第4章软件工程

第4章总体设计软件工程信息技术学部陈曦第4章总体设计4.1总体设计的过程4.2表示软件结构的图形工具4.3软件设计的概念和原理4.4软件结构设计优化准则4.5面向数据流的设计方法第4章总体设计第4章总体设计4.1总体设计的过程经过可行性分析阶段，我们弄清了系统开发出来的可行性，在需求分析阶段，我们弄清了系统到底要“做什么？”，接着进入设计阶段，我们开始考虑“怎么做？”的问题。前面提到过，软件设计阶段分为总体设计和详细设计。即首先考虑软件的总体结构，在全局的高度上分析对比多种可能实现系统的方案和结构，从中选出最佳方案，然后再进行进一步的设计。第4章总体设计为了实现目标系统，最终必须设计出组成这个系统的所有程序和数据库(文件)，对于程序，则首先进行结构设计，具体方法如下：(1)采用某种设计方法，将一个复杂的系统按功能划分成模块。(2)确定每个模块的功能。(3)确定模块之间的调用关系。(4)确定模块之间的接口，即模块之间传递的信息。(5)评价模块结构的质量。1.设计软件系统结构(简称软件结构)第4章总体设计从以上内容看，软件结构的设计是以模块为基础的，在需求分析阶段，通过某种分析方法把系统分解成层次结构。在设计阶段，以需求分析的结果为依据，从实现的角度划分模块，并组成模块的层次结构。软件结构的设计是概要设计关键的一步，直接影响到详细设计与编码的工作。软件系统的质量及一些整体特性都在软件结构的设计中决定。因此，应由经验丰富的软件人员担任，采用一定的设计方法，选取合理的设计方案。第4章总体设计2.数据结构及数据库设计1)数据结构的设计对于大型数据处理的软件系统，除了系统结构设计外，数据结构与数据库设计也是重要的。逐步细化的方法也适用于数据结构的设计。在需求分析阶段，可通过数据字典对数据的组成、操作约束和数据之间的关系等方面进行描述，确定数据的结构特性，在概要设计阶段要加以细化，详细设计则规定具体的实现细节。在概要设计阶段，宜使用抽象的数据类型。如“栈”是数据结构的概念模型，在详细设计中可用线性表和链表来实现“栈”。设计有效的数据结构，将大大简化软件模块处理过程的设计。第4章总体设计2)数据库的设计(1)概念设计。一般用ER模型来表示数据模型，这是一个概念模型。ER模型既是设计数据库的基础，也是设计数据结构的基础。IDEF1x技术也支持概念模式，用IDEF1x方法建立系统的信息模型，使模型具有一致性、可扩展性和可变性等特性，同样，该模型可作为数据库设计的主要依据。数据库的设计指数据存储文件的设计，其主要包括以下几方面的设计：在数据分析的基础上，从用户角度采用自底向上的方法进行视图设计。第4章总体设计(2)逻辑设计。ER模型或IDEF1x模型是独立于数据库管理系统(DBMS)的，要结合具体的DBMS特征来建立数据库的逻辑结构。对于关系型的DBMS来说，将概念结构转换为数据模式、子模式并进行规范，要给出数据结构的定义，即定义所含的数据项、类型、长度及它们之间的层次或相互关系的表格等。第4章总体设计(3)物理设计。对于不同的DBMS，物理环境不同，提供的存储结构与存取方法各不相同。物理设计就是设计数据模式的一些物理细节，如数据项存储要求、存取方式和索引的建立等。第4章总体设计3.编写概要设计文档编写概要设计文档的内容如下：(1)概要设计说明书。(2)数据库设计说明书：主要给出所使用的DBMS简介，数据库的概念模型、逻辑设计和结果。(3)用户手册：对需求分析阶段编写的用户手册进行补充。(4)修订测试计划：对测试策略、方法和步骤提出明确要求。第4章总体设计4.评审在该阶段，对设计部分是否完整地实现了需求中规定的功能、性能等要求，设计方案的可行性、关键的处理及内外部接口定义正确性、有效性以及各部分之间的一致性等，都一一进行评审。第4章总体设计4.2表示软件结构的图形工具前面说过，总体设计的任务是要从宏观的角度把握整个系统的结构，那么如何用“可量化”的方式来表示系统的整体结构呢？