軟件工程主講:蔡勇Email:jkx_cy@163.com課件下載:1用戶名:student-cy教材：軟件工程導論（第五版）清華大學出版社作者：張海藩1課程概述一、軟件工程學科介紹二、學習目標三、部分參考資料四、課程特點和學習的注意事項五、教材簡介六、課程考核方式2一、軟件工程學科介紹軟件程學科發(fā)展歷史三個階段：概念提出、學科雛形、學科確立第一階段：概念提出1968年NATO會議(北大西洋公約組織的計算機科學家的國際會議）提出“軟件工程”概念。當時對“軟件工程”代表性定義：為了經(jīng)濟地獲得在真實機器上可靠工作的軟件而制定和使用的合理工程原則和方法。1972年IEEE學會的計算機分會IEEE一CS第一次出版了“軟件工程學報”3第二階段：學科雛形上世紀70年代末，美國將軟件工程教程列入研究生教育計劃。1980年代末和1990年代初，軟件工程教育得到卡內(nèi)基一梅隆大學軟件工程研究所（CMU/SEI）的支持。1991年，“軟件工程”被ACM（美國計算機協(xié)會）和IEEE/CS列為計算學科的九個知識領域之一。1993年，IEEE一CS和ACM為了把軟件工程建設成為一個專業(yè)，建立了IEEE一CS/ACM聯(lián)合指導委員會。4第三階段：學科確立2004年8月，IEEE一CS和ACM給出：軟件工程知識體（SWEBOK,SoftwareEngineeringBodyofKnowledge)軟件工程教育知識體（SEEK)最終版，標志著軟件工程學科在世界范圍正式確立。軟件工程、計算機科學、計算機工程、信息系統(tǒng)、信息技術并列成為計算學科下的獨立學科。軟件工程知識體（SWEBOK)：全面描述了軟件工程實踐所需的知識。5SWEBOK（軟件工程知識體》10個領域軟件需求軟件設計軟件構造軟件測試軟件維護軟件配置管理軟件工程管理軟件工程過程軟件工程工具和方法軟件質量參考資料：[1]白征．SWEBOK：軟件工程知識體，計算機科學，2001年07期［2萬江平．軟件工程知識體系指南綜述，計算機應用研究，2006年10期6SWEBOK詳細結構（1）78軟件工程與其他學科的關系1、軟件工程是計算學科9個領域之一．算法和數(shù)據(jù)結構計算機系統(tǒng)結構人工智能和機器人學數(shù)據(jù)庫和信息檢索人一機交互操作系統(tǒng)程序設計語言軟件方法學和軟件工程數(shù)字和符號計算9計算學科中12個重復出現(xiàn)的基本概念綁定．概念和形式模型效率抽象層次按時間排序安全性大問題的復雜性一致性和完備性演化按空間排序重用折衷與決策軟件工程是計算學科的分支，這12個概念同樣將貫穿軟件工程學科，是學科的精髓。102、8個相關學科知識域計算機工程計算機科學數(shù)學管理學項目管理質量管理系統(tǒng)工程學軟件人類工程學其中：計算機科學、數(shù)學是基礎工程學科、管理學科也非常重要11軟件程是一門什么樣的學科？是指導計算機軟件開發(fā)與維護的一門工程學科。工程：將科學及數(shù)學原理運用于實際用途的應用手段，如：設計、制造、機器操縱、構架等。典型的傳統(tǒng)工程：建筑工程、機械工程、電力工程等。概括的說，軟件工程即用工程、科學和數(shù)學的原則和方法研制、維護計算機軟件的有關技術及方法，其優(yōu)點是以較小的代價開發(fā)高質量的軟件并有效地維護它。12二、學習目標(1)掌握軟件工程的基礎知識和理論，對軟件工程學有一個全貌的了解；熟悉軟件項目開發(fā)和維護的一般過程；熟練掌握軟件需求分析、設計、編碼和測試等階段的主要思想和技術方法；13二、學習目標(2)通過學習，特別是通過課程設計，真正運用和深刻體會軟件工程的思想方法，轉變對軟件開發(fā)的認識：從個人的單純編程活動轉移到進行系統(tǒng)分析與設計方面上來轉變思維定式：程序員―系統(tǒng)工程師（系統(tǒng)分析員）14三、部分參考資料《軟件工程理論與實踐》許家冶等編著，高等教育出版社，2005年《軟件工程》（第二版），齊治昌等，高等教育出版社，2004年《面向對象的系統(tǒng)分析》，楊芙清等編著，清華大學出版社，2001年《UML用戶指南》GBooch等著，邵維忠等譯，機械工業(yè)出版社2002年15四、課程特點和學習的注肯事項1、知易行難要將理論知識與實踐運用結合，進行對照，以加深理解和掌握。