GIS軟件工程的總體設(shè)計-

1第五章GIS系統(tǒng)總體設(shè)計第一節(jié)總體設(shè)計的基本理論第二節(jié)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計第三節(jié)空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計第四節(jié)GIS應(yīng)用分析模型設(shè)計第五節(jié)GIS用戶界面設(shè)計第六節(jié)系統(tǒng)總體設(shè)計報告GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第1頁。2從技術(shù)和管理的角度看設(shè)計的關(guān)系一、系統(tǒng)設(shè)計概述

系統(tǒng)設(shè)計是一個把系統(tǒng)需求變換成軟件表示的過程。最初這種表示只是描繪出系統(tǒng)的總的框架，然后進一步細化，在此框架中填入細節(jié)，把它加工成在程序細節(jié)上非常接近于源程序的軟件表示。第一節(jié)總體設(shè)計的基本理論GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第2頁。3兩類軟件工程的簡單比較GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第3頁。4翻譯分析模型到軟件設(shè)計THEANALYSISMODELproceduraldesigninterfacedesignarchitecturaldesigndatadesignTHEDESIGNMODELDataobjectdescriptionProcessspecificationControlspecificationE-RDFDSTDDDGIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第4頁。5翻譯分析模型到軟件設(shè)計數(shù)據(jù)設(shè)計將分析時創(chuàng)建的信息域模型變換為軟件所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，側(cè)重于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計定義軟件系統(tǒng)各主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的關(guān)系。過程設(shè)計則是把結(jié)構(gòu)構(gòu)件轉(zhuǎn)換成軟件的過程性描述。在編碼步驟，根據(jù)這種過程性描述，生成源程序代碼，然后通過測試最終得到完整有效的軟件。接口設(shè)計是建立軟件內(nèi)部的關(guān)系以及軟件人－機之間的交互機制。GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第5頁。6軟件設(shè)計的重要性

軟件設(shè)計是后續(xù)開發(fā)步驟及軟件維護工作的基礎(chǔ)。如果沒有設(shè)計，只能建立一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第6頁。7二、總體設(shè)計的任務(wù)GIS總體設(shè)計階段的主要任務(wù)是將系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)設(shè)計：把分析階段所建立的信息域模型變換成軟件實現(xiàn)中所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計：則是把系統(tǒng)的功能需求分配給軟件結(jié)構(gòu)，形成軟件的模塊結(jié)構(gòu)圖、并設(shè)計模塊之間的接口關(guān)系?？傮w設(shè)計從回答“做什么”到回答“怎樣做”；GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第7頁。8模塊指的是具有輸入和輸出、邏輯功能、運行程序、內(nèi)部數(shù)據(jù)四種屬性的一組程序語句。除了上述四個主要屬性外，模塊還有其他的屬性。例如，它有一個名稱，可以使用別的模塊，也可以被別的模塊使用，即“調(diào)用”和“被調(diào)用”。模塊：GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第8頁。9軟件結(jié)構(gòu)：即由模塊組成的層次系統(tǒng)；應(yīng)該把模塊組織成良好的層次系統(tǒng)，頂層模塊調(diào)用它的下層模塊以實現(xiàn)程序的完整功能，每個下層模塊再調(diào)用更下層的模塊，從而完成程序的一個子功能，最下層的模塊完成最具體的功能。模塊（續(xù)）：GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第9頁。10三、總體設(shè)計的方法

由問題結(jié)構(gòu)導(dǎo)出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即問題結(jié)構(gòu)到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的映射。通過自頂向下分解和層次組織的方法來簡化系統(tǒng)，產(chǎn)生模塊結(jié)構(gòu)。運用一系列的圖表工具。提供一系列的系統(tǒng)設(shè)計策略。提供一組評價系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量的準則。GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第10頁。11

模塊化就是把程序劃分成獨立命名且可獨立訪問的模塊，每個模塊完成一個子功能，把這些模塊集成起來構(gòu)成一個整體，可以完成指定的功能滿足用戶的需求。1.模塊化（Modularity）四、設(shè)計基本原理GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第11頁。12模塊化論據(jù)：C(x)定義為問題x的感知復(fù)雜性E(x)定義為解決問題x所需要的工作量對p1和p2兩個問題，若C(p1)>C(p2)，則E(p1)>E(p2)C(p1+p2)>C(p1)+C(p2)E(p1+p2)>E(p1)+E(p2)

這個不等式“各個擊破”的結(jié)論——把復(fù)雜的問題分解成許多容易解決的小問題，原來的問題也就容易解決了。這就是模塊化的根據(jù)。GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第12頁。13如何確定最小成本區(qū)？成本成本/模塊最小成本區(qū)接口成本軟件總成本模塊數(shù)目模塊化和軟件成本：不要過度模塊化！每個模塊的簡單性將被集成的復(fù)雜性所掩蓋。每個程序都相應(yīng)地有一個最適當?shù)哪K數(shù)目M，使得系統(tǒng)的開發(fā)成本最小。GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第13頁。14

