軟件工程實(shí)踐(5)設(shè)計(jì)

1、北京理工大學(xué)軟件工程實(shí)踐湯銘端中國航天科工集團(tuán)公司204所第四講軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容n包括軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)n軟件設(shè)計(jì)的概念n軟件設(shè)計(jì)的過程n軟件設(shè)計(jì)的方法n軟件設(shè)計(jì)的產(chǎn)品目的n掌握軟件設(shè)計(jì)基本概念n掌握軟件設(shè)計(jì)過程n了解基本軟件設(shè)計(jì)方法（SC+流程圖）n了解軟件設(shè)計(jì)說明的內(nèi)容條目設(shè)計(jì)n設(shè)計(jì)：為了能夠足夠詳細(xì)地定義一種設(shè)備、一個處理或一個系統(tǒng)，以便保證其物理實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)用各種技術(shù)和原則的過程n設(shè)計(jì)者的目標(biāo)是生成一個隨后要構(gòu)造的實(shí)體的一種模型或表示n開發(fā)模型的過程綜合了基于構(gòu)造類似實(shí)體的經(jīng)驗(yàn)的直覺和判斷、一系列指導(dǎo)模型演化路徑的原則和直觀推斷、一系列判斷質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)以及導(dǎo)出最終設(shè)計(jì)表示的迭代過程軟件

2、設(shè)計(jì)的任務(wù)n數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)：將分析時創(chuàng)建的信息域模型變換為實(shí)現(xiàn)軟件所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：定義軟件系統(tǒng)各主要部件之間的關(guān)系n接口設(shè)計(jì)：描述軟件內(nèi)部、軟件和協(xié)作系統(tǒng)之間以及軟件與人之間如何通信n過程設(shè)計(jì)：把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件轉(zhuǎn)換成軟件單元的過程性描述軟件設(shè)計(jì)視圖數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概要設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)管理角度技術(shù)觀點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)的重要性質(zhì)量n設(shè)計(jì)是在軟件開發(fā)中形成質(zhì)量的環(huán)節(jié)n設(shè)計(jì)是能將用戶需求轉(zhuǎn)化為完整的軟件產(chǎn)品或系統(tǒng)的唯一方法n設(shè)計(jì)是軟件工程和軟件維護(hù)的基礎(chǔ)軟件設(shè)計(jì)的過程n軟件設(shè)計(jì)是一個迭代的過程n先進(jìn)行高層次的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)n后進(jìn)行低層次的過程設(shè)計(jì)n穿插進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)良好設(shè)計(jì)的特征（設(shè)計(jì)目標(biāo)）n設(shè)計(jì)必須

3、實(shí)現(xiàn)所有包含在分析模型中的明示需求，并且必須滿足客戶希望的所有潛在需求n設(shè)計(jì)對于軟件的編碼、測試、維護(hù)人員必須是可讀的、可理解的n設(shè)計(jì)應(yīng)該提供軟件的完整面貌，包括從實(shí)現(xiàn)角度所見的數(shù)據(jù)、功能、流程設(shè)計(jì)的指南1 設(shè)計(jì)應(yīng)該展示一種層次化結(jié)構(gòu)2 設(shè)計(jì)應(yīng)該模塊化，即邏輯地劃分成完成特定功能和子功能的構(gòu)件3 設(shè)計(jì)應(yīng)該包括對數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)、界面和部件的清楚表述4 設(shè)計(jì)應(yīng)該導(dǎo)出適于實(shí)現(xiàn)目的和由公認(rèn)的數(shù)據(jù)模式導(dǎo)出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5 設(shè)計(jì)應(yīng)該導(dǎo)出具有獨(dú)立功能特征的模塊6 設(shè)計(jì)應(yīng)該導(dǎo)出降低模塊和外部環(huán)境間連接復(fù)雜度的接口7 設(shè)計(jì)應(yīng)該通過使用可重復(fù)的方法來得到，這些方法被來源于軟件需求分析的信息所驅(qū)動設(shè)計(jì)原則n設(shè)計(jì)過程不應(yīng)該受

