第二次體系結(jié)構(gòu)概述與調(diào)用返回體系結(jié)構(gòu)課件

第二次調(diào)用返回體系結(jié)構(gòu)

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任課老師：黃武2023/7/21提綱軟件體系結(jié)構(gòu)概述調(diào)用返回體系結(jié)構(gòu)2023/7/21軟件體系結(jié)構(gòu)概述提綱背景軟件體系結(jié)構(gòu)的概念軟件體系結(jié)構(gòu)的意義軟件體系結(jié)構(gòu)和軟件質(zhì)量屬性軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格2023/7/211.1背景Edsger.Dijstra指出“軟件的規(guī)模越大，其整體構(gòu)架就越重要”20世紀(jì)90年代，軟件體系結(jié)構(gòu)逐漸被工業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣泛接受，并且業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為：對(duì)于大規(guī)模復(fù)雜軟件系統(tǒng)而言，構(gòu)架的設(shè)計(jì)比數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及算法的設(shè)計(jì)更為重要2023/7/211.2軟件體系結(jié)構(gòu)的概念MaryShaw和DavidGarlan的定義：軟件體系結(jié)構(gòu)用于描述系統(tǒng)的構(gòu)成要素、構(gòu)成要素之間的交互和組合模式以及在進(jìn)行組合時(shí)的約束條件LenBass的定義：軟件體系結(jié)構(gòu)是指程序或者系統(tǒng)的組成關(guān)系，這種組成關(guān)系包括軟件、軟件的外部可見屬性以及這些軟件之間的關(guān)系2023/7/211.2.1軟件體系結(jié)構(gòu)的概念（續(xù)）IEEE1471-2000中的定義：軟件體系結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)的基本組織結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)構(gòu)成要素，這些要素相互之間以及與運(yùn)行環(huán)境之間的關(guān)系，還包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)及演化時(shí)應(yīng)遵循的原則軟件體系結(jié)構(gòu)包括三個(gè)基本要素：構(gòu)件、連接件和約束2023/7/211.3軟件體系結(jié)構(gòu)的意義軟件體系結(jié)構(gòu)是軟件相關(guān)人員之間進(jìn)行交流的手段軟件體系結(jié)構(gòu)是一種高層次的設(shè)計(jì)復(fù)用手段軟件體系結(jié)構(gòu)是早期設(shè)計(jì)決策的體現(xiàn)，決定了最終軟件的質(zhì)量2023/7/211.4軟件體系結(jié)構(gòu)與軟件質(zhì)量屬性軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣依賴于各種因素，這些因素通常被稱為軟件質(zhì)量屬性（qualities）質(zhì)量屬性包括：性能，可伸縮性，可用性，可維護(hù)性，安全性，易用性，可重復(fù)性，可測(cè)試性以及可移植性等2023/7/211.5軟件體系結(jié)構(gòu)的風(fēng)格軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格是對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)的分類，每一種軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格都代表一類軟件的結(jié)構(gòu)組織模式軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格是在實(shí)踐中被重復(fù)使用的構(gòu)件設(shè)計(jì)的總結(jié)2023/7/211.5.1軟件體系結(jié)構(gòu)的風(fēng)格(續(xù))軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格包括：數(shù)據(jù)流風(fēng)格，順序批處理風(fēng)格，管道-過濾器風(fēng)格，調(diào)用-返回風(fēng)格，主程序-子程序風(fēng)格，面向?qū)ο箫L(fēng)格，分層的風(fēng)格，獨(dú)立構(gòu)件風(fēng)格，進(jìn)程通訊，事件系統(tǒng)，虛擬機(jī)風(fēng)格，解釋器，基于規(guī)則的系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)為中心的風(fēng)格，數(shù)據(jù)庫，超文本以及黑板風(fēng)格等。