《軟件工程與開發(fā)環(huán)境》第一章軟件危機與軟件工程

1自從20世紀40年代中期出現(xiàn)第一臺計算機開始，就有程序的概念。計算機硬件：經(jīng)歷了電子管、晶體管、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路四代，并以1.5年為更新周期的速度發(fā)展。軟件經(jīng)歷了由個體化生產(chǎn)、作坊式生產(chǎn)、軟件工廠的發(fā)展過程。計算機硬件性能／價格比平均每十年提高二個數(shù)量級，而且質(zhì)量穩(wěn)步提高；與此同時，計算機軟件成本卻在逐年上升，質(zhì)量沒有可靠的保證，軟件開發(fā)的生產(chǎn)率也遠遠跟不上普及計算機應(yīng)用的要求。軟件已經(jīng)成為限制計算機系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素。第一章軟件危機與軟件工程21．1軟件危機在計算機系統(tǒng)發(fā)展的早期時代的一些錯誤概念和做法，已經(jīng)嚴重地阻礙了計算機軟件的開發(fā)。用錯誤方法開發(fā)出來的許多大型軟件幾乎根本無法維護和升級，只好提前報廢，造成大量人力、物力的浪費。在計算機系統(tǒng)發(fā)展的早期時代(60年代中期以前)，通用硬件相當普遍，軟件卻是個體編寫，編寫的程序技巧越多越好，可讀性極差。從60年代中期到70年代中期是計算機系統(tǒng)發(fā)展的第二代時期。重要特征：是“軟件作坊”?；旧先匀谎赜迷缙谛纬傻膫€體化軟件開發(fā)方法。廣泛使用產(chǎn)品軟件。3隨著計算機應(yīng)用的日益普及，軟件數(shù)量急劇膨脹。軟件維護工作以令人吃驚的比例耗費資源。更嚴重的是，許多程序的個體化特性使得它們最終成為不可維護的?！败浖C”就這樣開始出現(xiàn)了。在1968年和1969年北大西洋公約組織成員國軟件工作者兩次召開會議（NATO會議），討論擺脫軟件危機的辦法，提出了軟件工程的概念。1972年IEEE的計算機協(xié)會第一次出版了《軟件工程學報》，軟件工程術(shù)語被接受、流行。4

1．l.1什么是軟件危機軟件危機是指在計算機軟件的開發(fā)和維護過程中所遇到的一系列嚴重問題。概括地說，軟件危機包含下述兩方面的問題：如何開發(fā)軟件；如何維護軟件。軟件危機主要有下述一些表現(xiàn)：

(1)對軟件開發(fā)成本和進度的估計常常很不準確。這種現(xiàn)象降低了軟件開發(fā)組織的信譽。損害軟件產(chǎn)品的質(zhì)量，用戶的不滿。

(2)用戶對“已完成的”軟件系統(tǒng)不滿意的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。對用戶要求了解有限，交流不充分，倉促編寫程序。

“閉門造車”必然導致最終的產(chǎn)品不符合用戶的實際需要。5

(3)軟件產(chǎn)品的質(zhì)量往往靠不住。軟件質(zhì)量保證技術(shù)(審查、復(fù)審和測試)還沒有堅持不懈地應(yīng)用到軟件開發(fā)的全過程中，這些都導致軟件產(chǎn)品發(fā)生質(zhì)量問題。

(4)軟件常常是不可維護的。很多程序中的錯誤是非常難改正的?！翱芍赜玫能浖边€是一個沒有完全做到的、正在努力追求的目標，人們?nèi)匀辉谥貜?fù)開發(fā)類似的或基本類似的軟件。(5)軟件通常沒有適當?shù)奈臋n資料。(6)軟件成本在計算機系統(tǒng)總成本中所占的比例逐年上升。美國在1985年軟件成本大約已占計算機系統(tǒng)總成本的90％。

