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1、軟件工程方法與實踐（機械工業(yè)出版社）,高等院校計算機課程案例教程系列,竇萬峰 編著,主講：李淑芝 13507077576 L,主講：曾婕 13767792699 ,1.現(xiàn)代軟件工程(國家示范性軟件學(xué)院系列教材) 張家浩/東南大學(xué) 機械工業(yè)出版社 2009.1 2.軟件工程 理論與實踐 許家珆 曾翎 彭德中 編著 高等教育出版社 2004.7 3.軟件工程-實踐者的研究方法 （美）Roger S. Pressman著 鄭人杰等譯 機械工業(yè)出版社 2008.6 4.Software Engineering, 6th Edition Sommerville.I. (影印版) 機械工業(yè)出版社 2003

2、.4,主要參考書：,總 目 錄,第1章 軟件工程學(xué)概述（2學(xué)時） 第2章 軟件過程（2學(xué)時） 第3章 軟件過程模型（4學(xué)時） 第4章 案例研究（2學(xué)時） 第5章 軟件需求分析過程（4學(xué)時） 第6章 結(jié)構(gòu)化分析建模（4學(xué)時） 第7章 面向?qū)ο蠓治觯?學(xué)時） 第8章 軟件設(shè)計（4學(xué)時） 第9章 結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法（4學(xué)時）,總 目 錄,第10章 面向?qū)ο笤O(shè)計（4學(xué)時） 第11章 軟件實現(xiàn)（2學(xué)時） 第12章 軟件測試（4學(xué)時） 第13章 軟件維護（2學(xué)時） 第14章 軟件項目管理（2學(xué)時） 第15章 軟件項目估算（1學(xué)時） 第16章 軟件項目計劃與管理（1學(xué)時）,第8章 軟件設(shè)計,8.1 軟件設(shè)計概述

3、 8.2 軟件模塊化設(shè)計 8.3 軟件結(jié)構(gòu) 8.4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 8.5 體系結(jié)構(gòu)模式 8.6 習(xí)題,引言： 我們前面已經(jīng)學(xué)習(xí)了軟件從問題定義到可行性分析，到需求分析，一步步明確軟件問題，用戶的需求，但那都是軟件的需求，而不是軟件（也可以說是從用戶角度描述，而不是從軟件開發(fā)人員角度描述問題），我們這一章就是要將我們的計算機軟件需求變?yōu)檐浖硎荆敲词裁词擒浖硎?？怎樣用軟件表示我們的問題？如何實現(xiàn)這一變換？這是我們這一部份要解決的主要問題。,8.1 軟件設(shè)計概述,軟件設(shè)計階段的基本目標是構(gòu)造系統(tǒng)“怎么做”的模型描述，它是整個軟件開發(fā)過程的核心問題 開發(fā)工作根據(jù)設(shè)計的方案進行，軟件的總體設(shè)計

4、決定了系統(tǒng)的質(zhì)量 “設(shè)計先于編碼”，這是軟件工程“推遲實現(xiàn)”基本原則 軟件系統(tǒng)設(shè)計是把軟件需求“變換”為用于構(gòu)造軟件的藍圖 “輸入”是需求分析各種模型元素 “輸出”是軟件設(shè)計模型和表示 軟件設(shè)計的目標是對將要實現(xiàn)的軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、系統(tǒng)模塊間的接口，以及所采用的算法給出詳盡的描述,總體 設(shè)計,復(fù)審,修 改,詳細 設(shè)計,模塊描述,復(fù)審,修 改,軟件設(shè)計工作流程,從工程管理的角度看，軟件設(shè)計分兩步完成：總體設(shè)計（概要設(shè)計）和詳細設(shè)計兩個階段。 首先做概要設(shè)計(軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計），將軟件需求轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 然后是詳細設(shè)計，即過程設(shè)計。通過對結(jié)構(gòu)表示進行細化，得到軟件詳細的

5、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。,通過軟件設(shè)計階段的工作將劃分出組成系統(tǒng)的物理元素： 程序 文件 數(shù)據(jù)庫 人工過程 文檔等 但是每個物理元素仍然處于黑盒子級，這些黑盒子里的具體內(nèi)容將在以后詳細設(shè)計。 總體設(shè)計階段的另一項重要任務(wù)是設(shè)計軟件的結(jié)構(gòu)，也就是要確定系統(tǒng)中每個程序是由哪些模塊組成的，以及這些模塊相互間的關(guān)系。,設(shè)計過程的一般模型,設(shè)計活動,設(shè)計產(chǎn)品,軟件 設(shè)計,編碼,軟件 測試,開發(fā)階段信息流,總體設(shè)計通常由兩個主要階段組成： (1)系統(tǒng)設(shè)計階段：確定系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方案； (2)結(jié)構(gòu)設(shè)計階段：確定軟件結(jié)構(gòu)。 典型的總體設(shè)計過程包括下述9個步驟： 1. 設(shè)計供選擇的方案 需求分析階段得出的數(shù)據(jù)流圖是總體