另外還有分布式的風(fēng)格，比如云計(jì)算，P2P風(fēng)格等2023/7/212調(diào)用-返回風(fēng)格提綱非結(jié)構(gòu)化的編程簡(jiǎn)介調(diào)用-返回風(fēng)格軟件體系結(jié)構(gòu)的概念主程序-子程序軟件體系結(jié)構(gòu)面向?qū)ο筌浖w系結(jié)構(gòu)主程序-子程序與面向?qū)ο篌w系結(jié)構(gòu)舉例2023/7/212.1非結(jié)構(gòu)化的編程簡(jiǎn)介非結(jié)構(gòu)化的編程技術(shù)是歷史上最早的編程范型非結(jié)構(gòu)化語言（比如匯編語言）編寫的程序通常包內(nèi)含一系列有序的命令，每行有一個(gè)行號(hào)標(biāo)記，便于程序跳轉(zhuǎn)2023/7/212.1.1非結(jié)構(gòu)化編程的特點(diǎn)非結(jié)構(gòu)化編程已經(jīng)引入了循環(huán)，分支及子程序的概念非結(jié)構(gòu)化編程中的子程序允許有多個(gè)入口和多個(gè)出口程序的執(zhí)行順序可以被任意變換2023/7/212.1.2非結(jié)構(gòu)化編程的舉例01main02movAX,045;03movBX,012;04addAX,BX;05jnz17;06…07jump012;08…2023/7/212.2調(diào)用-返回風(fēng)格軟件體系結(jié)構(gòu)調(diào)用-返回風(fēng)格體系結(jié)構(gòu)（CallandReturnArchitecture)采用分而治之的策略，其主要思想是將一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)分解為一些子系統(tǒng)，以便降低復(fù)雜度，并且增加可修改性這種系統(tǒng)的程序執(zhí)行順序通常只由一個(gè)單線程控制2023/7/212.2.1調(diào)用-返回風(fēng)格體系結(jié)構(gòu)示意AMainBCDE12910456738程序運(yùn)行的控制流示意2023/7/212.2.2調(diào)用-返回風(fēng)格體系的概念每個(gè)軟件都設(shè)計(jì)為有一個(gè)唯一的程序執(zhí)行入口和一個(gè)唯一的程序執(zhí)行出口；程序執(zhí)行結(jié)束后，則控制被返回給程序的調(diào)用構(gòu)件；這些程序的構(gòu)件被稱為子程序(Subroutine)從一個(gè)構(gòu)件到另一個(gè)構(gòu)件的控制傳遞被稱為程序調(diào)用(call)2023/7/212.2.3調(diào)用-返回風(fēng)格體系的組織擁有整個(gè)軟件入口的構(gòu)件叫做主程序(MainProgram)，它控制子程序的執(zhí)行順序可以被所有構(gòu)件訪問的共享數(shù)據(jù)被稱為全局變量(Globalvarible)MainSub1Sub2Sub3GlobalDataSub4Sub52023/7/212.2.4調(diào)用-返回風(fēng)格體系的層次組織調(diào)用-返回風(fēng)格體系結(jié)構(gòu)可以被組織成任何形式。但層次結(jié)構(gòu)的組織形式更清晰層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)被稱為共享數(shù)據(jù)的主程序-子程序軟件體系結(jié)構(gòu)MainSub1Sub2Sub3Sub4Sub5Sub6Sub7Sub8DataSub10DataSub9Sub112023/7/212.3主程序-子程序軟件體系結(jié)構(gòu)主程序-子程序軟件體系結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上使用層次化的劃分方法，該體系結(jié)構(gòu)中使用由編程語言直接支持的單一控制線程相比于非結(jié)構(gòu)化編程，主程序-子程序軟件體系結(jié)構(gòu)能夠較好地支持系統(tǒng)的可改變性和可伸縮性等性能，其采用分而治之的策略2023/7/212.3.1

