1、2020/7/27,1,第五章 總體設(shè)計,軟件工程 （Software Engineering）,2020/7/27,2,總體設(shè)計,需求分析解決：系統(tǒng)做什么？ 總體設(shè)計解決：系統(tǒng)怎樣做？,2020/7/27,3,總體設(shè)計,總體設(shè)計(Summary Design)又稱為概要設(shè)計或初步設(shè)計。通過這個階段的工作將劃分出組成系統(tǒng)的物理元素程序(Program)、文件(File)、數(shù)據(jù)庫(Dada base)、人工過程和文檔(Document)等等，但是每個物理元素仍然處于黑盒子(Black Box)級，這些黑盒子里的具體內(nèi)容將在以后仔細(xì)設(shè)計?？傮w設(shè)計階段的另一項(xiàng)重要任務(wù)是： 設(shè)計軟件的結(jié)構(gòu) 確定系統(tǒng)中

2、每個程序是由哪些模塊組成 確定模塊相互間的關(guān)系,前一頁,2020/7/27,4,設(shè)計過程 設(shè)計原理 啟發(fā)式規(guī)則 描述軟件結(jié)構(gòu)的圖形工具 面向數(shù)據(jù)流的設(shè)計方法,本章主要內(nèi)容,前一頁,2020/7/27,5,總體的設(shè)計過程,總體設(shè)計過程分為兩個階段 系統(tǒng)設(shè)計階段：確定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案 結(jié)構(gòu)設(shè)計階段：確定軟件結(jié)構(gòu),2020/7/27,6,前一頁,總體的設(shè)計過程,設(shè)想供選擇的方案 選取合理的方案 推薦最佳方案 功能分解 設(shè)計軟件結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)庫設(shè)計 制定測試計劃 書寫文檔 審核和復(fù)審,2020/7/27,7,前一頁,總體的設(shè)計過程,設(shè)想供選擇的方案,分析員考慮各種可能的實(shí)現(xiàn)方案(Project)，并且力求從

3、中選出最佳方案。在總體設(shè)計階段開始時只有系統(tǒng)的邏輯模型，分析員有充分的自由分析比較不同的物理實(shí)現(xiàn)方案，可以從需求分析得到的數(shù)據(jù)流圖入手。 常用的方法是：設(shè)想在數(shù)據(jù)流圖中處理分組的各種可能的方法，拋棄在技術(shù)上行不通的方法，余下的方法作為可能實(shí)現(xiàn)的策略，并且可以啟發(fā)供選擇的物理系統(tǒng)。,2020/7/27,8,前一頁,總體的設(shè)計過程,選取合理方案,從上一步提供的方案中選取，至少選取低成本、中等成本和高成本的三種方案。對每個合理的方案分析員都應(yīng)該準(zhǔn)備下列四份資料：,（1）系統(tǒng)流程圖 （2）組成系統(tǒng)的物理元素的清單 （3）成本/效益分析 （4）實(shí)現(xiàn)這個系統(tǒng)的進(jìn)度計劃,2020/7/27,9,前一頁,總體

4、的設(shè)計過程,推薦最佳方案,分析員應(yīng)該綜合分析對比各種合理的方案，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)計劃。 用戶和有關(guān)的技術(shù)專家審查推薦的最佳系統(tǒng)，如果確定該系統(tǒng)符合用戶的需要，并且是在現(xiàn)有條件下完全能夠?qū)崿F(xiàn)的，則請使用部門負(fù)責(zé)人進(jìn)一步審批。在接受分析員所推薦的方案之后，系統(tǒng)設(shè)計完成，進(jìn)入總體設(shè)計過程的下一個重要階段結(jié)構(gòu)設(shè)計。,2020/7/27,10,前一頁,總體的設(shè)計過程,功能分解,為了最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)，必須設(shè)計出組成這個系統(tǒng)的所有程序和文件（或數(shù)據(jù)庫）。對程序（特別是復(fù)雜的大型程序）的設(shè)計，通常分為兩個階段完成：,結(jié)構(gòu)設(shè)計(Structure Design) ：是總體設(shè)計階

