软件工程(邓良松)第三章

第3章软件设计3.13.2软件设计的基本原理3.3软件结构准则3.4基于IDEFO图的设计方法3.5软件详细设计3.6第3章返回主目录第3章软件设计第3章软件设计3.13.1.1概要设计基本任务1.设计软件系统结构(简称软件结构)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(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。第3章软件设计(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。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3章软件设计2.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。1)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3章软件设计2)数据库的设计指数据存储文件的设计，其主要包括以下几(1)概念设计。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。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。第3章软件设计(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。(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3章软件设计数据库技术是一项专门的技术，本书不作详细的讨论。但开发人员应注意到，在大型数据处理系统的功能分析与设计中，同时要进行数据分析与数据设计。数据库的“概念设计”与“逻辑设计”分别对应于系统开发中的“需求分析”与“概要设计”，而数据库的“物理设计”与模块的“详细设计”相对应。3.(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。第3章软件设计(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。4.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3章软件设计3.1.2概要设计说明书是概要设计阶段结束时提交的技术文档。按国标GB8576-88的《计算机软件产品开发文件编制指南》规定，软件设计文档可分为“概要设计说明书”、“详细设计说明书”和“数据库设计说明书”。(1)引言：编写目的，背景，定义，参考资料。(2)总体设计：需求规定，运行环境，基本设计概念和处理流程，结构。(3)接口设计：用户接口，外部接口，内部接口。(4)运行设计：运行模块组合，运行控制，运行时间。第3章软件设计(5)系统数据结构设计：逻辑结构设计，物理结构设计，数据结构与程序的关系。(6)系统出错处理设计：出错信息，补救措施，系统恢复设计。第3章软件设计3.23.2.1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。(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3章软件设计功能、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(详见第11~12章)。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。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；如果第3章软件设计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：第3章软件设计E(P1+P2)＞E(P1)+E(P2)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3.1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3章软件设计图3.1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3章软件设计3.2.2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3章软件设计3.2.3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)，对于不需要这些信息的其他模块来说，是不能访问的；“隐蔽”的意思是，有效的模块化通过定义一组相互独立的模块来实现，这些独立的模块彼此之间仅仅交换那些为了完成系统功能所必需的信息，而将那些自身的实现细节与数据“隐藏”起来。一个软件系统在整个生存期中要经过多次修改，信息隐蔽为软件系统的修改、测试及以后的维护都带来好处。因此，在划分模块时要采取措施，如采用局部数据结构，使得大多数过程(即实现细节)和数据对软件的其他部分是隐藏的，这样，修改软件时偶然引入的错误所造成的影响只局限在一个或少量几个模块内部，不波及其他部分。第3章软件设计3.2.4为了降低软件系统的复杂性，提高可理解性、可维护性，必须把系统划分成为多个模块，但模块不能任意划分，应尽量保持其独立性。模块独立性指每个模块只完成系统要求的独立的子功能，并且与其他模块的联系最少且接口简单。模块独立性概念是模块化、抽象及信息隐蔽这些软件工程基本原理的直接产物。只有符合和遵守这些原则才能得到高度独立的模块。良好的模块独立性能使开发的软件具有较高的质量。由于模块独立性强，信息隐藏性能好，并完成独立的功能，且它的可理解性、可维护性及可测试性好，必然导致软件的可靠性高。另外，接口简单、功能独立的模块易开发，且可并行工作，有效地提高了软件的生产率。第3章软件设计如何衡量软件的独立性呢?根据模块的外部特征和内部特征，提出了两个定性的度量标准——耦合性和内聚性。1.耦合性(Coupling)耦合性也称块间联系，指软件系统结构中各模块间相互联系紧密程度的一种度量。模块之间联系越紧密，其耦合性就越强，模块的独立性则越差。模块间耦合高低取决于模块间接口的复杂性、调用的方式及传递的信息。模块的耦合性有以下无直接耦合数据耦合标记耦合控制耦合公共耦合内容耦合第3章软件设计(1)无直接耦合：指两个模块之间没有直接的关系，它们分别从属于不同模块的控制与调用，它们之间不传递任何信息。因此，模块间的这种耦合性最弱，模块独立性最高。(2)数据耦合：指两个模块之间有调用关系，传递的是简单的数据值，相当于高级语言中的值传递。这种耦合程度较低，模块的独立性较高。(3)标记耦合：指两个模块之间传递的是数据结构，如高级语言中的数组名、记录名和文件名等这些名字即为标记，其实传递的是这个数据结构的地址。两个模块必须清楚这些数据结构，并按要求对其进行操作，这样降低了可理解性。可采用“信息隐蔽”的方法，把该数据结构以及在其上的操作全部集中在一个模块，就可消除这种耦合，但有时因为还有其他功能的缘故，标记耦合是不可避免的。第3章软件设计(4)控制耦合：指一个模块调用另一个模块时，传递的是控制变量(如开关、标志等)，被调模块通过该控制变量的值有选择地执行块内某一功能。因此被调模块内应具有多个功能，哪个功能起作用受其调用模块的控制。控制耦合增加了理解与编程及修改的复杂性，调用模块必须知道被调模块内部的逻辑关系，即被调模块处理细节不能“信息隐藏”，降低了模块的独立性。在大多数情况下，模块间的控制耦合并不是必需的，可以将被调模块内的判定上移到调用模块中去，同时将被调模块按其功能分解为若干单一功能的模块，将控制耦合改变为数据耦合。第3章软件设计(5)公共耦合：指通过一个公共数据环境相互作用的那些模块间的耦合。公共数据环境可以是全程变量或数据结构、共享的通信区、内存的公共覆盖区及任何存储介质上的文件和物理设备等(也有将共享外部设备分类为外部耦合的)。公共耦合的复杂程度随耦合模块的个数增加而增加。如果只有两个模块之间有公共数据环境，那么这种公共耦合就有两①一个模块只是给公共数据环境送数据，另一个模块只是从公共环境中取数据，这只是数据耦合的一种形式，是比较松第3章软件设计②两个模块都既往公共数据环境中送数据，又从里面取数据，这是紧密的公共耦合。如果在模块之间共享的数据很多，且通过参数的传递很不方便时，才使用公共耦合，①耦合的复杂程度随模块的个数增加而增加，无法控制各个模块对公共数据的存取，若某个模块有错，可通过公共区将错误延伸到其他模块，则会影响到软件的可靠性。②使软件的可维护性变差。若某一模块修改了公共区的数据，则会影响到与此有关的所有模块。③降低了软件的可理解性。因为各个模块使用公共区的数据，使用方式往往是隐含的，某些数据被哪些模块共享，不易很快搞清。第3章软件设计(6)内容耦合：是最高程度的耦合，也是最差的耦合。当一个模块直接使用另一个模块的内部数据，或通过非正常入口而转入