ch7-軟件工程七章編碼設(shè)計(jì)2011209

編碼設(shè)計(jì)（主講趙元哲）西安電子科技大學(xué)研究生院課程程序設(shè)計(jì)語言的選擇程序設(shè)計(jì)途徑與編寫程序的風(fēng)格保護(hù)性編程冗余編程1程序設(shè)計(jì)語言的選擇

翻譯過程在編程步驟中，要把詳細(xì)設(shè)計(jì)的表達(dá)式翻譯成編程語言的構(gòu)造，編譯器接受作為輸入的源代碼，源代碼生成作為輸出并從屬于機(jī)器的目標(biāo)代碼(obj)，然后編譯器把輸出目標(biāo)代碼進(jìn)一步翻譯成機(jī)器代碼(它是真正指令)，由CPU執(zhí)行。

程序設(shè)計(jì)的語言分類：基礎(chǔ)語言(BASIC,FORTRAN,COBOL,ALGOL)

結(jié)構(gòu)語言(PL/1,PASCAL,C．ADA)

專用語言(FORTH,PROLOG,LISP)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)語言(C)語言分類靜態(tài)高級(jí)語言(COBOL,FORTRAN)

動(dòng)態(tài)高級(jí)語言塊結(jié)構(gòu)高級(jí)語言(ALGOL,PASCAL)

可視化編程語言(VB,VC,PB,BC,C++BUILDER)

程序設(shè)計(jì)語言特點(diǎn)與特性

編程語言的特點(diǎn)命令式語言(c)、面向?qū)ο笫秸Z言(c++)、函數(shù)式語言（lisp)、邏輯型語言（prolog）心理學(xué)觀點(diǎn)在編程中,人的因素極其重要,所以,語言的心理學(xué)特性對(duì)代碼的翻譯和實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)都有重要影響。

1）一致性一致性是表示某種語言使用一致的符號(hào)、采用看似任意的限制以及支持語法或語義例外規(guī)則的程度。例如,FORTRAN用圓括號(hào)作數(shù)組下標(biāo)的界限符,算術(shù)運(yùn)算有限次序的修改符等,容易引起難以覺察的錯(cuò)誤。

2）

多義性編程語言的多義性是程序員的理解。一般一條語句一個(gè)解釋。有時(shí)卻有多種解釋。

3）

緊湊性

緊湊性是一種面向代碼信息量的表示．度量緊湊性的語言屬性有:

(1)該語言支持結(jié)構(gòu)化構(gòu)造和邏輯“塊”的程度

(2)

所用的關(guān)鍵字和縮寫詞的種類

(3)

數(shù)據(jù)類型和缺省特性的品種

(4)

算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的數(shù)量

4）

局域性編程語言的綜合特性，當(dāng)語句可以組合為程序塊,結(jié)構(gòu)化構(gòu)造可以直接實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)代碼和合成代碼具有高的模塊性和聚合時(shí),局域性就高.

5）

線性：一種心理特性．它與保持功能域的概念緊密聯(lián)系。即當(dāng)遇到一個(gè)邏輯運(yùn)算線性序列時(shí)，人容易理解；外延分支和外延大的循環(huán)都違反處理的線性,而結(jié)構(gòu)化構(gòu)造的直接實(shí)現(xiàn)有助于編程語言的線性。工程觀點(diǎn)以具體的軟件開發(fā)項(xiàng)目的需要為基礎(chǔ)，注意源代碼的工程特性：

(1)易于把設(shè)計(jì)翻譯為代碼；

(2)編譯器效率；

(3)源代碼可移植性:源代碼不修改或很小修改,直接搬到另一編譯器,環(huán)境變了,源碼不變；

(4)開發(fā)工具的可用性:許多編程語言有調(diào)試工具,

內(nèi)部編輯,源碼控制,瀏覽器,宏處理器,反向工程工具和其他工具；

(5)可維護(hù)性:源碼必須可讀,并能根據(jù)設(shè)計(jì)的變化進(jìn)行修改等。技術(shù)觀點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性問題數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理能力數(shù)據(jù)庫操作問題

選擇一種語言

因?yàn)橐环N語言不可能同時(shí)滿足各種需求，應(yīng)該對(duì)各種需求（項(xiàng)目應(yīng)用領(lǐng)域、軟件開發(fā)方法、執(zhí)行環(huán)境等）進(jìn)行權(quán)衡，比較各種可用語言的適用程度，選擇最適用的。

