第8章軟件工程

1、第8章 軟件工程（授課2學(xué)時）內(nèi)容提要本章對軟件工程中相關(guān)的概念和內(nèi)容作介紹。通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)理解軟件工程和軟件生存期的含義，了解軟件開發(fā)的工程化方法，知道軟件開發(fā)的瀑布模型、漸增模型、演化模型、螺旋模型、噴泉模型和智能模型。了解軟件開發(fā)的工程化方法，特別應(yīng)對面向?qū)ο蠓椒ê蛙浖?fù)用技術(shù)有比較深入的了解。了解軟件過程工程和過程改進的概念，特別應(yīng)對軟件能力成熟度模型有比較深入的了解。教學(xué)目標(biāo)：理解軟件工程和軟件生存期的含義，了解軟件開發(fā)的工程化方法，特別應(yīng)對面向?qū)ο蠓椒ê蛙浖?fù)用技術(shù)有比較深入的了解。了解軟件過程工程和過程改進的概念，特別應(yīng)對軟件能力成熟度模型有比較深入的了解。教學(xué)內(nèi)容：8.1軟件工

2、程的概念教學(xué)要求：理解軟件工程和軟件生存期的含義重點：什么是軟件工程難點：軟件生存周期教學(xué)設(shè)計：講解。結(jié)合一個軟件開發(fā)的實例講解。8.1.1為什么提出軟件工程20世紀(jì)60年代，國外在開發(fā)一些大型軟件系統(tǒng)時，遇到了許多困難：v 有些系統(tǒng)最終徹底失敗了v 有些系統(tǒng)雖然完成了，但比原定計劃推遲了好幾年，而且費用大大超過了預(yù)算；v 有些系統(tǒng)未能圓滿地符合用戶當(dāng)初的期望；v 有些系統(tǒng)則無法進行修改維護。這是由于大型軟件系統(tǒng)大大增加了軟件復(fù)雜性，軟件規(guī)模的增加使技術(shù)復(fù)雜性和管理復(fù)雜性呈指數(shù)上升。20世紀(jì)60年代末期所發(fā)生的軟件危機，體現(xiàn)在軟件可靠性沒有保障、軟件維護費用不斷上升、進度無法預(yù)測、成本增長無法

3、控制、程序人員無限度地增加等各個方面，以致形成人們難以控制軟件開發(fā)的局面。軟件開發(fā)工程化的概念和方法應(yīng)運而生。 8.1.2什么是軟件工程軟件工程是研究和應(yīng)用如何以系統(tǒng)性的、規(guī)范化的、可定量的過程化方法去開發(fā)和維護軟件，以及如何把經(jīng)過時間考驗而證明正確的管理技術(shù)和當(dāng)前能夠得到的最好的技術(shù)方法結(jié)合起來。是應(yīng)用計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)及管理科學(xué)等原理,借鑒傳統(tǒng)工程的原則、方法來創(chuàng)建軟件,從而達到提高質(zhì)量、降低成本的目的。其中計算機科學(xué)和數(shù)學(xué)用于構(gòu)造模型、分析算法，工程科學(xué)用于制定規(guī)范、明確樣例、評估成本、確定權(quán)衡，管理科學(xué)用于進度、資源、質(zhì)量、成本等的管理。8.1.3軟件生存周期是一個從用戶需求開始，經(jīng)過開

4、發(fā)、交付使用，在使用中不斷地增補修訂，直至讓位于新的軟件的全過程，是指軟件產(chǎn)品從考慮其概念開始，到該軟件產(chǎn)品不再能使用為止的整個時期。一般包括：概念階段、需求階段、設(shè)計階段、實現(xiàn)階段、測試階段、安裝階段以及交付使用階段、運行階段和維護階段。8.2軟件開發(fā)模型教學(xué)要求： 了解軟件開發(fā)模型重點： 瀑布模型、漸增模型難點：瀑布模型、漸增模型教學(xué)設(shè)計：結(jié)合軟件開發(fā)實例講解8.2.1瀑布模型瀑布模型(Waterfall Model)是1970年Winston Royce提出的最早出現(xiàn)的軟件開發(fā)模型。它將軟件開發(fā)過程中的各項活動規(guī)定為依固定順序連接的若干階段工作，形如瀑布流水，最終得到軟件系統(tǒng)或軟件產(chǎn)品。

