1、.,第2章 軟件設(shè)計(jì)基本概念,2.1 設(shè)計(jì)過程 2.2 設(shè)計(jì)原理 2.3 啟發(fā)規(guī)則,.,軟件設(shè)計(jì)宣言：Mitch Kapor “什么是設(shè)計(jì)？設(shè)計(jì)是你站在兩個世界技術(shù)世界和人類的目標(biāo)世界而你嘗試將這兩個世界結(jié)合在一起”。 羅馬建筑批評家Vitruvius提出的觀念： “設(shè)計(jì)良好的建筑應(yīng)該展示出堅(jiān)固、適用和令人賞心悅目”。,.,設(shè)計(jì)階段： 從工程管理的角度，可以將軟件設(shè)計(jì)分為概要設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。 從技術(shù)的角度，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化方法將軟件設(shè)計(jì)劃分為體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)和過程設(shè)計(jì)4部分。 面向?qū)ο蠓椒▌t將軟件設(shè)計(jì)劃分為體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、類設(shè)計(jì)/數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)和構(gòu)件級設(shè)計(jì)4部分。,.,.

2、,結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)化分析的關(guān)系：,.,總體設(shè)計(jì)過程：首先尋找實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)的各種不同的方案；然后分析員從這些供選擇的方案中選取若干個合理的方案，從中選出一個最佳方案向用戶和使用部門負(fù)責(zé)人推薦；分析員應(yīng)該進(jìn)一步為這個最佳方案設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，確定測試要求并且制定測試計(jì)劃。 必要性：總體設(shè)計(jì)可以站在全局高度上，花較少成本，從較抽象的層次上分析對比多種可能的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案和軟件結(jié)構(gòu)，從中選出最佳方案和最合理的軟件結(jié)構(gòu)，從而用較低成本開發(fā)出較高質(zhì)量的軟件系統(tǒng)。,.,5.1 設(shè)計(jì)過程,由兩個主要階段組成： 系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，確定系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方案 設(shè)想供選擇的方案 選取合理的方案 推薦最佳方案

3、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，確定軟件結(jié)構(gòu) 功能分解 設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫,制定測試計(jì)劃 書寫文檔 審查和復(fù)審,.,典型的總體設(shè)計(jì)過程包括下述9個步驟： 1. 設(shè)想供選擇的方案 根據(jù)需求分析階段得出的數(shù)據(jù)流圖考慮各種可能的實(shí)現(xiàn)方案，力求從中選出最佳方案。 2. 選取合理的方案 從前一步得到的一系列供選擇的方案中選取若干個合理的方案。對每個合理的方案分析員都應(yīng)該準(zhǔn)備下列4份資料： 系統(tǒng)流程圖； 組成系統(tǒng)的物理元素清單； 成本/效益分析； 實(shí)現(xiàn)這個系統(tǒng)的進(jìn)度計(jì)劃。,.,3. 推薦最佳方案 分析員應(yīng)該綜合分析對比各種合理方案的利弊，推薦一個最佳的方案，并且為推薦的方案制定詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)計(jì)劃。 4. 功能分解 首先

4、進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行過程設(shè)計(jì)。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定程序由哪些模塊組成，以及這些模塊之間的關(guān)系；過程設(shè)計(jì)確定每個模塊的處理過程。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是總體設(shè)計(jì)階段的任務(wù)，過程設(shè)計(jì)是詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的任務(wù)。,.,5. 設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu) 通常程序中的一個模塊完成一個適當(dāng)?shù)淖庸δ?。?yīng)該把模塊組織成良好的層次系統(tǒng)。軟件結(jié)構(gòu)可以用層次圖或結(jié)構(gòu)圖來描繪。 如果數(shù)據(jù)流圖已經(jīng)細(xì)化到適當(dāng)?shù)膶哟危瑒t可以直接從數(shù)據(jù)流圖映射出軟件結(jié)構(gòu)，這就是面向數(shù)據(jù)流的設(shè)計(jì)方法。 6. 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫 對于需要使用數(shù)據(jù)庫的那些應(yīng)用系統(tǒng)，軟件工程師應(yīng)該在需求分析階段所確定的系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫。,.,7. 制定測試計(jì)劃 在軟件開發(fā)的早期階段考慮

