑥軟件開發(fā)涉及許多的社會(huì)因素。軟件按功能分為：應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件、支撐軟件（工具軟件）。

16.1.2軟件危機(jī)與軟件工程軟件工程概念的出現(xiàn)源自軟件危機(jī)。所謂軟件危機(jī)是泛指在計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)和維護(hù)過程中所遇到的一系列嚴(yán)重問題。軟件危機(jī)產(chǎn)生的原因：（1）用戶需求不明確（2）缺乏正確的理論指導(dǎo)（3）軟件規(guī)模越來越大（4）軟件復(fù)雜度越來越高為了消除軟件危機(jī)，開辟了工程學(xué)的新興領(lǐng)域---軟件工程學(xué)。軟件工程就是試圖用工程、科學(xué)和數(shù)學(xué)的原理與方法研制、維護(hù)計(jì)算機(jī)軟件的有關(guān)技術(shù)及管理方法。16.1.2軟件危機(jī)與軟件工程軟件工程的定義，國標(biāo)（GB）中指出，軟件工程是應(yīng)用于計(jì)算機(jī)軟件的定義、開發(fā)和維護(hù)的一整套方法、工具、文檔、實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)和工序。軟件工程包括3個(gè)要素，即方法、工具和過程。方法是完成軟件工程項(xiàng)目的技術(shù)手段；工具支持軟件的開發(fā)、管理、文檔生成；過程支持軟件開發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)的控制、管理。軟件工程的核心思想是把軟件產(chǎn)品（就像其他工業(yè)產(chǎn)品一樣）看作是一個(gè)工程產(chǎn)品來處理。把需求計(jì)劃、可行性研究、工程審核、質(zhì)量監(jiān)督等工程化的概念引入到軟件生產(chǎn)當(dāng)中，以期達(dá)到工程項(xiàng)目的三個(gè)基本要素：進(jìn)度、經(jīng)費(fèi)和質(zhì)量的目標(biāo)。16.1.3軟件工程過程與軟件生命周期1.軟件工程過程

軟件工程過程是指為獲得軟件產(chǎn)品，在軟件工具支持下由軟件工程師完成的一系列軟件工程活動(dòng)?；谶@個(gè)方面，軟件工程過程通常包括：軟件規(guī)格說明、軟件開發(fā)、軟件確認(rèn)、軟件演進(jìn)4種基本活動(dòng)。圖16-1軟件生命周期16.1.3軟件工程過程與軟件生命周期2.軟件生命周期軟件產(chǎn)品從提出、實(shí)現(xiàn)、使用維護(hù)到停止使用退役的過程稱為軟件生命周期。如圖16-1所示，從該圖中，還可以看到軟件生命周期，也可以分為軟件定義、軟件開發(fā)及軟件運(yùn)行維護(hù)三個(gè)階段。通常，軟件生命周期的主要六個(gè)活動(dòng)階段是：可行性研究與計(jì)劃制定、需求分析、軟件設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)、軟件測試、運(yùn)行和維護(hù)。

1.軟件開發(fā)工具

軟件開發(fā)工具的發(fā)展是從單項(xiàng)工具的開發(fā)逐步向集成工具發(fā)展的，軟件開發(fā)工具為軟件工程方法提供了自動(dòng)的或半自動(dòng)的軟件支撐環(huán)境。同時(shí)，軟件開發(fā)的有效應(yīng)用也必須得到相應(yīng)工具的支持，否則方法將難以有效的實(shí)施。

2.軟件開發(fā)環(huán)境

該環(huán)境是全面支持軟件開發(fā)全過程的軟件工具集合。這些軟件工具按照一定的方法或模式組合起來，支持軟件生命周期內(nèi)的各個(gè)階段和各項(xiàng)任務(wù)的完成。計(jì)算機(jī)輔助軟件工程（CASE）是當(dāng)前軟件開發(fā)環(huán)境的發(fā)展方向。

16.1.5軟件開發(fā)工具與軟件開發(fā)環(huán)境16.2結(jié)構(gòu)化分析方法結(jié)構(gòu)化方法包括已經(jīng)形成了配套的結(jié)構(gòu)化分析方法、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)化編程方法。結(jié)構(gòu)化分析方法是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)理論在軟件需求分析階段的運(yùn)用。