4、“隧道視野”的限制n設(shè)計(jì)對于分析模型應(yīng)該是可追蹤的n設(shè)計(jì)不應(yīng)該從頭做起n設(shè)計(jì)應(yīng)該縮短軟件和現(xiàn)實(shí)世界的“智力距離”n設(shè)計(jì)應(yīng)該表現(xiàn)出一致性和集成性n設(shè)計(jì)應(yīng)該構(gòu)造以適應(yīng)修改n設(shè)計(jì)應(yīng)該構(gòu)造以使得即使遇到異常的數(shù)據(jù)、事件或操作條件時也能夠平滑、輕巧地降級n設(shè)計(jì)不是編碼，編碼不是設(shè)計(jì)n在創(chuàng)建設(shè)計(jì)時就應(yīng)該可以評估質(zhì)量，而不是在事情完成之后n應(yīng)該復(fù)審設(shè)計(jì)以減少概念性錯誤設(shè)計(jì)概念n抽象n求精n模塊化n軟件結(jié)構(gòu)體系n控制層次n結(jié)構(gòu)劃分n數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n軟件過程n信息隱藏設(shè)計(jì)的獨(dú)立性判別n內(nèi)聚：模塊相對功能密度的度量n耦合：模塊間相對獨(dú)立性的度量內(nèi)聚n內(nèi)聚指的是一個模塊內(nèi)部各組成部分的處理動作的組合強(qiáng)度，又稱塊內(nèi)聯(lián)系。n

5、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則是，要求每一個模塊的內(nèi)部都具有很強(qiáng)的內(nèi)聚性，它的各個組成部分彼此都密切相關(guān)，是為了完成一個共同的功能而組合在一起的。減弱模塊之間的耦合和提高模塊內(nèi)的內(nèi)聚性，是兩個相輔相成的設(shè)計(jì)原則。G.Myers的內(nèi)聚七等級n偶然內(nèi)聚：模塊內(nèi)各成分無實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系，只是偶然地被湊到一起。n邏輯內(nèi)聚：模塊內(nèi)部各組成部分的處理動作在邏輯上相似，但功能卻彼此不同或無關(guān)。n時間內(nèi)聚：將若干在同一個時間帶內(nèi)進(jìn)行的工作集中在一個模塊內(nèi)，但這些工作彼此無關(guān)。n過程內(nèi)聚：模塊內(nèi)部包含的各個成分按照某種確定的順序進(jìn)行，但所做工作沒有什么關(guān)系。n通訊內(nèi)聚：模塊內(nèi)的各個組成部分都使用相同的輸入數(shù)據(jù)或產(chǎn)生相同的輸

6、出數(shù)據(jù)。n順序內(nèi)聚：模塊中各個組成部分順序執(zhí)行，前一個成分的輸出就是后一個成分的輸入。n功能內(nèi)聚：模塊內(nèi)的各個組成部分全都為完成同一個功能而存在，共同完成一個單一的功能，并且只完成一個功能。高內(nèi)聚的要求n避免使用低內(nèi)聚的模塊，多用中高內(nèi)聚、特別是功能內(nèi)聚的模塊，n遵守“一個模塊，一個功能”原則，它是衡量模塊獨(dú)立性的最高標(biāo)準(zhǔn)耦合n耦合（coupling）指的是兩個模塊之間的相互依賴關(guān)系，又稱塊間聯(lián)系。n模塊之間的聯(lián)系越多或越復(fù)雜，它們之間的依賴程度就越高，每一個模塊的獨(dú)立性就越低。n要求盡可能地減弱系統(tǒng)中模塊之間的耦合程度，提高每一個模塊的獨(dú)立性，這是因?yàn)椋簄）模塊之間的耦合程度越弱，相互影響就

7、越小，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)的概率就越低；n）在修改一個模塊時，要能使修改范圍控制在最小限度以內(nèi)；n）在對一個模塊進(jìn)行維護(hù)的時候，不必?fù)?dān)心任何其它模塊的內(nèi)部運(yùn)行程序是否會受到影響。G.Myers的耦合七等級n非直接耦合：調(diào)用和被調(diào)用模塊之間不存在直接的數(shù)據(jù)聯(lián)系。n數(shù)據(jù)耦合：調(diào)用和被調(diào)用模塊之間存在簡單變量這樣的數(shù)據(jù)傳遞。n特征耦合：調(diào)用和調(diào)用模塊之間存在諸如數(shù)組這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳遞。n控制耦合：耦合的模塊之間傳遞的不是數(shù)據(jù)信息，而是控制信息，或稱開關(guān)量或標(biāo)志量。n外部耦合：允許多個模塊訪問同一個全局變量。n公共耦合：允許多個模塊訪問同一個全局性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。n內(nèi)容耦合：允許一個模塊直接調(diào)用另一個模塊中的