6、設(shè)計的極好的出發(fā)點。 一旦選出了邊界劃分(分組)最佳的方案，將能大大提高系統(tǒng)的性能/價格比。,2. 選取合理的方案 通常至少選取低成本、中等成本和高成本的三種方案。 在判斷哪些方案合理時應(yīng)該考慮在問題定義和可行性研究階段確定的工程規(guī)模和目標，有時可能還需要進一步征求用戶的意見。 對每個合理的方案分析員都應(yīng)該準備下列4份資料： (1) 系統(tǒng)流程圖； (2) 組成系統(tǒng)的物理元素清單； (3) 成本/效益分析； (4) 實現(xiàn)這個系統(tǒng)的進度計劃。,3. 推薦最佳方案 分析員綜合分析對比各種合理方案的利弊，推薦一個最佳的方案。 用工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為推薦的方案制定詳細的實現(xiàn)計劃。 用戶和有關(guān)的技術(shù)專家認真審查

7、分析員所推薦的最佳系統(tǒng)，如果該系統(tǒng)確實符合用戶的需要，并且是在現(xiàn)有條件下完全能夠?qū)崿F(xiàn)的，則應(yīng)該提請使用部門負責(zé)人進一步審批。 在使用部門的負責(zé)人也接受了分析員所推薦的方案之后，將進入總體設(shè)計過程的下一個重要階段結(jié)構(gòu)設(shè)計。,4. 功能分解 為了最終實現(xiàn)目標系統(tǒng)，必須設(shè)計出組成這個系統(tǒng)的所有程序和文件(或數(shù)據(jù)庫)。 對程序(特別是復(fù)雜的大型程序)的設(shè)計，通常分為兩個階段完成： （1）結(jié)構(gòu)設(shè)計：確定程序由哪些模塊組成，以及這些模塊之間的關(guān)系； （2）過程設(shè)計：確定每個模塊的處理過程，這是詳細設(shè)計階段的任務(wù)。,為確定軟件結(jié)構(gòu)，首先需要從實現(xiàn)角度把復(fù)雜的功能進一步分解。 分析員結(jié)合算法描述仔細分析數(shù)據(jù)流

8、圖中的每個處理，如果一個處理的功能過分復(fù)雜，必須把它的功能適當(dāng)?shù)胤纸獬梢幌盗斜容^簡單的功能。 一般說來，經(jīng)過分解之后應(yīng)該使每個功能對大多數(shù)程序員而言都是明顯易懂的。 功能分解導(dǎo)致數(shù)據(jù)流圖的進一步細化，同時還應(yīng)該用IPO圖或其他適當(dāng)?shù)墓ぞ吆喴枋黾毣竺總€處理的算法。,5. 設(shè)計軟件結(jié)構(gòu) 通常程序中的一個模塊完成一個適當(dāng)?shù)淖庸δ堋?軟件結(jié)構(gòu)(即由模塊組成的層次系統(tǒng)) 表示軟件系統(tǒng)的構(gòu)成，是軟件模塊間關(guān)系的表示，可以用層次圖或結(jié)構(gòu)圖來描繪。 如果數(shù)據(jù)流圖已經(jīng)細化到適當(dāng)?shù)膶哟?，則可以直接從數(shù)據(jù)流圖映射出軟件結(jié)構(gòu)，這就是面向數(shù)據(jù)流的設(shè)計方法。,軟件結(jié)構(gòu)圖,6. 設(shè)計數(shù)據(jù)庫（確定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)） 對于需

9、要使用數(shù)據(jù)庫的那些應(yīng)用系統(tǒng)，軟件工程師應(yīng)該在需求分析階段所確定的系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求的基礎(chǔ)上，進一步設(shè)計數(shù)據(jù)庫。 7. 設(shè)計用戶界面 作為人機接口的用戶界面起著越來越重要的作用，它直接影響到軟件的可用性及使用壽命。 8. 制定軟件設(shè)計測試計劃 在軟件開發(fā)的早期階段考慮測試問題，能促使軟件設(shè)計人員在設(shè)計時注意提高軟件的可測試性。,9. 書寫文檔 在這個階段應(yīng)該完成的文檔通常有下述幾種： (1) 系統(tǒng)說明主要內(nèi)容：系統(tǒng)流程圖描繪的系統(tǒng)構(gòu)成方案，物理元素清單，成本/效益分析，精化的數(shù)據(jù)流圖，用層次圖或結(jié)構(gòu)圖描繪的軟件結(jié)構(gòu)，用IPO圖或其他工具簡要描述的各個模塊的算法，模塊間的接口關(guān)系等。 (2) 用戶手冊：

