軟件工程全部課件-第1章-軟件與軟件工程的概念

1、第1章 軟件與軟件工程的概念軟件的概念、特性和分類軟件危機與軟件工程軟件工程的目標軟件生存期軟件生存期模型軟件工程知識體系及知識域1.1 軟件的概念、特性和分類軟件的作用具有產(chǎn)品和產(chǎn)品生產(chǎn)載體的雙重作用。作為產(chǎn)品，軟件顯示了由計算機硬件體現(xiàn)的計算能力，扮演著信息轉(zhuǎn)換的角色：產(chǎn)生、管理、查詢、修改、顯示或者傳遞各種不同的信息。作為產(chǎn)品生產(chǎn)的載體，軟件提供了計算機控制（操作系統(tǒng)）、信息通信（網(wǎng)絡(luò)），以及應(yīng)用程序開發(fā)和控制的基礎(chǔ)平臺（軟件工具和環(huán)境）。 1.1 軟件的概念、特性和分類軟件的概念 雖然軟件對于現(xiàn)代人并不陌生，但很多人對于軟件的理解并不準確，“軟件就是程序，軟件開發(fā)就是編程序”的這種錯誤

2、觀點仍然存在。什么是軟件？1.1 軟件的概念、特性和分類軟件是計算機系統(tǒng)中與硬件相互依存的另一部分，它是包括程序、數(shù)據(jù)及相關(guān)文檔的完整集合。程序是按事先設(shè)計的功能和性能要求執(zhí)行的指令序列。數(shù)據(jù)是使程序能正常操縱信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。文檔是與程序開發(fā)，維護和使用有關(guān)的圖文材料。1.1 軟件的概念、特性和分類軟件的特性(1) 形態(tài)特性: 軟件是無形的、不可見的邏輯實體。度量常規(guī)產(chǎn)品的幾何尺寸、物理性質(zhì)和化學(xué)成分對它卻是毫無意義的。 (2) 智能特性：軟件是復(fù)雜的智力產(chǎn)品，它的開發(fā)凝聚了人們的大量腦力勞動，它本身也體現(xiàn)了知識實踐經(jīng)驗和人類的智慧，具有一定的智能。它可以幫助我們解決復(fù)雜的計算、分析、判斷和決

3、策問題。(3) 開發(fā)特性: 盡管已經(jīng)有了一些工具（也是軟件）來輔助軟件開發(fā)工作，但到目前為止尚未實現(xiàn)自動化。軟件開發(fā)中仍然包含了相當份量的個體勞動，使得這一大規(guī)模知識型工作充滿了個人行為和個人因素。 (4) 質(zhì)量特性：目前還無法得到完全沒有缺陷的軟件產(chǎn)品 。1.1 軟件的概念、特性和分類(5) 生產(chǎn)特性:與硬件或傳統(tǒng)的制造業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)完全不同，軟件一旦設(shè)計開發(fā)出來，如果需要提供多個用戶，它的復(fù)制十分簡單，其成本也極為有限 。 (6) 管理特性：由于上述的幾個特點，使得軟件的開發(fā)管理顯得更為重要，也更為獨特 。1.1 軟件的概念、特性和分類(7) 環(huán)境特性:軟件的開發(fā)和運行都離不開相關(guān)的計算機系

4、統(tǒng)環(huán)境，包括支持它的開發(fā)和運行的相關(guān)硬件和軟件。軟件對于計算機系統(tǒng)的環(huán)境有著不可擺脫的依賴性。 (8) 維護特性：軟件投入使用以后需要進行維護，但這種維護與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的維護概念有著很大差別。 1.1 軟件的概念、特性和分類(9) 廢棄特性: 與硬件不同，軟件并不是由于被“用壞”而被廢棄的 。 (10) 應(yīng)用特性：軟件的應(yīng)用極為廣泛，如今它已滲入國民經(jīng)濟和國防的各個領(lǐng)域，現(xiàn)已成為信息產(chǎn)業(yè)、先進制造業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的核心，占據(jù)了無可取代的地位。 1.1 軟件的概念、特性和分類1.1 軟件的概念、特性和分類軟件的分類 按照軟件的作用，一般可以將軟件做如下分類。 (1) 系統(tǒng)軟件 (2) 應(yīng)用軟件 (