模塊化的優(yōu)點：使軟件結(jié)構(gòu)清晰；使軟件容易測試和調(diào)試，因而有助于提高軟件的可靠性；模塊化能夠提高軟件的可修改性；提高程序編寫的可分解性；GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第14頁。15抽象是抽出事物的本質(zhì)特性而暫時不考慮它們的細節(jié)。隨著軟件規(guī)模的不斷增大，設(shè)計的復(fù)雜性也不斷增大，抽象便成了控制復(fù)雜性的基本策略之一；軟件工程過程的每一步都是對軟件解法的抽象層次的一次精化；軟件設(shè)計其實就是在不同抽象級別考慮和處理問題的過程。在由高級抽象到低級抽象的轉(zhuǎn)換過程中，要進行一連串的過程抽象和數(shù)據(jù)抽象。2.抽象（abstraction）GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第15頁。16過程抽象：把完成一個特定功能的動作序列抽象為一個過程名和參數(shù)表；數(shù)據(jù)抽象：數(shù)據(jù)抽象把一個數(shù)據(jù)對象的定義抽象為一個數(shù)據(jù)類型名。用此類型名可以定義多個具有相同性質(zhì)的數(shù)據(jù)對象。過程抽象與數(shù)據(jù)抽象：GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第16頁。171971年，N.Wirth發(fā)表了“用逐步細化的方法開發(fā)程序”的文章，強調(diào)程序設(shè)計是一個“漸進”的過程。抽象與細化是互補的概念。細化實際是一個詳細描述的過程。細化的實質(zhì)就是分解。在逐步細化中，特別強調(diào)這種分解的“逐步”性質(zhì)，這樣，在相鄰兩步之間就只有微小的變化，不難驗證它們的內(nèi)容是否等效。3.細化（Refinement）GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第17頁。18信息隱藏是把系統(tǒng)分解為模塊時應(yīng)遵守的指導(dǎo)思想。模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)與過程，應(yīng)該對不需要了解這些數(shù)據(jù)與過程的模塊隱藏起來；這一指導(dǎo)思想的目的，是為了提高模塊的獨立性；4.信息隱藏(InformationHiding)GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第18頁。19為什么模塊的獨立性很重要呢？第一，有效的模塊化的軟件比較容易開發(fā)出來。第二，獨立的模塊比較容易測試和維護。5.模塊獨立性GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第19頁。20

模塊獨立性的度量標準：

內(nèi)聚（cohesion）和耦合（coupling）耦合衡量不同模塊彼此間互相依賴（連接）的緊密程度；內(nèi)聚衡量一個模塊內(nèi)部各個元素彼此結(jié)合的緊密程度。GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第20頁。21簡單地說，理想內(nèi)聚的模塊只做一件事情；內(nèi)聚級別：偶然內(nèi)聚邏輯內(nèi)聚時間內(nèi)聚過程內(nèi)聚通信內(nèi)聚順序內(nèi)聚功能內(nèi)聚設(shè)計時應(yīng)該力求做到高內(nèi)聚；最差最好（1）內(nèi)聚cohesionGIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第21頁。22A.低內(nèi)聚偶然內(nèi)聚(Coincidentalcohesion):Unrelatedfunctions,processes,ordataarefoundinthesamemodule.例：readdiskfile;calculatecurrentvalues;produceuseroutput;…嚴重的缺點：產(chǎn)品的可維護性退化；模塊是不可復(fù)用的，增加軟件成本。解決途徑：將模塊分成更小的模塊，每個小模塊執(zhí)行一個操作。GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第22頁。23A.低內(nèi)聚邏輯內(nèi)聚（Logicalcohesion）：

Logicallyrelatedfunctionsordataareplacedinthesamemodule.

例：問題：接口難于理解；完成多個操作的代碼互相糾纏在一起，導(dǎo)致嚴重的維護問題。A:ReadinputsfromdiskfromtapefromkeyboardGIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第23頁。24A.低內(nèi)聚時間內(nèi)聚(Temporalcohesion):Thefunctionsarerelatedonlybythetiminginvolved.

例如：系統(tǒng)的初始化

openoldmasterfile;newmasterfile,transactionfileandprintfile;initializesalesregiontable;readfirsttransactionrecordandfirstoldmaster

……GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第24頁。25B.中內(nèi)聚過程性內(nèi)聚(Proceduralcohesion):Functionsaregroupedtogetherinamoduletoensureacertainorderofperformance.

