計算機軟件及應用軟件工程zhhf12軟件工程概述課件

1、第一章（第一講）軟件工程概述Introduction to Software Engineering本講的主要內容1.1 有關軟件工程及其課程1.2 軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展背景1.3 軟件、軟件產(chǎn)品及其特點1.4 軟件危機1.5 軟件工程1.1 About Software Engineering內容豐富，課時有限（抓緊課外時間）基本概念、原理、規(guī)律軟件開發(fā)方法、工具和環(huán)境，軟件開發(fā)過程軟件開發(fā)管理，軟件產(chǎn)品規(guī)范新興學科，發(fā)展迅速實踐性強參考書籍軟件工程實踐者的研究方法第六版，Roger S. Pressman，機械工業(yè)出版社軟件工程第六版，Ian Sommerville，機械工業(yè)出版社軟件工程理論與

2、實踐第二版，Shari Lawrence Pfleeger，高等教育出版社實用軟件工程第二版，鄭人杰、殷人昆、陶永雷，清華大學出版社有關SE的一些組織及網(wǎng)站SWEBOKThe Software Engineering Body of KnowledgeACMAssociation for Computer MachineryIEEE卡耐基.梅隆大學的SEI對軟件工程最淺顯的認識對工程的認識需求分析的重要性設計與實現(xiàn)僅僅是軟件工程的一小部分規(guī)范與標準的重要性工具的重要性質量的意義及重要性人們對軟件開發(fā)的新認識個人技巧 團隊意識效率第一 清晰度第一1.2 軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的背景人類社會正經(jīng)歷著一場前所

3、未有的由工業(yè)社會向信息社會的巨變，軟件產(chǎn)業(yè)“任重道短”。從1991年起，信息產(chǎn)業(yè)保持了1020%的增長速度。2000年，全球IT產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值為5000億美元。2001年，全球IT產(chǎn)值首次超過汽車工業(yè)和鋼鐵工業(yè)。硬、軟件開發(fā)人員的比例為1 : 8軟件，正處于信息技術的核心位置，觸及到人類社會的各個角落和人類文化的各個層次。全球10大軟件企業(yè)，有7個在美國，2個在日本。在這輝煌的另一面，“軟件危機”一直折磨著軟件業(yè)界。人類社會已經(jīng)發(fā)展到信息時代茹毛飲血的石器時代文明初肇的青銅時代工業(yè)革命的蒸汽時代社會化大生產(chǎn)的電氣時代信息膨脹的數(shù)字時代計算機科學技術的巨大作用開拓人類認識自然改造自然的新資源物質資源

4、、能量資源信息資源增添了人類發(fā)展科學技術的新手段理論推倒、科學實驗、虛擬與現(xiàn)實提高了人類創(chuàng)造文化的新工具人的行為、思想、言語、行動引起了人類工作方式與生活方式的變化軟件的歷史第一個寫軟件的人是Augusta Ada Lovelace, 1860年嘗試為機械式計算機寫軟件，但失敗了。晶體管的發(fā)明為存儲器的大量應用提供了基礎。50年代，第一臺電子計算機的問世，以寫軟件為職業(yè)的人開始出現(xiàn)。60年代，美國大學開始授予計算機專業(yè)的學位，有了軟件課程。在通用硬件普及的初期，軟件的通用性卻是很有限的。軟件開發(fā)也沒有什么系統(tǒng)的方法可以遵循，是個人電腦的思維過程，帶有強烈的個人色彩。1.3 軟件的定義Softw

5、are = Program + Data + Document其中:程序是按照事先設計的功能和性能要求執(zhí)行的指令序列；數(shù)據(jù)是使程序能夠正常操縱信息的數(shù)據(jù)結構；文檔是與程序開發(fā)維護和使用有關的各種圖文資料。軟件產(chǎn)品的特性是一種邏輯實體，具有高度復雜性和抽象性。軟件發(fā)過程有別于一般物質的制造過程。一旦研制開發(fā)成功，就可以大量拷貝同一內容的副本。軟件沒有磨損、老化的問題，其生命周期曲線不符合所謂的“浴缸曲線”。對硬件和環(huán)境的依賴性，導致軟件移植問題。尚未完全擺脫手工作坊式的開發(fā)方式，生產(chǎn)效率低下。軟件的成本相當昂貴。軟件工作牽涉到很多社會因素。涉及機構、體制和管理方式、人們的觀念和心理。TimeFa