10、根據(jù)總體設(shè)計階段的結(jié)果，修改更正在需求分析階段產(chǎn)生的初步的用戶手冊。 (3) 測試計劃：測試策略，測試方案，預(yù)期的測試結(jié)果，測試進度計劃等。 (4) 詳細的實現(xiàn)計劃。 (5) 數(shù)據(jù)庫設(shè)計結(jié)果。,10. 審查和復(fù)審 最后對總體設(shè)計的結(jié)果進行嚴格的技術(shù)審查，在技術(shù)審查通過之后再由使用部門的負責(zé)人從管理角度進行復(fù)審。,軟件設(shè)計質(zhì)量原則,設(shè)計過程不應(yīng)該受“隧道視野”的限制 設(shè)計對于分析模型應(yīng)該是可跟蹤的 設(shè)計不應(yīng)該從頭做起 設(shè)計應(yīng)該縮短軟件和現(xiàn)實問題的“智力距離” 設(shè)計應(yīng)該表現(xiàn)出一致性和集成性 設(shè)計應(yīng)該能夠適應(yīng)修改 設(shè)計不是編碼 在創(chuàng)建設(shè)計時，就應(yīng)該考慮能夠評估其質(zhì)量 應(yīng)該復(fù)審每一步設(shè)計，以減少語義性

11、錯誤,概要設(shè)計說明書,詳細設(shè)計說明書,8.2 軟件模塊化設(shè)計,有人說，模塊化是為了使一個復(fù)雜的大型程序能被人的智力所管理，軟件應(yīng)該具備的惟一屬性。,模塊是一個獨立命名的，擁有明確定義的輸入、輸出和特性的程序?qū)嶓w。 把一個大型軟件系統(tǒng)的全部功能，按照一定的原則合理地劃分為若干個模塊，每個模塊完成一個特定子功能，所有的這些模塊以某種結(jié)構(gòu)形式組成一個整體，這就是軟件的模塊化設(shè)計（Modular Design）。 軟件模塊化設(shè)計可以簡化軟件的設(shè)計和實現(xiàn)，提高軟件的可理解性和可測試性，并使軟件更容易得到維護。 分解、抽象、逐步求精、信息隱蔽和模塊獨立性，是軟件模塊化設(shè)計的指導(dǎo)思想。,模塊（構(gòu)件）是程序?qū)?/p>

12、象有名字的集合。例如，過程、函數(shù)、子程序、宏等，是構(gòu)成軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本元素。 面向?qū)ο蠓椒▽W(xué)中的對象是模塊，對象內(nèi)的方法（服務(wù)）也是模塊。模塊是構(gòu)成程序的基本構(gòu)件。 模塊化就是將系統(tǒng)劃分為若干個模塊，每個模塊完成一個子功能。 模塊化的目的是將系統(tǒng)“分而治之”，模塊化能夠降低問題的復(fù)雜性，使軟件結(jié)構(gòu)清晰，易閱讀、易理解，易于測試和調(diào)試，因而也有助于提高軟件的可靠性。,令：C（X）表示問題 X 的復(fù)雜度函數(shù)， E（X）表示解決問題 X 所需工作量的復(fù)雜度函數(shù)； 若：有問題 P1，P2 ， C（P1） C（P2）； 顯然：E（P1） E（P2） 由經(jīng)驗：C（P1+P2） C（P1）+ C（P2）

13、于是：E（P1+P2） E（P1）+ E（P2） 將問題（P1+P2）劃分為兩個問題P1和P2后，其工作量和復(fù)雜度都降低。,結(jié)論：并非模塊分得越小越好，因為模塊之間接口的復(fù)雜度和工作量會增加。顯然，每個軟件系統(tǒng)都有一個最佳模塊數(shù)M，注意選擇分解的最佳模塊數(shù)。,模塊化降低軟件復(fù)雜度的簡單證明：,采用模塊化原理可以使軟件結(jié)構(gòu)清晰，不僅容易設(shè)計也容易閱讀和理解。 因為程序錯誤通常局限在有關(guān)的模塊及它們之間的接口中，所以模塊化使軟件容易測試和調(diào)試，因而有助于提高軟件的可靠性。 因為變動往往只涉及少數(shù)幾個模塊，所以模塊化能夠提高軟件的可修改性。 模塊化的主要優(yōu)點是：模塊化設(shè)計降低了軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得

14、系統(tǒng)容易修改，同時使得系統(tǒng)各個部分可以并行開發(fā)，從而提高了軟件的生產(chǎn)率。,人類在認識復(fù)雜現(xiàn)象的過程中使用的最強有力的思維工具是抽象。 人們在實踐中認識到，在現(xiàn)實世界中一定事物、狀態(tài)或過程之間總存在著某些相似的方面(共性)。 把這些相似的方面集中和概括起來，暫時忽略它們之間的差異，這就是抽象。 或者說抽象就是抽出事物的本質(zhì)特性而暫時不考慮它們的細節(jié)。,抽象,處理復(fù)雜系統(tǒng)的惟一有效的方法是用層次的方式構(gòu)造和分析它。 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： 在可行性研究階段，軟件作為系統(tǒng)的一個完整部件； 在需求分析期間，軟件解法是使用在問題環(huán)境內(nèi)熟悉的方式描述的； 當(dāng)由總體設(shè)計向詳