8、數(shù)據(jù)。n非直接耦合、數(shù)據(jù)耦合、特征耦合屬于弱耦合。非直接耦合是最希望的情況。低耦合的要求控制耦合是一種中等程度的耦合。應(yīng)盡可能少用。外部耦合和公共耦合是較強(qiáng)程度的耦合。盡管有時無法避免，但要特別注意、嚴(yán)加控制。內(nèi)容耦合是耦合程度最強(qiáng)的耦合，極大增強(qiáng)了軟件的復(fù)雜性，給維護(hù)帶來嚴(yán)重困難，是“病態(tài)聯(lián)系”，應(yīng)禁止使用。實(shí)際完全可以避免。數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)n選擇需求定義和規(guī)格說明過程中提出的數(shù)據(jù)對象的邏輯表示n數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的任務(wù)n確定輸入、輸出文件的詳細(xì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n結(jié)合算法設(shè)計(jì)，確定算法所必須的邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其操作n確定對邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所必須的那些操作的程序模塊，限制和確定各個數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)決策的影響范圍n需要與操作系統(tǒng)或調(diào)度

9、程序接口所必須的控制表進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，確定其詳細(xì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和使用規(guī)則n數(shù)據(jù)的保護(hù)性設(shè)計(jì)：防衛(wèi)性、一致性、冗余性設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的原則n用于功能和行為的系統(tǒng)分析原則也應(yīng)用于數(shù)據(jù)n應(yīng)該標(biāo)識所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及其上的操作n應(yīng)當(dāng)建立數(shù)據(jù)字典，并用于數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)n低層的設(shè)計(jì)決策應(yīng)該推遲到設(shè)計(jì)過程的后期n只有那些需要直接使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部數(shù)據(jù)的模塊才能看到該數(shù)據(jù)的表示n應(yīng)該開發(fā)一個由有用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用于其上的操作組成的庫n軟件設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)語言應(yīng)該支持抽象數(shù)據(jù)類型的規(guī)格說明和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)n開發(fā)一個模塊化的程序結(jié)構(gòu)n表示出模塊之間的控制關(guān)系n將程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合n為數(shù)據(jù)在程序中的流動定義接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的

10、任務(wù)n采用某種設(shè)計(jì)方法，將一個復(fù)雜的系統(tǒng)按功能劃分為模塊的層次結(jié)構(gòu)n確定模塊之間的調(diào)用關(guān)系n確定每個模塊的功能，建立與已確定的軟件需求的對應(yīng)關(guān)系n確定模塊之間的接口，即模塊間傳遞的信息，并設(shè)計(jì)模塊接口的信息結(jié)構(gòu)n評估模塊劃分的質(zhì)量及導(dǎo)出模塊結(jié)構(gòu)的規(guī)則SC-結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖(Structure Chart )n描述軟件系統(tǒng)的層次和分塊結(jié)構(gòu)關(guān)系。n在結(jié)構(gòu)圖中可以看到模塊與模塊之間的聯(lián)系與通訊。n基本符號：基本符號：n結(jié)構(gòu)圖的圖示符號以用矩形表示的模塊n用模塊間帶箭頭的連線表示的調(diào)用關(guān)系n在調(diào)用關(guān)系邊上用短箭頭表示的模塊間信息傳遞關(guān)系。SC使用說明使用說明a.為每一個成分（模塊或數(shù)據(jù)）適當(dāng)?shù)孛谷藗兡?/p>

11、直觀理解。b.一個模塊在結(jié)構(gòu)圖中只能出現(xiàn)一次以避免修改時出錯成錯誤。c.盡可能將整個畫在一張紙上以便于整體理解。d.一般習(xí)慣是：輸入模塊在左，輸出模塊在右，計(jì)算模塊居中。e.結(jié)構(gòu)圖和習(xí)慣使用的程序流程圖是完全不同的。程序有層次性和過程性兩方面的特點(diǎn)，通常應(yīng)該先考慮層次特性，再考慮過程特性。結(jié)構(gòu)圖描述的是程序的層次特性，即某個模塊負(fù)責(zé)管理哪些模塊，這些模塊又依次管理什么模塊等。結(jié)構(gòu)圖示例結(jié)構(gòu)圖示例報(bào)表加工計(jì)算合法性檢驗(yàn)印出報(bào)表信息編輯檢驗(yàn)讀入編輯印出表頭印出表尾計(jì)算（8）（1）（2）（3）（3）（2）（5）（5）（2）（5）（6）（2）（6）（7）（8）（9）（8）面向數(shù)據(jù)流的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程1 建