5、測試問題，能促使軟件設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時注意提高軟件的可測試性。 8. 書寫文檔 應(yīng)該用正式的文檔記錄總體設(shè)計(jì)的結(jié)果，在這個階段應(yīng)該完成的文檔通常有下述幾種： (1) 系統(tǒng)說明； (2) 用戶手冊；(3) 測試計(jì)劃； (4) 詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)計(jì)劃；(5) 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)結(jié)果。 9. 審查和復(fù)審 最后應(yīng)該對總體設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格的技術(shù)審查和管理復(fù)審。,.,5.2 設(shè)計(jì)原理 5.2.1 模塊化,模塊：是由邊界元素限定的相鄰程序元素的序列，而且有一個總體標(biāo)識符代表它。 模塊化：就是把程序劃分成獨(dú)立命名且可獨(dú)立訪問的模塊，每個模塊完成一個子功能，把這些模塊集成起來構(gòu)成一個整體，可以完成指定的功能滿足用戶的需求。,.

6、,為什么要模塊化？ 模塊化是為了使一個復(fù)雜的大型程序能被人的智力所管理，軟件應(yīng)該具備的惟一屬性。 如果一個大型程序僅由一個模塊組成，它將很難被人所理解。,.,模塊化的根據(jù)： 如果C(P1)C(P2)，顯然E(P1)E(P2) 根據(jù)人類解決一般問題的經(jīng)驗(yàn)， C(P1+P2)C(P1)+C(P2) 綜上所述，得到下面的不等式 E(P1+P2)E(P1)+E(P2),.,每個程序都相應(yīng)地有一個最適當(dāng)?shù)哪K數(shù)目M，使得系統(tǒng)的開發(fā)成本最小。,模塊化和軟件成本,.,模塊化的作用： 采用模塊化原理可以使軟件結(jié)構(gòu)清晰，不僅容易設(shè)計(jì)也容易閱讀和理解。 模塊化使軟件容易測試和調(diào)試，因而有助于提高軟件的可靠性。 模

7、塊化能夠提高軟件的可修改性。 模塊化也有助于軟件開發(fā)工程的組織管理。,.,5.2.2 抽象,抽象：現(xiàn)實(shí)世界中一定事物、狀態(tài)或過程之間總存在著某些相似的方面(共性)。把這些相似的方面集中和概括起來，暫時忽略它們之間的差異，這就是抽象。 抽象就是抽出事物本質(zhì)特性而暫時不考慮細(xì)節(jié)。 “抽象是人類處理復(fù)雜問題的基本方法之一。” Grady Boach,.,一般抽象過程： 處理復(fù)雜系統(tǒng)的惟一有效的方法是用層次的方式構(gòu)造和分析它。 一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)首先可以用一些高級的抽象概念構(gòu)造和理解，這些高級概念又可以用一些較低級的概念構(gòu)造和理解，如此進(jìn)行下去，直至最低層次的具體元素。 例：過程抽象、數(shù)據(jù)抽象,開(行

8、為抽象）+ 門(數(shù)據(jù)抽象),.,19,形體,衣著,性格,抽象,抽象例子,外表,.,軟件工程抽象過程： 軟件工程過程的每一步都是對軟件解法的抽象層次的一次精化。 在可行性研究階段，軟件作為系統(tǒng)的一個完整部件； 在需求分析期間，軟件解法是使用在問題環(huán)境內(nèi)熟悉的方式描述的； 當(dāng)由總體設(shè)計(jì)向詳細(xì)設(shè)計(jì)過渡時，抽象的程度也就隨之減少了； 最后，當(dāng)源程序?qū)懗鰜硪院螅簿瓦_(dá)到了抽象的最低層。,.,5.2.3 逐步求精,逐步求精：為了能集中精力解決主要問題而盡量推遲對問題細(xì)節(jié)的考慮。逐步求精是人類解決復(fù)雜問題時采用的基本方法，也是許多軟件工程技術(shù)的基礎(chǔ)。 Miller法則：一個人在任何時候都只能把注意力集中在（