用于評(píng)價(jià)語言的準(zhǔn)則:(1)一般的應(yīng)用領(lǐng)域,(2)算法和計(jì)算的復(fù)雜性

(3)軟件運(yùn)行環(huán)境

(4)性能考慮

(5)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性

(6)軟件開發(fā)人員的知識(shí)

(7)好的編譯器或交叉編譯器的可使用性．

2程序設(shè)計(jì)途徑與編寫程序的風(fēng)格

l程序設(shè)計(jì)方法論

方法論：

自上而下：程序可讀性好,可靠性高。

自下而上：局部優(yōu)化：系統(tǒng)整體性差,但能及時(shí)發(fā)現(xiàn)算法是否可行,返工性好。二種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：在軟件預(yù)研和攻關(guān),技術(shù)積累時(shí)采用自下而上,在緊迫工程時(shí),采用自上而下．

l程序設(shè)計(jì)自動(dòng)化

三種途徑實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)自動(dòng)化l程序設(shè)計(jì)工具

1．編譯程序它是最基本的程序設(shè)計(jì)工具,它可以診斷出程序中的錯(cuò)誤,減少開發(fā)成本,生成高效率的機(jī)器代碼

2．代碼管理系統(tǒng)l編碼風(fēng)格編碼風(fēng)格實(shí)際上是一種編碼原則,編碼對(duì)象是有兩個(gè)：

機(jī)器：編碼要為機(jī)器所理解與執(zhí)行

人：能讀懂,方便使用與維護(hù)編碼風(fēng)格最重要的有兩條：簡單和清晰。與編碼風(fēng)格有關(guān)的因素：

代碼的文檔化、數(shù)據(jù)說明方法、語句構(gòu)造處理、I/O技術(shù)。L代碼文檔化

代碼文檔化是從選擇標(biāo)識(shí)符（變量、標(biāo)號(hào)）的名字開始，接著是寫程序和安排注釋，最后是程序的整個(gè)視覺組織形式。所有的編程語言都允許用自然語言在程序中進(jìn)行注釋，問題在于：

（1）多少注釋才算夠？

（2）

注釋應(yīng)該放在什么位置？

（3）

注釋是否會(huì)使邏輯流不清楚？

（4）

注釋是否會(huì)使讀者誤解？

（5）

注釋是否會(huì)使程序不可維護(hù)？很難回答，但必須清楚：軟件必須包含代碼的內(nèi)部說明，開發(fā)者可以用注釋的方法對(duì)代碼內(nèi)部進(jìn)行說明。L注釋（注釋范例）：

①序言性注釋：應(yīng)該安排在模塊的起始部分，內(nèi)容有：

（1）說明每個(gè)模塊的用途，指明它的功能

（2）接口描述，包括：調(diào)用序列，每個(gè)參數(shù)的描述，以及所有從屬模塊清單。

（3）討論有關(guān)數(shù)據(jù)，包括：重要的變量和它們的用途、限制或約束條件，以及其他必要的信息。

（4）開發(fā)歷史，包括：模塊設(shè)計(jì)人姓名，評(píng)審人姓名及日期、修改說明及日期。②功能性注釋：

應(yīng)嵌入在源代碼體內(nèi)，描述處理功能。注釋基本原則是：注釋要解釋程序代碼，提供附加說明。此外，還應(yīng)做到：

（1）

注釋是說明代碼塊，而不是注釋每一行代碼。（2）

使用空行或縮格，以易于區(qū)分注釋和代碼。

（3）

注釋一定要正確，以免引起錯(cuò)誤，造成誤解。序言性注釋：功能性注釋：當(dāng)使用PDL表示進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)文檔可以作為注釋直接嵌入在源代碼體內(nèi)，十分有效，當(dāng)修改設(shè)計(jì)或代碼時(shí)，確保設(shè)計(jì)和代碼都能維護(hù)。（1）數(shù)據(jù)說明的次序應(yīng)規(guī)范化，可使數(shù)據(jù)屬性更容易尋找，有利于測試、糾錯(cuò)和維護(hù)。

（2）當(dāng)多個(gè)變量名在一條語句說明時(shí)，變量名的次序應(yīng)按字母順序排列。

（3）如果設(shè)計(jì)中，確定了一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就應(yīng)該用注釋說明在編程語言實(shí)現(xiàn)時(shí)的特點(diǎn)。l語句構(gòu)造

軟件邏輯構(gòu)造是在設(shè)計(jì)時(shí)確定的，每個(gè)語句構(gòu)造則是編碼步驟中的一部分。語句構(gòu)造應(yīng)當(dāng)遵守的原則是：

