《軟件工程-理論、方法與實(shí)踐》課件第1章

第1章導(dǎo)論1.1軟件1.2軟件工程概述1.3軟件工程方法1.4CASE工具與集成化的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境1.5軟件工程知識(shí)體系本章小結(jié)習(xí)題

1.1軟件

軟件不是物理產(chǎn)品而是邏輯產(chǎn)品，在開(kāi)發(fā)、維護(hù)方面與硬件產(chǎn)品相比有著完全不同的特性：

(1)軟件是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，而非傳統(tǒng)意義上生產(chǎn)制造的。軟件和硬件均可通過(guò)設(shè)計(jì)獲得好的產(chǎn)品品質(zhì)，但硬件制造階段的質(zhì)量問(wèn)題是易于控制和糾正的，而軟件生產(chǎn)階段的質(zhì)量控制要困難得多。相比硬件的生產(chǎn)，軟件開(kāi)發(fā)過(guò)度依賴于開(kāi)發(fā)人員的素質(zhì)、能力及協(xié)作，軟件項(xiàng)目管理過(guò)程不能像硬件制造那樣進(jìn)行。

(2)軟件不會(huì)磨損。隨著時(shí)間的推移，灰塵、振動(dòng)、不當(dāng)使用、溫度等因素的影響，硬件的失效率會(huì)增大，這稱之為磨損。而軟件則不會(huì)受上述環(huán)境的影響。硬件和軟件的失效率曲線如圖1.1所示。圖1.1硬件和軟件失效率曲線對(duì)比

(3)大多數(shù)軟件是根據(jù)客戶的要求定制的。硬件通常是依據(jù)一定規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來(lái)制造的，軟件則多數(shù)是根據(jù)客戶的要求定制的。雖然目前商業(yè)化軟件的組件技術(shù)發(fā)展很快，但完全使用現(xiàn)成的組件實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)仍不現(xiàn)實(shí)，基于組件的軟件開(kāi)發(fā)模式仍然需要根據(jù)軟件需求來(lái)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。1.1.1軟件的發(fā)展

1942年，伴隨著第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的誕生，計(jì)算機(jī)程序開(kāi)始出現(xiàn)。通常，軟件發(fā)展至今可被劃分為四個(gè)階段。1.1.2軟件的類型

軟件從功能角度分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，從服務(wù)對(duì)象的角度分為通用軟件和定制軟件。1.1.3軟件質(zhì)量特性

質(zhì)量特性是“產(chǎn)品、過(guò)程或體系與需求有關(guān)的固有特性”。軟件質(zhì)量特性反映了軟件的本質(zhì)。

軟件質(zhì)量的定義有多種，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ANSI)在其ANSI/ASQCA3/1978標(biāo)準(zhǔn)中將軟件質(zhì)量定義為：“軟件質(zhì)量是軟件產(chǎn)品或服務(wù)的特性和特征的整體，它取決于軟件滿足給定需求的能力”。具體來(lái)說(shuō)，軟件質(zhì)量就是軟件符合明確描述的功能和性能需求、文檔中明確描述的開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，以及所有專業(yè)開(kāi)發(fā)的軟件都應(yīng)具備的隱含特征的程度。軟件質(zhì)量通常采用質(zhì)量模型來(lái)建立用戶視角和開(kāi)發(fā)者視角的軟件質(zhì)量特性間的關(guān)系，如Bohem的質(zhì)量模型、McCall的質(zhì)量模型以及ISO的質(zhì)量模型。圖1.2為McCall的質(zhì)量模型。圖1.2McCall的軟件質(zhì)量模型

McCall的模型中給出了11個(gè)質(zhì)量要素，如表1.1所示。11個(gè)質(zhì)量要素分為三類，對(duì)應(yīng)軟件的運(yùn)行特性、修改特性和轉(zhuǎn)換特性。軟件的運(yùn)行特性包括正確性、可靠性、有效性、完整性和可用性；修改特性是指軟件承受修改的能力，包括可維護(hù)性、靈活性和可測(cè)試性；軟件的轉(zhuǎn)換特性包括可移植性、可復(fù)用性和互操作性。