2、內(nèi)容紛雜軟件工程涉及計算機科學、數(shù)學、工程科學和管理科學等多個領域。其中：計算機科學和數(shù)學用于構造模型與算法；工程科學用于制定規(guī)范、設計范型、評估成本及確定權衡管理科學用于計劃、資源、質量和成本的管理。16五、教材總目錄第1章軟件工程學概述第2章可行性研究第3章需求分析第4章形式化說明技術第5章總體設計第6章詳細設計第7章實現(xiàn)第8章維護第9章面向對象方法學引論第10章面向對象分析第11章面向對象設計第12章面向對象實現(xiàn)第13章軟件項目管理附錄AC+＋類庫管理系統(tǒng)分析與設計附錄B漢字行編輯程序設計17課程內(nèi)容學時安排章節(jié)課程內(nèi)容學時l軟件工程學概述42可行性研究43需求分析45總體設計66詳細設計47實現(xiàn)8章節(jié)課程內(nèi)容學時8軟件維護29面向對象方法學引論410面向對象分析211面向對象設計212面向對象實現(xiàn)213軟件項目管理614總結2注：2、3章內(nèi)容關聯(lián)較大，講授時不拘于課本中章節(jié)的安排和劃分；第9、10章也同樣。18六、課程考核方式分數(shù)組成：平時成績（10%)：以理論課課堂表現(xiàn)為主。作業(yè)（30%)：書面作業(yè)期末考試（60%)：19課程設計分組要求3-5人一組，自由組合，選出組長。以小組為單位共同完成“課程實踐”和“課程設計”。課程設計內(nèi)容、記分方式另外通知．本周（第1周）星期五之前請各班課代表或者學習委員給出分組的詳細名單。（電子版和紙張文檔）20第1章軟件工程學概述1.1軟件危機1.2軟件工程1.3軟件生命周期1.4軟件過程1.5小結習題21學習重點1、軟件危機、軟件工程產(chǎn)生的原因2、軟件工程過程和軟件生命周期3、軟件生命周期模型掌握幾個基本概念軟件危機軟件工程軟件過程軟件生命周期軟件生命周期模型22軟件危機與軟件工程學軟件工程學的產(chǎn)生要從“軟件危機”說起1968年，第一屆NAT0（北大西洋公約組織的計算機科學家的國際會議）會議，“軟件工程”的慨念作為一種有效解決“軟件危機”的途徑被正式提出。什么是軟件危機？軟件危機有什么典型表現(xiàn)？為什么會產(chǎn)生軟件危機？怎么解決軟件危機？23§1軟件危機§1.1.1軟件危機介紹什么是軟件危機？軟件危機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。軟件危機主要包括的問題（兩方面）:

①如何開發(fā)軟件②如何維護軟件24軟件危機有什么典型表現(xiàn)？（1）開發(fā)費用和進度難以估算和控制，大大超過預期的資金和規(guī)定日期；軟件需求分析不夠充分，用戶不滿意“已經(jīng)完成”的軟件系統(tǒng)。軟件質量難于保證；軟件維護困難；難以改正程序中的錯誤；難以根據(jù)用戶的需要在原有程序中增加一些新的功能。25軟件危機有什么典型表現(xiàn)？通常沒有保留適當?shù)奈臋n資料。文檔的作用：軟件開發(fā)管理人員：用于管理和評價軟件開發(fā)工程的進展狀況軟件開發(fā)人員：用于開發(fā)人員對各個階段的工作都進行周密思考、全盤權衡、從而減少返工。并且可在開發(fā)早期發(fā)現(xiàn)錯誤和不一致性，便于及時加以糾正軟件維護人員:軟件維護的依據(jù)開發(fā)成本逐年上升，軟件開發(fā)生產(chǎn)率提高的速度，遠遠跟不上計算機應用迅速普及深入的趨勢。2627幾個軟件危機的著名案例①1966年，IBM360機的操作系統(tǒng)?；ㄙM5000人一年的工作量，寫了近1萬行代碼。