12、立數(shù)據(jù)流類型2 指明流的邊界3 將DFD映射到程序結(jié)構(gòu)4 用“因子化”的方法定義控制的層次結(jié)構(gòu)5 用設(shè)計(jì)測量和啟發(fā)信息對結(jié)構(gòu)進(jìn)行求精流程圖開始細(xì)化/修改軟件需求規(guī)格說明中的數(shù)據(jù)流圖是變換型嗎？變換分析事物分析將映射得來的初始結(jié)構(gòu)圖改進(jìn)為最終結(jié)構(gòu)圖對最終結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行評審結(jié)束是否從數(shù)據(jù)流圖過渡到結(jié)構(gòu)圖DFD類型傳入傳入部分變換中心傳出部分（a a）變換型結(jié)構(gòu)）變換型結(jié)構(gòu)傳出變換接受事務(wù)分析動作1動作2動作3接受部分事務(wù)中心（b）事務(wù)型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換主模塊輸入模塊主加工模塊輸出模塊(a)事務(wù)控制模塊接受模塊動作發(fā)送模塊動作1模塊動作1模塊動作1模塊(b)變換映射設(shè)計(jì)步驟（P.262-268)1 復(fù)審頂層圖2

13、 復(fù)審和細(xì)化DFD3 確定DFD含有變換流還是事物流特征4 劃分輸入和輸出流的邊界，隔離變換中心5 進(jìn)行“第一級分解”6 進(jìn)行“第二級分解”7 用設(shè)計(jì)度量對軟件結(jié)構(gòu)的“初稿”進(jìn)行精化事物映射設(shè)計(jì)步驟（P.268-272)1 復(fù)審頂層圖2 復(fù)審和細(xì)化DFD3 確定DFD含有變換流還是事物流特征4 標(biāo)識事物中心和每條動作路徑上的流特征5 將DFD映射到一個適合與于進(jìn)行事物處理的程序結(jié)構(gòu)上6 分解和改進(jìn)事物中心和每條工作路徑的結(jié)構(gòu)7 用設(shè)計(jì)度量對軟件結(jié)構(gòu)的“初稿”進(jìn)行精化SC的修改1）減少塊間聯(lián)系，降低耦合度：可從方式、作用、數(shù)量等方面著手，其中最常用的是減少模塊間傳遞的參數(shù)個數(shù)；2）消除管道性模塊

14、，提高內(nèi)聚度：管道性模塊的塊內(nèi)聯(lián)系很弱，只是像管道一樣將一些參數(shù)從主模塊傳送到它的幾個下層模塊，對這樣的模塊，應(yīng)予以消除；3）適當(dāng)考慮系統(tǒng)將來可能發(fā)生的變化；4）注意模塊的大?。合拗颇K大小是降低復(fù)雜性的手段之一；5）適當(dāng)調(diào)整調(diào)用和被調(diào)用的次數(shù)，即深度、寬度、扇出和扇入都要適當(dāng)。一個模塊調(diào)用或被調(diào)用過多，往往是設(shè)計(jì)不好的跡象；6）整體考慮問題：即盡可能研究整張結(jié)構(gòu)圖，而不是只分別考慮一張結(jié)構(gòu)圖的各個部分。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1 評估初始軟件結(jié)構(gòu)以降低耦合提高內(nèi)聚2 盡量減少高扇出的結(jié)構(gòu)；當(dāng)深度增加時爭取提高扇入3 將模塊的影響限制在模塊的控制范圍內(nèi)4 評估模塊接口以降低復(fù)雜度和冗余，并提高一致性5 定義功

