軟件工程實踐(3)結(jié)構(gòu)化

北京理工大學

軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)實踐湯銘端中國航天科工集團公司204所共五十六頁第三(dìsān)講結(jié)構(gòu)化方法(fāngfǎ)共五十六頁內(nèi)容(nèiróng)和目的了解結(jié)構(gòu)化方法(fāngfǎ)的產(chǎn)生和有關(guān)概念掌握結(jié)構(gòu)化方法的基本原則了解結(jié)構(gòu)化分析、設(shè)計、編程方法的基本內(nèi)容了解軟件開發(fā)的一般原則共五十六頁軟件開發(fā)方法(fāngfǎ)軟件開發(fā)方法(fāngfǎ)是軟件開發(fā)過程所遵循的方法(fāngfǎ)和步驟，其目的在于有效地得到一些工作產(chǎn)品，既程序和文檔，并且滿足質(zhì)量要求程序設(shè)計方法是軟件開發(fā)方法的組成部分此外還有分析方法和設(shè)計方法共五十六頁評價(píngjià)軟件開發(fā)方法的四大特征技術(shù)特征：支持各種技術(shù)概念的方法特色，如層次性、抽象性、并行性、安全性、正確性等使用特征：用于具體開發(fā)時的特色，如易理解性、易移植性、易復用性、工具(gōngjù)的支持、任務(wù)范圍、使用的廣度、活動過渡的可行性、產(chǎn)品的易修改性、對正確性的支持等管理特征：增強對軟件開發(fā)活動管理的能力方面的特色，如易管理性、支持或阻礙團隊工作的程度、中間階段的確定、工作產(chǎn)品、配置管理、階段結(jié)束準則、費用估計等經(jīng)濟特征：給軟件組織產(chǎn)生的在質(zhì)量和生產(chǎn)力方面的可見效益，如分析活動的局部效益、全生存周期效益、獲得該開發(fā)方法的代價、使用它的代價、管理的代價等共五十六頁選用軟件開發(fā)方法(fāngfǎ)的考慮因素1對該開發(fā)方法是否已具有經(jīng)驗，或者已有受過培訓的人員2開發(fā)項目的進度、人員組成情況3為開發(fā)項目提供的資源如何4計劃、組織、管理的可行性5開發(fā)項目的領(lǐng)域(lǐnɡyù)知識準備情況共五十六頁航天(hángtiān)的考慮結(jié)構(gòu)化方法較全面、最成熟、最基礎(chǔ)、使用最廣泛、有成功經(jīng)驗結(jié)構(gòu)化方法適合航天(hángtiān)軟件研制工作結(jié)構(gòu)化方法是基礎(chǔ)性方法結(jié)構(gòu)化方法包括就形成了配套的軟件結(jié)構(gòu)化分析方法、結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)化編程方法，其核心和基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計理論共五十六頁“結(jié)構(gòu)化”起源(qǐyuán)：對GOTO的認識1968年Dijkstra在ACM通訊中發(fā)表了“GOTO語句是有害的”文章，認為(rènwéi)：GOTO語句是有害的，是造成程序混亂的禍根，程序的質(zhì)量與GOTO語句的數(shù)量成反比，應(yīng)該在所有高級程序設(shè)計語言中取消GOTO語句激起了強烈的反響和長期廣泛的論戰(zhàn)共五十六頁論據(jù)(lùnjù)1966年，Boehm和Jacopini證明了程序設(shè)計語言只要上旬、選擇和重復(chóngfù)三種形式的控制結(jié)構(gòu)就足以表達出各種其他形式的結(jié)構(gòu)1970年McKeeman稱其XPL編譯程序僅用一個GOTO語句1972年C.Strachey設(shè)計的操作系統(tǒng)只在五處使用了標號和GOTO語句共五十六頁爭辯(zhēngbiàn)否定GOTO取消GOTO后，程序(chéngxù)易理解、易排錯、易維護沒有其它好的結(jié)構(gòu)代替GOTO的話，容易濫用GOTO無GOTO的程序容易進行正確性證明肯定GOTO在塊和進程的非正常出口處往往需要使用GOTO會使程序執(zhí)行效率較高在合成程序目標時，GOTO語句往往是有用的，如返回語句用GOTO共五十六頁結(jié)論(jiélùn)1974年Knuth發(fā)表了總結(jié)性文章：“帶有GOTO的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計”令人信服地總結(jié)和證實了以下三點：濫用GOTO語句確實有害