錯誤百出，每次的新版本就是從前一版本中找1000個程序錯誤而修正的結果。②1963年，美國用于控制火星探測器的計算機軟件中的一個“,”號被誤寫為“.”，而致使飛往火星的探測器發(fā)生爆炸，造成高達數(shù)億美元的損失。③美國丹佛新國際機場自動化行李系統(tǒng)軟件。投資1.93億美元，計劃1993年萬圣節(jié)啟用。但開發(fā)人員一直為系統(tǒng)錯誤困擾，屢次推后啟用時間，直到1994年6月，機場計劃者承認無法預測何時能啟用。④1996年，歐洲阿里亞納5型運載火箭墜毀，造成5億美元損失。原因是控制軟件中的一個錯誤。28§1.1.2產(chǎn)生軟件危機的原因主要兩個原因：1、與軟件本身的特點有關2、與軟件開發(fā)與維護的方法不正確有關。29一、軟件本身的特點（1）軟件與硬件、一般程序存在很多不同之處。

1、軟件與硬件不同抽象性。軟件生產(chǎn)沒有明顯的制造過程，難以衡量開發(fā)進展，也難以控制軟件質量。問題的隱蔽性。沒有硬件的磨損、老化問題，但存在開發(fā)早期在分析、設計階段的錯誤，修改難度較大。30失效率蜘線31改正一個問題需付出的代價322、軟件與一般程序不同（1）①軟件遠比一般程序規(guī)模龐大，復雜性高軟件所反映的實際問題的復雜性程序邏輯結構的復雜性。例1:Windows95,1000萬行代碼；Windows2000，5000萬行代碼例2:Exchange2000和windows2000開發(fā)人員33軟件的規(guī)模軟件產(chǎn)品的特殊性和人類智力的局限性，導致人們無力處理“復雜問題”。342、軟件與一般程序不同（2)②大型軟件開發(fā)既有技術問題，還有社會問題。社會因素：組織機構、體制、管理方式、觀念、人的心理素等。開發(fā)團隊成員分工合作技術與管理的矛盾軟件開發(fā)人員對軟件應用的領域知識的了解35二、軟件開發(fā)維護方法中存在的問題（1)①對用戶需求的獲取不正確用戶的原因分析人員的原因

對分析人員的要求：溝通能力、歸納總結能力、經(jīng)驗越是早期產(chǎn)生的錯誤，付出的代價越大。圖：不同時期引入同一變動的代價36二、軟件開發(fā)維護方法中存在的問題(2)②軟件開發(fā)就是編寫程序。一個完整的軟件產(chǎn)品由一整套完整的配置組成，程序只是其中的一個組成部分。軟件開發(fā)過程包括多個階段，每個階段的產(chǎn)品都是最終的完整的軟件產(chǎn)品的一部分。③軟件開發(fā)只要依靠個別編程高手就能完成。④輕視軟件維護軟件維護約占軟件費用55一75%，包括修改軟件運行的錯誤；對軟件進行改進和功能擴充。37軟件維護在軟件費用的比例38三、其他產(chǎn)生軟件危機的原因①軟件開發(fā)尚未完全擺脫手工藝的開發(fā)方式。②軟件成本相當昂貴，主要依靠大量復雜的、高強度的腦力勞動③軟件的開發(fā)和運行常常受到計算機系統(tǒng)的限制，對計算機系統(tǒng)有著不同程度的依賴性。軟件的“可移植性”就是指的軟件對硬件的依賴程度。好的可移植性依賴少。39§1.1.3消除軟件危機的途徑1、徹底消除“軟件就是程序”的錯誤觀念。2、充分認識到軟件開發(fā)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，不是個人獨立的勞動。3、推廣和使用在實踐中總結出來的軟件開發(fā)的成功技術和方法。4、開發(fā)和使用更好的軟件工具40總結：“軟件工程”的方法理論是擺脫軟件危機的一個主要出路。計算機和軟件科學家為解決軟件危機問題，嘗試將在其它領域中行之有效的工程學知識運用到軟件開發(fā)工作中來，經(jīng)過不斷實踐和總結，最后得出一個結論；按工程化的原則和方法組織軟件開發(fā)工作是有效的，是擺脫軟件危機的一個主要出路。41思考題（1)1）只要是編程高手，即使是不懂軟件工程，也能編出很好的軟件。軟件是服務于大眾，卻是由個性化的開發(fā)人員完成的。如果個性化太強，程序就無法閱讀，其他人員也就無法維護。