(7)軟件開發(fā)生產(chǎn)率提高的速度，遠遠跟不上計算機應(yīng)用迅速普及深入的趨勢。軟件產(chǎn)品“供不應(yīng)求”的現(xiàn)象使人類不能充分利用現(xiàn)代計算機硬件提供的巨大潛力．61．1．2產(chǎn)生軟件危機的原因一方面與軟件本身的特點有關(guān)，另一方面也和軟件開發(fā)與維護的方法不正確有關(guān)。

軟件不同于硬件，它是計算機系統(tǒng)中的邏輯部件而不是物理部件。軟件的一個顯著特點是規(guī)模龐大。美國70年代末穿梭號宇宙飛船的軟件包含4000萬行目標代碼。假設(shè)一個人一年開發(fā)一萬行的程序，為了開發(fā)一個4000萬行的軟件，是否集中4000人的力量一年就可以完成呢?絕對做不到!因為代碼長度增加丁4000倍，程序復(fù)雜程度的增加遠遠超過4000倍。7不僅涉及許多技術(shù)問題，諸如分析方法、設(shè)計方法、形式說明方法、版本控制等，更重要的是必須有嚴格而科學的管理。目前相當多的軟件專業(yè)人員對軟件開發(fā)和維護還有不少糊涂觀念，忽視軟件需求分析的重要性，認為軟件開發(fā)就是寫程序并設(shè)法使之運行，輕視軟件維護等。在實踐過程中或多或少地采用了錯誤的方法和技術(shù)，這可能是使軟件問題發(fā)展成軟件危機的主要原因。一個軟件從定義、開發(fā)、使用和維護，直到最終被廢棄，要經(jīng)歷一個漫長的時期，這就如同一個人要經(jīng)過胎兒、兒童、青年、中年、老年，直到最終死亡的漫長時期一樣。通常把軟件經(jīng)歷的這個漫長的時期稱為生命周期。8

嚴重的問題是，在軟件開發(fā)的不同階段進行修改需要付出的代價是很不相同的。根據(jù)美國一些軟件公司的統(tǒng)計資料，在后期引入一個變動比在早相期引入同變動所需付出的代價高2--3個數(shù)量級。圖1．2是美國貝爾實驗室統(tǒng)計得出的定量結(jié)果。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，實際上用于軟件維護的費用占軟件總費用的55％--70％。軟件工程學的一個重要目標就是提高軟件的可維護性，減少軟件維護的代價。

圖1.2改正一個問題的代價(越早代價越小)9引入同一變動付出的代價隨時間變化的趨勢101．1．3解決軟件危機的途徑1983年IEEE定義--軟件：計算機程序、方法、規(guī)則、相關(guān)的文檔資料以及在計算機上運行程序時所必需的數(shù)據(jù)。定義中列出了軟件的5個配置成分。

軟件開發(fā)不是某種個體勞動的神秘技巧，而應(yīng)該是一種組織良好、管理嚴密、各類人員協(xié)同配合、共同完成的工程項目。解決軟件危機，既要有技術(shù)措施(方法和工具)，又要有必要的組織管理措施。軟件工程=管理+技術(shù)蓬勃發(fā)展學科11softwarecrisis

Themajorcauseofthesoftwarecrisisisthatthemachineshavebecomeseveralordersofmagnitudemorepowerful!

Toputitquitebluntly:

aslongastherewerenomachines,programmingwasnoproblematall;whenwehad

afewweakcomputers,programmingbecame

amildproblem,andnowwehave

gigantic

computers,programminghasbecomeanequally

giganticproblem."

EdsgerDijkstra:TheHumbleProgrammer

12Howexpensive!--Astaggering31.1%ofprojectswillbecanceledbeforetheyevergetcompleted.--Furtherresultsindicate52.7%ofprojectswillcost189%oftheiroriginalestimates.·--InUSA,morethan$250billioneachyearfor175,000projects.--31%arecancelled,53%arechallenged,16%successful.--Theaveragecostofaprojectforalargecompanyis$2,322,000;--Foramediumcompany,itis$1,331,000;--Forasmallcompany,itis$434,00013projectstypes:

TheStandishGroupclassifiesprojectsintothreeresolutiontypes:

·Successful:Theprojectiscompletedontimeandonbudget,withallfeaturesandfunctionsasoriginallyspecified.·Challenged:Theprojectiscompletedandoperational,butoverbudget,overthetimeestimated,andwithfewerfeaturesandfunctionsthaninitiallyspecified.