9、72）個知識塊上。,.,22,逐步求精,外表,形體,衣著,性格,頭發(fā),臉形,領(lǐng)帶,抽象,逐步求精的例子,.,例：用篩選法求100以內(nèi)的素?cái)?shù)。所謂的篩選法，就是從2到100中去掉2，3，5，7的倍數(shù)，剩下的就是100以內(nèi)的素?cái)?shù)。 首先按程序功能寫出一個框架 main() 建立2到100的數(shù)組A ，其中Aii；.1 建立2到10的素?cái)?shù)表B ，存放2到10以內(nèi)的素?cái)?shù)；.2 若Aii是B 中任一數(shù)的倍數(shù)，則剔除Ai；.3 輸出A 中所有沒有被剔除的數(shù)；.4 ,.,上述框架中每一個加工語句都可進(jìn)一步細(xì)化 main() /*建立2到100的數(shù)組A ，其中Aii*/ .1 for （i = 2；i = 10

10、0；i+）Ai = i； /* 建立2到10的素?cái)?shù)表B ，存放2到10以內(nèi)的素?cái)?shù)*/ .2 B1 =2； B2 = 3； B3 = 5； B4 = 7； /*若Aii是B 中任一數(shù)的倍數(shù)，則剔除Ai*/ .3 for （j = 1； j = 4； j+） 檢查A所有數(shù)能否被Bj整除并將其從A剔除；.3.1 /*輸出A 中所有沒有被剔除的數(shù)*/ .4 for （i = 2； i 25) module_3(); else module_4(); ,.,評價(jià)： 與結(jié)構(gòu)化編程矛盾，生成的代碼完全不可讀。 如果在一個模塊中對一個全局變量的聲明進(jìn)行修改，必須修改能夠訪問該全局變量的每一個模塊。 公共環(huán)境耦

11、合的模塊難于重用，必須提供一個全局變量的清單。 即使模塊本身不改變，它和產(chǎn)品中其他模塊之間公共環(huán)境耦合的實(shí)例數(shù)也會變化非常大。 潛在危險(xiǎn)很大。模塊暴露出必需要更多的數(shù)據(jù)，難以控制數(shù)據(jù)存取，而且會導(dǎo)致計(jì)算機(jī)犯罪。 有些情況下公共環(huán)境耦合更好。,.,函數(shù)可重入的概念,可重入函數(shù)也可以這樣理解，重入即表示重復(fù)進(jìn)入，首先它意味著這個函數(shù)可以被中斷，其次意味著它除了使用自己棧上的變量以外不依賴于任何環(huán)境（包括static），這樣的函數(shù)就是purecode（純代碼）可重入，可以允許有該函數(shù)的多個副本在運(yùn)行，由于它們使用的是分離的棧，所以不會互相干擾。如果確實(shí)需要訪問全局變量（包括static），一定要注意

12、實(shí)施互斥手段?？芍厝牒瘮?shù)在并行運(yùn)行環(huán)境中非常重要，但是一般要為訪問全局變量付出一些性能代價(jià),.,(6) 內(nèi)容耦合(content coupling) 最高程度的耦合是內(nèi)容耦合。如果出現(xiàn)下列情況之一，兩個模塊間就發(fā)生了內(nèi)容耦合： 一個模塊訪問另一個模塊的內(nèi)部數(shù)據(jù)； 一個模塊不通過正常入口轉(zhuǎn)到另一個模塊的內(nèi)部； 兩個模塊有一部分程序代碼重疊； 一個模塊有多個入口。,.,耦合是影響軟件復(fù)雜程度的一個重要因素。 應(yīng)該采取下述設(shè)計(jì)原則： 盡量使用數(shù)據(jù)耦合， 少用控制耦合和特征耦合， 限制公共環(huán)境耦合的范圍， 完全不用內(nèi)容耦合。,.,2. 內(nèi)聚 內(nèi)聚：標(biāo)志一個模塊內(nèi)各個元素彼此結(jié)合的緊密程度，它是信息隱藏