15、細設(shè)計過渡時，抽象的程度也就隨之減少了； 最后，當(dāng)源程序?qū)懗鰜硪院?，也就達到了抽象的最低層。,軟件體系結(jié)構(gòu),軟件體系結(jié)構(gòu)是指軟件的整體結(jié)構(gòu)和這種結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)提供概念上完整性的方式。 體系結(jié)構(gòu)可以是程序構(gòu)件或模塊的結(jié)構(gòu)或組織，這些構(gòu)件或模塊交互的形式以及這些構(gòu)件所用數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計可以使用大量的模型來表達。,信息隱藏原理指出：應(yīng)該這樣設(shè)計和確定模塊，使得一個模塊內(nèi)包含的信息(過程和數(shù)據(jù))對于不需要這些信息的模塊來說，是不能訪問的。 實際上，應(yīng)該隱藏的不是有關(guān)模塊的一切信息，而是模塊的實現(xiàn)細節(jié)。 獨立的構(gòu)件或模塊之間的“接口”簡單而清晰。 所謂局部化是指把一些關(guān)系密切的軟件元素物理地放得彼

16、此靠近。 在模塊中使用局部數(shù)據(jù)元素是局部化的一個例子。 顯然，局部化有助于實現(xiàn)信息隱藏。,信息隱藏和局部化,模塊獨立的概念是模塊化、抽象、信息隱藏和局部化概念的直接結(jié)果。 希望這樣設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)，使得每個模塊完成一個相對獨立的特定子功能，并且和其他模塊之間的關(guān)系很簡單。 模塊的獨立性很重要，主要有兩條理由： 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。 總之，模塊獨立是好設(shè)計的關(guān)鍵，而設(shè)計又是決定軟件質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。,模塊獨立,模塊獨立性的度量標準是兩個定性準則： （1）耦合性：描述模塊之間聯(lián)系的緊密程度； （2）內(nèi)聚性：描述模塊內(nèi)部聯(lián)系的緊密程度。 模塊獨立

17、性比較強的模塊應(yīng)該具有高內(nèi)聚性和低耦合度。 模塊獨立性愈高，則塊內(nèi)聯(lián)系越強，塊間聯(lián)系越弱。,低,高,弱,強,耦合性,模塊獨立性,1. 耦合 耦合是對一個軟件結(jié)構(gòu)內(nèi)不同模塊之間互連程度的度量。 耦合強弱取決于模塊間接口的復(fù)雜程度，進入或訪問一個模塊的點，以及通過接口的數(shù)據(jù)。 模塊間的耦合程度強烈影響系統(tǒng)的可理解性、可測試性、可靠性和可維護性。,（1）數(shù)據(jù)耦合：兩個模塊彼此間通過參數(shù)交換信息，而且交換的信息僅僅是數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)中至少必須存在數(shù)據(jù)耦合，只有當(dāng)某些模塊的輸出數(shù)據(jù)作為另一些模塊的輸入數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)才能完成有價值的功能。 （2）控制耦合：一個模塊通過傳送開關(guān)、標志、名字等控制信息，明顯地控制選

18、擇另一模塊的功能。,控制耦合是中等程度的耦合，它增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度?？刂岂詈显诎涯K適當(dāng)分解之后通?？梢杂脭?shù)據(jù)耦合代替它。,（3）特征耦合：被調(diào)用的模塊需要使用作為參數(shù)傳遞進來的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的一部分數(shù)據(jù)元素時，就出現(xiàn)了特征耦合。 （4）公共耦合：當(dāng)兩個或多個模塊通過一個公共數(shù)據(jù)環(huán)境相互作用時，它們之間的耦合稱為公共環(huán)境耦合。 公共環(huán)境可以是全程變量、共享的通信區(qū)、內(nèi)存的公共覆蓋區(qū)、任何存儲介質(zhì)上的文件、物理設(shè)備等。 如果兩個模塊共享的數(shù)據(jù)很多，都通過參數(shù)傳遞可能很不方便，這時可以利用公共環(huán)境耦合。,（5）內(nèi)容耦合：是最高程度的耦合。 有如下表現(xiàn)：,a. 一個模塊直接訪問另一模塊的內(nèi)部數(shù)據(jù)。 b

19、.一個模塊不通過正常入口轉(zhuǎn)到另一模塊的內(nèi)部。 c.一個模塊有多個入口。 d.兩個模塊有部分代碼重迭。,總之，耦合是影響軟件復(fù)雜程度的一個重要因素。 應(yīng)該采取下述設(shè)計原則： 盡量使用數(shù)據(jù)耦合，少用控制耦合和特征耦合，限制公共環(huán)境耦合的范圍，完全不用內(nèi)容耦合。,2. 內(nèi)聚 內(nèi)聚標志一個模塊內(nèi)各個元素彼此結(jié)合的緊密程度，它是信息隱藏和局部化概念的自然擴展。 簡單地說，理想內(nèi)聚的模塊只做一件事情。 設(shè)計時應(yīng)該力求做到高內(nèi)聚，中等程度的內(nèi)聚也可以采用，不要使用低內(nèi)聚。,低,高,強,弱,內(nèi)聚性,模塊獨立性,低內(nèi)聚有如下幾類： （1）偶然內(nèi)聚一個模塊完成一組任務(wù)，這些任務(wù)彼此間即使有關(guān)系，關(guān)系也是很松散的。