，應(yīng)盡量避免完全避免使用GOTO語句也并非是個明智的方法，有些地方使用GOTO語句，會使程序流程更清楚、效率更高爭論(zhēnglùn)的焦點不應(yīng)該放在是否取消GOTO語句，而應(yīng)該放在用什么樣的程序結(jié)構(gòu)上最后一點使關(guān)鍵，肯定以提高程序清晰性為目標的結(jié)構(gòu)化方法共五十六頁結(jié)構(gòu)化方法(fāngfǎ)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(shèjì)：一種良好定義的軟件開發(fā)技術(shù)，它采用自頂向下設(shè)計(shèjì)和實現(xiàn)方法，并嚴格地采用結(jié)構(gòu)化程序的控制構(gòu)造結(jié)構(gòu)化方法的原則：清晰第一效率第二設(shè)計先于編碼自頂向下逐步細化共五十六頁1清晰第一效率(xiàolǜ)第二著名的“清晰第一，效率第二”已成為當今主導的程序設(shè)計風格(fēnggé)“先求清楚后求快”“保持程序簡單以求快”“寫清楚——不要為‘效率’犧牲清晰”共五十六頁2設(shè)計(shèjì)先于編碼“開始寫程序越早，完成程序需要的時間就越長?！薄霸O(shè)計先于編碼”已成為所有(suǒyǒu)程序設(shè)計必須遵守的一條原則。設(shè)計一定要利用各種設(shè)計工具來進行。共五十六頁3逐步(zhúbù)細化的設(shè)計方法…逐步細化方法是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的心臟。1）中心思想a.程序設(shè)計(chénɡxùshèjì)是一個由粗到細的過程;b.程序設(shè)計不僅包括對控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計，也包括對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，兩者都要一步步地細化。共五十六頁3逐步(zhúbù)細化的設(shè)計方法2）指導原則a.先分解主要問題，次要的問題可暫時擱置；b.堅持漸進的原則，每一步的變化不要太大；c.過程的細化與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的細化宜并行、交叉地進行；d.選用適合于問題的設(shè)計工具；e.最后一步應(yīng)詳細到所得結(jié)果可以直接翻譯為源程序。3）優(yōu)點a.便于控制開發(fā)的復雜性;b.便于驗證(yànzhèng)程序的正確性。共五十六頁模塊化原則(yuánzé)主要思想是：將整個系統(tǒng)進行分解成為(chéngwéi)若干功能獨立的，能分別設(shè)計、編程和測試的模塊程序員能單獨地負責一個或幾個模塊的開發(fā)開發(fā)一個模塊不需要知道系統(tǒng)其它模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和編程細節(jié)模塊之間的接口盡可能簡明，模塊應(yīng)盡可能彼此隔離共五十六頁模塊化應(yīng)達到(dádào)的要求具有可修改性：對整個系統(tǒng)的一次修改只涉及少數(shù)幾個模塊，這種局部性的修改不僅能滿足系統(tǒng)修改的要求，而且不會影響系統(tǒng)已經(jīng)具有的良好質(zhì)量具有易讀性：每個模塊的含義和職責被明確，模塊之間的接口關(guān)系清楚，從而降低復雜性，使得閱讀和理解比較方便具有易驗證性：只有每個模塊能實現(xiàn)正確(zhèngquè)，才可能使整個系統(tǒng)的正確(zhèngquè)性有必要的前提共五十六頁信息(xìnxī)隱藏方法Parnas提出信息隱藏是模塊化程序設(shè)計的基本(jīběn)方法信息隱藏：為了實現(xiàn)部件的可見性控制，在分層構(gòu)造軟件模塊時，要求這些部件只在模塊內(nèi)部可見，在模塊外部不可見共五十六頁結(jié)構(gòu)化分析方法(fāngfǎ)結(jié)構(gòu)化分析(SA)方法是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計理論在軟件需求分析階段的運用。它是七十年代中期倡導的基于功能分解的分析方法，常用于基于瀑布模型的軟件研制過程的需求分析階段，其目的是幫助弄清用戶對軟件的需求。