1.需求分析軟件需求是指用戶對目標(biāo)軟件系統(tǒng)在功能、行為、性能、設(shè)計(jì)約束等方面的期望。需求分析的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)需求、求精、建模和定義需求的過程。需求分析將創(chuàng)建所需的數(shù)據(jù)模型、功能模型和控制模型。

16.2.1需求分析與需求分析方法需求分析階段的工作，可以概括為四個(gè)方面：需求獲取、需求分析、編寫需求規(guī)格說明書、需求評審。

2.需求分析方法常見的需求分析方法有結(jié)構(gòu)化分析方法和面向?qū)ο蟮姆治龇椒▋煞N。

16.2.1需求分析與需求分析方法

1）結(jié)構(gòu)化分析方法該方法主要包括的內(nèi)容如下：面向數(shù)據(jù)流的結(jié)構(gòu)化分析方法；面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的Jackson方法；面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)方法。

2）面向?qū)ο蟮姆治龇椒?/p>

該方法正處于發(fā)展之中，目前尚不大成熟與完善。1.結(jié)構(gòu)化分析方法綜述

結(jié)構(gòu)化分析方法是20世紀(jì)70年代中期倡導(dǎo)的基于功能分解的分析方法，其目的是幫助弄清用戶對軟件的需求。結(jié)構(gòu)化分析方法的實(shí)質(zhì)是著眼于數(shù)據(jù)流，自頂向下，逐層分解，建立系統(tǒng)的處理流程，以數(shù)據(jù)流圖和數(shù)據(jù)字典為主要工具，建立系統(tǒng)的邏輯模型。結(jié)構(gòu)化分析的步驟見P234。16.2.2結(jié)構(gòu)化分析方法

2.結(jié)構(gòu)化分析的常用工具

1）數(shù)據(jù)流圖

數(shù)據(jù)流圖是描述數(shù)據(jù)處理過程的工具，是需求的邏輯模型的圖形表示，它從數(shù)據(jù)傳遞和加工的角度，來刻畫數(shù)據(jù)流從輸入到輸出的移動(dòng)變換過程。直接支持系統(tǒng)的功能建模。數(shù)據(jù)流圖中的主要圖形元素如圖16-2所示。16.2.2結(jié)構(gòu)化分析方法圖16-2數(shù)據(jù)流圖中的主要元素目標(biāo)

建立數(shù)據(jù)流圖的步驟如下：

1)

由外向里:先畫系統(tǒng)的輸入輸出，然后畫系統(tǒng)的內(nèi)部。

2)

自頂向下:順序完成頂層、中間層、底層數(shù)據(jù)流圖。

3)逐層分解。16.2.2結(jié)構(gòu)化分析方法圖16-3銀行取款業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流圖2）數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)字典是對所有與系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)元素的一個(gè)有組織的列表，并包含對數(shù)據(jù)元素精確的、嚴(yán)格的定義，使用戶和系統(tǒng)分析員對于輸入、輸出、存儲成分和中間計(jì)算結(jié)果有共同的理解。數(shù)據(jù)字典能清楚地表達(dá)數(shù)據(jù)處理的要求。

例如，銀行取款業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流圖中，存儲文件“存折”的數(shù)據(jù)字典定義如下：存折=戶名+所號+賬戶+開戶日+性質(zhì)+（印密）+1{存取行}50’存折由六數(shù)據(jù)項(xiàng)組成,密印可選，存取1至50處戶名=2{字母}24’戶名由2至24個(gè)字母組成所號=“001”..“999”’所號可為“001”、“002”、…、“999”16.2.2結(jié)構(gòu)化分析方法賬號=“00000001”..“99999999”開戶日=年+月+日’開戶日由年月日構(gòu)成性質(zhì)=“1”..“6”’有六類儲戶，如1示普通戶、5示工資戶印密=“0”’印密在存折上不顯示存取行=日期+(摘要)+支出+存入+余額+操作+復(fù)核日期=年+月+日年=“00”..“99”月=“01”..“12”日=“01”..“31”