自頂向下的設(shè)計(jì)方法主程序-子程序軟件體系結(jié)構(gòu)通常采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，即從系統(tǒng)的功能角度出發(fā)，從高層開始，將整個(gè)功能逐步細(xì)化為子功能MainSub1Sub2Sub3Sub11Sub12Sub21Sub22Sub31Sub211Sub121Sub1112023/7/212.3.2

自頂向下的設(shè)計(jì)舉例一個(gè)藥品成本計(jì)算系統(tǒng)（MedicineCostComputation）要計(jì)算一種藥品的單位成本，要求輸入藥品的名稱（MedicineName），然后系統(tǒng)輸出該藥品的單位成本（MedicineCostperUnit）MedicineCostComputationMedicineNameMedicineCost系統(tǒng)的第一層數(shù)據(jù)流圖（DFD）2023/7/212.3.2.1

系統(tǒng)層次化數(shù)據(jù)流圖結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)從數(shù)據(jù)流圖開始，然后將數(shù)據(jù)流圖轉(zhuǎn)換為程序結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的第三層數(shù)據(jù)流圖（DFD）系統(tǒng)的第二層數(shù)據(jù)流圖（DFD）MedicineCostComputationEnterMedicineNameOutputMedicineCostGetResearchCostperUnitEnterMedicineNameGetProductionCostperUnitOutputMedicineCost2023/7/212.3.2.2

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流圖從數(shù)據(jù)輸入開始，對(duì)數(shù)據(jù)的各個(gè)處理過程以及最后的輸出進(jìn)行描述，然后構(gòu)建結(jié)構(gòu)圖GetResearchCostperUnitEnterMedicineNameGetProductionCostperUnitOutputMedicineCostMedicineCostComputationSystemCalculatemedineCost132456782023/7/212.3.2.3自頂向下結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的問題功能演化困難現(xiàn)實(shí)中的系統(tǒng)功能不容易描述，比如服務(wù)請(qǐng)求式的系統(tǒng)難于找到頂層功能模塊功能化設(shè)計(jì)丟掉了數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由功能設(shè)計(jì)得到的軟件產(chǎn)品產(chǎn)生的可復(fù)用代碼較少2023/7/212.3.3

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)邏輯設(shè)計(jì)與物理設(shè)計(jì)分離開發(fā)過程中形成一套規(guī)范化的文檔，便于將來修改和維護(hù)缺點(diǎn)開發(fā)周期長(zhǎng)，開發(fā)過程復(fù)雜系統(tǒng)難于適應(yīng)環(huán)境變化經(jīng)驗(yàn)表明，較小的程序（小于10萬行）適合于結(jié)構(gòu)化開發(fā)2023/7/212.4

面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)化編程中的數(shù)據(jù)可以被程序的任何語句訪問，當(dāng)程序變大時(shí)，這種做法使得程序缺陷可能被傳到很遠(yuǎn)，難于維護(hù)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)可以將數(shù)據(jù)和操作封裝起來，使數(shù)據(jù)的訪問受到限制。這種將數(shù)據(jù)和操作捆綁的方式被稱為對(duì)象2023/7/212.4.1

面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)中，系統(tǒng)被看作為一些對(duì)象的集合，消息從一個(gè)對(duì)象發(fā)送到另一個(gè)對(duì)象，每個(gè)對(duì)象完成一定的功能Obj1Obj7Obj6Obj5Obj4Obj3Obj2CallCallCallCallCallCallCallCall面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)2023/7/212.4.2

