[教育]趙良軟件工程結(jié)構(gòu)化設(shè)計概念和原理

1、第8講 設(shè)計概念與原理,需求模型翻譯到軟件設(shè)計,,,,,,,,,,,,,需求分析模型,,,,,,,,設(shè)計模型,數(shù)據(jù)對象描述,處理規(guī)格說明,控制規(guī)格說明,E-R,DFD,STD,DD,翻譯分析模型到軟件設(shè)計,數(shù)據(jù)設(shè)計將分析時創(chuàng)建的信息域模型變換為軟件所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，側(cè)重于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計定義軟件系統(tǒng)各主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的關(guān)系。過程設(shè)計則是把結(jié)構(gòu)構(gòu)件轉(zhuǎn)換成軟件的過程性描述。在編碼步驟，根據(jù)這種過程性描述，生成源程序代碼，然后通

2、過測試最終得到完整有效的軟件。接口設(shè)計是建立軟件內(nèi)部的關(guān)系以及軟件人－機(jī)之間的交互機(jī)制。,1.設(shè)計過程,從項(xiàng)目管理的角度來看，軟件設(shè)計分兩步完成。概要設(shè)計，將軟件需求轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)。詳細(xì)設(shè)計，即過程設(shè)計。通過對體系結(jié)構(gòu)表示進(jìn)行細(xì)化，得到軟件的詳細(xì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。,概要設(shè)計,從回答“做什么”到回答“怎樣做”劃分出組成系統(tǒng)的物理元素——程序、文件、數(shù)據(jù)庫、過程和文檔等等每個元素還是黑盒子---“全局高度，抽象層次

3、”體系結(jié)構(gòu)設(shè)計,體系結(jié)構(gòu)設(shè)計,文學(xué)中有科學(xué)，音樂中有數(shù)學(xué)，漫畫中有現(xiàn)代數(shù)學(xué)的拓?fù)鋵W(xué)。漫畫家可以“幾筆”就把一個人畫出來，不管怎么美化或丑化，就是活像。為什么？因?yàn)槟恰皫坠P”不是別的，而是拓?fù)鋵W(xué)中的特征不變量，這是事物最本質(zhì)的東西。 ——楊叔子,（1）體系結(jié)構(gòu)是對復(fù)雜事物的一種抽象。,（2）體系結(jié)構(gòu)在一定的時間內(nèi)保持穩(wěn)定。,體系

4、結(jié)構(gòu)設(shè)計,2.設(shè)計基本原理,1.模塊化：Modularity模塊是數(shù)據(jù)說明、可執(zhí)行語句等程序?qū)ο蟮募?，是單?dú)命名的并且可以通過名字來訪問，例如過程、函數(shù)、子程序、宏、modula等。軟件被劃分成獨(dú)立命名和可獨(dú)立訪問的被稱作模塊的構(gòu)件，每個構(gòu)件完成一個子功能，它們集成到一起滿足問題需求。,模塊化,模塊化論據(jù)：C(x)定義為問題x的復(fù)雜性E(x)定義為解決問題x所需要的工作量對p1和p2兩個問題， 若 C(p1) >

5、; C(p2)，則 E(p1) > E(p2)C(p1 + p2) > C(p1) + C(p2)E(p1 + p2) > E(p1) + E(p2)不要過度模塊化！每個模塊的簡單性將被集成的復(fù)雜性所掩蓋。,模塊化,模塊化和軟件本如何確定地預(yù)測最小成本區(qū)？,,,,,成本 / 模塊,接口成本,軟件總成本,設(shè)計基本原理,2.抽象 Abstraction：忽略細(xì)節(jié)，分層理解問題，自頂向下層層細(xì)化，包括對過程、數(shù)據(jù)和

6、控制的抽象。過程抽象：一個命名的指令序列，具有特定和有限的功能。數(shù)據(jù)抽象是命名的數(shù)據(jù)集合，描述一個數(shù)據(jù)對象?？刂瞥橄箅[含了不必說明的內(nèi)部細(xì)節(jié)的程序控制機(jī)制。是實(shí)現(xiàn)模塊化的手段之一。,設(shè)計基本原理,3.求精Refinement自頂向下的設(shè)計策略。,walk to door;reach for knob;Switch the knob;open door;walk through;close door.,設(shè)計基本原理,4

7、.信息隱藏 information hiding 信息隱藏：在設(shè)計和確定模塊時，使得一個模塊內(nèi)包含的信息（過程和數(shù)據(jù)）對于不需要這些信息的模塊來說，是不可訪問的。每個客戶只能通過接口來了解該模塊，而所有的實(shí)現(xiàn)都隱藏起來。,信息隱藏,,“信息隱藏”，更準(zhǔn)確地描述應(yīng)是“細(xì)節(jié)隱藏”，因?yàn)殡[藏的不是信息，而是實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。,3、模塊化設(shè)計,模塊獨(dú)立性度量標(biāo)準(zhǔn)：內(nèi)聚 cohesion 和耦合 coupling內(nèi)聚是一個模塊內(nèi)部的交互程度；耦

8、合是模塊之間交互的程度。功能獨(dú)立性是良好設(shè)計的關(guān)鍵，設(shè)計又是軟件質(zhì)量的關(guān)鍵。,耦合,耦合(couple)是度量系統(tǒng)中模塊之間的交互程度。Goal: 模塊之間盡可能獨(dú)立耦合從低到高依次為：非直接耦合（最好），數(shù)據(jù)耦合，標(biāo)記耦合，控制耦合，外部耦合，公共耦合和內(nèi)容耦合（最差）。,耦合,內(nèi)容耦合 content coupling如果兩個模塊中的一個直接引用了另一個模塊的內(nèi)容，則它們之間是內(nèi)容耦合。One module