5、3) 支撐軟件 (4) 可復(fù)用軟件 軟件危機暴發(fā)于上個世紀六十年代末。主要表現(xiàn)為：軟件的發(fā)展速度遠遠滯后于硬件的發(fā)展速度，不能滿足社會日益增長的軟件需求。軟件開發(fā)周期長、成本高、質(zhì)量差、維護困難。 1.2 軟件危機與軟件工程軟件危機典型例子：美國IBM公司在1963年至1966年開發(fā)的IBM 360機的操作系統(tǒng)。 這個項目的負責(zé)人F.D.Brooks事后總結(jié)了他在組織開發(fā)過程中的沉痛教訓(xùn)時說：正像一只逃亡的野獸落到泥潭中做垂死的掙扎，越是掙扎，陷得越深。最后無法逃脫滅頂?shù)臑?zāi)難，程序設(shè)計工作正像這樣一個泥潭，一批批程序員被迫在泥潭中拼命掙扎，誰也沒有料到竟會陷入這樣的困境1.2 軟件危機與軟件工

6、程具體來說，軟件危機主要有以下一些典型表現(xiàn):對軟件開發(fā)成本和進度的估計常常很不準確。用戶對“已完成的”軟件系統(tǒng)不滿意的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。軟件產(chǎn)品的質(zhì)量往往靠不住。軟件常常是不可維護的。軟件通常沒有適當?shù)奈臋n資料。軟件成本在計算機系統(tǒng)總成本中所占的比例逐年上升。軟件開發(fā)生產(chǎn)率提高的速度，既跟不上硬件的發(fā)展速度，也遠遠跟不上計算機應(yīng)用迅速普及深入的趨勢。 1.2 軟件危機與軟件工程除了軟件本身的特點，軟件危機發(fā)生的主要原因有： 缺乏軟件開發(fā)的經(jīng)驗和有關(guān)軟件開發(fā)數(shù)據(jù)的積累，使得開發(fā)工作的計劃很難制定。軟件人員與用戶的交流存在障礙，使得獲取的需求不充分或存在錯誤 。軟件開發(fā)過程不規(guī)范。如，沒有真正了解用戶

7、的需求就開始編程序。 隨著軟件規(guī)模的增大，其復(fù)雜性往往會呈指數(shù)級升高。需要很多人分工協(xié)作，不僅涉及技術(shù)問題，更重要的是必須有科學(xué)嚴格的管理。缺少有效的軟件評測手段，提交用戶的軟件質(zhì)量不能完全保證。 1.2 軟件危機與軟件工程徹底消除“軟件就是程序”的錯誤觀念。充分認識到軟件開發(fā)應(yīng)該是一種組織良好、管理嚴密、各類人員協(xié)同配合、共同完成的工程項目。推廣和使用在實踐中總結(jié)出來的開發(fā)軟件的成功技術(shù)、方法和工具。按工程化的原則和方法組織軟件開發(fā)工作。 如何擺脫軟件危機?1.2 軟件危機與軟件工程1.2 軟件危機與軟件工程軟件工程的概念為了克服軟件危機，1968年10月在北大西洋公約組織（NATO）召開的

8、計算機科學(xué)會議上，F(xiàn)ritz Bauer首次提出“軟件工程”的概念，試圖將工程化方法應(yīng)用于軟件開發(fā)。在NATO會議上，F(xiàn)ritz Bauer對軟件工程的定義是：“軟件工程就是為了經(jīng)濟地獲得可靠的且能在實際機器上有效地運行的軟件，而建立和使用完善的工程原理?！?1993年IEEE給出的定義： “軟件工程是： 把系統(tǒng)的、規(guī)范的、可度量的途徑應(yīng)用于軟件開發(fā)、運行和維護過程，也就是把工程應(yīng)用于軟件； 研究中提到的途徑?！薄?.2 軟件危機與軟件工程軟件工程是指導(dǎo)計算機軟件開發(fā)和維護的一門工程學(xué)科。采用工程的概念、原理、技術(shù)和方法來開發(fā)和維護軟件，把經(jīng)過時間考驗而證明正確的管理方法和當前能夠得到的最好技