6、ilure rateWear vs. DeteriorationWear vs. DeteriorationCustom softwareGeneric softwaresystem softwarereal-time softwarebusiness softwareengineering/scientific softwareembedded softwareSafety-critical softwareCOTS（Commercial Off-the-shelf ）PC softwareAI softwareWebApps (Web applications)Software Appli

7、cations？I will create a software to update the database.(some software, a piece of software, a software system)1.4 軟件危機（Software Crisis）首次提出：1968年北大西洋公約組織在聯(lián)邦德國召開的國際學術會議上。軟件危機是指在計算機軟件的開發(fā)和維護過程中所遇到的一系列嚴重問題?？梢园衍浖C概括為兩個方面的問題軟件開發(fā)十分困難，難以滿足不斷增長且日趨復雜的需求；如何維護數(shù)量不斷膨脹的軟件產(chǎn)品。 Crisis or Depression or Chronic Affli

8、ction？從軟件工程幾十年的發(fā)展歷程來看，軟件危機不是”crisis”所能形容的，而更象”chronic affliction”,是一種頑固的慢性痛苦。軟件危機的根本原因是軟件系統(tǒng)高度復雜、難于駕馭和軟件開發(fā)所帶有的個人色彩。軟件危機的具體表現(xiàn)對開發(fā)成本和進度難以估計。開發(fā)成本超出預算和不能按時交付的現(xiàn)象并不罕見。用戶對“已完成”系統(tǒng)不滿意的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。軟件質量難以保證。Bug一大堆，Patch一個接一個。軟件的可維護程度非常之低，即“維護墻”問題。軟件通常沒有適當?shù)奈臋n資料。軟件成本在整個系統(tǒng)中比重逐年提高。軟件開發(fā)生產(chǎn)率的提高趕不上硬件發(fā)展和需求增長。軟件危機產(chǎn)生的原因軟件本身的特點所

9、決定的。軟件開發(fā)和維護的方法不正確（在不斷地發(fā)展之中）忽視軟件開發(fā)前期的需求分析；開發(fā)過程沒有統(tǒng)一的、規(guī)范的方法論的指導，缺乏過程管理，文檔資料不齊全，忽視人與人的交流；忽視測試工作，所提交的軟件質量不高；輕視軟件的維護。硬件技術和產(chǎn)品的發(fā)展速度遠遠大于軟件。計算機應用普及社會對軟件的依賴對軟件的需求、質量和可靠性的要求巨增。設計問題、資源問題使得我們難以支持和增強已有的軟件，即所謂的“維護墻”問題。 軟件神話 Myths我們已經(jīng)有了一本寫滿軟件開發(fā)標準和規(guī)程的寶典，囊括了可能遇到的任何問題。如果未能按時完成計劃，可以通過增加人數(shù)而趕上進度。將軟件外包給另一家公司就可以完全放手不管了。有了對項

10、目目標的大概了解，便足以開始編寫程序，有關細節(jié)以后再慢慢了解。雖然需求不斷變更，但軟件是彈性的，可以容易地適應這些變更。當完成程序并交付使用時，我們的任務就完成了。知道程序開始運行，才能評估其質量。對于一成功的軟件項目，可執(zhí)行程序是唯一交付的成果。軟件工程導致大量無用文檔，并因此降低了工作效率。1.5 軟件工程1968年秋季，NATO（北約）的科技委員會召集了近50名一流的編程人員、計算機科學家和工業(yè)界巨頭，討論和制定擺脫“軟件危機”的對策。Fritz Bauer在會議上首次提出“軟件工程”概念。軟件工程的目標低成本高質量按時交付軟件工程定義軟件工程是一門研究如何用系統(tǒng)化、規(guī)范化、數(shù)量化等工程