McCall的模型中給出了一組較易度量的軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，共20種。評(píng)價(jià)準(zhǔn)則能夠比較完整、準(zhǔn)確地描述質(zhì)量，且比較容易量化和度量。表1.2列出了對(duì)它們的描述。軟件質(zhì)量要素Fj的評(píng)價(jià)可用下列公式計(jì)算：

j?=?1,2,…,11

其中，Mk是軟件質(zhì)量要素Fj對(duì)第k種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量值，Cjk是相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)。由于McCall定義的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則多數(shù)沒(méi)有客觀的度量方法，因此只能憑主觀印象為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則定值。McCall將評(píng)價(jià)準(zhǔn)則分為0～10級(jí)，0級(jí)最低，10級(jí)最高。加權(quán)系數(shù)Cjk滿足

其中Cjk≥0，當(dāng)質(zhì)量要素Fj與k項(xiàng)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則無(wú)關(guān)時(shí)，Cjk=0，l表示評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的項(xiàng)數(shù)，對(duì)于McCall的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，l?=?20。，

1.2軟件工程概述

1.2.1軟件危機(jī)

軟件危機(jī)主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)軟件開(kāi)發(fā)無(wú)計(jì)劃性。

(2)軟件需求不充分。

(3)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程無(wú)規(guī)范。

(4)軟件產(chǎn)品無(wú)評(píng)測(cè)手段。1.2.2軟件工程

IEEE關(guān)于軟件工程的定義為：

軟件工程是：①將系統(tǒng)性的、規(guī)范化的、可定量的方法應(yīng)用于軟件的開(kāi)發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)，即將工程化應(yīng)用到軟件上；②對(duì)①中所述方法的研究。

軟件工程具有三要素：方法(Methods)、工具(Tools)和過(guò)程(Procedures)。軟件工程方法可提供如何構(gòu)造軟件的技術(shù)。軟件工程方法覆蓋面很廣，包括需求分析、設(shè)計(jì)建模、編程、測(cè)試和其他的支持。軟件工程方法依賴于一組基本原則，如Demarco(1978)和Jacobson(1983)提出的結(jié)構(gòu)化的方法，Booch(1994)和Rumbaugh(1991)建議的面向?qū)ο蟮姆椒?。軟件方法包括一組對(duì)需求和設(shè)計(jì)、算法過(guò)程、編碼、測(cè)試和維護(hù)的定義元素等。軟件工程方法貫穿于軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，起著核心的作用。表1.3列出了一些軟件工程方法元素。軟件工程工具提供自動(dòng)化或半自動(dòng)化的支持，包括模型建立、代碼生成、程序靜態(tài)分析、軟件測(cè)試、過(guò)程管理等。

軟件工程過(guò)程是用合適的方法、語(yǔ)言和工具由軟件工程師進(jìn)行軟件活動(dòng)的集合。軟件工程過(guò)程定義了一個(gè)框架，是軟件項(xiàng)目管理控制的基礎(chǔ)。軟件工程過(guò)程建立了一個(gè)環(huán)境以便于技術(shù)方法的采用、可交付產(chǎn)品(文檔、報(bào)告以及格式等)的產(chǎn)生，并幫助確保質(zhì)量和變更的控制，使軟件管理人員能對(duì)它們的進(jìn)展進(jìn)行評(píng)價(jià)。軟件工程遵循一些通用的原則，這些原則主要包括：

(1)抽象即抽取事物的本質(zhì)特性和行為，是軟件工程的本質(zhì)方法原則之一，貫穿于軟件過(guò)程。在需求定義階段對(duì)業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流的建模。設(shè)計(jì)階段體系結(jié)構(gòu)、類繼承關(guān)系的建模均為抽象。

(2)模塊化原則要求軟件系統(tǒng)邏輯上應(yīng)分解成具有獨(dú)立性的模塊，模塊應(yīng)具有功能內(nèi)聚和弱耦合的特點(diǎn)，模塊之間通過(guò)某種交互和控制關(guān)系構(gòu)成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。模塊大小應(yīng)適中，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致模塊內(nèi)部邏輯過(guò)于復(fù)雜，太小則使系統(tǒng)的整個(gè)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜。模塊化思想有利于降低軟件問(wèn)題的復(fù)雜度，也有助于軟件的理解和維護(hù)。