9、術(shù)結(jié)合起來，以經(jīng)濟地開發(fā)出高質(zhì)量的軟件并有效地維護它，這就是軟件工程。1.2 軟件危機與軟件工程1.3 軟件工程的目標軟件工程的目標是運用先進的軟件開發(fā)技術(shù)和管理方法來提高軟件的質(zhì)量和生產(chǎn)率，也就是要以較短的周期、較低的成本生產(chǎn)出高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品，并最終實現(xiàn)軟件的工業(yè)化生產(chǎn)。 1.3 軟件工程的目標生產(chǎn)率與成本密切相關(guān)，生產(chǎn)率的提高往往意味著開發(fā)周期的縮短，成本下降。生產(chǎn)率與質(zhì)量之間也有著內(nèi)在的聯(lián)系，表面上看，追求高質(zhì)量會延長軟件開發(fā)時間，并因此增加了成本，似乎降低了生產(chǎn)率。但如果生產(chǎn)的軟件質(zhì)量差，雖然開發(fā)的時間可能縮短，但之后可能會造成返工，總的開發(fā)時間可能會更長。即使不返工，也無疑會增加維

10、護代價。1.4 軟件生存期概念 軟件也有一個孕育、誕生、成長、成熟和衰亡的生存過程，我們稱這個過程為軟件生命周期或軟件生存期。 軟件生存期由軟件定義、軟件開發(fā)和運行維護3個時期組成，每個時期又可劃分為若干個階段。 1.4 軟件生存期軟件定義時期 主要任務(wù)是解決“做什么”的問題，即確定工程的總目標和可行性；導(dǎo)出實現(xiàn)工程目標應(yīng)使用的策略及系統(tǒng)必須完成的功能；估計完成工程需要的資源和成本；制訂工程進度表。 通常又分為3個階段：問題定義、可行性研究和需求分析。 1.4 軟件生存期軟件開發(fā)時期 主要任務(wù)是解決“如何做”的問題，即具體設(shè)計和實現(xiàn)在前一個時期定義的軟件。 由概要設(shè)計、詳細設(shè)計、編碼和測試4個

11、階段組成。 1.4 軟件生存期軟件運行維護時期 主要任務(wù)是使軟件持久地滿足用戶的需要，通常有4類維護活動：改正性維護，也就是診斷和改正在使用過程中發(fā)現(xiàn)的軟件錯誤；適應(yīng)性維護，即修改軟件以適應(yīng)環(huán)境的變化；完善性維護，即根據(jù)用戶的要求改進或擴充軟件，使它更完善；預(yù)防性維護，即修改軟件為將來的維護活動預(yù)先做準備。 1.4 軟件生存期開發(fā)過程中的典型文檔 軟件需求規(guī)格說明書：描述將要開發(fā)的軟件做什么。 項目計劃：描述將要完成的任務(wù)及其順序，并估計所需要的時間及工作量。 軟件測試計劃：描述如何測試軟件，使之確保軟件應(yīng)實現(xiàn)規(guī)定的功能，并達到預(yù)期的性能。 軟件設(shè)計說明書：描述軟件的結(jié)構(gòu)，包括概要設(shè)計及詳細設(shè)

12、計。 用戶手冊：描述如何使用軟件。 1.4 軟件生存期各個階段所要完成的基本任務(wù)問題定義與可行性研究 本階段要回答的關(guān)鍵問題是“到底要解決什么問題？在成本和時間的限制條件下能否解決問題？是否值得做？” (2) 需求分析 本階段要回答的關(guān)鍵問題是“目標系統(tǒng)應(yīng)當做什么？” (3) 軟件設(shè)計 設(shè)計是軟件工程的技術(shù)核心。本階段要回答的關(guān)鍵問題是“如何實現(xiàn)目標系統(tǒng)？” 1.4 軟件生存期各個階段所要完成的基本任務(wù)(4) 程序編碼和單元測試 本階段要解決的問題是“正確地實現(xiàn)已做的設(shè)計”，即“如何編寫正確的、可維護的程序代碼？” (5) 集成測試和系統(tǒng)測試 集成測試的任務(wù)是將已測試過的模塊按設(shè)計規(guī)定的順序組