例：國內(nèi)80年代涌現(xiàn)出來的眾多漢字操作系統(tǒng)均是由編程高手完成的。42思考題（2)2）只要擁有一套講述如何開發(fā)軟件的書籍，并了解了書中的標準與示例，就可以解決軟件開發(fā)中遇到的任何問題。軟件是用來解決現(xiàn)實問題的，現(xiàn)實問題的特殊性對規(guī)范提出了挑戰(zhàn)（要進行適應）。軟件技術是發(fā)展的，沒有祖?zhèn)髅胤?。就像擁有食譜并不能成為名廚一樣，軟件開發(fā)需要實踐。43思考題（3)3）只要擁有最好的開發(fā)工具、最好的計算機，一定能做出優(yōu)秀的軟件。硬件環(huán)境只是必要條件，人才是充分條件，軟件是人在一定的約束條件下創(chuàng)造出來的。因人因事而異。44思考題(4)4）軟件開發(fā)時，如果進度慢，落后于計劃，可以增加更多的程序員來解決。增加人力可以減少開發(fā)時間嗎？新手！任務的重新劃分！溝通更加復雜！必須依靠科學地計劃來解決這樣的問題。45思考題（5）5）爭議：如果軟件運行較慢，是換一臺更快的計算機，還是設計一種更快的算法？軟件的性能問題；應用級別→算法的合理性；系統(tǒng)級別→操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件等；硬件級別→機器性能46§1.2軟件工程§1.2.1軟件工程介紹一、“軟件工程”的典型定義1）1968年，第一屆NATO會議為了經(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。2)IEEE/CS（電氣電子工程師協(xié)會／計算機科學分會）①1993年，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，即將工程化應用于軟件中。②對①中提到的各種方法的研究473）其他學者的定義Boehm：運用現(xiàn)代科學技術知識來設計并構造計算機程序及為開發(fā)、運行和維護這些程序所必需的相關文件資料。FritzBauer:建立并使用完善的工程化原則，以較經(jīng)濟的手段獲得能在實際機器上有效運行的可靠軟件的一系列方法所有定義都強調在軟件開發(fā)過程中，應用工程化原則的重要性48幾個關于軟件工程本質特性和基本原理的問題問題一：軟件工程適用范圍？問題二：軟件工程如何控制系統(tǒng)開發(fā)的復雜性的？問題三：以你的經(jīng)驗，舉例說明一個成熟的軟件通常采用什么方法來適應現(xiàn)實世界的變化的？49幾個關于軟件工程本質特性和基本原理的問題問題四：假設某軟件公司，能為同一個用戶開發(fā)兩個不同層次的軟件：一個層次的軟件功能非常強大，在滿足用戶所有需求的基礎上，還能提供大大超過用戶需求的其他更多更強的功能；另一個層次的軟件僅僅能滿足用戶需求，但沒有提供其他額外的功能。請問如果你是項目負責人，你會選擇為客戶開發(fā)那個層次的軟件？問題五：協(xié)同工作有什么重要性？50幾個關于軟件工程本質特性和基本原理的問題問題五：怎樣理解“在軟件工程領域中是由具有一種文化背景的人替具有另一種文化背景的人創(chuàng)造產(chǎn)品”這句話？問題六：某軟件開發(fā)，由于時間和資金都非常緊迫，在需求分析人員非常認真、仔細地做完需求分析之后，說：我們可以保證我們的需求分析正確性，不用花時間檢查了，設計人員可以直接拿著這份分析報告，馬上開始設計。如果你是項目負責人，你會如何決定？為什么？問題七：在需求分析完成并獲得了用戶的肯定，也通過了評審，進入軟件設計階段之后，用戶的想法有了改變，提出了一個新的要求，此時如果你是項目負責人，應該怎樣做？51二、軟件工程本質特性（2）1）軟件工程關注于大型程序的構造。