这里便需要用到一些工具来帮助设计人员从宏观上表示整个系统的结构，这里的工具主要是图形工具，包括：层次图、HIPO图和结构图。4.2.1层次图和HIPO图层次图类似于系统流程图，其图形符号主要有矩形框和直线。矩形框代表模块，框内写上模块的名字；连线表示调用关系，即一个模块的功能是通过调用下层模块实现的。第4章总体设计HIPO图HIPO图(HierarchyPlusInput/Processing/Output)是美国IBM公司70年代发展起来的表示软件系统结构的工具。它既可以描述软件总的模块层次结构——H图(层次图)，又可以描述每个模块输入/输出数据、处理功能及模块调用的详细情况——IPO图。HIPO图以模块分解的层次性以及模块内部输入、处理及输出三大基本部分为基础建立的。当然，绘制HIPO图同样要遵循软件设计的基本原理。1.HIPO图的H图该图用于描述软件的层次结构，矩形框表示一个模块，矩形框之间的直线表示模块之间的调用关系，同结构图一样未指明调用顺序。第4章总体设计现以某企业的销售系统为例，说明HIPO图的H图。企业销售管理的描述如下：(1)接受顾客的订单，检验订单。若库存有货，则进行供货处理，即修改库存，给仓库开备货单，并且将订单留底；若库存量不足，则将缺货订单登入缺货记录。(2)根据缺货记录进行缺货处理，将缺货通知单发给采购部分，以便采购。(3)根据采购部门发来的进货通知单处理进货，即修改库存，并从缺货记录中取出缺货订单进行供货处理。(4)根据留底的订单进行销售统计，打印统计表给经理。图4.1即为该系统HIPO图的H图。第4章总体设计图4.1销售管理系统的H图销售管理系统订货处理进货处理输入并检验订单读库存记录确定能否供货输入进货单增加库存量缺货订单处理读缺货记录缺货订单处理读订单记录分类统计销售统计缺货处理读缺货记录统计各项缺货量打印缺货单可供货处理修改缺货记录打印统计表可供订处理缺货货单留底减少库存量订单留底打印备货单第4章总体设计2.IPO图H图只说明了软件系统由哪些模块组成及其控制层次结构，并未说明模块间的信息传递及模块内部的处理。因此对一些重要模块还必须根据数据流图、数据字典及H图绘制具体的IPO图，图4.2为“确定能否供货”的IPO图。“确定能否供货”是图4.1中的一个模块。第4章总体设计4.2“确定能否供货系统”的IPO图第4章总体设计4.2.2结构图软件结构图是软件系统的模块层次结构，反映了整个系统的功能实现，即将来程序的控制层次体系。对于一个“问题”，可用不同的软件结构来解决，不同的设计方法和不同的划分和组织，可得出不同的软件结构。软件结构往往用树状或网状结构的图形来表示。软件工程中，一般采用70年代中期美国Yourdon等提出的称为结构图(StructureChart,简称SC)的工具来表示软件结构。结构图的主要内容有：第4章总体设计(1)模块：用方框表示，并用名字标识该模块，名字应体现该模块的功能。(2)模块的控制关系：两个模块间用单向箭头或直线连接起来表示它们的控制关系，如图4.3所示。按照惯例，总是图中位于上方的模块调用下方的模块，所以不用箭头也不会产生二义性。调用模块和被调用模块的关系称为上属与下属的关系，或者称为“统率”与“从属”的关系。如图4.5所示，模块M统率模块A、B、C，模块D从属于模块A，也从属于M。(3)模块间的信息传递：模块间还经常用带注释的短箭头表示模块调用过程中来回传递的信息。有时箭头尾部带空心圆的表示传递的是数据，带实心圆的表示传递的是控制信息，如图4.3所示。第4章总体设计B学生记录学号查标询志记地录址A查询成绩图3.2图4.3模块间的控制关系及信息传递第4章总体设计(4)两个附加符号：表示模块有选择调用或循环调用，如图4.4所示。(5)结构图的形态特征。结构图的形态特征包括：①深度：指结构图控制的层次，也是模块的层数，见图4.5，结构图的深度为5。②宽度：指一层中最大的模块个数，如图4.5所示，宽度为8。