20、 有時在寫完一個程序之后，發(fā)現(xiàn)一組語句在兩處或多處出現(xiàn)，于是把這些語句作為一個模塊以節(jié)省內(nèi)存，這樣就出現(xiàn)了偶然內(nèi)聚的模塊。 （2）邏輯內(nèi)聚一個模塊完成的任務(wù)在邏輯上屬于相同或相似的一類。 （3）時間內(nèi)聚一個模塊包含的任務(wù)必須在同一段時間內(nèi)執(zhí)行。 例如：初始化系統(tǒng)模塊、系統(tǒng)結(jié)束模塊、緊急故障處理模塊 等均是時間性聚合模塊。,被調(diào)用模塊,中內(nèi)聚主要有兩類： （4）過程內(nèi)聚一個模塊內(nèi)的處理元素是相關(guān)的，而且必須以特定次序執(zhí)行。 （5）通信內(nèi)聚模塊中所有元素都使用同一個輸入數(shù)據(jù)和(或)產(chǎn)生同一個輸出數(shù)據(jù)。 高內(nèi)聚也有兩類： （6）順序內(nèi)聚一個模塊內(nèi)的處理元素和同一個功能密切相關(guān)，而且這些處理必須順序執(zhí)

21、行。 （7）功能內(nèi)聚模塊內(nèi)所有處理元素屬于一個整體，完成一個單一的功能。 功能內(nèi)聚是最高程度的內(nèi)聚。,逐步求精是人類解決復(fù)雜問題時采用的基本方法，也是許多軟件工程技術(shù)的基礎(chǔ)。 可以把逐步求精定義為：“為了能集中精力解決主要問題而盡量推遲對問題細節(jié)的考慮。” 逐步求精之所以如此重要，是因為人類的認知過程遵守Miller法則：一個人在任何時候都只能把注意力集中在（72）個知識塊上。 Miller法則是人類智力的基本局限，我們不可能戰(zhàn)勝自己的自然本性，只能接受這個事實，承認自身的局限性，并在這個前提下盡我們的最大努力工作。,逐步求精,逐步求精，或稱逐步細化，是一種自頂向下的設(shè)計策略。 抽象與求精是一

22、對互補的概念。 抽象使得設(shè)計者能夠說明過程和數(shù)據(jù)，同時卻忽略低層細節(jié)。 事實上，可以把抽象看作是一種通過忽略多余的細節(jié)同時強調(diào)有關(guān)的細節(jié)，而實現(xiàn)逐步求精的方法。 求精則幫助設(shè)計者在設(shè)計過程中逐步揭示出低層細節(jié)。 這兩個概念都有助于設(shè)計者在設(shè)計演化過程中創(chuàng)造出完整的設(shè)計模型。,逐步求精和模塊化的概念，與抽象是緊密相關(guān)的。 隨著軟件開發(fā)工程的進展，在軟件結(jié)構(gòu)每一層中的模塊，表示了對軟件抽象層次的一次精化： 事實上，軟件結(jié)構(gòu)頂層的模塊，控制了系統(tǒng)的主要功能并且影響全局； 在軟件結(jié)構(gòu)底層的模塊，完成對數(shù)據(jù)的一個具體處理，用自頂向下由抽象到具體的方式分配控制； 簡化了軟件的設(shè)計和實現(xiàn)，提高了軟件的可理解

23、性和可測試性，并且使軟件更容易維護。,重構(gòu),重構(gòu)是一種重新組織的技術(shù)，可以簡化構(gòu)件或模塊的設(shè)計或編碼而無需改變其功能或行為。 重構(gòu)是一種改進程序內(nèi)部結(jié)構(gòu)但不改變代碼或設(shè)計的外部行為。 “先使它轉(zhuǎn)起來，再使它快起來”。,8.3 軟件結(jié)構(gòu),軟件結(jié)構(gòu)圖（Structure Chart, 簡稱SC）是軟件系統(tǒng)的模塊層次結(jié)構(gòu)，反映了整個系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。 軟件結(jié)構(gòu)以層次表示程序的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即一種控制的層次體系，并不表示軟件的具體過程。 軟件結(jié)構(gòu)一般用樹狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的圖形來表示。,8.3 軟件結(jié)構(gòu),軟件結(jié)構(gòu)圖的主要元素有： 模塊：模塊用帶有名字的方框表示，名稱應(yīng)體現(xiàn)模塊的功能。 控制關(guān)系：控制關(guān)系用單向箭頭