13、和局部化概念的自然擴(kuò)展。簡單地說，理想內(nèi)聚的模塊只做一件事情。 要求：設(shè)計(jì)時應(yīng)該力求做到高內(nèi)聚，通常中等程度的內(nèi)聚也是可以采用的，而且效果和高內(nèi)聚相差不多；但是，低內(nèi)聚不要使用。 內(nèi)聚和耦合是密切相關(guān)的，模塊內(nèi)的高內(nèi)聚往往意味著模塊間的松耦合。實(shí)踐表明內(nèi)聚更重要，應(yīng)該把更多注意力集中到提高模塊的內(nèi)聚程度上。,.,內(nèi)聚程度的度量： (1) 偶然內(nèi)聚(coincidental cohesion) 如果一個模塊完成一組任務(wù)，這些任務(wù)彼此間即使有關(guān)系，關(guān)系也是很松散的，就叫做偶然內(nèi)聚。,.,評價(jià)： 模塊內(nèi)各元素之間沒有實(shí)質(zhì)性聯(lián)系，很可能在一種應(yīng)用場合需要修改這個模塊，在另一種應(yīng)用場合又不允許這種修改，

14、從而陷入困境； 可理解性差，可維護(hù)性產(chǎn)生退化； 模塊是不可重用的。 解決方案： 將模塊分成更小的模塊，每個小模塊執(zhí)行一個操作。,.,(2) 邏輯內(nèi)聚(logical cohesion) 如果一個模塊完成的任務(wù)在邏輯上屬于相同或相似的一類，則稱為邏輯內(nèi)聚。,.,評價(jià)： 接口難以理解，造成整體上不易理解； 完成多個操作的代碼互相糾纏在一起，即使局部功能的修改有時也會影響全局，導(dǎo)致嚴(yán)重的維護(hù)問題； 難以重用。 解決方案： 模塊分解。,.,.,(3) 時間內(nèi)聚(temporal cohesion) 如果一個模塊包含的任務(wù)必須在同一段時間內(nèi)執(zhí)行，就叫時間內(nèi)聚。,.,評價(jià)： 時間關(guān)系在一定程度上反映了程序

15、某些實(shí)質(zhì)，所以時間內(nèi)聚比邏輯內(nèi)聚好一些。 模塊內(nèi)操作之間的關(guān)系很弱，與其他模塊的操作卻有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。 時間內(nèi)聚的模塊不太可能重用。,.,(4) 過程內(nèi)聚(procedural cohesion) 如果一個模塊內(nèi)的處理元素是相關(guān)的，而且必須以特定次序執(zhí)行，則稱為過程內(nèi)聚。 使用程序流程圖作為工具設(shè)計(jì)軟件時，常常通過研究流程圖確定模塊的劃分，這樣得到的往往是過程內(nèi)聚的模塊。,.,.,評價(jià)： 比時間內(nèi)聚好，至少操作之間是過程關(guān)聯(lián)的。 仍是弱連接，不太可能重用模塊。 解決方案： 分割為單獨(dú)的模塊，每個模塊執(zhí)行一個操作。,.,(5) 通信內(nèi)聚(communicational cohesion) 如果模塊