11、原則和方法進行軟件開發(fā)和維護的學科。軟件工程包括兩方面內容：軟件開發(fā)技術和軟件項目管理。軟件開發(fā)技術包括軟件開發(fā)方法學、軟件工具和軟件工程環(huán)境。軟件項目管理包括軟件度量、項目估算、進度控制、人員組織、配置管理、項目計劃等。Fritz Bauer的定義軟件工程是為了經(jīng)濟地獲得可靠的，能在實際的機器上高效運行的軟件而建立和使用的科學的工程原則。IEEE的定義軟件工程是（1）將系統(tǒng)化的、規(guī)范的、可度量的方法應用于軟件的開發(fā)、運行和維護的過程，即將工程化思想應用于軟件開發(fā)過程中，（2）上述方法的研究。軟件工程的本質特性關注大型程序的構造軟件工程的中心課題是控制復雜性軟件需求不斷變化旨在提高軟件開發(fā)的效

12、率團隊合作是軟件工程順利實施的關鍵軟件必須有效支持它的用戶由一種文化背景的人替另一種文化背景的人創(chuàng)造產(chǎn)品軟件工程原則（1）質量原則避免產(chǎn)生缺陷（具有恰當?shù)臉藴?、?guī)范、質量審計過程等）確保盡早地發(fā)現(xiàn)缺陷并加以改正辨別和消除產(chǎn)生缺陷的原因和征兆根據(jù)標準和規(guī)范對生產(chǎn)的各個過程進行獨立審計（SEI-CMM等）軟件工程原則（2）管理原則規(guī)定任務和職責制定工作計劃按照計劃跟蹤進度不斷地完善計劃 在CMM中有一個PDCA循環(huán)（Plan, Do, Check, Action）軟件工程原則（3）工程原則分析問題分解任務控制各個部門之間的關系為了更好地貫徹這些原則，實現(xiàn)軟件工程的目標，我們必須連接軟件工程的思想，

13、研究軟件工程的工具、方法、過程和質量管理。B. W. Boehm 軟件工程基本原理用分階段的生命周期計劃嚴格管理堅持進行階段評審實行嚴格的產(chǎn)品控制采用先進的程序設計技術開發(fā)過程具有可見性，所獲結果清楚，便以審查開發(fā)人員少而精承認不斷改進軟件工程實踐的必要性基線（Baseline)通過正式復審的規(guī)格說明或中間產(chǎn)品（artifact),可以作為進一步開發(fā)的基礎，并且只有通過正式的變更控制過程才能改變它。（IEEE）基線的特征具有明確的標識具有明確的內容經(jīng)過正式審批嚴格控制變更里程碑（Milestone)里程碑是用來說明項目進展情況的事件，通常把一個開發(fā)活動的結束或一項開發(fā)任務的完成定義為一個里程碑

14、。里程碑必須與軟件開發(fā)工作的進展情況密切相關，里程碑作為任務完成的標志必須非常明顯，即里程碑具有很高的可見性。軟件工程總體面臨的困難與風險復雜性與大量的細節(jié)（火星探測器的失?。┘夹g的不確定性（技術的發(fā)展與開發(fā)人員對技術的理解程度都不同）由于交流障礙而引起的需求不確定性需求是持續(xù)變化的不斷的修改所帶來的錯誤使得軟件退化人為和市場的風險軟件費用、可靠性、生產(chǎn)率、重用問題難以解決第一章（第二講）軟件工程過程本講的主要內容軟件工程方法學軟件生命周期軟件過程軟件過程模型1、軟件工程方法學通常把軟件生命周期全過程中使用的一整套技術方法的集合成為軟件工程方法學（methodology）,也成為范型（para

15、digm）軟件工程方法學的3個要素方法工具過程傳統(tǒng)的軟件工程方法學結構化范型或生命周期方法學要么面向行為以功能分解為主（基于數(shù)據(jù)流圖的結構化分析與設計方法 ），要么面向數(shù)據(jù)（Jackson方法）面向對象方法學以數(shù)據(jù)為中心，把數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)的操作緊密地結合起來，用對象分解代替?zhèn)鹘y(tǒng)的功能分解。面向對象方法學的4個要點把對象作為融合數(shù)據(jù)和操作的統(tǒng)一的構件把所有對象都劃分成類子類自動擁有父類中定義的數(shù)據(jù)和操作，即繼承對象間僅能通過發(fā)送消息互相聯(lián)系2、軟件生存周期軟件生存周期（Life Cycle)是指一個軟件從提出開發(fā)要求開始直到該軟件報廢為止的整個時期。把整個生存周期劃分為若干階段，使得每個階段有明確