按照DeMarco的定義，“結(jié)構(gòu)化分析就是使用數(shù)據(jù)流圖（ＤＦＤ）、數(shù)據(jù)字典（ＤＤ）、結(jié)構(gòu)化英語、決策表和決策樹等工具，來建立一種新的、稱為結(jié)構(gòu)化規(guī)格說明(shuōmíng)的目標文檔。”共五十六頁結(jié)構(gòu)化分析五個步驟(bùzhòu)1)通過對用戶的調(diào)查，以軟件的需求為線索，獲得(huòdé)當前系統(tǒng)的具體模型；2)去掉具體模型中非本質(zhì)因素，抽象出當前系統(tǒng)的邏輯模型；3)根據(jù)計算機的特點分析當前系統(tǒng)與目標系統(tǒng)的差別，建立目標系統(tǒng)的邏輯模型；4)完善目標系統(tǒng)并補充細節(jié)，寫出目標系統(tǒng)的軟件需求規(guī)格說明；5)評審直到確認完全符合用戶對軟件的需求。共五十六頁八條指導(zhǐdǎo)原則1)請用戶共同參與開發(fā)；2)編寫用戶資料，考慮他們的專門技術(shù)水平和閱讀與使用資料的目的；3)使用畫圖工具(gōngjù)做媒介，減少與用戶交流時發(fā)生問題的可能性；4)進行系統(tǒng)設(shè)計之前建立一個系統(tǒng)的邏輯模型；5)自頂向下進行分析設(shè)計；6)自頂向下的方法進行測試；7)驗收之前，就讓用戶看到系統(tǒng)的某些主要輸出，使用戶能夠盡早地看到結(jié)果，及時地提出意見；8)對系統(tǒng)的評價不僅是指開發(fā)和運行費用的評價，而是對整個生存過程中的費用和收益的評價。共五十六頁結(jié)構(gòu)化分析方法(fāngfǎ)四大特點一是用畫圖的方法二是自頂向下地分解三是強調(diào)(qiángdiào)邏輯而不是物理四是沒有重復性共五十六頁結(jié)構(gòu)化分析的工具(gōngjù)1)數(shù)據(jù)流圖(DFD)；2)控制流圖(CFD)；3)數(shù)據(jù)(shùjù)字典(DD)；4)控制邏輯表達方法,包括狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(STD)等；5)處理邏輯表達方法，包括結(jié)構(gòu)化語言、判斷樹和判斷表；6)數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)規(guī)范化；7)數(shù)據(jù)立即存取圖(DIAD)。共五十六頁四句(sìjù)指導工作的準則分層分片，均衡分解；父子平衡，推遲細節(jié)。分層就是逐步細化；分片就是用一組數(shù)據(jù)流圖來代替一大張包羅萬象的總圖。均衡分解是指自頂向下畫分層數(shù)據(jù)流圖時，各個子系統(tǒng)的分解程度應(yīng)大致均勻。父子平衡是指數(shù)據(jù)(shùjù)流圖的父圖與子圖在輸入數(shù)據(jù)(shùjù)和輸出數(shù)據(jù)(shùjù)上應(yīng)該分別保持一致。推遲細節(jié)是指為了優(yōu)先考慮重要問題，允許將一些細節(jié)推遲到下層數(shù)據(jù)流圖來處理。共五十六頁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(shèjì)方法70年代提出的面向數(shù)據(jù)流、重點確定(quèdìng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法“結(jié)構(gòu)化設(shè)計就是采用最佳的可能方法設(shè)計系統(tǒng)的各個組成部分以及各成分之間的內(nèi)部聯(lián)系的技術(shù)。也就是說，結(jié)構(gòu)化設(shè)計是這樣一個過程，它決定用哪些方法把哪些部分聯(lián)系起來，才能解決好某個具體有清楚定義的問題。”基本思想是將軟件設(shè)計成由相對獨立、單一功能的模塊組成的結(jié)構(gòu)。評價模塊結(jié)構(gòu)質(zhì)量的兩個具體標準——內(nèi)聚度和耦合度共五十六頁耦合度耦合度：耦合度是各模塊之間相互聯(lián)系的一種度量，它是對模塊獨立性的直接衡量，耦合度越弱就意味著模塊的獨立性越高，則模塊間相互影響就越小。耦合度的強弱可以由弱至強分為非直接耦合、數(shù)據(jù)耦合、特征耦合、控制耦合、外部耦合、公共(gōnggòng)耦合和內(nèi)容耦合七個等級。共五十六頁內(nèi)聚度內(nèi)聚度是指一個模塊內(nèi)部各成分（語句或語句段）之間的聯(lián)系程度，內(nèi)聚度高，則模塊的相對獨立性勢必會提高。