15、能可以預(yù)測的模塊，但避免對模塊過分限制6 通過避免“病態(tài)連接”力爭“受控入口”的模塊面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的Jackson方法文件記錄數(shù)據(jù)項(xiàng)1數(shù)據(jù)項(xiàng)2數(shù)據(jù)項(xiàng)3處理文件處理記錄處理項(xiàng)1處理項(xiàng)2處理項(xiàng)3可靠性安全性設(shè)計(jì)n應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的可靠性要求，按照可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則開展設(shè)計(jì)工作，并在必要時，進(jìn)行容錯、避錯等專門的可靠性設(shè)計(jì)工作。要特別注意對軟件出錯處理的設(shè)計(jì)工作，不僅要設(shè)計(jì)對硬件等軟件外系統(tǒng)出錯時的處理，而且還要在假定最終軟件產(chǎn)品必定還會有錯的情況下，進(jìn)行軟件出錯的處理設(shè)計(jì)n在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮系統(tǒng)對軟件的安全性需求，進(jìn)行安全性分析，確定安全性關(guān)鍵的軟件部件，采取相應(yīng)的安全性設(shè)計(jì)措施。接口設(shè)計(jì)n設(shè)計(jì)軟件模

16、塊間的接口n設(shè)計(jì)模塊和其它非人的信息生產(chǎn)者和消費(fèi)者的接口n設(shè)計(jì)人（用戶）和計(jì)算機(jī)之間的接口（人機(jī)界面）過程設(shè)計(jì)n單獨(dú)考慮每個模塊n確定模塊內(nèi)部的詳細(xì)執(zhí)行過程，包括局部數(shù)據(jù)組織、控制流、每一步具體處理要求和各種實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)等n目的是確定應(yīng)該怎樣來具體實(shí)現(xiàn)所要求的系統(tǒng)基本的控制結(jié)構(gòu)流程圖控制流加工步驟邏輯條件NS圖(Nassi-Shneiderman1973)任務(wù)1任務(wù)2任務(wù)3條件ELSETHEN條件=1=2=NA1A2A3A4循環(huán)條件循環(huán)體循環(huán)條件循環(huán)體IF_THEN_ELSECASEDO_WHILEDO_UNTILPAD(Problem Analysis Diagram 1973)ABAB條件WH

17、ILEAUNTILAA1AnA2條件A3決策表決策表n矩陣的每一列均可以看成一條在什么條件下進(jìn)行什么操作的處理規(guī)則n決策表按下列步驟制定：1）列出與一個具體過程有關(guān)的全部操作。2）列出該過程執(zhí)行期間的所有條件或作出的判定3）找出每個可能的組合，將各組特定的條件與特定操作相結(jié)合，并消去那些不可能發(fā)生的條件組合。4）規(guī)定處理規(guī)則，即指出在什么樣的一組條件下將采取什么樣的操作。對滿足某些條件組合下應(yīng)做的操作，在相應(yīng)位置上標(biāo)以“”號。所有條件所有條件組合所有處理與條件組合相應(yīng)的處理決策表（Decision Table）123456789國內(nèi)旅客TTTTFFFF頭等艙TFTFTFTF殘疾旅客FFTTFF

18、TT行李重量30TFFFFFFFF免費(fèi)（W-30）2（W-30）3（W-30）4（W-30）5（W-30）8（W-30）10決策樹行李費(fèi)計(jì)算行李重量30行李重量30國內(nèi)旅客國內(nèi)旅客國內(nèi)旅客外籍旅客國內(nèi)旅客外籍旅客殘疾旅客（W-30）2正常旅客（W-30）4殘疾旅客（W-30）3正常旅客（W-30）6殘疾旅客（W-30）4正常旅客（W-30）8殘疾旅客（W-30）5正常旅客（W-30）10一律免費(fèi)PDL(Program Design Language)n順序n條件：IF/THEN/ELSE/ENDIFn循環(huán)：DO WHILE/ENDDOn循環(huán)：REPEAT UNTIL/ENDREPEATn分支：CASE_OF/WHEN/SELECT/WHEN/SELECT/ENDCASE過程設(shè)計(jì)工具比較流程圖圖圖語言決策表（樹）容易使用好好好很好尚好邏輯表示尚好好好好很好易編碼尚好好好很好好易維護(hù)不好不好尚好好好自動處理不好不好尚好很好很好結(jié)構(gòu)化構(gòu)造不好很好好好不適用數(shù)據(jù)表示不好不好不好好不好塊結(jié)構(gòu)不好好尚好好不適用邏輯驗(yàn)證不好尚好尚好尚好很好使用頻率高低低中等低軟件