軟件設(shè)計(jì)基本概念.ppt

1、a,1,第2章 軟件設(shè)計(jì)基本概念,2.1 設(shè)計(jì)過(guò)程 2.2 設(shè)計(jì)原理 2.3 啟發(fā)規(guī)則,a,2,軟件設(shè)計(jì)宣言：Mitch Kapor “什么是設(shè)計(jì)？設(shè)計(jì)是你站在兩個(gè)世界技術(shù)世界和人類的目標(biāo)世界而你嘗試將這兩個(gè)世界結(jié)合在一起”。 羅馬建筑批評(píng)家Vitruvius提出的觀念： “設(shè)計(jì)良好的建筑應(yīng)該展示出堅(jiān)固、適用和令人賞心悅目”。,a,3,設(shè)計(jì)階段： 從工程管理的角度，可以將軟件設(shè)計(jì)分為概要設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。 從技術(shù)的角度，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化方法將軟件設(shè)計(jì)劃分為體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)和過(guò)程設(shè)計(jì)4部分。 面向?qū)ο蠓椒▌t將軟件設(shè)計(jì)劃分為體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、類設(shè)計(jì)/數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)和構(gòu)件級(jí)設(shè)計(jì)4部

2、分。,a,4,a,5,結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)化分析的關(guān)系：,a,6,總體設(shè)計(jì)過(guò)程：首先尋找實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)的各種不同的方案；然后分析員從這些供選擇的方案中選取若干個(gè)合理的方案，從中選出一個(gè)最佳方案向用戶和使用部門負(fù)責(zé)人推薦；分析員應(yīng)該進(jìn)一步為這個(gè)最佳方案設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，確定測(cè)試要求并且制定測(cè)試計(jì)劃。 必要性：總體設(shè)計(jì)可以站在全局高度上，花較少成本，從較抽象的層次上分析對(duì)比多種可能的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案和軟件結(jié)構(gòu)，從中選出最佳方案和最合理的軟件結(jié)構(gòu)，從而用較低成本開(kāi)發(fā)出較高質(zhì)量的軟件系統(tǒng)。,a,7,5.1 設(shè)計(jì)過(guò)程,由兩個(gè)主要階段組成： 系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，確定系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方案 設(shè)想供選擇的方案

3、選取合理的方案 推薦最佳方案 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，確定軟件結(jié)構(gòu) 功能分解 設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù),制定測(cè)試計(jì)劃 書寫文檔 審查和復(fù)審,a,8,典型的總體設(shè)計(jì)過(guò)程包括下述9個(gè)步驟： 1. 設(shè)想供選擇的方案 根據(jù)需求分析階段得出的數(shù)據(jù)流圖考慮各種可能的實(shí)現(xiàn)方案，力求從中選出最佳方案。 2. 選取合理的方案 從前一步得到的一系列供選擇的方案中選取若干個(gè)合理的方案。對(duì)每個(gè)合理的方案分析員都應(yīng)該準(zhǔn)備下列4份資料： 系統(tǒng)流程圖； 組成系統(tǒng)的物理元素清單； 成本/效益分析； 實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)度計(jì)劃。,a,9,3. 推薦最佳方案 分析員應(yīng)該綜合分析對(duì)比各種合理方案的利弊，推薦一個(gè)最佳的方案，并且為推薦的方案制定詳

4、細(xì)的實(shí)現(xiàn)計(jì)劃。 4. 功能分解 首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行過(guò)程設(shè)計(jì)。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定程序由哪些模塊組成，以及這些模塊之間的關(guān)系；過(guò)程設(shè)計(jì)確定每個(gè)模塊的處理過(guò)程。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是總體設(shè)計(jì)階段的任務(wù)，過(guò)程設(shè)計(jì)是詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的任務(wù)。,a,10,5. 設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu) 通常程序中的一個(gè)模塊完成一個(gè)適當(dāng)?shù)淖庸δ堋?yīng)該把模塊組織成良好的層次系統(tǒng)。軟件結(jié)構(gòu)可以用層次圖或結(jié)構(gòu)圖來(lái)描繪。 如果數(shù)據(jù)流圖已經(jīng)細(xì)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(jì)方法。 6. 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù) 對(duì)于需要使用數(shù)據(jù)庫(kù)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(jìn)一步設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。,a,1