每條語句應(yīng)當(dāng)簡單而直接，不應(yīng)為了追求運(yùn)行效率而使代碼變得復(fù)雜化，讓人難以理解。為了提高代碼的可讀性，最好一行只寫一條語句（因?yàn)樵S多編程語言允許一行寫多條語句）。還應(yīng)采用縮排的方式，這樣可以使程序段的邏輯結(jié)構(gòu)和功能特征更加清晰。單條源代碼（語句）的簡化方法如下：（1）避免使用復(fù)雜的條件測試。（2）排除測試條件的“非”。（3）避免多重循環(huán)嵌套或條件嵌套。（4）用括號(hào)的方法使邏輯表達(dá)式或算術(shù)表達(dá)式更加清晰。（5）用空格或可讀的符號(hào)使語句內(nèi)容更加清晰。（6）只使用國家標(biāo)準(zhǔn)。（7）要想著，如果代碼不是我編寫的，我也能讀懂它。

總之，一句話：要力求直接了當(dāng)，簡單明了。

l

I/O

I/O的風(fēng)格不是在編碼時(shí)確定的，是在軟件需求分析和設(shè)計(jì)中確定的。但編碼時(shí)，I/O的實(shí)現(xiàn)方式?jīng)Q定了用戶對(duì)系統(tǒng)特征的可接受程度。不管軟件的性質(zhì)是批處理，還是交互的，在設(shè)計(jì)和編碼時(shí)，都應(yīng)考慮下述有關(guān)I/O風(fēng)格原則：（1）檢查所有輸入數(shù)據(jù)的有效性。（2）檢查輸入項(xiàng)上的重要組合的合法性。（3）

保持簡單的輸入格式。（4）使用數(shù)據(jù)結(jié)束說明符，不應(yīng)要求用戶規(guī)定輸入項(xiàng)目的數(shù)量。（5）用標(biāo)記標(biāo)明交互的輸入請求，應(yīng)規(guī)定可以使用的選擇值或邊界值。（6）當(dāng)編程語言對(duì)格式有嚴(yán)格的要求時(shí)，應(yīng)保持輸入格式的一致性。（7）給所有輸出加標(biāo)記，并設(shè)計(jì)所有輸出報(bào)告。l

效率

有三條準(zhǔn)則應(yīng)該指出的：（1）效率是一種性能要求。因此，應(yīng)當(dāng)在軟件需求時(shí)規(guī)定。軟件效率應(yīng)按實(shí)際需要來要求，而不是越高越好。（2）

一個(gè)良好的設(shè)計(jì)可以提高效率。（3）

代碼效率與代碼的簡單性緊密聯(lián)系。

追求效率建立在不損害程序可靠性和可讀性基礎(chǔ)上！提高效率的根本途徑：設(shè)計(jì)方法、數(shù)據(jù)組織、算法，而非簡單的語句調(diào)整！l

代碼效率

源代碼的效率與詳細(xì)設(shè)計(jì)階段所確定的算法效率直接相關(guān)。但編碼風(fēng)格也會(huì)影響運(yùn)行速度和對(duì)內(nèi)存的需要。一般可以使用以下準(zhǔn)則：（1）在進(jìn)行編碼以前，應(yīng)簡化算術(shù)表達(dá)式和邏輯表達(dá)式。（2）要細(xì)心的評(píng)價(jià)嵌套循環(huán)，以確定能否把一些語句或表達(dá)式移到循環(huán)外邊。（3）

應(yīng)盡量避免使用多維數(shù)組。（4）

應(yīng)盡量避免使用指針和復(fù)雜的列表。（5）

采用快的算術(shù)運(yùn)算。（6）

即使語言允許，也不要采用混合數(shù)據(jù)類型。（7）只要可能，應(yīng)當(dāng)采用整型算術(shù)表達(dá)式和布爾表達(dá)式。l

內(nèi)存效率

內(nèi)存限制大多已是過去的事了。低成本內(nèi)存提供了大的物理地址空間，虛存管理為應(yīng)用軟件提供了巨大的邏輯地址空間，對(duì)于這樣的環(huán)境，內(nèi)存效率不等于使用最小內(nèi)存。

內(nèi)存效率必須注意考慮操作系統(tǒng)的分頁特征，代碼局域性或通過結(jié)構(gòu)化構(gòu)造功能域的管理是減少分頁和提高效率的最好辦法。盡管低成本、高密度內(nèi)存芯片發(fā)展很快，但在嵌入式微處理器領(lǐng)域中，內(nèi)存限制仍是一個(gè)非常實(shí)際非常重要的問題。如果系統(tǒng)需求（如高容量低成本產(chǎn)品）要求最小內(nèi)存，必須非常細(xì)心的對(duì)高級(jí)語言的編譯程序進(jìn)行估算，或作為最后的手段，也可以采用匯編語言。l