5、段的任務(wù)，確定程序由那些模塊組成，以及這些模塊之間的關(guān)系。,過程設(shè)計(Process Design)：是詳細(xì)設(shè)計階段的任務(wù)，確定每個模塊的處理過程。,2020/7/27,11,功能分解,為確定軟件結(jié)構(gòu)，首先需要從實(shí)現(xiàn)角度把復(fù)雜的功能進(jìn)一步分解。 功能分解導(dǎo)致數(shù)據(jù)流圖進(jìn)一步細(xì)化，同時使用圖形工具描述算法。,2020/7/27,12,前一頁,總體的設(shè)計過程,設(shè)計軟件結(jié)構(gòu),即結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括確定系統(tǒng)各模塊間的關(guān)系。 通常程序中的一個模塊完成一個適當(dāng)?shù)淖庸δ?，而一個程序包含若干個模塊，因此考慮把模塊組織成良好的層次系統(tǒng)。頂層模塊調(diào)用它下層模塊以實(shí)現(xiàn)程序的完整功能，每個下層模塊再調(diào)用更下層的模塊，從而完成

6、程序的一個子功能，最下層的模塊完成最具體的功能 。,2020/7/27,13,設(shè)計軟件結(jié)構(gòu),頂層模塊調(diào)用它下層模塊以實(shí)現(xiàn)程序的完整功能，每個下層模塊再調(diào)用更下層的模塊，從而完成程序的一個子功能，最下層的模塊完成最具體的功能 。 軟件結(jié)構(gòu)可以用層次圖或結(jié)構(gòu)圖表示。 有些軟件的結(jié)構(gòu)可以通過細(xì)化的數(shù)據(jù)流圖映射得到。,2020/7/27,14,前一頁,總體的設(shè)計過程,數(shù)據(jù)庫設(shè)計,對于需要使用數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)，工程師需要對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計。,2020/7/27,15,前一頁,總體的設(shè)計過程,制定測試計劃,在軟件開發(fā)的早期階段考慮測試(Testing)問題，能促使軟件設(shè)計人員在設(shè)計時注意提高軟件的可測試性 。,

7、2020/7/27,16,前一頁,總體的設(shè)計過程,書寫文檔,1.系統(tǒng)說明 2.用戶手冊 3.測試計劃 4.詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)計劃 5.數(shù)據(jù)庫設(shè)計結(jié)果,2020/7/27,17,前一頁,總體的設(shè)計過程,審核和復(fù)審,最后應(yīng)該對總體設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格的技術(shù)審查，通過之后再由使用部門從管理和應(yīng)用的角度進(jìn)行復(fù)審。,2020/7/27,18,軟件設(shè)計的概念和原理,模塊化 抽象 逐步求精 信息隱蔽和局部化 模塊獨(dú)立,前一頁,主要內(nèi)容,2020/7/27,19,前一頁,軟 件 設(shè) 計 的 概 念 和 原 理,模塊化,模塊(Modular)是數(shù)據(jù)說明、可執(zhí)行語句等程序?qū)ο蟮募?，它是單?dú)命名的而且可通過名字來訪問。模塊

8、化就是把程序劃分成若干個模塊，每個模塊完成一個子功能，把這些模塊集總起來組成一個整體，可以完成指定的功能滿足問題的要求。,2020/7/27,20,前一頁,軟 件 設(shè) 計 的 概 念 和 原 理,模塊化,設(shè)函數(shù)C（x）定義問題x的復(fù)雜程度，函數(shù)E（x）確定解決問題x需要的工作量（時間），對于兩個問題p1和p2， If C（p1） C（p2） Then E（p1） E（p2） C（p1p2） C(P1) + C(p2) E（p1p2） E（p1）+ E（p2）,2020/7/27,21,前一頁,模塊化與軟件成本,2020/7/27,22,前一頁,軟 件 設(shè) 計 的 概 念 和 原 理,抽 象,人

9、類在認(rèn)識復(fù)雜現(xiàn)象的過程中使用的最強(qiáng)有力的思維工具抽象(Abstract)。人們在實(shí)踐中認(rèn)識到，在現(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。,2020/7/27,23,抽 象,處理復(fù)雜系統(tǒng)的唯一有效的方法是用層次的方式構(gòu)造和分析它。,2020/7/27,24,逐步求精,逐步求精和模塊化的概念，與抽象是密切相關(guān)的。 如軟件工程的每一步都是對軟件解法的抽象層次的一次精化。可行性分析階段，軟件作為完整的部件；需求階段，軟件解法使用熟悉的問題描述；從總體設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計，抽象程度降低，逐步精化。 抽象與求精互補(bǔ)。,