5、1,7. 制定測(cè)試計(jì)劃 在軟件開(kāi)發(fā)的早期階段考慮測(cè)試問(wèn)題，能促使軟件設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)注意提高軟件的可測(cè)試性。 8. 書寫文檔 應(yīng)該用正式的文檔記錄總體設(shè)計(jì)的結(jié)果，在這個(gè)階段應(yīng)該完成的文檔通常有下述幾種： (1) 系統(tǒng)說(shuō)明； (2) 用戶手冊(cè)；(3) 測(cè)試計(jì)劃； (4) 詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)計(jì)劃；(5) 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)結(jié)果。 9. 審查和復(fù)審 最后應(yīng)該對(duì)總體設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格的技術(shù)審查和管理復(fù)審。,a,12,5.2 設(shè)計(jì)原理 5.2.1 模塊化,模塊：是由邊界元素限定的相鄰程序元素的序列，而且有一個(gè)總體標(biāo)識(shí)符代表它。 模塊化：就是把程序劃分成獨(dú)立命名且可獨(dú)立訪問(wèn)的模塊，每個(gè)模塊完成一個(gè)子功能，把這些模塊集成起

6、來(lái)構(gòu)成一個(gè)整體，可以完成指定的功能滿足用戶的需求。,a,13,為什么要模塊化？ 模塊化是為了使一個(gè)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。 如果一個(gè)大型程序僅由一個(gè)模塊組成，它將很難被人所理解。,a,14,模塊化的根據(jù)： 如果C(P1)C(P2)，顯然E(P1)E(P2) 根據(jù)人類解決一般問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)， C(P1+P2)C(P1)+C(P2) 綜上所述，得到下面的不等式 E(P1+P2)E(P1)+E(P2),a,15,每個(gè)程序都相應(yīng)地有一個(gè)最適當(dāng)?shù)哪K數(shù)目M，使得系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本最小。,模塊化和軟件成本,a,16,模塊化的作用： 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(jì)也

7、容易閱讀和理解。 模塊化使軟件容易測(cè)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。 模塊化也有助于軟件開(kāi)發(fā)工程的組織管理。,a,17,5.2.2 抽象,抽象：現(xiàn)實(shí)世界中一定事物、狀態(tài)或過(guò)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(lái)，暫時(shí)忽略它們之間的差異，這就是抽象。 抽象就是抽出事物本質(zhì)特性而暫時(shí)不考慮細(xì)節(jié)。 “抽象是人類處理復(fù)雜問(wèn)題的基本方法之一?！?Grady Boach,a,18,一般抽象過(guò)程： 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。 一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)首先可以用一些高級(jí)的抽象概念構(gòu)造和理解，這些高級(jí)概念又可以用一些較低

8、級(jí)的概念構(gòu)造和理解，如此進(jìn)行下去，直至最低層次的具體元素。 例：過(guò)程抽象、數(shù)據(jù)抽象,開(kāi)(行為抽象）+ 門(數(shù)據(jù)抽象),a,19,形體,衣著,性格,抽象,抽象例子,外表,a,20,軟件工程抽象過(guò)程： 軟件工程過(guò)程的每一步都是對(duì)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(gè)完整部件； 在需求分析期間，軟件解法是使用在問(wèn)題環(huán)境內(nèi)熟悉的方式描述的； 當(dāng)由總體設(shè)計(jì)向詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)渡時(shí)，抽象的程度也就隨之減少了； 最后，當(dāng)源程序?qū)懗鰜?lái)以后，也就達(dá)到了抽象的最低層。,a,21,5.2.3 逐步求精,逐步求精：為了能集中精力解決主要問(wèn)題而盡量推遲對(duì)問(wèn)題細(xì)節(jié)的考慮。逐步求精是人類解決復(fù)雜問(wèn)題時(shí)