例子：Readpartnumberfromdatabaseandupdaterepairrecordonmaintenancefile.GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第25頁。26B.中內(nèi)聚通信內(nèi)聚（Communicationalcohesion）：

Allthefunctionsinamoduleoperateonorproducethesamedataset.這類模塊的標志是，模塊內(nèi)部的各個成分都使用同一種輸入數(shù)據(jù)，或者產(chǎn)生同一個輸出數(shù)據(jù)。它們靠用公用數(shù)據(jù)而聯(lián)系在一起，故稱為通信性內(nèi)聚。GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第26頁。27C.高內(nèi)聚順序內(nèi)聚(Sequentialcohesion)：Theoutputfromonepartofamoduleistheinputtothenextpart.顧名思義，這類模塊中的各組成部分是順序執(zhí)行的，在通常情況下，上一個處理框的輸出就是下一個處理框的輸入。GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第27頁。28C.高內(nèi)聚

功能內(nèi)聚(Functionalcohesion)：Everyprocessingelementisessentialtotheperformanceofasinglefunction.原則：在實際工作中，確定內(nèi)聚的精確級別是不必要的，重要的是力爭高內(nèi)聚和識別低內(nèi)聚，可以使得設(shè)計的軟件具有較高的功能獨立性。GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第28頁。29耦合是度量系統(tǒng)中模塊之間的交互程度。Goal:aslooseaspossible=asindependentaspossible耦合從低到高依次為：非直接耦合，數(shù)據(jù)耦合，標記耦合，控制耦合，外部耦合，公共耦合和內(nèi)容耦合。GreatdealofdependenceIndependent

HighlycoupledLooselycoupledUncoupled（2）耦合GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第29頁。30非直接耦合nodirectcoupling

兩個模塊之間沒有聯(lián)系，則它們之間為非直接耦合。數(shù)據(jù)耦合datacoupling模塊之間交換的是簡單變量，便構(gòu)成數(shù)據(jù)耦合；特征耦合stampcoupling模塊之間交換的是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便構(gòu)成特征耦合；Themostdesirable.A.弱耦合GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第30頁。31弱耦合示例圖GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第31頁。32房租水電=房租+用水量+用電量GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第32頁。33控制耦合controlcoupling

如果兩個模塊中的一個模塊給另一個模塊傳遞控制信息，則它們具有控制耦合。ABFlagF2F1Fn…………Flag特點：接口單一，但仍然影響被控模塊的內(nèi)部邏輯。B.中耦合GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第33頁。34外部耦合externalcoupling

若允許一組模塊訪問同一個全局變量，可稱它們?yōu)橥獠狂詈?；C.較強耦合公共耦合commoncoupling

若允許一組模塊訪問同一個全局性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，則稱之為公共耦合。GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第34頁。35公共耦合示意圖GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第35頁。36D.強耦合內(nèi)容耦合contentcoupling

如果一個模塊可以直接調(diào)用另一個模塊中的數(shù)據(jù)，或者允許一個模塊直接轉(zhuǎn)移到另一個模塊中去，就稱它們間的耦合為內(nèi)容耦合?！瑼BCDA:……………………gotoC1……………………C:……………………C1:…………例1：A訪問C的內(nèi)部數(shù)據(jù)或不通過正常入口而轉(zhuǎn)入C的內(nèi)部。GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第36頁。37原則：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，完全不用內(nèi)容耦合。GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第37頁。382.模塊規(guī)模適中模塊過大，分解不充分不易理解；模塊太小，則開銷過大、接口復(fù)雜；1.改進軟件結(jié)構(gòu)提高模塊獨立性爭取低耦合、高內(nèi)聚；五、啟發(fā)式規(guī)則GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第38頁。393.深度、寬度、扇入、扇出都要適當控制

（1）深度=分層的層數(shù)。過大表示分工過細。（2）寬度=同一層上模塊數(shù)的最大值。過大表示系統(tǒng)復(fù)雜度大。GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第39頁。40（3）扇出=一個模塊直接調(diào)用\控制的模塊數(shù)

3fan-out9AA的扇出

如果一個模塊的扇出數(shù)過大，就意味著該模塊過分復(fù)雜，需要協(xié)調(diào)和控制過多的下屬模塊，應(yīng)當適當增加中間層次的控制模塊；扇出太小時可以把下級模塊進一步分解成若干個子功能模塊，或者合并到它的上級模塊中去；GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第40頁。41AA的扇入

（4）扇入=直接調(diào)用該模塊的模塊數(shù)在不破壞模塊獨立性的前提下，fan-in大的比較好；GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第41頁。42

一般來說，頂層扇出高，中間扇出少，低層高扇入。盡可能減少高扇出結(jié)構(gòu)，隨著深度增大扇入。GIS軟件工程的總體設(shè)計-全文共49頁，當前為第42頁。43作用域是指該模塊中一個判斷所影響的所有其它模塊；控制域指該模塊本身以及所有直接或間接從屬于它的模塊；4.模塊的作用范圍保持在該模塊的控制范圍內(nèi)

在一個設(shè)計得很好的系統(tǒng)中，所有受判定影響的模塊應(yīng)該都從屬于做出判定的那個模塊，最好局限于做出