·Failed:Theprojectiscancelledbeforecompletion.14NASANASA,forexample,carriedoutaprojecttodevelop"perfect"software,softwarethatisclosetoerror-free.Itsucceeded,atacostof$1,000perlineofprogramcode.Thecostforacommercialorganizationistypicallybetween$20and$50perline.NASAreportedthatitfoundnohigh-techtoolsornewtechniquesthatensuredthelevelofqualityitsought;itsapproachwasthetriedandtrue"inspect,test,retest."PeterKeen-ManagingtheEconomicsofInformationCapital

151.2軟件工程1.2.1軟件工程簡介 軟件工程是工程學科。1968年第一屆NATO會議定義: 軟件工程：采用工程的概念、原理、技術(shù)和方法來開發(fā)與維護軟件，把經(jīng)過時間考驗而證明正確的管理技術(shù)和當前能夠得到的最好的技術(shù)方法結(jié)合起來，這就是軟件工程。161993年IEEE進一步給出了一個更全面更具體的定義：“軟件工程是：①把系統(tǒng)的、規(guī)范的、可度量的途徑應(yīng)用于軟件開發(fā)、運行和維護過程，也就是把工程應(yīng)用于軟件；②研究①中提到的途徑?！?7軟件工程的本質(zhì)特性:1.軟件工程關(guān)注于大型程序的構(gòu)造“大”與“小”的分界線不十分清晰小型程序大型程序傳統(tǒng)的程序設(shè)計技術(shù)和工具支持小型程序設(shè)計，不能簡單地用于開發(fā)大型程序。大粒度軟件復(fù)用技術(shù)，軟件架構(gòu)，組件復(fù)用等。182.軟件工程的中心課題是控制復(fù)雜性軟件所解決的問題十分復(fù)雜，沒有辦法作為一個整體通盤考慮。不得不分解，分解出的每個部分可理解，且保持簡單通信關(guān)系。不能降低問題的整體復(fù)雜性，但是卻可使它變成可以管理。注意，許多軟件的復(fù)雜性主要不是由問題的內(nèi)在復(fù)雜性造成的，而是由必須處理的大量細節(jié)造成的。193.軟件經(jīng)常變化軟件必須隨著所模擬的現(xiàn)實世界一起變化。投產(chǎn)軟件仍然需要耗費成本。在開發(fā)過程中必須考慮將來可能的變化。4.開發(fā)軟件的效率非常重要軟件供不應(yīng)求的現(xiàn)象日益嚴重。尋求開發(fā)與維護軟件的更好更有效的方法和工具。205.和諧地合作是開發(fā)軟件的關(guān)鍵軟件龐大，必須多人合作。有效：明確責任，相互溝通。嚴格按規(guī)定行事。運用標準和規(guī)程。用工具來支持標準和規(guī)程。紀律關(guān)鍵！6.軟件必須有效地支持它的用戶目的：是有效地協(xié)助用戶完成其工作。用戶不滿意，棄用系統(tǒng)，或立即提新需求。僅用正確方法不夠，還必須構(gòu)造出正確系統(tǒng)。217.在軟件工程領(lǐng)域中是由具有一種文化背景的人替具有另一種文化背景的人工作軟件工程師是諸如Java程序設(shè)計等方面專家，他們不是圖書館管理、航空控制或銀行事務(wù)等領(lǐng)域的專家，他們卻不得不為這些領(lǐng)域開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)。缺乏應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)知識，是軟件開發(fā)項目出現(xiàn)問題的常見原因。22訪談、閱讀，了解應(yīng)用領(lǐng)域知識。然后用軟件實現(xiàn)。決定軟件系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵問題：用戶組織是否真正遵守這個工作流程。對于局外人來說，這個問題更難回答。23