摘要=1{字母}4支出=金額金額=“0000000.01”..“9999999.99”操作=“00001”..“99999”16.2.2結(jié)構(gòu)化分析方法

3）判定樹

使用判定樹進(jìn)行描述時(shí)，應(yīng)先從問題定義的文字描述中分清哪些是判定的條件，哪些是判定的結(jié)論，根據(jù)描述材料中的連接詞找出判定條件之間的從屬關(guān)系、并列關(guān)系、選擇關(guān)系，根據(jù)它們構(gòu)造判定樹。

16.2.2結(jié)構(gòu)化分析方法圖16-4“檢查發(fā)貨單”判定樹

4）判定表判定表與判定樹相似，當(dāng)數(shù)據(jù)流圖中的加工要依賴于多個(gè)邏輯條件的取值，使用判定表描述比較適宜。判定表由四部分組成，如圖16-5所示。

16.2.2結(jié)構(gòu)化分析方法圖16-5判定表組成基本條件項(xiàng)，列出了各種可能的條件；條件項(xiàng)，列出了各種可能的條件組合；基本動(dòng)作項(xiàng)，它列出了所有的操作；動(dòng)作項(xiàng)，它列出在對應(yīng)的條件組合下所選的操作。1234條件

發(fā)貨單金額

>$500>$500≤$500≤$500賒欠情況

>60天≤60天>60天≤60天

操作不發(fā)出批準(zhǔn)書

√發(fā)出批準(zhǔn)書

√√√發(fā)出發(fā)貨單

√√√發(fā)出賒欠報(bào)告

√圖16-6

“檢查發(fā)貨單”判定表

判定表或判定樹是以圖形式形式清晰描述數(shù)據(jù)流圖的加工邏輯。利用它們便于直接映射到程序代碼。

16.2.2結(jié)構(gòu)化分析方法軟件需求規(guī)格說明書是需求分析階段的最后成果，是軟件開發(fā)中的重要文檔之一。軟件需求規(guī)格說明書的作用

軟件需求規(guī)格說明書的作用是：①便于用戶、開發(fā)人員進(jìn)行理解和交流。②反映出用戶問題的結(jié)構(gòu)，可以作為軟件開發(fā)工作的基礎(chǔ)和依據(jù)。③作為確認(rèn)測試和驗(yàn)收的依據(jù)。16.2.3軟件需求規(guī)格說明書16.3結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法

1.軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

軟件設(shè)計(jì)是一個(gè)把軟件需求轉(zhuǎn)換為軟件表示的過程。其基本目標(biāo)是用比較抽象概括的方式確定目標(biāo)系統(tǒng)如何完成預(yù)定的任務(wù)。從技術(shù)觀點(diǎn)來看，軟件設(shè)計(jì)包括軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)、過程設(shè)計(jì)。

16.3.1軟件設(shè)計(jì)的基本概念

2.軟件設(shè)計(jì)的基本原理軟件設(shè)計(jì)遵循軟件工程的基本目標(biāo)和原則，在軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循以下原則：

1）抽象：把事物本質(zhì)的共同特性提取出來而不考慮其他細(xì)節(jié)。

2）模塊化：指把一個(gè)待開發(fā)的軟件分解成若干小的簡單的部分。如VBA中的子過程、函數(shù)過程等。

3）信息隱蔽：指在一個(gè)模塊內(nèi)包含的信息，對于不需要這些信息的其他模塊來說是不能訪問的。

4）模塊獨(dú)立性：指每個(gè)模塊只完成系統(tǒng)要求的獨(dú)立的子功能，并且與其他模塊的聯(lián)系最少、接口簡單。16.3.1軟件設(shè)計(jì)的基本概念模塊的獨(dú)立程度是評價(jià)設(shè)計(jì)好壞的重要度量標(biāo)準(zhǔn)。衡量軟件的模塊獨(dú)立性使用耦合性和內(nèi)聚性兩個(gè)定性的度量標(biāo)準(zhǔn)。

①內(nèi)聚性：內(nèi)聚性是一個(gè)模塊內(nèi)部各個(gè)元素間彼此結(jié)合的緊密程度的度量。一個(gè)模塊的內(nèi)聚性越強(qiáng)則該模塊的獨(dú)立性越強(qiáng)。