(3)信息隱蔽是指軟件模塊的封裝應(yīng)使模塊的內(nèi)部細(xì)節(jié)盡量不暴露在外，與其他模塊的聯(lián)系僅限于模塊的接口，如類封裝了屬性和方法，方法的調(diào)用和屬性的訪問(wèn)都通過(guò)類接口。信息隱蔽原則使模塊之間弱耦合，有利于軟件維護(hù)和修改。

(4)一致性是指在整個(gè)軟件過(guò)程中，軟件制品包括文檔和程序均使用一致的概念、符號(hào)、術(shù)語(yǔ)，有著一致的軟硬件接口，并且系統(tǒng)的定義和實(shí)現(xiàn)行為也應(yīng)保持一致。如系統(tǒng)中對(duì)Undo命令項(xiàng)的定義是撤消前一步的行為結(jié)果，系統(tǒng)響應(yīng)該項(xiàng)的行為就是回到該動(dòng)作前的系統(tǒng)狀態(tài)，且任何時(shí)候只能做出該行為。

(5)完整性是指系統(tǒng)不丟失任何所需要的部分，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需功能的程度。

(6)可驗(yàn)證性是指系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)應(yīng)遵循易被測(cè)試、驗(yàn)證的原則，以保證交付和系統(tǒng)的正確性檢查。如要求系統(tǒng)的查詢響應(yīng)時(shí)間小于5秒，就是一種可驗(yàn)證的系統(tǒng)指標(biāo)。對(duì)于有些安全和可靠性要求極高的系統(tǒng)，必要時(shí)其模型的構(gòu)建也應(yīng)該是可驗(yàn)證的，這時(shí)往往采用形式化的模型描述和形式證明來(lái)保證系統(tǒng)的正確性。1.2.3軟件過(guò)程

每個(gè)軟件過(guò)程都有活動(dòng)框架，軟件過(guò)程框架定義了活動(dòng)的時(shí)間、人員、工作內(nèi)容和達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的途徑，如圖1.3所示。圖1.3軟件過(guò)程框架不同的機(jī)構(gòu)和組織、不同的軟件產(chǎn)品可能會(huì)有過(guò)程活動(dòng)的差異，通用的過(guò)程框架可適用于絕大多數(shù)的軟件項(xiàng)目，一般包含以下框架活動(dòng)：

(1)軟件定義(SoftwareSpecification)：與客戶間大量的交流與協(xié)作，獲取需求、定義軟件的功能和限制，構(gòu)建需求分析模型，形成正式的需求規(guī)格說(shuō)明。

(2)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)(SoftwareDesignandImplementation)：設(shè)計(jì)如何實(shí)現(xiàn)需求，產(chǎn)生設(shè)計(jì)規(guī)格說(shuō)明，并編碼實(shí)現(xiàn)滿足定義的軟件。

(3)軟件驗(yàn)證(SoftwareValidation)：評(píng)審、測(cè)試軟件產(chǎn)品，包括各種文檔、模型、程序，驗(yàn)證軟件以確保它可以滿足用戶的需求。

(4)軟件演化(SoftwareEvolution)：軟件交付后的維護(hù)活動(dòng)，以滿足用戶需求的變化。軟件在交付運(yùn)行后，會(huì)遭遇變更，這是因?yàn)檐浖旧砜赡艽嬖诘娜毕菀约坝脩魧?duì)軟件需求的變化。不同的軟件過(guò)程以不同的方式組織這些軟件活動(dòng)，軟件過(guò)程的抽象稱之為過(guò)程模型。在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐和研究中，已形成了一些典型的過(guò)程模型，主要包括：瀑布模型、演化式開(kāi)發(fā)、形式化開(kāi)發(fā)、基于組件的開(kāi)發(fā)、螺旋模型、增量模型等。

1.3軟件工程方法

1.3.1結(jié)構(gòu)化分析和設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)化方法是一種傳統(tǒng)的軟件工程方法。它采用結(jié)構(gòu)化分析(SA)、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)(Structural,SD)、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)和測(cè)試來(lái)完成軟件開(kāi)發(fā)的各項(xiàng)任務(wù)，并使用適當(dāng)?shù)能浖ぞ呋蜍浖こ汰h(huán)境來(lái)支持結(jié)構(gòu)化技術(shù)的運(yùn)用。