16、的任務，使規(guī)模大、結構復雜和管理復雜的軟件開發(fā)變得容易控制和管理。軟件生存周期各階段的劃分應遵循的基本原則:各階段的任務應盡可能相對獨立，同一階段各項任務的性質盡可能相同，從而降低每個階段任務的復雜程度，簡化不同階段之間的聯(lián)系，有利于軟件項目開發(fā)的組織管理。 軟件生命周期的階段劃分軟件定義階段問題定義可行性研究需求分析軟件開發(fā)階段總體設計詳細設計編碼和單元測試綜合測試運行階段軟件維護軟件定義階段問題定義： 關于問題性質、工程目標和工程規(guī)模的扼要描述可行性研究，即高層的分析和設計過程，以回答是否存在可行的解決方法。需求分析：準確的“做什么”的描述。軟件開發(fā)階段概要設計結構設計，系統(tǒng)設計建立軟件的

17、總體結構，即模塊結構詳細設計算法設計，過程設計設計每個模塊的結構，IPO圖或PDL語言編碼與單元測試生成源程序代碼和單元測試方案、數(shù)據(jù)和結果，由編程人員進行綜合測試 通過各種測試和調試，是軟件達到預訂的要求軟件運行階段維護通過各種必要的維護活動使系統(tǒng)持久地滿足用戶的需要四種類型的維護改正性維護適應性維護完善性維護預防性維護3、軟件工程過程一個過程定義了為達到每個確定的目標，需要什么人在什么時間以何種方式做何種工作（Goal,Who,When,How,What)。軟件工程過程規(guī)定了獲取、供應、開發(fā)、操作和維護軟件時，要實施的過程、活動和任務。其目的是為各種人員提供一個公共的框架，以便用相同的語言

18、進行交流。Cont.一個開發(fā)機構為開發(fā)特定的軟件需要制訂一系列的工作步驟（軟件工程過程），其中包含和涉及軟件工程所有參與者的各種活動、任務?；镜能浖^程活動包括：規(guī)格說明、開發(fā)、確認和演進。CMM的軟件工程過程包含獲取、供應、開發(fā)、操作、維護、管理、支持七個過程。過程定義的作用Process vs Music score用于對 Customer, User, Developer, Manager的指導，一個廣泛適用的過程使得所有參與人員更好地理解自己所扮演的角色、他人做什么。促使過程的有機結合和改善，獲得“最好過程”可以使公司內部的培訓標準化。由于過程的可重復性，利于開發(fā)進度的安排，利于成本

19、估算。統(tǒng)一過程（RUP）RUP的突出特點用況驅動（系統(tǒng)功能）以構架為中心（表現(xiàn)形式）迭代和增量開發(fā)（過程實施）ReturnUML(Unified Modeling Language )1994，OO思想已經(jīng)貫穿整個軟件生存期，具有影響的OOA&D方法達50余種。UML是一種對軟件密集型系統(tǒng)進行可視化、詳述、構造和文檔化的建模語言，主要用于分析和設計階段的系統(tǒng)建模。UML 2.01994Booch方法Rumbaugh OMT Coad/YourdonFire Smith 方法 Jacobson OOSE1995.10發(fā)布Unified Method 0.81996.6發(fā)布UML 0.9不包含過程

20、指導Rational聯(lián)合12家公司成立UML組織，形成UML 1.0，1997.1提交給OMG1997.11.4， OMG采納UML 1.12002發(fā)布UML 2.04、軟件過程模型模型所謂模型是為了理解事物而對事物做出的一種抽象,它忽略不必要的細節(jié)，是事物的一種抽象形式、一個規(guī)劃、一個程式。軟件開發(fā)模型軟件開發(fā)全部過程、活動和任務的結構框架。軟件過程模型的種類瀑布模型快速原型模型針對事先不能完成定義需求的軟件開發(fā)原型系統(tǒng)重在“快速”周期開發(fā)模型（增量和迭代模型）完整的體系結構的實現(xiàn)確定多次迭代螺旋模型考慮風險因素，由Boehm提出噴泉模型多次重復，無間隙適用于面向對象技術（復用技術）瀑布模型