9、采用的基本方法，也是許多軟件工程技術(shù)的基礎(chǔ)。 Miller法則：一個(gè)人在任何時(shí)候都只能把注意力集中在（72）個(gè)知識(shí)塊上。,a,22,逐步求精,外表,形體,衣著,性格,頭發(fā),臉形,領(lǐng)帶,抽象,逐步求精的例子,a,23,例：用篩選法求100以內(nèi)的素?cái)?shù)。所謂的篩選法，就是從2到100中去掉2，3，5，7的倍數(shù)，剩下的就是100以內(nèi)的素?cái)?shù)。 首先按程序功能寫出一個(gè)框架 main() 建立2到100的數(shù)組A ，其中Aii；.1 建立2到10的素?cái)?shù)表B ，存放2到10以內(nèi)的素?cái)?shù)；.2 若Aii是B 中任一數(shù)的倍數(shù)，則剔除Ai；.3 輸出A 中所有沒(méi)有被剔除的數(shù)；.4 ,a,24,上述框架中每一個(gè)加工語(yǔ)句都

10、可進(jìn)一步細(xì)化 main() /*建立2到100的數(shù)組A ，其中Aii*/ .1 for （i = 2；i = 100；i+）Ai = i； /* 建立2到10的素?cái)?shù)表B ，存放2到10以內(nèi)的素?cái)?shù)*/ .2 B1 =2； B2 = 3； B3 = 5； B4 = 7； /*若Aii是B 中任一數(shù)的倍數(shù)，則剔除Ai*/ .3 for （j = 1； j = 4； j+） 檢查A所有數(shù)能否被Bj整除并將其從A剔除；.3.1 /*輸出A 中所有沒(méi)有被剔除的數(shù)*/ .4 for （i = 2； i 25) module_3(); else module_4(); ,a,42,評(píng)價(jià)： 與結(jié)構(gòu)化編程矛盾，生

11、成的代碼完全不可讀。 如果在一個(gè)模塊中對(duì)一個(gè)全局變量的聲明進(jìn)行修改，必須修改能夠訪問(wèn)該全局變量的每一個(gè)模塊。 公共環(huán)境耦合的模塊難于重用，必須提供一個(gè)全局變量的清單。 即使模塊本身不改變，它和產(chǎn)品中其他模塊之間公共環(huán)境耦合的實(shí)例數(shù)也會(huì)變化非常大。 潛在危險(xiǎn)很大。模塊暴露出必需要更多的數(shù)據(jù)，難以控制數(shù)據(jù)存取，而且會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)犯罪。 有些情況下公共環(huán)境耦合更好。,a,43,函數(shù)可重入的概念,可重入函數(shù)也可以這樣理解，重入即表示重復(fù)進(jìn)入，首先它意味著這個(gè)函數(shù)可以被中斷，其次意味著它除了使用自己棧上的變量以外不依賴于任何環(huán)境（包括static），這樣的函數(shù)就是purecode（純代碼）可重入，可以允許

12、有該函數(shù)的多個(gè)副本在運(yùn)行，由于它們使用的是分離的棧，所以不會(huì)互相干擾。如果確實(shí)需要訪問(wèn)全局變量（包括static），一定要注意實(shí)施互斥手段?？芍厝牒瘮?shù)在并行運(yùn)行環(huán)境中非常重要，但是一般要為訪問(wèn)全局變量付出一些性能代價(jià),a,44,(6) 內(nèi)容耦合(content coupling) 最高程度的耦合是內(nèi)容耦合。如果出現(xiàn)下列情況之一，兩個(gè)模塊間就發(fā)生了內(nèi)容耦合： 一個(gè)模塊訪問(wèn)另一個(gè)模塊的內(nèi)部數(shù)據(jù)； 一個(gè)模塊不通過(guò)正常入口轉(zhuǎn)到另一個(gè)模塊的內(nèi)部； 兩個(gè)模塊有一部分程序代碼重疊； 一個(gè)模塊有多個(gè)入口。,a,45,耦合是影響軟件復(fù)雜程度的一個(gè)重要因素。 應(yīng)該采取下述設(shè)計(jì)原則： 盡量使用數(shù)據(jù)耦合， 少用控制耦