24、或直線表示模塊間的調(diào)用關(guān)系。 信息傳遞：用帶注釋的短箭頭表示模塊調(diào)用過程中傳遞的信息。 循環(huán)調(diào)用和選擇調(diào)用：在上部模塊底部加一個菱形符號表示選擇調(diào)用，在上部模塊的下方家一個弧形箭頭，表示循環(huán)調(diào)用。,圖4-4結(jié)構(gòu)圖的基本定義,層次圖和HIPO圖 層次圖用來描繪軟件的層次結(jié)構(gòu)。雖然層次圖的形式和描繪數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層次方框圖相同，但是表現(xiàn)的內(nèi)容卻完全不同。 層次圖中的一個矩形框代表一個模塊，方框間的連線表示調(diào)用關(guān)系而不像層次方框圖那樣表示組成關(guān)系。,描繪軟件結(jié)構(gòu)的圖形工具,正文加工系統(tǒng)的層次圖,描繪軟件結(jié)構(gòu)的圖形工具,HIPO圖是美國IBM公司發(fā)明的“層次圖加輸入/處理/輸出圖”的英文縮寫。 為了能使H

25、IPO圖具有可追蹤性，在H圖(層次圖)里除了最頂層的方框之外，每個方框都加了編號。 編號規(guī)則和數(shù)據(jù)流圖的編號規(guī)則相同。 和H圖中每個方框相對應(yīng)，應(yīng)該有一張IPO圖描繪這個方框代表的模塊的處理過程。 HIPO圖中的每張IPO圖內(nèi)都應(yīng)該明顯地標出它所描繪的模塊在H圖中的編號，以便追蹤了解這個模塊在軟件結(jié)構(gòu)中的位置。,描繪軟件結(jié)構(gòu)的圖形工具,帶編號的層次圖(H圖),描繪軟件結(jié)構(gòu)的圖形工具,A,SC 圖中的主要內(nèi)容,1、模塊-在SC圖中用矩形框表示，并用名字來標記它,- 模塊調(diào)用關(guān)系,2、模塊的調(diào)用關(guān)系和接口,B,被調(diào)用模塊,調(diào)用模塊,A（查詢學(xué)生）,B（查找學(xué)生記錄）,數(shù)據(jù)信號,控制信號,學(xué) 號,查

26、找成功信號,- 模塊間接口的表示,描繪軟件結(jié)構(gòu)的圖形工具,例:畫出打印報告的軟件結(jié)構(gòu)圖,調(diào)用次序為上層調(diào)用下層； 同層按照數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系確定；一般從左到右執(zhí)行。 執(zhí)行過程即按照數(shù)據(jù)流向進行。,報 告,計 算,獲得編輯,確認數(shù)據(jù),讀入,編輯,打印報告頭,打印報告尾,打印,輸入 EOF,輸入,已編輯,已編輯,已編輯,已確認,已確認 數(shù)據(jù),已確認 數(shù)據(jù),計算結(jié)果,結(jié)果,日期,總結(jié)果,行,行,行,打印報告,予以確認,描繪軟件結(jié)構(gòu)的圖形工具,SC中還有一些附加的符號，可以表示模塊的選擇調(diào)用或循環(huán)調(diào)用。 注意：1.層次圖和結(jié)構(gòu)圖并不嚴格表示模塊的調(diào)用次序。 2.通常用層次圖作為描繪軟件結(jié)構(gòu)的文檔。 3.利用

27、IPO圖或數(shù)據(jù)字典中的信息得到模塊調(diào)用時傳遞的信息，由層次圖導(dǎo)出結(jié)構(gòu)圖的過程，作為檢查設(shè)計正確性和評價模塊獨立性的好方法。,判定為真時調(diào)用A， 為假時調(diào)用B,模塊M循環(huán)調(diào)用模塊A、B、C,描繪軟件結(jié)構(gòu)的圖形工具,軟件結(jié)構(gòu)圖的形態(tài)特征： 深度：指結(jié)構(gòu)圖控制的層次，也是模塊的層數(shù)。能粗略表示一個系統(tǒng)的大小和復(fù)雜程度，深度和程序長度之間存在著某種對應(yīng)關(guān)系。 寬度：指一層中最大的模塊個數(shù)。一般來說，結(jié)構(gòu)的寬度越大，則系統(tǒng)就越復(fù)雜。 扇出：指一個模塊直接下屬模塊的個數(shù)。扇出過大，表示模塊過分復(fù)雜，需要控制和協(xié)調(diào)的下級模塊太多。扇出的上限一般為 59，平均一般為3或4。 扇入：指一個模塊直接上屬模塊的個數(shù)

28、。扇入過大，意味著共享該模塊的上級模塊數(shù)目多，這有一定的益處，但是決不能違背模塊的獨立性原則而片面追求高扇入。,8.3 軟件結(jié)構(gòu),有關(guān)指標： 深度：表示軟件結(jié)構(gòu)中從頂層模塊到最底層模塊的層數(shù)。 寬度：表示控制的總分布。 扇出數(shù)：指一個模塊直接控制下屬的模塊個數(shù)。 扇入數(shù)：指一個模塊的直接上屬模塊個數(shù)。,一個好的軟件結(jié)構(gòu)的形態(tài)準則是：頂部寬度小，中部寬度大，底部寬度次之；在結(jié)構(gòu)頂部有較高的扇出數(shù)，在底部有較高的扇入數(shù)。,深度、寬度、扇出和扇入都應(yīng)適當(dāng),畫結(jié)構(gòu)圖應(yīng)注意的事項： 模塊不能重名。 調(diào)用關(guān)系只能從上到下。,8.3 軟件結(jié)構(gòu),人們在開發(fā)計算機軟件的長期實踐中積累了豐富的經(jīng)驗，總結(jié)這些經(jīng)驗得