內(nèi)聚度由低到高可劃分(huàfēn)為偶然內(nèi)聚、邏輯內(nèi)聚、時間內(nèi)聚、過程內(nèi)聚、通訊內(nèi)聚、順序內(nèi)聚和功能內(nèi)聚七個等級。共五十六頁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(shèjì)方法設(shè)計(shèjì)步驟1)建立初始(chūshǐ)結(jié)構(gòu)圖;2)改進初始結(jié)構(gòu)圖。共五十六頁建立(jiànlì)初始結(jié)構(gòu)圖開始細化/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)圖改進為最終結(jié)構(gòu)圖對最終結(jié)構(gòu)圖進行評審結(jié)束是否從數(shù)據(jù)流圖過渡到結(jié)構(gòu)圖共五十六頁傳入傳入部分變換中心傳出部分（a）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)DFD共五十六頁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)SC共五十六頁改進(gǎijìn)初始結(jié)構(gòu)圖…

1）減少塊間聯(lián)系，降低耦合度：可從方式(fāngshì)、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，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）適當考慮系統(tǒng)將來可能發(fā)生的變化；共五十六頁改進(gǎijìn)初始結(jié)構(gòu)圖4）注意模塊(mókuài)的大小：限制模塊(mókuài)大小是降低復雜性的手段之一；5）適當調(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。一個模塊調(diào)用或被調(diào)用過多，往往是設(shè)計不好的跡象；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。共五十六頁三條指導(zhǐdǎo)規(guī)則1）對模塊分割、合并和變動模塊調(diào)用關(guān)系(guānxì)的指導規(guī)則2）保持高扇入/低扇出的規(guī)則3）把作用域保持在控制域之內(nèi)的規(guī)則共五十六頁對模塊分割、合并和變動模塊調(diào)用關(guān)系(guānxì)的指導規(guī)則分割或合并結(jié)構(gòu)圖中的模塊，應(yīng)以提高(tígāo)模塊獨立性為首要的標準：力求提高(tígāo)內(nèi)聚，降低耦合，簡化接口，少用全局性和控制型信息要適當考慮快的大小對模塊位置應(yīng)否變更，視處理是否方便來定，不必拘泥于數(shù)據(jù)流圖共五十六頁保持(bǎochí)高扇入/低扇出的規(guī)則扇入數(shù)指調(diào)用該模塊的模塊個數(shù)扇出數(shù)指該模塊調(diào)用的模塊個數(shù)扇入高則上級模塊多，能增加利用率扇出低則下級模塊少，能減少復雜度扇出數(shù)以３－４為宜，最好不超過5-7軟件結(jié)構(gòu)通常具有(jùyǒu)“甕”形或“清真寺”形的形狀共五十六頁把作用域保持(bǎochí)在控制域之內(nèi)的規(guī)則一個模塊的控制域，等于模塊本身加上其下級模塊。一個模塊的作用域，是受這個模塊中的判定所影響的模塊。規(guī)則的含義是：a.作用域不要(bùyào)超過控制域的范圍；b.軟件系統(tǒng)的判定，其位置離受它控制的模塊越近越好。共五十六頁結(jié)構(gòu)化編程方法(fāngfǎ)用一組標準的準則和工具從事(cóngshì)程序設(shè)計，稱為結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計；這些準則和工具包括一組基本控制結(jié)構(gòu)，自頂向下擴展原則，模塊化和逐步求精結(jié)構(gòu)化編程方法派生于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計理論，它要求使用順序、選擇、循環(huán)等基本控制結(jié)構(gòu)，并遵循增加程序產(chǎn)量、提高程序可讀性、容易測試和驗證的原則來編寫程序。