1．結(jié)構(gòu)化分析方法

結(jié)構(gòu)化分析的主要步驟如下：

(1)分析需求關(guān)系中數(shù)據(jù)的加工處理流程，建立數(shù)據(jù)流模型。

(2)生成數(shù)據(jù)字典并對(duì)模型中的元素進(jìn)行描述。

(3)建立人機(jī)接口模型。

(4)定義完整的需求規(guī)格說(shuō)明。

圖1.4是一個(gè)ATM取款過(guò)程的數(shù)據(jù)流圖。圖1.4取款數(shù)據(jù)流圖

2．結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是將DFD轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的過(guò)程，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指軟件模塊間的關(guān)系。設(shè)計(jì)的第一步是進(jìn)行DFD的類型區(qū)分，一般來(lái)說(shuō)，DFD可分為兩種類型：變換型和事務(wù)型。變換型數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)是DFD可以明顯地分為“輸入—處理—輸出”三部分，而事務(wù)型DFD則是對(duì)某個(gè)數(shù)據(jù)的加工分為不同的加工流。圖1.5是一個(gè)變換型DFD轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖。圖1.5DFD轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖

在圖1.5中，左邊的由結(jié)構(gòu)化分析構(gòu)建的數(shù)據(jù)流模型被分為三部分：即輸入流/輸入加工、轉(zhuǎn)換流/中心加工、輸出流/輸出加工，結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)過(guò)程則將該DFD轉(zhuǎn)換為由三個(gè)子模塊構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，即輸入模塊CI、轉(zhuǎn)換模塊CT和輸出模塊CO。1.3.2面向?qū)ο筌浖こ谭椒?/p>

Coad和Yourdon給出了面向?qū)ο笙到y(tǒng)的定義：

面向?qū)ο?=?對(duì)象?+?類?+?繼承?+?消息

面向?qū)ο蟪绦蚴怯蓪?duì)象類構(gòu)成的，程序中的基本元素是對(duì)象，復(fù)雜對(duì)象由比較簡(jiǎn)單的對(duì)象組合而成。對(duì)象是封裝了數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)操作行為的軟件組件，數(shù)據(jù)用于表示對(duì)象的靜態(tài)屬性，是對(duì)象的狀態(tài)信息，而施加于數(shù)據(jù)之上的操作用于實(shí)現(xiàn)對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為?！衩嫦?qū)ο蠓治?ObjectOrientedAnalysis)是運(yùn)用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行需求分析，主要任務(wù)是分析和理解軟件系統(tǒng)的問(wèn)題域，找出描述問(wèn)題域和系統(tǒng)責(zé)任所需的類和對(duì)象，分析它們的內(nèi)部構(gòu)成和外部關(guān)系，建立OOA模型。

●面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)(ObjectOrientedDesign)是根據(jù)已建立的分析模型、運(yùn)用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它將OOA模型直接變成OOD模型，并且補(bǔ)充與實(shí)現(xiàn)有關(guān)的部分，如人機(jī)界面、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、任務(wù)管理等。圖1.6是面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計(jì)的示意圖。從圖中可以看出，問(wèn)題域中的實(shí)體，經(jīng)過(guò)分析，被抽象為分析類模型，而分析類經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)精化則被映射為子系統(tǒng)和設(shè)計(jì)類。圖1.6面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計(jì)示意圖●面向?qū)ο缶幊?ObjectOrientedProgramming)采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型。