29、出了一些啟發(fā)式規(guī)則。 啟發(fā)式規(guī)則能幫助人們找到改進軟件設(shè)計提高軟件質(zhì)量的途徑。,模塊化設(shè)計的優(yōu)化（啟發(fā)規(guī)則）,1. 改進軟件結(jié)構(gòu)提高模塊獨立性 設(shè)計出軟件的初步結(jié)構(gòu)以后，應(yīng)該審查分析這個結(jié)構(gòu)，通過模塊分解或合并，力求降低耦合提高內(nèi)聚。 例如，多個模塊公有的一個子功能可以獨立成一個模塊，由這些模塊調(diào)用；有時可以通過分解或合并模塊以減少控制信息的傳遞及對全程數(shù)據(jù)的引用，并且降低接口的復(fù)雜程度。,2. 模塊規(guī)模應(yīng)該適中 一般說來，分解后不應(yīng)該降低模塊獨立性。 3. 深度、寬度、扇出和扇入都應(yīng)適當(dāng) 4.力爭降低模塊接口的復(fù)雜程度 模塊接口復(fù)雜是軟件發(fā)生錯誤的一個主要原因。 應(yīng)該仔細設(shè)計模塊接口，使得信

30、息傳遞簡單并且和模塊的功能一致。 5. 設(shè)計單入口單出口的模塊 當(dāng)從頂部進入模塊并且從底部退出來時，軟件是比較容易理解的，因此也是比較容易維護的。,控制范圍 結(jié)構(gòu)方面的特點，包括模塊及其所有下屬模塊。 作用范圍 判斷所涉及到的模塊，是從功能特點考慮的。 SD方法認為：當(dāng)作用范圍為控制范圍的子集時，才能獲得較低的塊間聯(lián)系。 如下圖中的設(shè)計，判定的作用范圍恰好在判定所在模塊的下一層。,模塊TOP 的控制范圍是：TOP、X、T、B、A、B1、B2； 模塊B 的控制范圍與作用范圍相同,模塊A的控制范圍： A、B、C、D、G、E、F 則F的的作用范圍：B、E、F,6. 模塊的作用域應(yīng)該在控制域之內(nèi),圖3

31、.33控制范圍與作用范圍,顯然，圖（a）不滿足作用范圍應(yīng)與控制范圍的原則，模塊F的作用范圍不在控制范圍之內(nèi)。 圖（b）中模塊TOP和圖（c）中模塊B雖然滿足上述原則，但其作用范圍所涉及到的模塊不是直接的。 圖（d）的模塊設(shè)計最合理。,應(yīng)用范圍與作用范圍舉例,7. 模塊功能應(yīng)該可以預(yù)測 模塊的功能應(yīng)該能夠預(yù)測，但也要防止模塊功能過分局限。 如果一個模塊可以當(dāng)做一個黑盒子，也就是說，只要輸入的數(shù)據(jù)相同就產(chǎn)生同樣的輸出，這個模塊的功能就是可以預(yù)測的。 以上列出的啟發(fā)式規(guī)則多數(shù)是經(jīng)驗規(guī)律，對改進設(shè)計，提高軟件質(zhì)量，往往有重要的參考價值；但是，它們既不是設(shè)計的目標也不是設(shè)計時應(yīng)該普遍遵循的原理。,8.4

32、 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型,軟件體系結(jié)構(gòu)是一種表達，使軟件工程師能夠分析設(shè)計是否滿足需求、選擇合理的方案和降低風(fēng)險。 大型軟件系統(tǒng)總是被分解成一系列子系統(tǒng)，由子系統(tǒng)提供一些相關(guān)的服務(wù)。 軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計過程就是識別出這些子系統(tǒng)，并建立子系統(tǒng)控制和通信的框架，最后給出軟件體系結(jié)構(gòu)的一個描述。 兩類結(jié)構(gòu)模型： 系統(tǒng)構(gòu)成模型 系統(tǒng)控制模型,概念補充,概念補充,概念補充,概念補充,概念補充,概念補充,概念補充,概念補充,系統(tǒng)構(gòu)成模型,以數(shù)據(jù)為中心的結(jié)構(gòu)模型 數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)模型 客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)模型 抽象機結(jié)構(gòu)模型,1. 以數(shù)據(jù)為中心的結(jié)構(gòu)模型,由一組子系統(tǒng)構(gòu)成，子系統(tǒng)交換信息，協(xié)調(diào)工作有兩種基本方法： 全部共享