2）軟件工程的中心課題是控制復雜性主要考慮：如何分解和集成為什么要分解：G.Miller,“7士2”原則3）軟件經(jīng)常變化4）開發(fā)軟件的效率非常重要5）和諧地合作是開發(fā)軟件的關鍵6）軟件必須有效地支持它的用戶7）在軟件工程領域中是由具有一種文化背景的人替具有另一種文化背景的人創(chuàng)造產(chǎn)品擴展定義：軟件=知識＋程序+數(shù)據(jù)+文檔52§1.2.2軟件工程的基本原理B.W.Boehm,1983年提出：1）用分階段的生命周期計劃嚴格管理2）堅持進行階段評審3）實行嚴格的產(chǎn)品控制基線基線（baseline）控制4）采用現(xiàn)代程序設計技術5）結果應能清楚地審查6）開發(fā)小組的人員應該少而精7）承認不斷改進軟件工程實踐的必要性53§1.2.3軟件工程方法學軟件工程包括“管理”和“技術”兩方面內(nèi)容：管理——對人、財、物的合理使用和配置；技術——指軟件開發(fā)中采用的方法、工具和過程。什么是軟件工程方法學？通常把在軟件生命周期全過程中使用的一整套技術方法的集合稱為方法學（methodology)，也稱為范型（paradigm）。54一、軟件工程方法學三要素：工具、方法和過程要素一：軟件工程過程規(guī)定了完成各項任務的工作步驟。要素二：軟件工程方法完成軟件開發(fā)的各項任務的技術方法，為軟件開發(fā)提供了“如何做”的技術。如項目計劃與估算、軟件系統(tǒng)需求分析、數(shù)據(jù)結構、系統(tǒng)總體結構的設計、算法過程的設計、編碼、測試以及維護等。要素三：軟件工程工具計算機輔助軟件工程CASE(computerAidedsottwareEngineering)，為軟件工程方法提供自動或半自動的軟件支撐環(huán)境。55二、軟件工程方法學思想兩種：1、傳統(tǒng)方法學（生命周期方法學或結構化范型）2、面向對象方法561.傳統(tǒng)方法學(生命周期方法學或結構化范型）采用結構化技術（結構化分析、結構化設計和結構化實現(xiàn)）來完成軟件開發(fā)的各項任務；把軟件生命周期劃分為若干個階段，按順序完成每個階段的任務；每個階段開始和結束都有嚴格的標準，對任何兩個相鄰的階段而言，前一個階段的結束標準就是后一階段的開始標準；每一個階段結束之前都必須進行正式嚴格的技術審查和管理復審57傳統(tǒng)方法學的優(yōu)點：分解任務，分工合作，降低整個軟件開發(fā)工程的困難；采用科學的管理技術和良好的技術方法對每個階段成果都進行嚴格的審查。保證了軟件的質量。傳統(tǒng)方法學的缺點：把數(shù)據(jù)和操作人為地分離成兩個獨立的部分，增加了軟件開發(fā)與維護的難度。582、面向對象方法學（OO,Object-oriented)模擬人類習慣的思維方式，使開發(fā)軟件的方法與過程盡可能接近人類認識世界解決問題的方法與過程，從而使描述問題的問題空間（也稱為問題域）與實現(xiàn)解法的解空間（也稱為求解域）在結構上盡可能一致。59面向對象方法學4要點把對象（object）作為融合了數(shù)據(jù)及在數(shù)據(jù)上的操作行為的統(tǒng)一的軟件構件。把所有對象都劃分成類（class）。按照父類（或稱為基類）與子類（或稱為派生類）的關系，把若干個相關類組成一個層次結構的系統(tǒng)（也稱為類等級）。對象彼此間僅能通過發(fā)送消息互相聯(lián)系。60二者區(qū)別傳統(tǒng)方法學：強調自頂向下順序地完成軟件開發(fā)的各階段任務。面向對象方法：是主動地多次反復迭代的演化過程613軟件生命周期一、什么是軟件生命周期（lifecycle）指軟件孕育、誕生、成長、成熟、衰亡的生存過程GB一8567中將軟件生命周期分為7個階段：可行性研究和項目開發(fā)計劃；需求分析；慨要設計；詳細設計；編碼；測試；維護其他分法，5個階段：需求定義、設計、編碼、測試及維護；需求定義階段包括可行性研究和項目開發(fā)計劃、需求分析；設計階段包括慨要設計和詳細設計。62本教材對軟件生命周期的劃分631、軟件定義時期任務：確定軟件開發(fā)工程必須完成的總目標；確定工程的可行性；導出實現(xiàn)工程目標應該采用的策略及系統(tǒng)必須完成的功能；估