1．2．2軟件工程的基本原理1968年在聯(lián)邦德國召開的國際會議上正式提出井使用了“軟件工程”以來，陸續(xù)提出了100多條關(guān)于軟件工程的準則或“信條”。著名的軟件工程專家N．W．Boehm綜合各種意見和多方軟件開發(fā)經(jīng)驗，于1983年在一篇論文中提出了軟件工程的七條基本原理。他認為這七條原理是確保軟件產(chǎn)品質(zhì)量和開發(fā)效率的原理的最小集合。24軟件工程的七條基本原理：1、用分階段的生命周期計劃嚴格管理。不成功項目中有一半左右是由于計劃不周造成的。制定并嚴格執(zhí)行六類計劃：項目概要計劃，里程碑計劃，項目控制計劃，產(chǎn)品控制計劃，驗證計劃，運行維護計劃。必須嚴格按照計劃各盡其職。絕不能受客戶或上級人員的影響而擅自背離預(yù)定計劃。252．堅持進行階段評審兩個理由：第一，大部分錯誤是在編碼之前造成的。Boehm等人的統(tǒng)計，設(shè)計錯誤占軟件錯誤的63％，編碼錯誤僅占37％；第二，錯誤發(fā)現(xiàn)與改正得越晚，所需付出的代價也越高。

263．實行嚴格的產(chǎn)品控制不應(yīng)隨意改變需求。改變要付出較高的代價，必須實行嚴格的產(chǎn)品控制。一切有關(guān)修改軟件的建議，都必須按照嚴格的規(guī)程進行評審，獲得批準以后才能實施修改。絕對不能誰想修改軟件(包括尚在開發(fā)過程中的軟件)，就隨意進行修改。4．采用現(xiàn)代程序設(shè)計技術(shù)275．結(jié)果應(yīng)能清楚地審查規(guī)定責任和產(chǎn)品標準，結(jié)果能夠清楚地審查。6．開發(fā)小組的人員應(yīng)該少而精組成少而精的開發(fā)小組是軟件工程的一條基本原理。7．承認不斷改進軟件工程實踐的必要性采納新技術(shù)，總結(jié)新經(jīng)驗。28

這七條原理是互相獨立的，其中任意六條原理的組合都不能代替另一條原理。缺一不可。相當完備。雖然不能用數(shù)學方法嚴格證明，但是，七條原理的組合可以蘊含或派生出那100多條原理。29軟件工程：技術(shù)和管理，二者結(jié)合的工程學科。管理：通過計劃、組織和控制等一系列活動，合理地配置和使用各種資源，以達到既定目標的過程。通常把在軟件生命周期全過程中使用的一整套技術(shù)方法的集合稱為：方法學(methodology)，也稱為范型(paradigm)。兩個屬于基本相同。1.2.3軟件工程方法學30軟件工程方法學包含3個要素：方法、工具和過程。其中：方法:完成各項任務(wù)的技術(shù)方法，回答“怎樣做”的問題；工具:為運用方法而提供的自動的或半自動的支撐環(huán)境；過程:為了獲得高質(zhì)量的軟件所需要完成的一系列任務(wù)的框架，它規(guī)定了完成各項任務(wù)的工作步驟。常用：傳統(tǒng)方法學和面向?qū)ο蠓椒▽W。311.傳統(tǒng)方法學傳統(tǒng)方法學也稱為生命周期方法學或結(jié)構(gòu)化范型。它采用結(jié)構(gòu)化技術(shù)(結(jié)構(gòu)化分析SA、結(jié)構(gòu)化設(shè)計SD和結(jié)構(gòu)化實現(xiàn)SP)來完成軟件開發(fā)的各項任務(wù)，并使用適當?shù)能浖ぞ呋蜍浖こ汰h(huán)境來支持結(jié)構(gòu)化技術(shù)的運用。依次劃分為若干個階段，順序地完成。322.面向?qū)ο蠓椒▽W概括地說，該方法學具有下述4個要點：(1)對象(object):任何感性趣的事物。如小轎車、電影、一節(jié)課等。(2)類(class):相同屬性對象的集合。客車類小轎車大客車中型客車33(3)類等級:按照父類(或稱為基類)與子類(或稱為派生類)的關(guān)系，把若干個相關(guān)類組成一個層次結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。