②耦合性：耦合性是模塊間互相連接的緊密程度的度量。取決于各個(gè)模塊之間接口的復(fù)雜度等。一個(gè)模塊與其他模塊的耦合性越強(qiáng)，則其模塊獨(dú)立性就越弱3.結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法的基本思想是將軟件設(shè)計(jì)成由相對獨(dú)立、單一功能的模塊組成的結(jié)構(gòu)。16.3.1軟件設(shè)計(jì)的基本概念1.概要設(shè)計(jì)的任務(wù)軟件概要設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是：設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、編寫概要設(shè)計(jì)文檔和概要設(shè)計(jì)文檔評審。

1）設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在需求分析階段，已經(jīng)把系統(tǒng)分解成層次結(jié)構(gòu)，而在概要設(shè)計(jì)階段，需要進(jìn)一步分解，劃分為模塊以及模塊的層次結(jié)構(gòu)。

2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)需求定義和規(guī)格說明過程中提出的數(shù)據(jù)對象的邏輯表示。16.3.2概要設(shè)計(jì)

3）編寫概要設(shè)計(jì)文檔在概要設(shè)計(jì)階段，需要編寫的文檔有：概要設(shè)計(jì)說明書、數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)說明書、集成測試計(jì)劃等。

4）概要設(shè)計(jì)文檔評審在概要設(shè)計(jì)中，對設(shè)計(jì)部分是否完整地實(shí)現(xiàn)了需求中規(guī)定的功能、性能等要求，設(shè)計(jì)方案的可行性，關(guān)鍵的處理及內(nèi)外部接口定義正確性、有效性、各部分之間的一致性等都要進(jìn)行評審，以免在以后的設(shè)計(jì)中出現(xiàn)大的問題而返工。16.3.2概要設(shè)計(jì)

常用的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具是結(jié)構(gòu)圖，也稱程序結(jié)構(gòu)圖。結(jié)構(gòu)圖的基本圖符如圖16-7所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，結(jié)構(gòu)圖構(gòu)成的基本形式如圖16-8所示。16.3.2概要設(shè)計(jì)一般模塊數(shù)據(jù)信息控制信息圖16-7結(jié)構(gòu)圖基本符號

基本形式順序形式重復(fù)形式選擇形式

圖16-8結(jié)構(gòu)圖構(gòu)成的基本形式AABBC

DABABC箭頭表示模塊間的調(diào)用關(guān)系

2.面向數(shù)據(jù)流的設(shè)計(jì)方法

面向數(shù)據(jù)流的設(shè)計(jì)方法定義了一些不同的映射方法，利用這些映射方法可以把數(shù)據(jù)流圖變換成結(jié)構(gòu)圖表示的軟件結(jié)構(gòu)。下面先了解數(shù)據(jù)流圖表示的數(shù)據(jù)處理的類型，然后針對不同類型分別進(jìn)行分析處理。

16.3.2概要設(shè)計(jì)

典型的數(shù)據(jù)流類型有兩種：變換型和事務(wù)型。

詳細(xì)設(shè)計(jì)的任務(wù)，是為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中的每一個(gè)模塊確定實(shí)現(xiàn)算法和局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用某種選定的表達(dá)工具表示算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。圖形工具：程序流程圖、N-S、PAD、HIPO；表格工具：判定表；語言工具：PDL（偽碼）。16.3.3詳細(xì)設(shè)計(jì)常見工具有：下面討論其中幾種主要的工具：

1.程序流程圖

程序流程圖是一種傳統(tǒng)的、應(yīng)用廣泛的軟件過程設(shè)計(jì)表示工具，通常也稱為程序框圖。構(gòu)成程序流程圖的最基本圖符及含義如圖16-13所示；或控制流加工步驟邏輯條件圖16-13程序流程圖的基本圖符通過把程序流程圖的5種基本控制結(jié)構(gòu)相互組合或嵌套，可以構(gòu)成任何復(fù)雜的程序流圖。16.3.3詳細(xì)設(shè)計(jì)