10、2020/7/27,25,逐步求精,定義：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。 原因：人類認(rèn)知過程的局限Miller法則 一個人在任何時候都只能把注意力集中在（7+ 2）個知識塊上。 逐步求精的效果，把注意力集中在與當(dāng)前開發(fā)最相關(guān)的問題上，忽略暫時不需要考慮的細(xì)節(jié)。,2020/7/27,26,前一頁,軟 件 設(shè) 計 的 概 念 和 原 理,信息的隱蔽和局部化,信息隱藏：使得一個模塊內(nèi)包括的信息(過程和數(shù)據(jù)）對于不需要這些信息的模塊來說，是不能訪問的。 局部化：把一些關(guān)系密切的軟件元素物理地放得彼此靠近。 “隱蔽”(Hiding)意味著有效的模塊化可以通過定義一組獨(dú)立的模塊而實(shí)

11、現(xiàn)，這些獨(dú)立的模塊彼此間僅僅交換那些為了完成系統(tǒng)功能而必須交換的信息。,2020/7/27,27,前一頁,模塊獨(dú)立,模塊獨(dú)立(Independence)的概念是模塊化、抽象、信息隱蔽和局部化概念的直接結(jié)果。 開發(fā)具有獨(dú)立功能而且和其他模塊之間沒有過多的相互作用的模塊，就可以做到模塊獨(dú)立 。 模塊獨(dú)立性的優(yōu)點(diǎn)： 第一，有效的模塊化（即具有獨(dú)立的模塊）的軟件比較容易開發(fā)出來。 第二，獨(dú)立的模塊比較容易測試和維護(hù)。,2020/7/27,28,模塊獨(dú)立,模塊的獨(dú)立程度可以由兩個定性標(biāo)準(zhǔn)度量，這兩個標(biāo)準(zhǔn)分別稱為內(nèi)聚和耦合，內(nèi)聚衡量一個模塊內(nèi)部各個元素彼此結(jié)合的緊密程度；耦合衡量不同模塊彼此間互相依賴（連

12、接）的緊密程度。,2020/7/27,29,前一頁,軟 件 設(shè) 計 的 概 念 和 原 理,模塊獨(dú)立 耦合,耦合 （Coupling） 耦合是對一個軟件結(jié)構(gòu)內(nèi)不同模塊之間互聯(lián)程度的度量。 在軟件設(shè)計時應(yīng)該追求松散耦合的系統(tǒng)。 如果兩個模塊中的每一個都能獨(dú)立地工作而不需要另一個模塊地存在，那么它們彼此完全獨(dú)立，這意味著模塊間無任何連接，耦合程度最低 。,2020/7/27,30,前一頁,幾 種 類 型 的 耦 合,模塊獨(dú)立 耦合,數(shù)據(jù)耦合 (Data Coupling)：如果兩個模塊彼此間通過參數(shù)交換信息，而且交換的信息僅僅是數(shù)據(jù)，那么這種耦合稱為數(shù)據(jù)耦合。 控制耦合(Control Coupl

13、ing) ：如果傳遞的信息中有控制信息，則這種耦合稱為控制耦合。,數(shù)據(jù)耦合是低耦合。系統(tǒng)必須存在這種耦合，因?yàn)橹挥挟?dāng)某些模塊的輸出數(shù)據(jù)作為另一些模塊的輸入數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)才能完成有價值的功能。,2020/7/27,31,前一頁,模塊獨(dú)立 耦合,公共環(huán)境耦合 (Common Coupling)：當(dāng)兩個或多個模塊通過一個公共數(shù)據(jù)環(huán)境相互作用時，它們之間的耦合稱為公共環(huán)境耦合。 內(nèi)容耦合(Contain Coupling)：最高程度的耦合是內(nèi)容耦合。,原則：盡量使用數(shù)據(jù)耦合，少用控制耦合，限制公共環(huán)境耦合的范圍，完全不用內(nèi)容耦合 。,幾 種 類 型 的 耦 合,2020/7/27,32,前一頁,軟 件

14、設(shè) 計 的 概 念 和 原 理,模塊獨(dú)立 內(nèi)聚,內(nèi)聚(Cohesion),內(nèi)聚是一個模塊內(nèi)各個元素彼此結(jié)合的緊密程度。設(shè)計時應(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。 內(nèi)聚和耦合密切相關(guān)，模塊內(nèi)的高內(nèi)聚意味著模塊間的松耦合。,按程度分類：低內(nèi)聚 中內(nèi)聚 高內(nèi)聚,2020/7/27,33,前一頁,模塊獨(dú)立 內(nèi)聚,低內(nèi)聚 有如下幾類：偶然內(nèi)聚、邏輯內(nèi)聚、 時間內(nèi)聚,偶然內(nèi)聚(Coincidental Cohesion)：模塊中，元素之間沒有實(shí)質(zhì)的聯(lián)系，在不同的場合需要做不同的修改，導(dǎo)致出錯概率高。 邏輯內(nèi)聚(Logical Cohesion)：模塊中，不同功能混在一起，合用部分程序代碼