21、瀑布模型（Waterfall Model）軟件生存周期模型 (Classic Life Cycle Model)線性順序模型(Linear Sequential Model)問題定義需求分析概要設計詳細設計編碼測試維護瀑布模型的三個特點階段間具有順序性和依賴性推遲實現(xiàn)的觀點質量保證的觀點Cost to changeAfter releaseDefinitionDevelopment1.56x 1x60100 xThe impact of change計劃需求分析概要設計詳細設計編碼測試維護環(huán)計劃需求分析運行評價編碼設計The Waterfall Model With Maintenance C

22、ircle運行維護需求分析概要設計詳細設計編碼單元測試集成測試驗收測試Prototyping系統(tǒng)測試ValidateVerifyThe Waterfall Model With Prototyping瀑布模型的優(yōu)點開發(fā)過程基本上是線性順序的，便于管理基于“明確、完備的需求”，可以獲得好的開發(fā)效果運行、維護需求分析概要設計詳細設計編碼單元集成測試驗收測試系統(tǒng)測試Validate RequirementsVerify DesignThe V ModelOperational Specification ModelOperational Specification (problem-oriented

23、) Transformed Specification (implementation oriented ) TEST Execute and ReviseSystem Requirements(sometimes informal or incomplete)DeliveredSystemTransformational ModelTransform nFormal Specification problem-oriented Transform 2TEST Compare withrequirements;Update as neededSystem Requirements(someti

24、mes informal or incomplete)DeliveredSystemTransform 1Formal Development RecordSequence of transformationsPlus rationale for themThe Phased Development ModelBuild Release 2Build Release 1Build Release 3Use Release 2Use Release 1Use Release 3TimeProduction systemDevelopment systemDevelopersUsersThe In

25、cremental and Iterative ModelIncremental DevelopmentIterative DevelopmentcreateformatcreateeditformatcreateEasyquickMore stylescreatePasteeasyMore stylescreatePasteclumsystylescreate增量開發(fā)的優(yōu)點能在較短的時間內向用戶提交可以完成主要功能的產(chǎn)品逐步增加產(chǎn)品的功能，使用戶有充裕的時間學習和適應新產(chǎn)品，減少一個全新的產(chǎn)品給客戶組織帶來的沖擊The Spiral Model螺旋模型的優(yōu)點有利于已有軟件的重用有助于把軟件質

26、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險軟件維護與軟件開發(fā)沒有本質區(qū)別問題定義系統(tǒng)測試需求分析概要設計詳細設計編碼單元測試維護集成測試提交運行The Software Development Process in Reality示例分析一假設你開發(fā)一軟件，其功能是把讀入的浮點數(shù)開平方，所得到的結果精確到小數(shù)點后4位。一旦實現(xiàn)并測試完成后，該產(chǎn)品將被拋棄。你打算選用哪種過程模型？示例分析1、需求很明確2、實現(xiàn)浮點數(shù)開平方的算法也很成熟不需要原型過程模型3、一旦實現(xiàn)并測試完成后，該產(chǎn)品將被拋棄，可以不考慮產(chǎn)品的進化問題4、規(guī)模相對較小，功能比較單一不需要增量模型或螺旋過程模

27、型總之，使用瀑布模型即可示例分析二你負責 一個項目，其工作是管理公司已被廣泛應用的字處理軟件的新版本開發(fā)。由于市場競爭激烈，公司規(guī)定了嚴格的完成期限并且已經(jīng)對外公布。你打算采用哪種過程模型？為什么？示例分析舊版本相當于一個原型，沒必要再專門開發(fā)一個原型系統(tǒng)公司軟件工程師對該軟件很熟悉，有開發(fā)字處理軟件的豐富經(jīng)驗，具備采用增量模型開發(fā)字處理軟件的技術水平該軟件廣泛使用，需要進一步的改進和擴充，以形成更新的版本結論：增量模型Return技術審查和管理復審任務：在軟件生存周期的每個重要的里程碑(一般是每個階段結束時)，對工程項目的成本，實際花費的經(jīng)費，投資回收的前景，項目的進度等經(jīng)濟因素從管理角度進