13、裝起來，在組裝的過程中檢查程序連接中的問題。 系統(tǒng)測試的任務(wù)是根據(jù)需求規(guī)格說明的要求，對必須實現(xiàn)的各項需求，逐項進行確認，判定已開發(fā)的軟件是否符合用戶需求，能否交付用戶使用。1.4 軟件生存期各個階段所要完成的基本任務(wù)(6) 軟件運行和維護 已交付的軟件投入正式使用，便進入運行階段。這一階段可能持續(xù)若干年。軟件在運行中可能由于多方面的原因，需要對它進行修改。 1.5 軟件生存期模型瀑布模型快速原型模型增量模型螺旋模型噴泉模型統(tǒng)一過程 瀑布模型在20世紀80年代之前，瀑布模型一直是唯一被廣泛采用的生命周期模型。傳統(tǒng)的瀑布模型如圖所示。 瀑布模型瀑布模型的特點階段間具有順序性和依賴性。其中包含兩重

14、含義： 必須等前一階段的工作完成之后，才能開始后一階段的工作； 前一階段的輸出文檔就是后一階段的輸入文檔。瀑布模型瀑布模型的特點推遲實現(xiàn)的觀點 瀑布模型在編碼之前設(shè)置了系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計的各個階段，分析與設(shè)計階段的基本任務(wù)規(guī)定，在這兩個階段主要考慮目標系統(tǒng)的邏輯模型，不涉及軟件的物理實現(xiàn)。 清楚地區(qū)分邏輯設(shè)計與物理設(shè)計，盡可能推遲程序的物理實現(xiàn)，是按照瀑布模型開發(fā)軟件的一條重要的指導(dǎo)思想。瀑布模型瀑布模型的特點質(zhì)量保證的觀點 每個階段都必須完成規(guī)定的文檔，沒有交出合格的文檔就是沒有完成該階段的任務(wù)。 每個階段結(jié)束前都要對所完成的文檔進行評審，以便盡早發(fā)現(xiàn)問題，改正錯誤。瀑布模型實際的瀑布模型實

15、際的瀑布模型是帶“反饋環(huán)”的，如圖所示。 圖中實線箭頭表示開發(fā)過程，虛線箭頭表示維護過程。瀑布模型瀑布模型的優(yōu)點可強迫開發(fā)人員采用規(guī)范化的方法。嚴格地規(guī)定了每個階段必須提交的文檔。要求每個階段交出的所有產(chǎn)品都必須是經(jīng)過驗證的。瀑布模型瀑布模型的缺點由于瀑布模型幾乎完全依賴于書面的規(guī)格說明，很可能導(dǎo)致最終開發(fā)出的軟件產(chǎn)品不能真正滿足用戶的需要。如果需求規(guī)格說明與用戶需求之間有差異，就會發(fā)生這種情況。瀑布模型只適用于項目開始時需求已確定的情況?？焖僭湍Ｐ涂焖僭褪强焖俳⑵饋淼目梢栽谟嬎銠C上運行的程序，它所能完成的功能往往是最終產(chǎn)品能完成的功能的一個子集?？焖僭湍Ｐ腿鐖D所示?？焖僭湍Ｐ涂焖僭?/p>

16、型模型的優(yōu)點(1)有助于滿足用戶的真實需求。(2)原型系統(tǒng)已經(jīng)通過與用戶的交互而得到驗證，據(jù)此產(chǎn)生的規(guī)格說明文檔能夠正確地描述用戶需求。(3)軟件產(chǎn)品的開發(fā)基本上是按線性順序進行。(4)因為規(guī)格說明文檔正確地描述了用戶需求，因此，在開發(fā)過程的后續(xù)階段不會因為發(fā)現(xiàn)規(guī)格說明文檔的錯誤而進行較大的返工。 快速原型模型快速原型模型的優(yōu)點(5)開發(fā)人員通過建立原型系統(tǒng)已經(jīng)學(xué)到了許多東西，因此，在設(shè)計和編碼階段發(fā)生錯誤的可能性也比較小，這自然減少了在后續(xù)階段需要改正前面階段所犯錯誤的可能性。(6) 快速原型的突出特點是“快速”。開發(fā)人員應(yīng)該盡可能快地建造出原型系統(tǒng)，以加速軟件開發(fā)過程，節(jié)約軟件開發(fā)成本。