33、數(shù)據(jù)放在一個中央數(shù)據(jù)庫中，所有子系統(tǒng)都能從中存取數(shù)據(jù)。 每個子系統(tǒng)用各自的數(shù)據(jù)庫與其他子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，通過消息傳遞來實現(xiàn)。 共享數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點是能夠高效地共享大量的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的子系統(tǒng)不需要關(guān)心數(shù)據(jù)如何被其他子系統(tǒng)使用，可以集中進行如備份、保密性、訪問控制和錯誤恢復(fù)等活動； 缺點是子系統(tǒng)一定要與以數(shù)據(jù)為中心的體系結(jié)構(gòu)模型一致，系統(tǒng)變更或進化比較困難，子系統(tǒng)的需求會不同，難以集成，以及很難將數(shù)據(jù)分布到多臺機器上。,2. 數(shù)據(jù)流體系結(jié)構(gòu)模型,當(dāng)輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列的計算和操作構(gòu)件或模塊的變換形成輸出數(shù)據(jù)時，可以應(yīng)用數(shù)據(jù)流體系結(jié)構(gòu)。 管道和過濾器結(jié)構(gòu)通過一組由管道連接的過濾器來變換數(shù)據(jù)，并向下傳

34、遞。,管道和過濾器結(jié)構(gòu),3. 客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)模型,客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)模型的主要組成部分是： 一組給其他子系統(tǒng)提供服務(wù)的單機服務(wù)器 一組向服務(wù)器請求服務(wù)的客戶機 一個連接客戶機和服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)（可選） 服務(wù)器模型能實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的體系結(jié)構(gòu)模型的系統(tǒng) 客戶機/服務(wù)器模型的最大優(yōu)勢在于可以是一個分布式結(jié)構(gòu),多媒體服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),4. 抽象機模型,抽象機模型也稱為分層模型，是建立子系統(tǒng)的接口模型。它把子系統(tǒng)組織成一系列的層次，每一層提供一組服務(wù)，每一層定義為一個抽象機。 例如：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議OSI參考模型,系統(tǒng)控制模型,集中式控制模型 調(diào)用返回模型：這是一個自上而下的子過程模型?？刂剖加谙到y(tǒng)（程序）的頂層

35、，在子系統(tǒng)（程序）調(diào)用過程中，控制逐步傳遞到更低的層次中。該模型適用于順序執(zhí)行的系統(tǒng)。 管理者模型：這是一種適用于并發(fā)系統(tǒng)的模型。一個系統(tǒng)組件被指定為系統(tǒng)管理者，控制其他系統(tǒng)過程的啟動、終止和協(xié)調(diào)。一個過程就是一個能和其他過程并發(fā)執(zhí)行的子系統(tǒng)或模塊。,并發(fā)系統(tǒng)的集中式控制模型,系統(tǒng)控制模型,事件驅(qū)動系統(tǒng) 廣播模型：發(fā)生的事件廣播到所有子系統(tǒng)，任何能處理該事件的子系統(tǒng)都會響應(yīng)。該模型適用于基于網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)。 廣播模型中的子系統(tǒng)注冊其感興趣的特別事件 廣播模型的優(yōu)點是進化比較簡單 缺點是子系統(tǒng)都知道是否和什么時候處理事件，這可能會引起沖突。 中斷驅(qū)動模型：由中斷處理器對來自外部的中斷進行檢測，

36、然后在其他組件中處理這些中斷。該模型適用于對定時有嚴格要求的實時系統(tǒng)。 只用在硬件實時系統(tǒng)中，要求對一些事件能做出及時響應(yīng),8.5 軟件的體系結(jié)構(gòu)模式,軟件的體系結(jié)構(gòu)模式定義了處理系統(tǒng)某些行為特征的方法 并發(fā)性 系統(tǒng)必須以一種模擬并行的方式來操作多個任務(wù) 操作系統(tǒng)進程管理模式 任務(wù)調(diào)度器模式包括一組含有tick()操作的活動對象 持久性 如果數(shù)據(jù)從創(chuàng)建它的進程執(zhí)行以來一直存在，則該數(shù)據(jù)是持久性存在的數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)模式將DBMS的存儲和存取能力用于應(yīng)用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中 應(yīng)用級的持久模式在應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)中建立了持久性特征,8.5 軟件的體系結(jié)構(gòu)模式,分布性 強調(diào)系統(tǒng)或系統(tǒng)中構(gòu)件或模塊在一個分布的環(huán)境中相互通信的方式。分布性問題有兩個元素： 一是實體間連接方式 二是實體間通信的特性 代理模式是一種普遍的體系結(jié)構(gòu)模式 CORBA就是代理模式的一個范例,實驗6：Rational Rose工具基本使用 使用Rational Rose完成一個系統(tǒng)的業(yè)務(wù)分析模型。 使用Rational Rose完成一個系統(tǒng)的設(shè)計模型的詳細視圖，包括用況視圖、邏輯視圖、開發(fā)視圖、展開視圖和物理視圖。 要求：理解實驗內(nèi)容與方法、提交實驗報告 習(xí)題：1、6、7,8.6 實驗要求及習(xí)題,