13、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。,a,46,2. 內(nèi)聚 內(nèi)聚：標(biāo)志一個(gè)模塊內(nèi)各個(gè)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(kuò)展。簡(jiǎn)單地說(shuō)，理想內(nèi)聚的模塊只做一件事情。 要求：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該力求做到高內(nèi)聚，通常中等程度的內(nèi)聚也是可以采用的，而且效果和高內(nèi)聚相差不多；但是，低內(nèi)聚不要使用。 內(nèi)聚和耦合是密切相關(guān)的，模塊內(nèi)的高內(nèi)聚往往意味著模塊間的松耦合。實(shí)踐表明內(nèi)聚更重要，應(yīng)該把更多注意力集中到提高模塊的內(nèi)聚程度上。,a,47,內(nèi)聚程度的度量： (1) 偶然內(nèi)聚(coincidental cohesion) 如果一個(gè)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)

14、系也是很松散的，就叫做偶然內(nèi)聚。,a,48,評(píng)價(jià)： 模塊內(nèi)各元素之間沒(méi)有實(shí)質(zhì)性聯(lián)系，很可能在一種應(yīng)用場(chǎng)合需要修改這個(gè)模塊，在另一種應(yīng)用場(chǎng)合又不允許這種修改，從而陷入困境； 可理解性差，可維護(hù)性產(chǎn)生退化； 模塊是不可重用的。 解決方案： 將模塊分成更小的模塊，每個(gè)小模塊執(zhí)行一個(gè)操作。,a,49,(2) 邏輯內(nèi)聚(logical cohesion) 如果一個(gè)模塊完成的任務(wù)在邏輯上屬于相同或相似的一類，則稱為邏輯內(nèi)聚。,a,50,評(píng)價(jià)： 接口難以理解，造成整體上不易理解； 完成多個(gè)操作的代碼互相糾纏在一起，即使局部功能的修改有時(shí)也會(huì)影響全局，導(dǎo)致嚴(yán)重的維護(hù)問(wèn)題； 難以重用。 解決方案： 模塊分解。,

15、a,51,a,52,(3) 時(shí)間內(nèi)聚(temporal cohesion) 如果一個(gè)模塊包含的任務(wù)必須在同一段時(shí)間內(nèi)執(zhí)行，就叫時(shí)間內(nèi)聚。,a,53,評(píng)價(jià)： 時(shí)間關(guān)系在一定程度上反映了程序某些實(shí)質(zhì)，所以時(shí)間內(nèi)聚比邏輯內(nèi)聚好一些。 模塊內(nèi)操作之間的關(guān)系很弱，與其他模塊的操作卻有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。 時(shí)間內(nèi)聚的模塊不太可能重用。,a,54,(4) 過(guò)程內(nèi)聚(procedural cohesion) 如果一個(gè)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，則稱為過(guò)程內(nèi)聚。 使用程序流程圖作為工具設(shè)計(jì)軟件時(shí)，常常通過(guò)研究流程圖確定模塊的劃分，這樣得到的往往是過(guò)程內(nèi)聚的模塊。,a,55,a,56,評(píng)價(jià)： 比時(shí)間