5、制定計劃、需求分析和定義、軟件設(shè)計、程序編寫、軟件測試、運行和維護6個步驟見。 計 劃需求分析瀑布模型(Waterfall Model)是1970年Winston Royce提出的最早出現(xiàn)的軟件開發(fā)模型。它將軟件開發(fā)過程中的各項活動規(guī)定為依固定順序連接的若干階段工作，形如瀑布流水，最終得到軟件系統(tǒng)或軟件產(chǎn)品。制定計劃、需求分析和定義、軟件設(shè)計、程序編寫、軟件測試、運行和維護6個步驟見計 編 碼 測 試運行、維護8.2.2漸增模型漸增模型(Incremental Model)亦稱有計劃的產(chǎn)品改進型，它從一組給定的需求開始，通過構(gòu)造一系列可執(zhí)行中間版本來實施開發(fā)活動。第一個中間版本納入一部分需求，

6、下一個中間版本納入更多的需求，依此類推，直到系統(tǒng)完成。每個中間版本都要執(zhí)行必要的過程、活動和任務(wù)。這種模型在開發(fā)每個中間版本時，開發(fā)過程中的活動和任務(wù)順序地或部分平行地使用。當(dāng)相繼中間版本在部分并行開發(fā)時，開發(fā)過程中的活動和任務(wù)可以在各中間版本間平行地采用。 8.2.3演化模型演化模型(Evolutionary Model)主要針對事先不能完整定義需求的軟件項目開發(fā)。許多軟件開發(fā)項目由于人們對軟件需求的認(rèn)識模糊，很難一次開發(fā)成功，返工再開發(fā)難以避免。為此，人們對需開發(fā)的軟件給出基本需求，作第一次試驗開發(fā)，其目標(biāo)僅在于探索可行性和弄清需求，取得有效的反饋信息，以支持軟件的最終設(shè)計和實現(xiàn)

7、。通常把第一次試驗性開發(fā)出的軟件稱為原型(prototype)。v “丟棄型”方式為當(dāng)原型開發(fā)后，已獲得了更為清晰的需求反饋信息，原型無需保留而丟棄，開發(fā)的原型僅以演示為目的，這往往用在軟件的用戶界面的開發(fā)上；v “樣品型”方式為原型規(guī)模與最終產(chǎn)品相似，只是原型僅供研究用；v “漸增式演化型”把原型作為最終產(chǎn)品的一部分，它可滿足用戶的部分需求，經(jīng)用戶試用后提出精化系統(tǒng)、增強系統(tǒng)能力的需求，開發(fā)人員根據(jù)反饋信息，實施開發(fā)的迭代過程。8.2.4螺旋模型螺旋模型(Spiral Model)是由TRW公司的Barry Boehm于1988年提出的，它將瀑布模型和演化模型等結(jié)合起來，并且強調(diào)了其他模型均

8、忽略了的風(fēng)險分析。螺旋模型更適合于大型軟件的開發(fā)，應(yīng)該說它對于具有高度風(fēng)險的大型復(fù)雜軟件系統(tǒng)的開發(fā)是較為實際的方法。該模型通常用來指導(dǎo)大型軟件項目的開發(fā)，它將開發(fā)劃分為制訂計劃、風(fēng)險分析、實施開發(fā)和客戶評估4類活動。沿著螺旋線每轉(zhuǎn)一圈，表示開發(fā)出一個更完善的新的軟件版本。如果開發(fā)風(fēng)險過大，開發(fā)機構(gòu)和客戶無法接受，項目有可能就此終止。多數(shù)情況下，會沿著螺旋線繼續(xù)下去，自內(nèi)向外逐步延伸，最終得到滿意的軟件產(chǎn)品。8.2.5噴泉模型噴泉模型（Fountain Model)是由BHSollers和JMEdwards于1990年提出的一種新開發(fā)模型。噴泉模型主要用于采用對象技術(shù)的軟件開發(fā)項目，噴泉一詞本身

9、就體現(xiàn)了迭代和無間隙的特性。軟件的某個部分常常被重復(fù)工作多次，相關(guān)對象在每次迭代中隨之加入漸進的軟件成分。無間隙指在各項活動之間無明顯邊界，如分析和設(shè)計活動之間沒有明顯的界限。由于對象概念的引入，表達分析、設(shè)計、實現(xiàn)等活動只用對象類和關(guān)系，從而可以較為容易地實現(xiàn)活動的迭代和無間隙，使其開發(fā)自然地包括復(fù)用。8.2.6轉(zhuǎn)換模型轉(zhuǎn)換模型是用形式化的方法自動生成程序，轉(zhuǎn)換的主要步驟為v 采用形式化的規(guī)格說明書。v 通過自動系統(tǒng)自動地變換成代碼。v 必要時做一些優(yōu)化，改進性能。v 交付用戶使用。v 根據(jù)使用的經(jīng)驗來調(diào)整形式化的規(guī)格說明書。返回第一步重復(fù)整個過程。轉(zhuǎn)換模型的優(yōu)點是解決了代碼結(jié)構(gòu)經(jīng)多次修改而