28、行審查。目的：不讓錯誤進入下一個階段技術審查也是降低軟件成本的一個重要措施在技術審查合格之后再進行管理復審軟件開發(fā)工具軟件工具一般是指為了支持軟件人員開發(fā)和維護活動而使用的軟件。軟件工具發(fā)展的三個階段工具箱軟件開發(fā)環(huán)境SDE計算機輔助軟件工程CASE (Computer Aided Software Engineering) 工具應該支持軟件生命周期的各個階段Requirements ManagementVisual ModelingProgramming ToolQuality AssuranceReturn什么是軟件危機？它有哪些具體表現(xiàn)？什么是軟件工程？它有哪些本質特征？什么是軟件過程？

29、它與軟件工程方法學有何關系？試比較瀑布模型、快速原型模型、增量模型和螺旋模型的優(yōu)缺點，說明各種模型的使用范圍。什么是基線？應有哪些基本特征？什么是里程碑？應有哪些基本特征？作業(yè)一第二章（第三講）可行性研究與成本效益分析本講的主要內容問題定義與可行性研究可行性研究的任務可行性研究的步驟系統(tǒng)流程圖成本/效益分析GO1、問題定義 問題是什么？ 問題性質工程目標或前景（ vision ）工程規(guī)模和范圍（ scope ）問題定義階段結束的標準提交有關規(guī)模和目標的報告書 軟件可行性研究 軟件可行性研究的目的用最小的代價在盡可能短的時間內確定該軟件項目是否能夠開發(fā)，是否值得去開發(fā)。結束標準描述系統(tǒng)的高層邏輯

30、模型成本效益分析關于“是否可行”的明確回答 Return2、軟件可行性研究的任務技術可行性經(jīng)濟可行性社會可行性操作可行性 Return3、軟件可行性研究的步驟(1) 確定項目規(guī)模和目標 (2) 研究正在運行的系統(tǒng)(3) 建立新系統(tǒng)的高層邏輯模型(4) 導出和評價各種方案(5) 推薦可行的方案(6) 編寫可行性研究報告Return可行性研究是高層的分析和設計可行性研究報告（1）引言（2）可行性研究前提（3）對現(xiàn)有系統(tǒng)的分析（4）所建議系統(tǒng)的技術可行性分析（5）所建議系統(tǒng)的經(jīng)濟可行性分析（6）社會因素可行性分析（7）其它可供選擇方案（8）結論意見4、系統(tǒng)流程圖 系統(tǒng)流程圖是描繪物理系統(tǒng)中各個元素的

31、圖形符號的集合，它表達了系統(tǒng)中各個元素之間的信息流動的情況?？尚行匝芯恳鶕?jù)項目的概要范圍、功能、性能等需求，以概括的形式描述現(xiàn)有系統(tǒng)的高層的邏輯模型，并通過概要的設計得到所建議的系統(tǒng)物理模型。常用符號見P29圖2.1和圖2.2Return一個庫存管理系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖訂貨信息庫存管理模塊報告生成模塊訂貨報告庫存文件輸入變更記錄I/O顯示磁盤聯(lián)機存儲處理文檔5、成本/效益分析 目的：將開發(fā)成本與可能取得的效益比較和權衡，從經(jīng)濟角度評價開發(fā)一個新的軟件項目是否可行。效益分為有形效益和無形效益有形效益可以用貨幣的時間價值、投資回收期、純收人等指標進行度量無形效益主要從性質上、心理上進行衡量，很難直接進行量的比較。成本估計技術 代碼行技術任務分解技術自動估計成本技術成本/效益分析的方法 貨幣的時間價值 （示例見P41）F = P(1+i)n P = F(1+i)n投資回收期 純收入 投資回收率P=F1(1+i)+F2(1+i)2+.+Fn(1+i)n Return項目開發(fā)計劃 項目概述：主要工作；軟件功能、性能；條件；用戶及合同承包者承擔的工作、完成期限及其它條件限制；應交付的程序