16、中所有元素都使用同一個輸入數(shù)據(jù)和(或)產(chǎn)生同一個輸出數(shù)據(jù)，則稱為通信內(nèi)聚。即在同一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上操作。 評價(jià)： 模塊中各操作緊密相連，比過程內(nèi)聚更好。 不能重用。 解決方案： 分成多個模塊，每個模塊執(zhí)行一個操作。,.,.,(6) 順序內(nèi)聚(sequential cohesion) 如果一個模塊內(nèi)的處理元素和同一個功能密切相關(guān)，而且這些處理必須順序執(zhí)行，則稱為順序內(nèi)聚。 評價(jià)： 根據(jù)數(shù)據(jù)流圖劃分模塊時，通常得到順序內(nèi)聚的模塊，這種模塊彼此間的連接往往比較簡單。,.,(7) 功能內(nèi)聚(functional cohesion) 如果模塊內(nèi)所有處理元素屬于一個整體，完成一個單一的功能，則稱為功能內(nèi)聚。功

17、能內(nèi)聚是最高程度的內(nèi)聚。 評價(jià)： 模塊可重用，應(yīng)盡可能重用； 可隔離錯誤，維護(hù)更容易； 擴(kuò)充產(chǎn)品功能時更容易。,.,七種內(nèi)聚的優(yōu)劣評分結(jié)果： 高內(nèi)聚：功能內(nèi)聚 10分 順序內(nèi)聚 9分 中內(nèi)聚：通信內(nèi)聚 7分 過程內(nèi)聚 5分 低內(nèi)聚：時間內(nèi)聚 3分 邏輯內(nèi)聚 1分 偶然內(nèi)聚 0分 設(shè)計(jì)時力爭做到高內(nèi)聚，并且能夠辨認(rèn)出低內(nèi)聚的模塊。,.,5.3 啟發(fā)規(guī)則,1. 改進(jìn)軟件結(jié)構(gòu)提高模塊獨(dú)立性 通過模塊分解或合并，降低耦合提高內(nèi)聚。 兩個方面： 模塊功能完善化。一個完整的模塊包含： 執(zhí)行規(guī)定的功能的部分 出錯處理的部分 返回一個“結(jié)束標(biāo)志” 消除重復(fù)功能，改善軟件結(jié)構(gòu)。 完全相似 局部相似,.,.,2.

18、 模塊規(guī)模應(yīng)該適中 經(jīng)驗(yàn)表明，一個模塊的規(guī)模不應(yīng)過大，最好能寫在一頁紙內(nèi)。通常規(guī)定50100行語句，最多不超過500行。數(shù)字只能作為參考，根本問題是要保證模塊的獨(dú)立性。 過大的模塊往往是由于分解不充分，但是進(jìn)一步分解必須符合問題結(jié)構(gòu)，一般說來，分解后不應(yīng)該降低模塊獨(dú)立性。 過小的模塊開銷大于有效操作，而且模塊數(shù)目過多將使系統(tǒng)接口復(fù)雜。,.,3. 深度、寬度、扇出和扇入都應(yīng)適當(dāng) 深度：軟件結(jié)構(gòu)中控制的層數(shù)，它往往能粗略地標(biāo)志一個系統(tǒng)的大小和復(fù)雜程度。 寬度：軟件結(jié)構(gòu)內(nèi)同一個層次上的模塊總數(shù)的最大值。 扇出：一個模塊直接控制(調(diào)用)的模塊數(shù)目。 扇入：有多少個上級模塊直接調(diào)用它。,.,.,.,4. 模塊的作用域應(yīng)該在控制域之內(nèi) 模塊的作用域：定義為受該模塊內(nèi)一個判定影響的所有模塊的集合。 模塊的控制域：是這個模塊本身以及所有直接或間接從屬于它的模塊的集合。 在一個設(shè)計(jì)得很好的系統(tǒng)中，所有受判定影響的模塊應(yīng)該都從屬于做出判定的那個模塊，最好局限于做出判定的那個模塊本身及它的直屬下級模塊。,.,.,解決方案： 把模塊A中的判定移到模塊M中； 把模塊G移到模塊A下面，作為他的下級模塊。,.,5. 力爭降低模塊接口的復(fù)雜程度 模塊接口復(fù)雜是軟件發(fā)生錯誤的一個