10、變壞的問題；減少了許多中間步驟，如設(shè)計、編碼、測試等等，是軟件自動生產(chǎn)的有意義的嘗試。但是，轉(zhuǎn)換模型仍有較大局限。8.2.7智能模型智能模型(Intelligent Model)也稱為基于知識的軟件開發(fā)模型，它是知識工程與軟件工程在開發(fā)模型上結(jié)合的產(chǎn)物；它有別于上述的幾種開發(fā)模型，并可協(xié)助軟件開發(fā)人員完成開發(fā)工作。獲取需求需求分析具體描述 優(yōu)化程序需求分析需求分析需求分析知識庫/專家系統(tǒng)8.3軟件開發(fā)方法教學(xué)要求：理解軟件開發(fā)方法的含義重點：結(jié)構(gòu)化方法難點：面向?qū)ο蠓椒ń虒W(xué)設(shè)計：結(jié)合學(xué)生正在學(xué)習(xí)的C/C+語言程序設(shè)計講解。8.3.1模塊化方法模塊化方法（Modular Method）是把一個待

11、開發(fā)的軟件分解成若干較為簡單的部分，稱為模塊(modules)，每個模塊分別獨立地開發(fā)、測試，最后再組裝出整個軟件。這種開發(fā)方法是對待復(fù)雜事物的“分而治之”的一般原則在軟件工程領(lǐng)域的具體體現(xiàn)，即將軟件開發(fā)的復(fù)雜性在分解過程中降低。把系統(tǒng)分解成模塊，應(yīng)遵循以下規(guī)則：（1） 在一個模塊內(nèi)部體現(xiàn)最大程度的關(guān)聯(lián)，只實現(xiàn)單一功能的模塊具有這種特性。（2） 最低的耦合度，即不同的模塊之間的關(guān)系盡可能弱。（3） 模塊的層次不能過深，一般應(yīng)盡量控制在7層以內(nèi)。（4） 接口清晰、信息隱蔽性好。（5） 模塊大小適度。（6） 盡量采用已有的模塊，提高模塊復(fù)用率。8.3.2結(jié)構(gòu)化方法結(jié)構(gòu)化方法是強調(diào)結(jié)構(gòu)的合理性以及所

12、開發(fā)的軟件的結(jié)構(gòu)合理性，由此提出了一組提高軟件結(jié)構(gòu)合理性的準(zhǔn)則，如分解和抽象、模塊的獨立性、信息隱蔽等。針對不同的開發(fā)活動，它有結(jié)構(gòu)化分析、結(jié)構(gòu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)化編程和結(jié)構(gòu)化測試。結(jié)構(gòu)化分析方法給出一組產(chǎn)生功能規(guī)約的原理和技術(shù)，利用圖形表示用戶需求，以數(shù)據(jù)流圖和控制流圖為基礎(chǔ)，伴以數(shù)據(jù)詞典，并配上結(jié)構(gòu)化語言、判定表和判定樹等等手段，達到為問題的解決建立模型。 結(jié)構(gòu)化分析的步驟：v 分析當(dāng)前情況，作出反映當(dāng)前物理模型的數(shù)據(jù)流圖。v 推導(dǎo)出等價的邏輯模型的數(shù)據(jù)流圖。v 設(shè)計新的邏輯系統(tǒng)，生成數(shù)據(jù)詞典和基元描述。v 建立人機接口界面，提出可供選擇的目標(biāo)系統(tǒng)的物理模型數(shù)據(jù)流圖。v 確定各種方案的成本和風(fēng)險

13、等級，據(jù)此對各種方案進行分析v 選擇一種方案。v 建立完整的需求規(guī)約。 8.3.3面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方法面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方法是結(jié)構(gòu)化方法的變形，它注重數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而不是數(shù)據(jù)流。結(jié)構(gòu)化方法以分析信息流為主，用數(shù)據(jù)流圖來表示信息流；面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方法，是從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面分析，即分析信息結(jié)構(gòu)，并用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖(特指該類方法所用的圖形描述工具，如Jackson結(jié)構(gòu)圖、Warnier圖)來表示，再在此基礎(chǔ)上進行需求分析，導(dǎo)出軟件的結(jié)構(gòu)。面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的開發(fā)方法包括分析和設(shè)計活動。由于一些應(yīng)用領(lǐng)域的信息都有層次分明的信息結(jié)構(gòu)，如輸入數(shù)據(jù)、內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)都有層次性，因此在分析活動時可以用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來分析和表示問題的信息域，