15、，局部修改會影響全局，導(dǎo)致修改困難。 時間內(nèi)聚(Temporal Cohesion)：模塊中，各處理單元必須在一個有限的時間間隔內(nèi)執(zhí)行完成。,幾 種 類 型 的 內(nèi) 聚,2020/7/27,34,前一頁,模塊獨(dú)立 內(nèi)聚,中內(nèi)聚 主要有兩類： 過程內(nèi)聚(Procedural Cohesion) 需要按特定順序執(zhí)行模塊內(nèi)的處理元素的稱為過程內(nèi)聚。 通信內(nèi)聚(Communication Cohesion) 模塊中所有元素都使用同一個輸入數(shù)據(jù)或輸出同一個數(shù)據(jù)，稱為通信內(nèi)聚。,幾 種 類 型 的 內(nèi) 聚,2020/7/27,35,前一頁,模塊獨(dú)立 內(nèi)聚,高內(nèi)聚 也有兩類：順序內(nèi)聚 功能內(nèi)聚,順序內(nèi)聚(S

16、equential Cohesion) 模塊中一個處理單元的輸出是另一個處理單元的輸入。 功能內(nèi)聚(Functional Cohesion) 模塊中所有處理單元共同完成同一功能。 功能內(nèi)聚是最高程度的內(nèi)聚。,幾 種 類 型 的 內(nèi) 聚,2020/7/27,36,前一頁,軟 件 設(shè) 計 的 概 念 和 原 理,模塊獨(dú)立 內(nèi)聚,高內(nèi)聚 也有兩類：順序內(nèi)聚、功能內(nèi)聚。對內(nèi)聚的參考評價： 功能內(nèi)聚 10分 時間內(nèi)聚 3分 順序內(nèi)聚 9分 邏輯內(nèi)聚 1分 通信內(nèi)聚 7分 偶然內(nèi)聚 0分 過程內(nèi)聚 5分,2020/7/27,37,啟發(fā)式規(guī)則,改進(jìn)軟件結(jié)構(gòu)提高模塊獨(dú)立性 模塊規(guī)模應(yīng)該適中 深度、寬度、扇出和

17、扇入應(yīng)適當(dāng) 模塊的作用域應(yīng)在控制域之內(nèi) 盡量降低模塊接口的復(fù)雜程度 設(shè)計單入口出口的模塊 模塊功能應(yīng)該可以預(yù)測,前一頁,主要內(nèi)容,2020/7/27,38,圖形工具,層次圖和HIPO圖 結(jié)構(gòu)圖,前一頁,主要內(nèi)容,2020/7/27,39,前一頁,圖形工具,層次圖,層次圖 用來描繪軟件的層次結(jié)構(gòu)，層次圖適合于在自頂向下設(shè)計軟件的過程中使用。,2020/7/27,40,層次圖,層次圖和層次方框圖的區(qū)別 層次圖中一個矩形表示一個模塊，矩形框之間的連線表示調(diào)用關(guān)系 層次方框圖一個矩形表示一個數(shù)據(jù)集合，矩形框之間的連線表示數(shù)據(jù)的層次,2020/7/27,41,前一頁,正文加工系統(tǒng)的層次圖,2020/7/

18、27,42,HIPO圖,HIPO圖 是美國IBM公司發(fā)明的層次圖加“輸入處理輸出圖”的英文縮寫為了能使HIPO圖具有可追蹤性，在H圖（層次圖）里除了最頂層的方框之外，每個方框都加了編號。 和H圖中每個方框?qū)?yīng)，有一張IPO圖描繪該模塊的處理過程。,2020/7/27,43,前一頁,帶編號的層次圖（H圖）,2020/7/27,44,前一頁,結(jié)構(gòu)圖,Yourdon提出的進(jìn)行軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計的有力工具。 圖中方框代表模塊，方框之間的箭頭/連線表示模塊的調(diào)用關(guān)系。 用帶注釋的箭頭表示模塊調(diào)用過程中傳遞的信息。并可以用箭頭尾部的形狀來區(qū)分傳遞信息的種類：尾部是空心圓表示傳遞的是數(shù)據(jù)，實(shí)心圓表示傳遞的是控制信