●面向?qū)ο鬁y(cè)試(ObjectOrientedTesting)運(yùn)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行以對(duì)象概念為中心的軟件測(cè)試。它以類作為基本的測(cè)試單位，集中檢查在類定義之內(nèi)的屬性、服務(wù)和有限的對(duì)外接口，大大減少了錯(cuò)誤的影響范圍。●面向?qū)ο缶S護(hù)(ObjectOrientedSoftwareMaintenance)的最大難點(diǎn)在于人們對(duì)軟件的理解過(guò)程中所遇到的障礙。在面向?qū)ο蠓椒ㄖ?，各階段的表示是一致的，從而大大降低了理解的難度。對(duì)象的封裝性也使一個(gè)對(duì)象的修改對(duì)其他對(duì)象的影響較小。因此，如果已經(jīng)理解了面向?qū)ο蟮能浖嫦驅(qū)ο蟮木S護(hù)很容易，但面向?qū)ο蟮能浖s不易理解。1.3.3用例驅(qū)動(dòng)的軟件開(kāi)發(fā)方法

用例是UML模型中的術(shù)語(yǔ)，用例模型可用于描述軟件需求。用例驅(qū)動(dòng)的軟件開(kāi)發(fā)方法是Rational統(tǒng)一開(kāi)發(fā)過(guò)程(RUP)的核心內(nèi)容，表1.4描述了Rational統(tǒng)一過(guò)程活動(dòng)和所產(chǎn)生的相關(guān)模型。需求活動(dòng)捕獲客戶需求并用用例模型進(jìn)行描述，然后分析、設(shè)計(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生分析和設(shè)計(jì)模型以滿足用例，進(jìn)而在實(shí)現(xiàn)模型中實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模型中包括所有的代碼，即組件。

1.4CASE工具與集成化的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

工具是軟件工程三要素之一，在軟件工程過(guò)程中使用軟件工具可以提高軟件開(kāi)發(fā)的效率，減低成本和提高質(zhì)量。

CASE工具可以被分為三類：工具、工作臺(tái)和集成的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，如表1.5所示。良好的集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境一般具有以下特點(diǎn)：

(1)具有軟件工程數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)軟件項(xiàng)目在生存周期中的全部信息，如項(xiàng)目合同、計(jì)劃、進(jìn)度、軟件設(shè)計(jì)文檔和測(cè)試計(jì)劃等，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中的各種工具均可對(duì)其訪問(wèn)。

(2)具有項(xiàng)目管理機(jī)制，可進(jìn)行任務(wù)的分解和進(jìn)度控制。

(3)具有版本控制和配置管理機(jī)制。

(4)支持軟件工程師之間的通信。

1.5軟件工程知識(shí)體系

SWEBOK將軟件工程體系劃分為10個(gè)知識(shí)域：軟件需求、軟件設(shè)計(jì)、軟件構(gòu)造、軟件測(cè)試、軟件維護(hù)、軟件配置管理、軟件工程管理、軟件長(zhǎng)程過(guò)程、軟件工程工具與方法、軟件質(zhì)量。SWEBOK結(jié)構(gòu)如表1.6所示。軟件工程學(xué)科是一門交叉學(xué)科，運(yùn)用了多學(xué)科的原理和方法，DanielM.Berryd對(duì)軟件工程有以下的定義：

軟件工程是這樣的工程形式，它運(yùn)用系統(tǒng)的、規(guī)范的、量化的方法和計(jì)算機(jī)科學(xué)、設(shè)計(jì)、工程、管理、數(shù)學(xué)、心理學(xué)、社會(huì)學(xué)等學(xué)科的原理，創(chuàng)建、開(kāi)發(fā)、實(shí)施和維護(hù)有效成本、可靠的、高質(zhì)量的軟件問(wèn)題解決方案。本章小結(jié)

隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展和軟件規(guī)模及復(fù)雜性的增加，軟件的開(kāi)發(fā)越來(lái)越多地面臨很多問(wèn)題：軟件開(kāi)發(fā)無(wú)計(jì)劃性、軟件需求不充分、軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程無(wú)規(guī)范、軟件產(chǎn)品無(wú)評(píng)測(cè)手段。這些問(wèn)題使得軟件項(xiàng)目經(jīng)常無(wú)法在預(yù)定的時(shí)間、經(jīng)費(fèi)內(nèi)，保證質(zhì)量的完成，稱為軟件危機(jī)。因此人們希望采用工程化的思想來(lái)指導(dǎo)軟件開(kāi)發(fā)，軟件工程由此提出。軟件工程是一門工程學(xué)科，采用系統(tǒng)和組織的方法、建立和使用一套合