共五十六頁結(jié)構(gòu)化編程應(yīng)遵循(zūnxún)的原則…1)使用(shǐyòng)程序設(shè)計語言中的順序、選擇、循環(huán)等有限的控制結(jié)構(gòu)表示程序的控制邏輯；2)選用的控制結(jié)構(gòu)只準許有一個入口和一個出口；3)程序語句組成容易識別的塊，每塊只有一個入口和一個出口；4)復雜結(jié)構(gòu)應(yīng)該用嵌套的基本控制結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)；共五十六頁結(jié)構(gòu)化編程應(yīng)遵循(zūnxún)的原則5)語言中所沒有的控制結(jié)構(gòu)，應(yīng)該采用前后一致的方法來模擬；6)嚴格控制GOTO語句，僅在下列情況才可使用：a.用一個非結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計語言去實現(xiàn)一個結(jié)構(gòu)化的構(gòu)造；b.若不使用GOTO語句會使功能模糊；c.在某種可以(kěyǐ)改善而不是損害程序可讀性的情況下。共五十六頁結(jié)構(gòu)化編程方法(fāngfǎ)的主要優(yōu)點1)易于理解、使用和維護。程序員采用結(jié)構(gòu)化編程方法，降低了程序的復雜性，因此容易編寫程序。程序員能夠進行逐步求精、程序證明和測試，以確保程序的正確性，程序容易閱讀并被人理解，便于用戶使用和維護。2)提高編程工作的效率，降低了軟件開發(fā)成本。由于結(jié)構(gòu)化編程方法能夠把錯誤控制到最低限度，因此能夠減少調(diào)試和查錯時間。結(jié)構(gòu)化程序是由一些為數(shù)不多的基本結(jié)構(gòu)模塊組成，這些模塊甚至可以由機器自動(zìdòng)生成，從而極大地減輕了編程工作量。共五十六頁軟件開發(fā)的原則(yuánzé)（1）規(guī)范嚴格的原則遵循嚴格化原則，可以達到開發(fā)出正確、成功的軟件產(chǎn)品的目的軟件開發(fā)過程是創(chuàng)造性的工作過程，但嚴格化不會抑制創(chuàng)造性嚴格的分析設(shè)計可以增強對創(chuàng)造性成果的信心嚴格化對可靠性、維護性、可移植性、可理解性等產(chǎn)生影響(yǐngxiǎng)過程詳細記錄可供精確地掌握和控制開發(fā)過程共五十六頁軟件開發(fā)的原則(yuánzé)（2）分隔化的原則解決復雜(fùzá)問題時從不同的方面把問題分隔開，然后單獨集中精力解決每一個方面的問題分隔化原則是要將相互關(guān)系不太緊密的方面分割開，對相互聯(lián)系僅考慮其影響分隔的途徑：以時間次序、以質(zhì)量指標、以軟件規(guī)模、以不同的視圖、以開發(fā)人員的技能共五十六頁軟件開發(fā)的原則(yuánzé)（3）模塊化的原則先對復雜問題進行分析，找出基本要素，盡量使之獨立，然后(ránhòu)各個擊破簡單的單元易于加工、維修，可以標準化、通用化復雜問題的分解，基于自頂向下的思路已有模塊的組合，基于自底向上的思路共五十六頁軟件開發(fā)的原則(yuánzé)（4）抽象化的原則重要、帶有普遍意義特征的方面或內(nèi)容被抽象出來，次要的、缺乏普遍意義的方面或內(nèi)容被忽略抽象是分隔(fēngé)化原則的一種特殊應(yīng)用共五十六頁軟件開發(fā)的原則(yuánzé)（5）預(yù)見變動(biàndòng)的原則軟件由于其錯誤、新需求、新環(huán)境而產(chǎn)生變化要求開發(fā)時就要考慮到軟件變動的要求PARNAS的原則開發(fā)系列產(chǎn)品漸進開發(fā)，從子集出發(fā)，信息隱藏，保持接口不變采用為變化而設(shè)計的技術(shù)共五十六頁軟件開發(fā)的原則(yuánzé)（6）通用化的原則盡量找出對類似(lèisì)問題或相關(guān)問題的具有一定普遍意義的解決方法，并在相應(yīng)產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用，使軟件產(chǎn)品具有一定的通用性對普遍性、通用性問題的解決方法具有質(zhì)量、經(jīng)濟方面的價值對通用和專用，需要在經(jīng)濟和效率方面進行權(quán)衡通用性原則是設(shè)計通用的軟件產(chǎn)品的一個最基本原則共五十六頁軟件開發(fā)的原則(yuánzé)（7）逐步完善的原則由于難以確定用戶的具體需求，只能從不完善逐步走向(zǒuxiàng)完善必須注意：記錄每一個有意義的漸進文檔必須盡早反映變動，變動得到控制MICRO