14、在設(shè)計活動時，不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以用具有相應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)的程序來處理。面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方法有Warnier法、Jackson法以及DSSD(數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)開發(fā))方法等。8.3.4面向?qū)ο蠓椒ㄔ谲浖_發(fā)過程中把面向?qū)ο蟮乃枷脒\用其中并指導(dǎo)開發(fā)活動的系統(tǒng)方法，稱為面向?qū)ο蠓椒?Object Oriented Method)，簡稱OO方法。對象是由數(shù)據(jù)和容許的操作組成的封裝體，與客觀實體有直接的對應(yīng)關(guān)系。所謂面向?qū)ο缶褪腔趯ο蟾拍?，以對象為中心，以類和繼承為構(gòu)造機制，來認(rèn)識、理解、刻畫客觀世界和設(shè)計、構(gòu)建相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。用面向?qū)ο蠓椒ㄩ_發(fā)的軟件，其結(jié)構(gòu)基于客觀世界界定的對象結(jié)構(gòu)，因此與傳統(tǒng)的軟件相比較，

15、軟件本身的內(nèi)容結(jié)構(gòu)發(fā)生了質(zhì)的變化，其易復(fù)用性和易擴充性都得到了提高，而且能支持需求的變化。 面向?qū)ο笤O(shè)計具體設(shè)計步驟如下：1. 應(yīng)用面向?qū)ο蠓治鰧τ闷渌椒ǖ玫降南到y(tǒng)分析的結(jié)果進行改進和完善。2. 設(shè)計交互過程和用戶接口。包括描述用戶及任務(wù)并根據(jù)需要分成子系統(tǒng)、把交互作用設(shè)計成類、設(shè)計命令層次、設(shè)計交互作用過程及接口并用相應(yīng)符號系統(tǒng)表示。3. 設(shè)計任務(wù)管理。包括根據(jù)前一步驟確定是否需要多重任務(wù)、確定并發(fā)性、確定以何種方式驅(qū)動任務(wù)、設(shè)計子系統(tǒng)及任務(wù)之間的協(xié)調(diào)與通信方式、確定優(yōu)先級。4. 設(shè)計全局資源協(xié)調(diào)。包括確定邊界條件、確定任務(wù)或子系統(tǒng)的軟、硬件分配。5. 設(shè)計類等。包括各個類的存儲和數(shù)據(jù)格式

16、、設(shè)計實現(xiàn)類所需的算法、將屬性和服務(wù)加入到各個類的存儲對象中、設(shè)計對象庫或數(shù)據(jù)庫。 8.3.5統(tǒng)一建模語言由于國際上出現(xiàn)了多種面向?qū)ο蟮姆椒?，每種方法都有自己的表示法、過程和工具，甚至各種方法所使用的術(shù)語也不盡相同。這一現(xiàn)狀導(dǎo)致開發(fā)人員經(jīng)常為選擇何種面向?qū)ο蠓椒ǘ鵂幷?，但是每種方法都各有短長，很難找到一個最佳答案，UML的初衷是結(jié)束面向?qū)ο箢I(lǐng)域中的方法大戰(zhàn)，形成了大家公認(rèn)的一套建模方法。采用UML作為統(tǒng)一建模語言的重要性體現(xiàn)在能統(tǒng)一過去數(shù)十種面向?qū)ο蟮慕ＵZ言的表示方法，可以消除一些潛在的不必要的差異，以免用戶混淆；通過統(tǒng)一語義和符號表示，能夠穩(wěn)定面向?qū)ο蠹夹g(shù)市場，使項目植根于一個成熟的標(biāo)準(zhǔn)建