19、息。,2020/7/27,45,前一頁,產(chǎn)生最佳解的結(jié)構(gòu)圖,2020/7/27,46,前一頁,判定為真時調(diào)用A 為假時調(diào)用B,M循環(huán)調(diào)用A、B、C,2020/7/27,47,層次圖和結(jié)構(gòu)圖,層次圖和結(jié)構(gòu)圖并沒有表示出模塊的調(diào)用次序。 同時兩種圖也沒有指明什么時候調(diào)用下層模塊。,2020/7/27,48,面向數(shù)據(jù)流的設(shè)計方法,前一頁,面向數(shù)據(jù)流的設(shè)計方法的目標(biāo)是給出設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)的一個系統(tǒng)化的途徑。 在軟件工程的需求分析階段，信息流是一個關(guān)鍵，通常用數(shù)據(jù)流圖描繪信息在系統(tǒng)中加工和流動的情況。面向數(shù)據(jù)流的設(shè)計方法即把數(shù)據(jù)流圖變換成軟件結(jié)構(gòu)。 通常所說的結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法（簡稱SD方法），也就是基于數(shù)據(jù)流

20、的設(shè)計方法。,2020/7/27,49,面向數(shù)據(jù)流的設(shè)計方法,概念 變換分析 事務(wù)分析 設(shè)計優(yōu)化,前一頁,主要內(nèi)容,2020/7/27,50,前一頁,面 向 數(shù) 據(jù) 流 的 設(shè) 計 方 法,概念 變換流,根據(jù)基本系統(tǒng)模型，信息通常以“外部世界”的形式進(jìn)入軟件系統(tǒng)，經(jīng)過處理以后再以“外部世界”的形式離開系統(tǒng)。,2020/7/27,51,前一頁,變換流圖,2020/7/27,52,概念 變換流,信息沿輸入通路進(jìn)入系統(tǒng)，同時由外部形式變換成內(nèi)部形式，進(jìn)入系統(tǒng)的信息通過變換中心，經(jīng)加工處理以后再沿輸出通路變換成外部形式離開軟件系統(tǒng)。當(dāng)數(shù)據(jù)流圖具有這些特征時，這種信息流就叫作變換流 。,2020/7/2

21、7,53,前一頁,概念 事務(wù)流,數(shù)據(jù)沿輸入通路到達(dá)一個處理T，這個處理根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的類型再若干個動作序列中選出一個來執(zhí)行。這類數(shù)據(jù)流應(yīng)該劃為一類特殊的數(shù)據(jù)流，稱為事務(wù)流。,（1）接收輸入數(shù)據(jù)（輸入數(shù)據(jù)又稱為事務(wù)）； （2）分析每個事物以確定它的類型； （3）根據(jù)事物類型選取一條活動通道。,處理T稱為事務(wù)中心，完成的任務(wù)：,2020/7/27,54,前一頁,事 務(wù) 流,2020/7/27,55,前一頁,概 念 設(shè) 計 過 程,2020/7/27,56,前一頁,面 向 數(shù) 據(jù) 流 的 設(shè) 計 方 法,變換分析設(shè)計,把具有變換流特點(diǎn)的數(shù)據(jù)流圖按預(yù)先確定的模式映射成軟件結(jié)構(gòu) 。,2020/7/27,57,前一頁,面 向 數(shù) 據(jù) 流 的 設(shè) 計 方 法,變換流分析設(shè)計,設(shè)計一個安裝在汽車上的數(shù)字儀表板，功能如下： （1）通過模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)傳感器和微處理機(jī)接口； （2）在發(fā)光二極管面板上顯示數(shù)據(jù)； （3）指示每小時英里數(shù)（mph），行駛的英里數(shù)（mpg），總里程等等； （4）指示加速或減速； （5）超速報警。,2020/7/27,58,前一頁,面 向 數(shù) 據(jù) 流 的 設(shè) 計 方 法,變換流分析設(shè)計,第1步 復(fù)查基本系統(tǒng)模型。 第2步 復(fù)查并精化數(shù)據(jù)流圖。,2020/7/27,59,前一頁,數(shù)字儀表板數(shù)據(jù)流圖,2020/7/27,60,變換流分析設(shè)計,第3步 確定數(shù)據(jù)流圖具有變