面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)封裝性繼承性多態(tài)復(fù)用和可維護(hù)性對(duì)象是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象并且可以管理自己系統(tǒng)功能通過對(duì)象服務(wù)表示共享數(shù)據(jù)區(qū)域被取消對(duì)象可以是分布式的2023/7/212.4.3面向?qū)ο蟮睦^承機(jī)制繼承的目的是代碼復(fù)用繼承提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口，容易實(shí)現(xiàn)多態(tài)AnimalLandAnimalAquaticAnimalBirdfamilyMammalsElephantWhale2023/7/212.4.4面向?qū)ο蟮膬?yōu)點(diǎn)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)有如下優(yōu)點(diǎn)：容易維護(hù)，沒有共享的數(shù)據(jù)可復(fù)用性好映射現(xiàn)實(shí)世界，便于理解容易對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分解2023/7/212.4.5面向?qū)ο蟮娜秉c(diǎn)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)有如下缺點(diǎn)：程序占用的內(nèi)容大一個(gè)對(duì)象要和其它對(duì)象交互，必須知道其它對(duì)象的身份2023/7/212.5主程序-子程序與面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)比較設(shè)計(jì)一個(gè)文檔更新系統(tǒng)，對(duì)符合一定格式的輸入文檔進(jìn)行更新，系統(tǒng)的功能描述如下：政治問題，將文檔中的Japanese修改為Germany兩千年問題，將兩位日期修改為四位日期對(duì)商品按字典序排序2023/7/212.5.1文檔更新系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化原始文件 Printer$230Germany89-02-01 Refrigerator$380Japaness88-12-08 Refrigerator$360Taiwan89-05-12 Printer$330Japaness89-07-11政治修改后的文件 Printer$230Germany89-02-01 Refrigerator$380Germany88-12-08 Refrigerator$360Taiwan89-05-12 Printer$330Germany89-07-112023/7/212.5.2文檔更新系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化經(jīng)過兩千年問題修改的文件 Printer$230Germany1989-02-01 Refrigerator$380Germany1988-12-08 Refrigerator$360Taiwan1989-05-12 Printer$330Germany1989-07-11排序后的文件 Printer$230Germany1989-02-01 Printer$330Germany1989-07-11 Refrigerator$360Taiwan1989-05-12 Refrigerator$380Germany1988-12-082023/7/212.5.3結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)文檔更新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化程序中包含一個(gè)主程序和5個(gè)子程序結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的程序包含數(shù)據(jù)與函數(shù)，程序中的全局變量沒有被封裝，由每個(gè)函數(shù)訪問與修改MainInputCorrectPoliticalErrorCorrectY2KErrorSortOutput2023/7/212.5.4面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)文檔更新系統(tǒng)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)將數(shù)據(jù)、政治問題，排序及輸出功能封裝在不同的類中，類之間的數(shù)據(jù)通過參數(shù)進(jìn)行傳遞Legacy《Interface》+update():voidInput-+update():voidPoliticalIssue-+update():voidSorting-+update():voidOutput-+update():void2023/7/212.6主程序-子程序與面向?qū)ο篌w系結(jié)構(gòu)的比較主程序-子程序和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)相似之處都屬于調(diào)用-返回風(fēng)格主程序-子程序體系結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的程序中，每個(gè)軟件構(gòu)件都有一個(gè)唯一的程序執(zhí)行入口和出口，當(dāng)一個(gè)函數(shù)調(diào)用另一個(gè)函數(shù)時(shí)，另一個(gè)函數(shù)獲得控制權(quán)，該函數(shù)執(zhí)行完后控制權(quán)返回給調(diào)用函數(shù)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)一個(gè)對(duì)象調(diào)用另一個(gè)對(duì)象的方法時(shí)，被調(diào)用對(duì)象控制程序，運(yùn)行完后控制權(quán)又交給調(diào)用對(duì)象2023/7/212.6.1兩種體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)分析區(qū)別結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)根據(jù)用戶需求產(chǎn)生數(shù)據(jù)流圖根據(jù)數(shù)據(jù)流圖生成結(jié)構(gòu)圖使用結(jié)構(gòu)化英語描述算法通過數(shù)據(jù)關(guān)系分析產(chǎn)生數(shù)據(jù)關(guān)系圖建立領(lǐng)域模型類圖根據(jù)用戶需求產(chǎn)生用例模型用例實(shí)現(xiàn)建立對(duì)象互動(dòng)圖，包括：時(shí)序圖，協(xié)作圖及狀態(tài)圖等2023/7/212.6.2兩種體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)區(qū)別結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