17、原型的用途是獲知用戶的真正需求，一旦需求確定了，原型可以拋棄，當然也可以在原型的基礎(chǔ)上進行開發(fā)。增量模型增量模型也稱為漸增模型，是Mills等于1980年提出來的。使用增量模型開發(fā)軟件時，把軟件產(chǎn)品作為一系列的增量構(gòu)件來設(shè)計、編碼、集成和測試。每個構(gòu)件由多個相互作用的模塊構(gòu)成，并且能夠完成特定的功能。 增量模型增量模型如圖所示。 增量模型增量模型的優(yōu)點 (1)能在較短時間內(nèi)向用戶提交可完成一些有用的工作產(chǎn)品，即從第1個構(gòu)件交付之日起，用戶就能做一些有用的工作。(2)逐步增加產(chǎn)品的功能可以使用戶有較充裕的時間學(xué)習(xí)和適應(yīng)新產(chǎn)品，從而減少一個全新的軟件可能給用戶組織帶來的沖擊。(3)項目失敗的風(fēng)險較

18、低，雖然在某些增量構(gòu)件中可能遇到一些問題，但其他增量構(gòu)件將能夠成功地交付給客戶。(4)優(yōu)先級最高的服務(wù)首先交付，然后再將其他增量構(gòu)件逐次集成進來。因此，最重要的系統(tǒng)服務(wù)將接受最多的測試。 增量模型增量構(gòu)件開發(fā) 每個增量構(gòu)件應(yīng)當實現(xiàn)某種系統(tǒng)功能，因此增量構(gòu)件的開發(fā)可以采用瀑布模型的方式，如圖所示。 增量模型采用增量模型需注意的問題 (1)在把每個新的增量構(gòu)件集成到現(xiàn)有軟件體系結(jié)構(gòu)中時，必須不破壞原來已經(jīng)開發(fā)出的產(chǎn)品。(2)軟件體系結(jié)構(gòu)必須是開放的，即向現(xiàn)有產(chǎn)品中加入新構(gòu)件的過程必須簡單、方便。 因此，采用增量模型比采用瀑布模型和快速原型模型更需要精心的設(shè)計。螺旋模型螺旋模型最初是Boehm于19

19、88年提出來的。該模型將瀑布模型與快速原型模型結(jié)合起來，并且加入兩種模型均忽略了的風(fēng)險分析。螺旋模型的基本思想是，使用原型及其他方法來盡量降低風(fēng)險。 螺旋模型理解這種模型的一個簡便方法，是把它看做在每個階段之前都增加了風(fēng)險分析過程的快速原型模型。 螺旋模型完整的螺旋模型 螺旋模型完整的螺旋模型 在螺旋模型中，軟件過程表示成一個螺線，而不是像以往的模型那樣表示為一個具有回溯的活動序列。在螺線上的每一個循環(huán)表示過程的一個階段。每個階段開始時的任務(wù)是確定該階段的目標、為完成這些目標選擇方案及設(shè)定這些方案的約束條件。接下來的任務(wù)是，從風(fēng)險角度分析上一步的工作結(jié)果，努力排除各種潛在的風(fēng)險，通常用建造原型

20、的方法來排除風(fēng)險。如果成功地排除了所有風(fēng)險，則啟動下一步開發(fā)步驟，在這個步驟的工作過程相當于純粹的瀑布模型。最后是評價該階段的工作成果并計劃下一個階段的工作。螺旋模型螺旋模型的4項活動 螺線上的每一個循環(huán)可劃分為4個象限，分別表達了4個方面的活動。(1)目標設(shè)定定義在該階段的目標，弄清對過程和產(chǎn)品的限制條件，制訂詳細的管理計劃，識別項目風(fēng)險，可能還要計劃與這些風(fēng)險有關(guān)的對策。(2)風(fēng)險估計與弱化針對每一個風(fēng)險進行詳細分析，設(shè)想弱化風(fēng)險的步驟。(3)開發(fā)與驗證評價風(fēng)險之后選擇系統(tǒng)開發(fā)模型。 (4)計劃評價開發(fā)工作，確定是否繼續(xù)進行螺線的下一個循環(huán)。如果確定要繼續(xù)，則計劃項目的下一個階段的工作。螺