③扇出：一个模块直接下属模块的个数，如图4.5所示，模块M的扇出为3。④扇入：指一个模块直接上属模块的个数，如图4.5所示，模块T的扇入为4。第4章总体设计4.4选择调用和循环调用的表示(a)选择调用；(b)循环调用ABCT1MT2T3(a)(b)第4章总体设计图4.5结构图示例宽度扇出DABCMT扇入深度第4章总体设计(6)画结构图应注意的事项如下：①同一名字的模块在结构图中仅出现一次。②调用关系只能从上到下。③不严格表示模块的调用次序，习惯上从左到右。有时为了减少连线的交叉，适当地调整同一层模块左右位置，以保持结构图的清晰性。第4章总体设计4.3软件设计的概念和原理3.2.1模块化模块化的概念在程序设计技术中就出现了。何为模块？模块在程序中是数据说明、可执行语句等程序对象的集合，或者是单独命名和编址的元素，如高级语言中的过程、函数和子程序等。在软件的体系结构中，模块是可组合、分解和更换的单元。模块具有以下几种基本属性：(1)接口：指模块的输入与输出。(2)功能：指模块实现什么功能。(3)逻辑：描述内部如何实现要求的功能及所需的数据。(4)状态：指该模块的运行环境，即模块的调用与被调用关系。第4章总体设计功能、状态与接口反映模块的外部特性，逻辑反映它的内部特性。模块化是指解决一个复杂问题时自顶向下逐层把软件系统划分成若干模块的过程。每个模块完成一个特定的子功能，所有的模块按某种方法组装起来，成为一个整体，完成整个系统所要求的功能。在面向对象设计中，模块和模块化的概念将进一步扩充。模块化是软件解决复杂问题所具备的手段，为了说明这一点，可将问题的复杂性和工作量的关系进行推理。第4章总体设计设问题x,表示它的复杂性函数为C(x),解决它所需的工作量函数为E(x)。对于问题P1和P2；如果C(P1)＞C(P2)即P1比P2复杂，那么E(P1)＞E(P2)即问题越复杂，所需要的工作量越大。根据解决一般问题的经验，规律为：C(P1+P2)＞C(P1)+C(P2)即一个问题由两个问题组合而成的复杂度大于分别考虑每个问题的复杂度之和。这样，可以推出：E(P1+P2)＞E(P1)+E(P2)第4章总体设计由此可知，开发一个大而复杂的软件系统，将它进行适当的分解，不但可降低其复杂性，还可减少开发工作量，从而降低开发成本，提高软件生产率，这就是模块化的依据。但是否将系统无限制分割，最后开发软件的工作量就会趋于零?事实上模块划分越多，块内的工作量减少，但模块之间接口的工作量增加了，如图4.6所示。从图看出，存在着一个使软件开发成本最小区域的模块数M，虽然目前还不能确定M的准确数值，但在划分模块时，避免数目过多或过少，一个模块的规模应当取决于它的功能和用途。同时，应减少接口的代价，提高模块的独立性。第4章总体设计图4.6模块与开发软件成本接口成本软件成本最小区域成本/模块模块数成本(工作量)M第4章总体设计4.3.2抽象抽象是认识复杂现象过程中使用的思维工具，即抽出事物本质的共同特性而暂不考虑它的细节，不考虑其他因素。抽象的概念被广泛应用于计算机软件领域，在软件工程学中更是如此。软件工程实施中的每一步都可以看作是对软件抽象层次的一次细化。在系统定义阶段，软件可作为整个计算机系统的一个元素来对待；在软件需求分析阶段，软件的解决方案是使用问题环境中的术语来描述；从概要设计到详细设计阶段，提象的层次逐步降低，将面向问题的术语与面向实现的术语结合起来描述解决方法，直到产生源程序时到达最低的抽象层次。这是软件工程整个过程的抽象层次。具体到软件设计阶段，又有不同的抽象层次，在进行软件设计时，抽象与逐步求精、模块化密切相关，可帮助定义软件结构中模块的实体，由抽象到具体地分析和构造出软件的层次结构，提高软件的可理解性。第4章总体设计4.3.3信息隐蔽通过抽象，可以确定组成软件的过程实体。通过信息隐蔽，可以定义和实施对模块的过程细节和局部数据结构的存取限制。所谓信息隐蔽，是指在设计和确定模块时，使得一个模块内包含的信息（过程或数据），对于不需