(4)消息聯(lián)系:對象彼此間僅能通過發(fā)送消息互相聯(lián)系。34面向?qū)ο蠓椒▽W出發(fā)點和基本原則:盡量模擬人類習慣的思維方式，使開發(fā)軟件的方法與過程盡可能接近人類認識世界解決問題的方法與過程，從而使描述問題的問題空間(也稱為問題域)與實現(xiàn)解法的解空間(也稱為求解域)在結(jié)構(gòu)上盡可能一致。351．3軟件生命周期軟件生命周期：定義期、開發(fā)期、維護期淘汰?。∩芷诜椒▽W：從時間角度把軟件生命的漫長周期依次劃分為若干個階段，每個階段的任務(wù)相對獨立；在每個階段結(jié)束之前都從技術(shù)和管理兩個角度進行嚴格的審查，合格之后才開始下一階段的工作。361.3.1生命周期各階段的基本任務(wù)軟件生命周期階段劃分的基本原則：使各階段的任務(wù)彼此間盡可能相對獨立，同一階段各項任務(wù)的性質(zhì)盡可能相同，降低復(fù)雜程度，簡化聯(lián)系，便于組織管理。軟件生命周期:軟件定義期、軟件開發(fā)期和軟件維護期。每個時期又進一步劃分成若干個階段。37軟件定義期(系統(tǒng)分析):確定軟件開發(fā)工程必須完成的總目標；確定工程的可行性；導出實現(xiàn)工程目標應(yīng)該采用的策略及系統(tǒng)必須完成的功能；估計完成該項工程需要的資源和成本，并且制定工程進度表。定義期三個階段:問題定義、可行性研究和需求分析。38開發(fā)時期：總體設(shè)計，詳細設(shè)計，編碼和單元測試，綜合測試。其中前兩個階段又稱為系統(tǒng)設(shè)計，后兩個階段又稱為系統(tǒng)實現(xiàn)。維護時期：主要任務(wù)是使軟件持久地滿足用戶的需要。具體說：改正錯誤；適應(yīng)新的環(huán)境；滿足新的需要.39如果記軟件開發(fā)全部工作量為100%，那么測試工作量通常占全部工作量的40％--50％。編寫程序工作量只占全部工作量的l0％--20％。

401．問題定義:要解決的問題是什么?2．可行性研究：對確定的問題有可行的解決辦法嗎?或者說條件具備嗎？3．需求分析:確定目標系統(tǒng)必須具備哪些功能和性能。4．總體設(shè)計：“概括地說，應(yīng)該如何解決這個問題?”軟件生命周期方法學簡述415．詳細設(shè)計：“應(yīng)該怎樣具體地實現(xiàn)這個系統(tǒng)呢?”6．編碼和單元測試:寫出正確的容易理解、容易維護的程序模塊。7．綜合測試:關(guān)鍵任務(wù)是通過各種類型的測試(及相應(yīng)的調(diào)試)使軟件達到預(yù)定的要求。8．軟件維護:關(guān)鍵任務(wù)是通過各種必要的維護活動使系統(tǒng)持久地滿足用戶的需要。421.4軟件過程軟件過程：為了獲得高質(zhì)量軟件所需要完成的一系列任務(wù)的框架，它規(guī)定了完成各項任務(wù)的工作步驟。ISO9000把過程定義為:“使用資源將輸入轉(zhuǎn)化為輸出的活動所構(gòu)成的系統(tǒng)。”43過程定義了運用方法的順序、應(yīng)該交付的文檔資料、為保證軟件質(zhì)量和協(xié)調(diào)變化所需要采取的管理措施，以及標志軟件開發(fā)各個階段任務(wù)完成的里程碑。精品求于過程!一個任務(wù)集合包括一組軟件工程任務(wù)、里程碑和應(yīng)該交付的產(chǎn)品。生命周期模型規(guī)定了把生命周期劃分成哪些階段及各個階段的執(zhí)行順序，也稱為過程模型。44在20世紀80年代之前，瀑布模型一直是唯一被廣泛采用的生命周期模型，現(xiàn)在它仍然是應(yīng)用得最廣泛的過程模型。傳統(tǒng)軟件工程方法學的軟件過程，基本上可以用瀑布模型來描述。1.4.1瀑布模型45圖1.2傳統(tǒng)的瀑布模型46三個特點：特點1.階段間具有順序性和依賴性兩重含義：①前一階段工作完成后，才能開始后一階段工作；②前一階段的輸出文檔是后一階段的輸入文檔.