I/O效率當(dāng)討論I/O效率時(shí)，有兩類I/O要考慮。（1）

由人支配的I/O。

（2）

取決于其他設(shè)備的（如磁盤或另一臺(tái)計(jì)算機(jī)）的I/O。提高I/O效率的簡單原則：（1）

I/O要求的數(shù)量應(yīng)當(dāng)減至最小。（2）所有I/O應(yīng)當(dāng)緩存，以減少過多的通信次數(shù)。（3）對(duì)于輔存（如磁盤），應(yīng)當(dāng)選擇和使用最簡單的可接受的存取方法。（4）輔存設(shè)備的I/O，應(yīng)當(dāng)是塊狀的。終端和打印機(jī)的

I/O，應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)備的特性，以提高質(zhì)量和速度。（5）要記住，如果超高效的I/O不能被人們所理解，那么這樣的I/O是沒有價(jià)值的。Defensiveprogrammingisaformofdefensivedesignintendedtoensurethecontinuingfunctionofapieceofsoftwareinspiteofunforeseeableusageofsaidsoftware.TheideacanbeviewedasreducingoreliminatingtheprospectofMurphy'sLawhavingeffect.Defensiveprogrammingtechniquesareusedespeciallywhenapieceofsoftwarecouldbemisusedmischievouslyorinadvertentlytocatastrophiceffect.Defensiveprogrammingisanapproachtoimprovesoftwareandsourcecode,intermsof:

Generalquality-Reducingthenumberofsoftwarebugsandproblems.

Makingthesourcecodecomprehensible-thesourcecodeshouldbereadableandunderstandablesoitisapprovedinacodeaudit.

Makingthesoftwarebehaveinapredictablemannerdespiteunexpectedinputsoruseractions.西方的“墨菲定律”（Murphy'sLaw）。“墨菲定律”是這樣說的：Anythingthatcangowrongwillgowrong.：“凡事只要有可能出錯(cuò)，那就一定會(huì)出錯(cuò)?！?保護(hù)性編程（defensiveprogramming）最常見的defensiveprogramming方法是加assertion(就是一種強(qiáng)制檢查)，比如:

在訪問一個(gè)內(nèi)存地址之前，先檢查指向那里的指針是否有效。在win32平臺(tái)上可以加入<assert.h>，然后就可以用assert(bool)這個(gè)函數(shù)。如果檢查出這里有錯(cuò)，程序就會(huì)被中斷在這行語句處，同時(shí)在終端打印出文件名、行號(hào)、和assert的內(nèi)容.對(duì)于認(rèn)為編寫程序可以做到完全沒有錯(cuò)誤的人來說，在軟件中建立檢查的意義不大。相反，對(duì)于相信軟件中總會(huì)有遺留錯(cuò)誤的人來說，進(jìn)行軟件內(nèi)部的錯(cuò)誤檢查則是一項(xiàng)重要策略，這種策略就是保護(hù)性編程。保護(hù)性編程技術(shù)可分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種：

主動(dòng)保護(hù)技術(shù)周期性的或在空閑時(shí)間對(duì)整個(gè)程序或數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索，用以發(fā)現(xiàn)異常情況。

被動(dòng)保護(hù)技術(shù)是在到達(dá)檢查代碼時(shí)，對(duì)程序的某些部分進(jìn)行檢查。反對(duì)保護(hù)性編程人員提出了許多逃避保護(hù)性編程的理由：（1）“我們的程序中即使有錯(cuò)誤，也是很少的，所以不需要保護(hù)性編程?！保?）“要求采用他人的程序來檢查和發(fā)現(xiàn)我的程序錯(cuò)誤,這是不公正的?！保?）“錯(cuò)誤檢查降低了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的速度，而且還要求額外的內(nèi)存?！保?）“錯(cuò)誤檢查要占用很多編程時(shí)間?！保?）“可以在我的程序中加入錯(cuò)誤檢查，不過一旦程序通過測試，就應(yīng)把它撤去。”

對(duì)這些反對(duì)意見的回答，都直接或間接的與程序中預(yù)料的錯(cuò)誤數(shù)及其潛在后果有關(guān)。

如果相信錯(cuò)誤無所不在，即有相當(dāng)數(shù)量的錯(cuò)誤在晚期發(fā)現(xiàn)是不可避免的，就必須采用保護(hù)性編程。

如果這種保護(hù)在測試階段對(duì)我們有幫助，則肯定要在程序操作使用時(shí)繼續(xù)將其包括在內(nèi)。

如果承認(rèn)錯(cuò)誤會(huì)出現(xiàn)這一事實(shí)，則比起因出現(xiàn)錯(cuò)誤所帶來的責(zé)難來說，增加一些工作量是有意義的。