16、內(nèi)聚好，至少操作之間是過(guò)程關(guān)聯(lián)的。 仍是弱連接，不太可能重用模塊。 解決方案： 分割為單獨(dú)的模塊，每個(gè)模塊執(zhí)行一個(gè)操作。,a,57,(5) 通信內(nèi)聚(communicational cohesion) 如果模塊中所有元素都使用同一個(gè)輸入數(shù)據(jù)和(或)產(chǎn)生同一個(gè)輸出數(shù)據(jù)，則稱為通信內(nèi)聚。即在同一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上操作。 評(píng)價(jià)： 模塊中各操作緊密相連，比過(guò)程內(nèi)聚更好。 不能重用。 解決方案： 分成多個(gè)模塊，每個(gè)模塊執(zhí)行一個(gè)操作。,a,58,a,59,(6) 順序內(nèi)聚(sequential cohesion) 如果一個(gè)模塊內(nèi)的處理元素和同一個(gè)功能密切相關(guān)，而且這些處理必須順序執(zhí)行，則稱為順序內(nèi)聚。 評(píng)價(jià)：

17、根據(jù)數(shù)據(jù)流圖劃分模塊時(shí)，通常得到順序內(nèi)聚的模塊，這種模塊彼此間的連接往往比較簡(jiǎn)單。,a,60,(7) 功能內(nèi)聚(functional cohesion) 如果模塊內(nèi)所有處理元素屬于一個(gè)整體，完成一個(gè)單一的功能，則稱為功能內(nèi)聚。功能內(nèi)聚是最高程度的內(nèi)聚。 評(píng)價(jià)： 模塊可重用，應(yīng)盡可能重用； 可隔離錯(cuò)誤，維護(hù)更容易； 擴(kuò)充產(chǎn)品功能時(shí)更容易。,a,61,七種內(nèi)聚的優(yōu)劣評(píng)分結(jié)果： 高內(nèi)聚：功能內(nèi)聚 10分 順序內(nèi)聚 9分 中內(nèi)聚：通信內(nèi)聚 7分 過(guò)程內(nèi)聚 5分 低內(nèi)聚：時(shí)間內(nèi)聚 3分 邏輯內(nèi)聚 1分 偶然內(nèi)聚 0分 設(shè)計(jì)時(shí)力爭(zhēng)做到高內(nèi)聚，并且能夠辨認(rèn)出低內(nèi)聚的模塊。,a,62,5.3 啟發(fā)規(guī)則,1.

18、改進(jìn)軟件結(jié)構(gòu)提高模塊獨(dú)立性 通過(guò)模塊分解或合并，降低耦合提高內(nèi)聚。 兩個(gè)方面： 模塊功能完善化。一個(gè)完整的模塊包含： 執(zhí)行規(guī)定的功能的部分 出錯(cuò)處理的部分 返回一個(gè)“結(jié)束標(biāo)志” 消除重復(fù)功能，改善軟件結(jié)構(gòu)。 完全相似 局部相似,a,63,a,64,2. 模塊規(guī)模應(yīng)該適中 經(jīng)驗(yàn)表明，一個(gè)模塊的規(guī)模不應(yīng)過(guò)大，最好能寫在一頁(yè)紙內(nèi)。通常規(guī)定50100行語(yǔ)句，最多不超過(guò)500行。數(shù)字只能作為參考，根本問(wèn)題是要保證模塊的獨(dú)立性。 過(guò)大的模塊往往是由于分解不充分，但是進(jìn)一步分解必須符合問(wèn)題結(jié)構(gòu)，一般說(shuō)來(lái)，分解后不應(yīng)該降低模塊獨(dú)立性。 過(guò)小的模塊開(kāi)銷大于有效操作，而且模塊數(shù)目過(guò)多將使系統(tǒng)接口復(fù)雜。,a,65,3. 深度、寬度、扇出和扇入都應(yīng)適當(dāng) 深度：軟件結(jié)構(gòu)中控制的層數(shù)，它往往能粗略地標(biāo)志一個(gè)系統(tǒng)的大小和復(fù)雜程度。 寬度：軟件結(jié)構(gòu)內(nèi)同一個(gè)層次上