第1章-軟件工程與軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)與體系結(jié)構(gòu)主講教師：1第1章軟件工程與軟件設(shè)計(jì)1.1軟件工程1.2軟件生存周期1.3軟件開發(fā)過程模型1.4軟件設(shè)計(jì)1.5軟件體系結(jié)構(gòu)1.6小結(jié)第1章軟件工程與軟件設(shè)計(jì)以計(jì)算機(jī)為核心的信息社會軟件是信息化的靈魂以工程化方法和思想開發(fā)軟件軟件設(shè)計(jì)是軟件開發(fā)過程中的核心活動(dòng)之一1.1軟件工程軟件危機(jī)：在計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)和維護(hù)過程中所遇到的一系列嚴(yán)重問題軟件設(shè)計(jì)：計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展到一定階段，為了應(yīng)對軟件危機(jī)計(jì)算機(jī)軟件=程序+數(shù)據(jù)+文檔計(jì)算機(jī)軟件是邏輯和智力產(chǎn)品，不是物理產(chǎn)品1.1軟件工程軟件的應(yīng)用領(lǐng)域和分類系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)軟件嵌入式軟件科學(xué)和工程計(jì)算軟件事物務(wù)理軟件人工智能軟件個(gè)人計(jì)算機(jī)軟件1.1軟件工程軟件危機(jī)軟件危機(jī)是指在計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)和維護(hù)過程中所遇到的一系列嚴(yán)重問題。即包含兩方面的問題：(1)如何開發(fā)軟件(2)如何維護(hù)軟件軟件危機(jī)的原因軟件產(chǎn)品生產(chǎn)效率較低軟件供需失衡用戶需求不明確整個(gè)軟件開發(fā)過程缺乏正確的理論指導(dǎo)軟件產(chǎn)品的規(guī)模越來越大軟件產(chǎn)品開發(fā)的復(fù)雜度越來越高1.1軟件工程軟件工程軟件工程是指導(dǎo)計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)和維護(hù)的工程學(xué)科；將系統(tǒng)的、規(guī)范的、可度量的工程化方法應(yīng)用于軟件開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)的全過程及上述方法的研究；是用工程、科學(xué)和數(shù)學(xué)的原則與方法研制、維護(hù)計(jì)算機(jī)軟件的有關(guān)技術(shù)和管理方法；軟件工程要素：方法、工具、過程方法：為軟件開發(fā)提供了“如何做”的技術(shù)，是完成軟件工程項(xiàng)目的技術(shù)手段工具：人類在開發(fā)軟件的活動(dòng)中智力和體力的擴(kuò)展和延伸，為軟件工程方法提供自動(dòng)或半自動(dòng)的軟件支持環(huán)境過程：將方法和工具綜合起來以達(dá)到合理、及時(shí)地進(jìn)行軟件開發(fā)的目的1.1軟件工程軟件工程的目標(biāo)和原則在給定成本、進(jìn)度的前提下，開發(fā)出具有可修改性、有效性、可靠性、可理解性、可維護(hù)性、可復(fù)用性、可適應(yīng)性、可移植性、可跟蹤性并滿足用戶需求的軟件產(chǎn)品。抽象、信息隱藏、模塊化、局部化、一致性、完全性、可驗(yàn)證性目標(biāo)可修改性有效性可靠性可理解性可維護(hù)性可復(fù)用性可適應(yīng)性可移植性可追蹤性基本目標(biāo)：付出較低的開發(fā)成本達(dá)到要求的軟件功能取得較好的軟件性能開發(fā)的軟件易于移植需要較低的維護(hù)費(fèi)用能按時(shí)完成開發(fā)工作及時(shí)交付使用軟件工程的目標(biāo)是提高軟件的質(zhì)量與生產(chǎn)率，最終實(shí)現(xiàn)軟件的工業(yè)化生產(chǎn)。

軟件工程的原則抽象

采用分層次抽象，自頂向下、逐層細(xì)化的辦法控制軟件開發(fā)過程的復(fù)雜性信息隱蔽

將模塊設(shè)計(jì)成“黑箱”，實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)隱藏在模塊內(nèi)部，不讓模塊的使用者直接訪問。這就是信息封裝，使用與實(shí)現(xiàn)分離的原則模塊化

如C語言程序中的函數(shù)過程，C++語言程序中的類。模塊化有助于信息隱蔽和抽象，有助于表示復(fù)雜的系統(tǒng)。軟件工程的原則局部化

要求在一個(gè)物理模塊內(nèi)集中邏輯上相互關(guān)聯(lián)的計(jì)算機(jī)資源，保證模塊之間具有松散的耦合，模塊內(nèi)部具有較強(qiáng)的內(nèi)聚。這有助于控制解的復(fù)雜性確定性

軟件開發(fā)過程中所有概念的表達(dá)應(yīng)是確定的、無歧義性的、規(guī)范的。一致性

整個(gè)軟件系統(tǒng)的各個(gè)模塊應(yīng)使用一致的概念、符號和術(shù)語。程序內(nèi)部接口應(yīng)保持一致。軟件和硬件、操作系統(tǒng)的接口應(yīng)保持一致。系統(tǒng)規(guī)格說明與系統(tǒng)行為應(yīng)保持一致。用于形式化規(guī)格說明的公理系統(tǒng)應(yīng)保持一致軟件工程的原則完全性