17、模語言，從而可以大大拓寬所研制與開發(fā)的軟件系統(tǒng)的適用范圍，并大大提高其靈活程度。 統(tǒng)一建模語言-UML中最基本的9種圖1、例圖 展示各類外部行為者與系統(tǒng)所提供的用例之間的連接。2、類圖 展示了系統(tǒng)中類的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，即類與類之間的相互聯(lián)系。3、對象圖 是類圖的實例，它展示了系統(tǒng)執(zhí)行在某一時間點上的一個可能的快照4、狀態(tài)圖 通常是對類描述的補充，它說明該類的對象所有可能的狀態(tài)以及哪些事件將導(dǎo)致狀態(tài)的改變。5、時序圖 展示了幾個對象之間的動態(tài)協(xié)作關(guān)系，它主要是用來顯示對象之間發(fā)送消息的順序，它還顯示了對象之間的交互，即系統(tǒng)執(zhí)行的某一特定時間點所發(fā)生的事。6、協(xié)作圖展示對象間的動態(tài)協(xié)作關(guān)系，它除了說明消

18、息的相互作用外，還顯示對象間的關(guān)系，通?？稍跁r序圖或協(xié)作圖中選擇一個來表示協(xié)作關(guān)系。7、活動圖展示了連續(xù)的活動流，活動圖通常用來描述完成一個操作所需要的活動?；顒訄D由動作狀態(tài)組成，它包含完成一個動作的活動的規(guī)約(即規(guī)格說明)。8、構(gòu)件圖以代碼構(gòu)件為單位展示了代碼的物理結(jié)構(gòu)。UML中的構(gòu)件可以是源代碼構(gòu)件、二進制構(gòu)件或可執(zhí)行構(gòu)件。9、部署圖展示了系統(tǒng)中硬件和軟件的物理結(jié)構(gòu)，計算機和設(shè)備用結(jié)點表示，圖中顯示它們間的相互連接以及連接的方式，在結(jié)點內(nèi)部可分配可執(zhí)行構(gòu)件和對象，并表示這些構(gòu)件和對象在這個結(jié)點上運行。 8.3.6軟件復(fù)用和構(gòu)件技術(shù)v 構(gòu)件技術(shù)的形成開發(fā)和使用可復(fù)用的構(gòu)件是從面向?qū)ο蟮募夹g(shù)發(fā)

19、展而來的一項重要技術(shù)，通過構(gòu)件達到全面應(yīng)用對象技術(shù)與概念，成為開發(fā)出高效、低成本應(yīng)用程序的重要的實現(xiàn)途徑。構(gòu)件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)CORBACOM/DCOM/OLE/ActiveX 技術(shù)基于Java的構(gòu)件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JavaBeans API8.4軟件過程和過程改進教學(xué)要求：了解軟件過程工程和過程改進的概念重點：軟件過程難點：軟件過程教學(xué)設(shè)計：講解8.4.1軟件過程軟件過程概念所涵蓋的范圍，已不再限于傳統(tǒng)意義上的軟件開發(fā)及管理，它涵蓋了軟件采購、軟件開發(fā)、軟件維護、軟件運作、軟件獲取、軟件管理、軟件支持等7大類的軟件活動。8.4.2軟件過程工程v 軟件過程工程是為建立軟件過程所必須實施的一系列工程化的活動，它

20、涉及與此有關(guān)的方法、工具和環(huán)境的研究。v 軟件過程模型軟件過程模型是對軟件過程的結(jié)構(gòu)及其屬性的抽象描述與定義，是軟件過程工程中過程定義活動的結(jié)果。v 過程建模是指通過過程設(shè)計和過程定義而建立過程模型的活動，過程建?；顒邮擒浖^程工程整個系列活動中最主要的活動之一，所有其他的工程活動都是基于過程建?；顒拥慕Y(jié)果來進行的。8.4.3軟件過程模型v 軟件過程模型軟件過程模型是對軟件過程的結(jié)構(gòu)及其屬性的抽象描述與定義，是軟件過程工程中過程定義活動的結(jié)果。v 過程建模是指通過過程設(shè)計和過程定義而建立過程模型的活動，過程建?；顒邮擒浖^程工程整個系列活動中最主要的活動之一，所有其他的工程活動都是基于過程建?；顒拥慕Y(jié)果來進行的。1. 支持對軟件過程的理解和交流。2. 支持對軟件過程的分析。3. 支持軟件過程中的通信。4. 支持對軟件過程的管理。5. 支持對軟件過程的度量。6. 支持對軟件過程的改進。7. 支持軟件過程的復(fù)用。8.4.4軟件過程實施在軟件過程工程中，過程實施是針對特定的軟件項目將過程模型轉(zhuǎn)化為過程實例，并執(zhí)行過程實例，同時不斷優(yōu)化軟件過程的一系列工程化的活動。8.4.5軟件過程改進是在軟件過程工程中為了更有效地達到優(yōu)化軟件過程的目的所實施的