另一方面，基于運(yùn)行時(shí)間、存儲(chǔ)空間和編程費(fèi)用等方面的反對(duì)意見：僅當(dāng)保護(hù)性編程要求設(shè)計(jì)增加的資源量相當(dāng)大時(shí)需慎重考慮。事實(shí)上，只有在極少數(shù)情況下，保護(hù)性編程所要求增加的資源量才會(huì)相當(dāng)大，以致不得不放棄考慮這種技術(shù)。

Yourdon曾提出過一個(gè)建設(shè)性意見：

在設(shè)計(jì)過程的早期就把保護(hù)性編程包括進(jìn)去。在設(shè)計(jì)過程中，大多數(shù)設(shè)計(jì)在填充可用存儲(chǔ)空間時(shí)，其規(guī)模都增加的很快，如果企圖在設(shè)計(jì)過程的結(jié)尾再引入保護(hù)性編程，則肯定已沒有剩余空間。而且在近乎完成的設(shè)計(jì)中，移動(dòng)任何部分?jǐn)D出空間的任何做法，都會(huì)招致強(qiáng)烈的反對(duì)。但如果在一開始就把保護(hù)性編程包括進(jìn)來，在希望增加新的保護(hù)性特征時(shí)，就能容易的避開設(shè)計(jì)中的討價(jià)還價(jià)。

另一個(gè)要考慮的重要事項(xiàng)是檢查哪些項(xiàng)目？盡管可以不受冗余編程概念的約束并檢查不合理的情況，如果企圖檢查所有項(xiàng)目，實(shí)質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)冗余編程。關(guān)于這個(gè)問題，Shooman建議設(shè)計(jì)人員先準(zhǔn)備以下列表，以利于做出正確的判斷。

（1）可能需要檢查的項(xiàng)目表，應(yīng)附有對(duì)編程時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間及存儲(chǔ)要求的開銷估計(jì)。

（2）各種類型錯(cuò)誤出現(xiàn)的期望數(shù)據(jù)表，應(yīng)標(biāo)出每種類型錯(cuò)誤可能造成的后果。研究這些信息有助于設(shè)計(jì)者確定應(yīng)進(jìn)行的檢查。保護(hù)性編程中的典型檢查項(xiàng)目（1）來自外部設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)（范圍、屬性）。（2）由其他程序提供的數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)庫（數(shù)組、文件、結(jié)構(gòu)、記錄）。（4）操作員的輸入（性質(zhì)、順序）。（5）棧的深度。（6）DOCASEI中的I范圍（并計(jì)算GOTO）。

（7）數(shù)組界限。（8）表達(dá)式中出現(xiàn)零分母的可能性。（9）所期望的程序版本是否在運(yùn)行（最后系統(tǒng)重新組合的日期）。（10）通過其他程序或外部設(shè)備的輸出。

以上討論的所有保護(hù)技術(shù)都是被動(dòng)式保護(hù)技術(shù)，因?yàn)楸仨毜鹊侥硞€(gè)輸入之后才能開始檢查。而主動(dòng)式保護(hù)技術(shù)則既可在處理輸入信息期間使用，也可在系統(tǒng)空閑或等待下一次輸入時(shí)使用。

幾種應(yīng)用主動(dòng)式保護(hù)技術(shù)的例子。

（1）存儲(chǔ)器范圍檢查如果只在存儲(chǔ)器的某些塊中存放了某種類型和范圍的數(shù)據(jù)，則可經(jīng)常檢查這些條件。

（2）標(biāo)志驗(yàn)證如果采用標(biāo)志來指示系統(tǒng)的狀態(tài)，則可經(jīng)常對(duì)它們作獨(dú)立的檢查。

（3）逆翻譯有時(shí)必須將數(shù)據(jù)或變量值從一種代碼或系統(tǒng)翻譯為另一種代碼或系統(tǒng)，可以利用反變換來檢查原始值的翻譯是否正確。（4）狀態(tài)驗(yàn)證在多數(shù)情況下，復(fù)雜系統(tǒng)由多個(gè)操作狀態(tài)，它們可以采用某些特定的存儲(chǔ)值來表示。如果能夠獨(dú)立的驗(yàn)證這些狀態(tài)，就可以進(jìn)行檢查。

（5）連接檢查使用鏈表結(jié)構(gòu)時(shí)，可以對(duì)其連接