F=1TFTT…=nF

順序結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu)先判斷重復(fù)后判斷重復(fù)多分支選擇16.3.3詳細(xì)設(shè)計(jì)5種控制結(jié)構(gòu):順序、選擇、先判斷循環(huán)、后判斷循環(huán)、多分支選擇結(jié)構(gòu)

2.N-S圖

N-S圖的基本圖符及表示的5種基本控制結(jié)構(gòu)。

16.3.3詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.PAD圖

PAD圖是問題分析圖的英文縮寫。PAD圖的基本圖符及表示的5種基本控制結(jié)構(gòu)，如圖16-17所示。上述托運(yùn)貨物運(yùn)費(fèi)計(jì)算問題程序的PAD圖如圖16-18所示。

16.3.3詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.過程設(shè)計(jì)語言（PDL）

PDL

也稱為結(jié)構(gòu)化的英語和偽碼，它是一種混合語言，采用英語的詞匯和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語言。用PDL表示的基本控制結(jié)構(gòu)中常用詞匯如下：

順序：

條件：IF/THEN/ELSE/ENDIF

循環(huán)：DOWHILE/ENDDO

循環(huán)：REPEATUNTIL/ENDREPEAT

分支：CASE_OF/WHEN/SELECT/WHEN/SELECT/ENDCASE

16.3.3詳細(xì)設(shè)計(jì)16.4軟件測試軟件測試是保證軟件質(zhì)量的重要手段，其主要過程涵蓋了整個(gè)軟件生命期的過程，包括需求定義階段的需求測試、編碼階段的單元測試、集成測試以及后期的確認(rèn)測試、系統(tǒng)測試，驗(yàn)證軟件是否合格、能否交付用戶使用等。

軟件測試的目的如下：①軟件測試是為了發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤而執(zhí)行程序的過程；②一個(gè)好的測試用例是指很可能找到迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤的用例；③一個(gè)成功的測試是發(fā)現(xiàn)了至今尚未發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤的測試。顯然，測試要以查找錯(cuò)誤為中心，而不是為了演示軟件的正確功能。16.4.1軟件測試的目的軟件測試的方法和技術(shù)是多種多樣的。若從是否需要執(zhí)行被測軟件的角度，可以分為靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試方法。若按照功能劃分可以分為白盒測試和黑盒測試方法。

1.靜態(tài)測試

靜態(tài)測試包括代碼檢查、靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、代碼質(zhì)量度量等。靜態(tài)測試可以由人工進(jìn)行，充分發(fā)揮人的邏輯思維優(yōu)勢，也可以借助軟件工具自動(dòng)進(jìn)行。經(jīng)驗(yàn)表明，使用人工測試能夠有效地發(fā)現(xiàn)30%到70%

的邏輯設(shè)計(jì)和編碼錯(cuò)誤。16.4.3軟件測試技術(shù)與方法綜述

2.動(dòng)態(tài)測試

動(dòng)態(tài)測試是基于計(jì)算機(jī)的測試，是為了發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤而執(zhí)行程序的過程?；蛘哒f，是根據(jù)軟件開發(fā)各階段的規(guī)格說明和程序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而精心設(shè)計(jì)一批測試用例，并利用這些用例去運(yùn)行程序，以發(fā)現(xiàn)程序錯(cuò)誤的過程。

測試用例的格式為：[(輸入值集),(輸出值集)]16.4.3軟件測試技術(shù)與方法綜述

3.白盒測試方法與測試用例設(shè)計(jì)該方法是根據(jù)軟件產(chǎn)品的內(nèi)部工作過程檢查內(nèi)部成分，以確認(rèn)每種內(nèi)部操作符合設(shè)計(jì)規(guī)格要求。白盒測試把測試對象看作一個(gè)打開的盒子，允許測試人員利用程序內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)及有關(guān)信息來設(shè)計(jì)或選擇測試用例，對程序所有的邏輯路徑進(jìn)行測試。

白盒測試的主要方法有邏輯覆蓋、基本路徑測試等。16.4.3軟件測試技術(shù)與方法綜述

3.黑盒測試方法與測試用例設(shè)計(jì)

黑盒測試是對軟件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的功能是否滿足需求進(jìn)行測試和驗(yàn)證