軟件系統(tǒng)不丟失任何重要成分，可以完全實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求功能的程度。為了保證系統(tǒng)的完備性，在軟件開發(fā)和運(yùn)行過程中需要嚴(yán)格的技術(shù)評審?？沈?yàn)證性

開發(fā)大型的軟件系統(tǒng)需要對系統(tǒng)自頂向下、逐層分解。系統(tǒng)分解應(yīng)遵循系統(tǒng)易于檢查、測試、評審的原則，以確保系統(tǒng)的正確性。軟件工程的原則復(fù)雜問題子問題1子問題2子問題n程序1程序2程序n軟件系統(tǒng)解決原始問題集成分解1.2軟件生存周期Softwarelifecycle軟件產(chǎn)品從形成概念開始，經(jīng)過開發(fā)、使用和維護(hù)，直到最后退役的全過程稱為軟件生存周期軟件有一個(gè)孕育、誕生、成長、成熟、衰亡的生存過程。這個(gè)過程即為計(jì)算機(jī)軟件的生存周期軟件定義-軟件開發(fā)-軟件使用和維護(hù)軟件定義(系統(tǒng)分析)：可行性研究(軟件計(jì)劃)、需求分析軟件開發(fā)(系統(tǒng)設(shè)計(jì))：概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)(編碼、單元測試)、軟件測試(組裝測試、確認(rèn)測試)軟件使用、維護(hù)退役軟件生存周期可行性研究確定要開發(fā)軟件系統(tǒng)的總目標(biāo)給出功能、性能、可靠性以及接口等方面的要求完成該軟件任務(wù)的可行性研究估計(jì)可利用的資源

、成本、效益、開發(fā)進(jìn)度制定出完成開發(fā)任務(wù)的實(shí)施計(jì)劃，連同可行性研究報(bào)告，提交管理部門審查需求分析對用戶提出的要求進(jìn)行分析并給出詳細(xì)的定義編寫軟件需求說明書或系統(tǒng)功能說明書及初步的系統(tǒng)用戶手冊提交管理機(jī)構(gòu)評審軟件生存周期概要設(shè)計(jì)

—把各項(xiàng)需求轉(zhuǎn)換成軟件的體系結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中每一組成部分都是意義明確的模塊，每個(gè)模塊都和某些需求相對應(yīng)，編寫設(shè)計(jì)說明書，評審詳細(xì)設(shè)計(jì)

—對每個(gè)模塊要完成的工作進(jìn)行具體的描述，為源程序編寫打下基礎(chǔ)，編寫設(shè)計(jì)說明書，提交評審軟件構(gòu)造把軟件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接受的程序代碼，即以某一種特定程序設(shè)計(jì)語言表示的“源程序清單”；程序應(yīng)當(dāng)是結(jié)構(gòu)良好、清晰易讀的，且與設(shè)計(jì)相一致的。軟件生存周期軟件測試單元測試，查找各模塊在功能和結(jié)構(gòu)上存在的問題并加以糾正