21、旋模型螺旋模型的優(yōu)點 對可選方案和約束條件的強調(diào)有利于已有軟件的重用，也有助于把軟件質(zhì)量作為軟件開發(fā)的一個重要目標。減少了過多測試或測試不足所帶來的風(fēng)險。在螺旋模型中維護只是模型的另一個周期，因而在維護和開發(fā)之間并沒有本質(zhì)區(qū)別。螺旋模型螺旋模型的缺點 螺旋模型是風(fēng)險驅(qū)動的，因此要求軟件開發(fā)人員必須具有豐富的風(fēng)險評估經(jīng)驗和這方面的專門知識，否則將出現(xiàn)真正的風(fēng)險：當項目實際上正在走向災(zāi)難時，開發(fā)人員可能還以為一切正常。噴泉模型噴泉模型是典型的面向?qū)ο笊芷谀Ｐ汀?“噴泉”一詞體現(xiàn)了迭代和無間隙特性。圖中代表不同階段的圓圈相互重疊，這明確表示兩個活動之間存在重疊。 統(tǒng)一過程由Booch、Jacob

22、son及Rumbaugh提出，統(tǒng)一過程模型如圖所示。 統(tǒng)一過程統(tǒng)一過程的工作流 在統(tǒng)一過程中，有6個核心工作流。 業(yè)務(wù)建模工作流。用商業(yè)用例為商業(yè)過程建立文檔。 需求工作流。目標是描述系統(tǒng)應(yīng)該做什么，確保開發(fā)人員構(gòu)建正確的系統(tǒng)。為此，需明確系統(tǒng)的功能需求和非功能需求（約束）。 分析和設(shè)計工作流。其目標是說明如何做。結(jié)果是分析模型和設(shè)計模型。統(tǒng)一過程 實現(xiàn)工作流。用分層的方式組織代碼的結(jié)構(gòu)，用構(gòu)件的形式來實現(xiàn)類，對構(gòu)件進行單元測試，將構(gòu)件集成到可執(zhí)行的系統(tǒng)中。 測試工作流。驗證對象之間的交互、是否所有的構(gòu)件都集成了、是否正確實現(xiàn)了所有需求、查錯并改正。 部署工作流。制作軟件的外部版本、軟件打包、

23、分發(fā)、為用戶提供幫助和支持。統(tǒng)一過程統(tǒng)一過程的階段 統(tǒng)一過程有4個階段，分別是初始階段、細化階段、構(gòu)造階段和移交階段。 初始階段。初始階段主要關(guān)注項目計劃和風(fēng)險評估，其目的是確定是否值得開發(fā)目標信息系統(tǒng)。 細化階段。細化階段關(guān)心定義系統(tǒng)的總體框架，其目標是：細化初始需求（用況）、細化體系結(jié)構(gòu)、監(jiān)控風(fēng)險并細化它們的優(yōu)先級、細化業(yè)務(wù)案例以及制訂項目管理計劃。統(tǒng)一過程統(tǒng)一過程的階段 構(gòu)造階段。構(gòu)造階段是建立系統(tǒng)，構(gòu)造信息系統(tǒng)的第1個具有操作質(zhì)量的版本，以能夠交付給客戶進行測試的版本結(jié)束，有時稱為測試版本。 移交階段。移交階段包含測試時期，以發(fā)布完整的系統(tǒng)而終止，其目標是確保信息系統(tǒng)真正滿足客戶的需求。1.6 軟件工程知識體系及知識域軟件工程知識體1994年，美國Embry-Riddle航空大學(xué)計算與數(shù)學(xué)系Thomas B.Hilburn教授開始了“軟件工程知識體系指