9、modifies another.,例1：A訪問C的內(nèi)部數(shù)據(jù)或不通過正常入口而轉(zhuǎn)入C的內(nèi)部。,耦合,例2：部分代碼重疊（常出現(xiàn)在匯編程序中）,例3：一個模塊有多個入口（功能）,耦合,公共耦合 common coupling 如果兩個模塊都可以存取相同的全局?jǐn)?shù)據(jù)，則它們之間是公共耦合。a common data store.,耦合,公共耦合存在的問題： 公共部分的改動將影響所有調(diào)用它的模塊； 公共部分的數(shù)據(jù)存取無法控制； 復(fù)雜

10、程度隨耦合模塊的個數(shù)增加而增加。解決方法:通過使用信息隱藏來避免公共耦合。,耦合,控制耦合 control coupling 如果兩個模塊中的一個模塊給另一個模塊傳遞控制信息，則它們具有控制耦合。One module passes parameters to control the activity of another module.,特點(diǎn)：接口單一，但仍然影響被控模塊的內(nèi)部邏輯。,耦合,標(biāo)記耦合 stamp coupling

11、如果兩個模塊都要使用同一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一部分，不是采用全局公共數(shù)據(jù)區(qū)共享，而是通過模塊結(jié)構(gòu)傳遞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一部分，則它們之間為標(biāo)記耦合。數(shù)據(jù)耦合 data coupling被調(diào)用模塊的輸入與輸出是簡單的參數(shù)或者是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的所有元素為被調(diào)用的模塊使用），則它們之間為數(shù)據(jù)耦合。非直接耦合 no direct coupling 兩個模塊之間沒有聯(lián)系，則它們之間為非直接耦合。,耦合,實(shí)現(xiàn)低耦合，采取下列措施：耦合方式采用非

12、直接耦合，不采用內(nèi)容耦合。傳遞信息類型盡量使用數(shù)據(jù)耦合，少采用控制耦合，外部耦合和公共耦合限制使用。耦合數(shù)量模塊間相互調(diào)用時，傳遞參數(shù)最好只有一個。原則：盡量使用數(shù)據(jù)耦合，少用控制耦合，限制公共耦合的范圍，完全不用內(nèi)容耦合。,內(nèi)聚,內(nèi)聚：cohesion.Goal: 盡可能高內(nèi)聚.內(nèi)聚級別： 偶然內(nèi)聚 邏輯內(nèi)聚 時間內(nèi)聚 過程內(nèi)聚

13、 通信內(nèi)聚 順序內(nèi)聚 功能內(nèi)聚,低內(nèi)聚,偶然內(nèi)聚(Coincidental cohesion): 指一個模塊內(nèi)的各處理元素之間沒有任何聯(lián)系。例： read disk file; calculate current values; produce user output; …嚴(yán)重的缺點(diǎn)：產(chǎn)品的可維護(hù)性退化

14、；模塊是不可復(fù)用的，增加軟件成本。解決途徑：將模塊分成更小的模塊，每個小模塊執(zhí)行一個操作。,低內(nèi)聚,邏輯內(nèi)聚（Logical cohesion）：邏輯上相關(guān)的功能或數(shù)據(jù)放在一個模塊中。問題：接口難于理解；完成多個操作的代碼互相糾纏在一起，導(dǎo)致嚴(yán)重的維護(hù)問題。,低內(nèi)聚,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。例如：系統(tǒng)的初始化 open old master

15、 file; new master file, transaction file and print file; initialize sales region table; read first transaction record and first old master file record;問題：不同的功能混在一個模塊中，有時共用

16、部分編碼，使局部功能的修改牽動全局。,中內(nèi)聚,過程內(nèi)聚 (Procedural cohesion): Functions are grouped together in a module to ensure a certain order of performance.例子：Read part number from database and update repair record on maintenance file.,中內(nèi)聚

17、,通信內(nèi)聚（Communicational cohesion）：All the functions in a module operate on or produce the same data set. 例如：從數(shù)據(jù)庫的操作 —— 可能破壞獨(dú)立性。,高內(nèi)聚,順序內(nèi)聚 (Sequential cohesion)：一個處理元素的輸出數(shù)據(jù)作為下一個處理元素的輸入數(shù)據(jù)。 功能內(nèi)聚 (Functional cohesion)：模塊內(nèi)的所有

18、處理元素屬于一個整體，完成一個單一的功能。 原則：在實(shí)際工作中，確定內(nèi)聚的精確級別是不必要的，重要的是力爭高內(nèi)聚和識別低內(nèi)聚，可以使得設(shè)計的軟件具有較高的功能獨(dú)立性。,封閉——開放,如果一個模塊可以作為一個獨(dú)立體被其它程序引用，則稱模塊具有封閉性。如果一個模塊可以被擴(kuò)充，則稱模塊具有開放性。,可復(fù)用性——可擴(kuò)充性,小結(jié),軟件設(shè)計的重要性設(shè)計過程設(shè)計的基本原理抽象、細(xì)化、模塊化、體系結(jié)構(gòu)、控制層次、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件過程