集成測試，將已測試過的模塊按一定順序組裝測試確認(rèn)測試，按規(guī)定的各項(xiàng)需求，逐項(xiàng)進(jìn)行有效性確認(rèn)測試，決定已開發(fā)的軟件是否合格，能否交付用戶使用使用與維護(hù)：在用戶特定的環(huán)境中，在測試通過后移交用戶使用改正性維護(hù)：運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)軟件中的錯(cuò)誤需要修正適應(yīng)性維護(hù)：為了適應(yīng)變化了的軟件工作環(huán)境，需做適當(dāng)變更完善性維護(hù)：為了增強(qiáng)軟件的功能需做變更1.3軟件開發(fā)過程模型軟件開發(fā)過程模型是跨越整個(gè)生存期的系統(tǒng)開發(fā)、運(yùn)作和維護(hù)所實(shí)施的全部過程、活動(dòng)和任務(wù)的結(jié)構(gòu)框架瀑布模型原型模型螺旋模型統(tǒng)一軟件開發(fā)過程瀑布模型（生存周期模型）W.W.Royce1970提出瀑布模型，是既自頂向下結(jié)構(gòu)化開發(fā)模型優(yōu)點(diǎn)：奠定了軟件工程方法的基礎(chǔ)；流水依賴；便于分工協(xié)作；推遲現(xiàn)實(shí)；文檔易修改；有復(fù)審質(zhì)量保證。缺點(diǎn)：用戶需求明確困難；用戶見面晚；糾錯(cuò)慢；難于克服系統(tǒng)分析員不懂專業(yè)領(lǐng)域的知識，用戶不懂計(jì)算機(jī)的困難，成功率低。適合于系統(tǒng)要求明確的小系統(tǒng)。帶反饋的瀑布模型快速原型模型rapidprototypemodel根據(jù)用戶提出的軟件定義，快速的開發(fā)一個(gè)原型，在征求用戶對原型意見的過程中，再進(jìn)一步修改、完善，直至達(dá)成一致。模擬軟件的人機(jī)界面開發(fā)一個(gè)原型，實(shí)現(xiàn)部分功能向用戶展示正在運(yùn)行的類似軟件優(yōu)點(diǎn)：與用戶見面快；開發(fā)成功率高，適合于需求不確定的大系統(tǒng)。缺點(diǎn)：周期長，開發(fā)成本高?？焖僭湍Ｐ吐菪Ｐ吐菪Ｐ脱刂菥€旋轉(zhuǎn)（一個(gè)螺旋式周期），在四個(gè)象限上分別表達(dá)四個(gè)方面的活動(dòng)，即：制定計(jì)劃──確定軟件目標(biāo)，選定實(shí)施方案，弄清項(xiàng)目開發(fā)的限制，選定完成目標(biāo)的策略風(fēng)險(xiǎn)分析──分析所選方案，考慮如何識別和消除風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)角度分析該策略實(shí)施工程──實(shí)施軟件開發(fā)，啟動(dòng)一個(gè)開發(fā)階段客戶評估──評價(jià)前一步開發(fā)工作，提出修正建議，計(jì)劃下一輪的工作特點(diǎn)瀑布模型+快速原型+風(fēng)險(xiǎn)分析迭代過程統(tǒng)一軟件開發(fā)過程統(tǒng)一軟件開發(fā)過程(RUP,RationalUnifiedProcess)是一套軟件工程過程，是一套軟件工程方法的框架，各個(gè)組織可根據(jù)自身的實(shí)際情況，以及項(xiàng)目規(guī)模對RUP進(jìn)行裁剪和修改，以制定出合乎需要的軟件工程過程。適合與統(tǒng)一建模語言(UML,UnifiedModelLanguage）結(jié)合起來使用支持六大最佳軟件開發(fā)實(shí)踐迭代式開發(fā)管理需求基于構(gòu)建的軟件體系結(jié)構(gòu)可視化建模驗(yàn)證軟件質(zhì)量控制變更統(tǒng)一軟件開發(fā)過程統(tǒng)一軟件開發(fā)過程橫軸：時(shí)間軸，表示軟件開發(fā)的順序開啟階段精化階段構(gòu)建階段產(chǎn)品化階段縱軸：“誰”在“何時(shí)”、“如何”去做“何事”9個(gè)工作流程各個(gè)階段實(shí)施的工作流程，在不同的時(shí)間段內(nèi)工作流所占工作量不同1.4軟件設(shè)計(jì)對軟件如何被開發(fā)出來的一種規(guī)范化描述軟件需求分析和軟件設(shè)計(jì)受到重視編碼所占比例越來越少軟件設(shè)計(jì)的重要性對軟件需求的直接體現(xiàn)為軟件實(shí)現(xiàn)提供直接依據(jù)考慮軟件系統(tǒng)的各種約束條件并給出相應(yīng)方案決定最終軟件系統(tǒng)的質(zhì)量及早發(fā)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)中存在的錯(cuò)誤減少軟件修復(fù)和維護(hù)的成本1.4軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的特征出現(xiàn)新的問題需要軟件來解決、解決問題和實(shí)施決策的過程、一系列轉(zhuǎn)換過程、滿足各種約束的過程過程、不斷演化的過程、給出一個(gè)方案、新思路、新想法軟件設(shè)計(jì)的要素目標(biāo)描述、設(shè)計(jì)約束、產(chǎn)品描述、設(shè)計(jì)原理、開發(fā)規(guī)劃、使用描述1.5軟件體系結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)是從軟件需求到軟件實(shí)現(xiàn)的活動(dòng)，它把各種軟件需求轉(zhuǎn)換為能直接實(shí)現(xiàn)的軟件結(jié)構(gòu)軟件需求與軟件設(shè)計(jì)之間存在難以逾越的鴻溝，如何有效的將軟件需求軟化為相應(yīng)的設(shè)計(jì)？軟件需求——？——軟件設(shè)計(jì)——軟件實(shí)現(xiàn)—軟件體系結(jié)構(gòu)1.5軟件體系結(jié)構(gòu)軟件體系結(jié)構(gòu)的定義軟件體系結(jié)構(gòu)是軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包含軟件元素、軟件元素外部可見的屬性以及這些軟件元素之間的關(guān)系；軟件體系結(jié)構(gòu)是軟件系統(tǒng)的基本組織、包含構(gòu)件、構(gòu)件之間、構(gòu)件與環(huán)境之間的關(guān)系，以及相關(guān)的設(shè)計(jì)與演化原則；軟件體系結(jié)構(gòu)是程序或系統(tǒng)中組件的結(jié)構(gòu)、組件之間的相互關(guān)系、設(shè)計(jì)的基本原則以及隨時(shí)間進(jìn)化的指導(dǎo)方針；1.5軟件體系結(jié)構(gòu)軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程“無體系結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)階段萌芽階段以匯編語言進(jìn)行小規(guī)模應(yīng)用程序開發(fā)為特征以描述系統(tǒng)的高層抽象結(jié)構(gòu)為中心，不關(guān)心