特點2.推遲實現(xiàn)的觀點規(guī)模較大項目，編碼越早，完成的時間越長。不扎實，過早考慮程序?qū)崿F(xiàn)，大量返工，無法彌補，帶來災(zāi)難。47瀑布模型在分析與設(shè)計階段主要考慮目標系統(tǒng)的邏輯模型，不涉及軟件的物理實現(xiàn)。清楚地區(qū)分邏輯設(shè)計與物理設(shè)計，盡可能推遲程序的物理實現(xiàn)，是按照瀑布模型開發(fā)軟件的一條重要的指導思想。特點3.質(zhì)量保證的觀點軟件工程的基本目標是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)。48在每個階段都應(yīng)堅持兩個重要做法：（1）每個階段都必須完成規(guī)定的文檔，沒有交出合格的文檔就是沒有完成該階段的任務(wù)。里程碑?!（2）每個階段結(jié)束前都要對所完成的文檔進行評審.盡早發(fā)現(xiàn)問題，改正錯誤。越是早期階段犯下的錯誤，暴露出來的時間就越晚，排除故障改正錯誤所需付出的代價也越高。及時審查！

49圖1.3實際的瀑布模型50優(yōu)點：可強迫開發(fā)人員采用規(guī)范的方法（例如，結(jié)構(gòu)化技術(shù)）；嚴格地規(guī)定了每個階段必須提交的文檔；交出的所有產(chǎn)品都必須經(jīng)過質(zhì)量保證小組的仔細驗證;文檔約束，將使維護變得比較容易;瀑布模型的成功在很大程度上是由于它基本上是一種文檔驅(qū)動的模型。51“文檔驅(qū)動”也是瀑布模型的一個主要缺點。在產(chǎn)品提交前，用戶只能通過文檔來了解產(chǎn)品。靜態(tài)的規(guī)格說明，與動態(tài)表現(xiàn)很難統(tǒng)一。用戶用軟件前后想法可能會不一致。要求用戶不經(jīng)過實踐提出完整準確需求，不切實際。完全依賴于規(guī)格說明，有可能導致最終產(chǎn)品不能真正滿足用戶的需要。52Vmodelrequirementsanalysissystemdesignprogramdesigncodingunit&inte-grationtestingsystemtestingoperation&maintenanceacceptancetestingavariationofthewaterfallmodelverifydesign531.4.2快速原型模型快速建立運行程序；功能子集試用了解目標系統(tǒng)的概貌。建立、試用、修改，反復(fù)到滿意；線性、不帶反饋環(huán)54

快速原型的本質(zhì)是“快速”。應(yīng)該盡可能快地建造出原型系統(tǒng)，以加速開發(fā)過程，節(jié)約成本。

原型的用途是獲知用戶的真正需求，一旦需求確定了，原型將被拋棄。重要的是，必須迅速地構(gòu)建原型和修改原型。UNIXShell和超文本第四代語言（4GL）構(gòu)建快速原型。METLAB等。55增量模型也稱為漸增模型。把軟件產(chǎn)品作為一系列的增量構(gòu)件來設(shè)計、編碼、集成和測試。每個構(gòu)件由多個相互作用的模塊構(gòu)成，并且能夠完成特定的功能。1.4.3增量模型構(gòu)件規(guī)模適中。最佳分解方法因軟件產(chǎn)品特點和開發(fā)人員的習慣而異。56分解成增量構(gòu)件約束條件：當把新構(gòu)件集成到現(xiàn)有軟件中時，所形成的