第6章--软件编码-普通高等院校计算机类专业系列教材-软件工程教学课件.ppt

第6章 软件编码 第6章 软件编码 6.1 程序设计语言程序设计语言 6.2 编码风格及软件效率编码风格及软件效率 6.3 程序复杂度的概念及度量方法程序复杂度的概念及度量方法 6.4 小结小结 第6章 软件编码 6.1 6.1 程序设计语言程序设计语言6.1.1 6.1.1 程序设计语言的分类程序设计语言的分类 随着计算机技术的发展，目前已经出现了数百种程序设计语言，但被广泛应用的只有几十种。由于不同种类的语言适用于不同的问题域和系统环境，因此了解程序设计语言的分类可以帮助我们选择出合适的语言。通常可将程序设计语言分为面向机器语言和高级语言两大类。第6章 软件编码 1.1.面向机器语言面向机器语言 面向机器语言包括机器语言(Machine Language)和汇编语言(Assemble Language)两种。机器语言是计算机系统可以直接识别的程序设计语言。机器语言程序中的每一条语句实际上就是一条二进制形式的指令代码，由操作码和操作数两部分组成。由于机器语言难以记忆和使用，通常不用机器语言编写程序。汇编语言是一种符号语言，它采用了一定的助记符来替代机器语言中的指令和数据。汇编语言程序必须通过汇编系统翻译成机器语言程序，才能在计算机上运行。汇编语言与计算机硬件密切相关，其指令系统因机器型号的不同而不同。由于汇编语言生产效率低且可维护性差，所以目前软件开发中很少使用汇编语言。第6章 软件编码 2.2.高级语言高级语言 高级语言中的语句标识符与人类的自然语言(英文)较为接近，并且采用了人们十分熟悉的十进制数据表示形式，利于学习和掌握。高级语言的抽象级别较高，不依赖于实现它的计算机硬件，且编码效率较高，往往一条高级语言的语句对应着若干条机器语言或汇编语言的指令。高级语言程序需要经过编译或解释之后，才能生成可在计算机上执行的机器语言程序。高级语言按其应用特点的不同，可分为通用语言和专用语言两大类。第6章 软件编码 第6章 软件编码 2)专用语言 专用语言是为了解决某类特殊领域的问题而专门设计的具有独特语法形式的程序设计语言。如专用于解决数组和向量计算问题的APL语言；专用于开发编译程序和操作系统程序的BLISS语言；专用于处理人工智能领域问题的LISP语言和PROLOG语言等。这些语言的共同特点是可高效地解决本领域的各种问题，但难以应用于其他领域。第6章 软件编码 6.1.2 6.1.2 程序设计语言的特性程序设计语言的特性 由于程序设计语言是实现人机通信的基本工具，编程者只有通过程序才能指挥计算机按照要求完成特定的任务，因此，程序设计语言所具有的特性往往会不可避免地对编程者处理问题的思路、编写程序的方式和质量产生影响。总的来说，程序设计语言具有心理、工程和技术三大特性。1.1.心理特性心理特性 程序体现的是编程者解决问题的思路，不同的人有不同的解题思路，同一个人在不同心理状态下的解题思路往往也会有所不同。所谓程序设计语言的心理特性，就是指能够影响编程者心理的语言性能。这种影响主要表现在以下几个方面。第6章 软件编码 1)歧义性 歧义性指程序设计语言中的某些语法形式使不同的人产生不同的理解。如FORTRAN语言中的表达式x*y*z有人理解为(x*y)*z，有人却理解为x*(y*z)。当然，这只是由于某些人对语言中某些语法规则的不了解所导致的，对于语言编译系统来说只有确定的一种解释。第6章 软件编码 第6章 软件编码 3)局部性和顺序性 局部性是指语言的联想性，即相关内容的相对集中性。在编程过程中，我们将实现某一功能的语句集中书写在一个模块中，由模块组装成完整的程序，并要求模块具有高内聚、低耦合的特点，其目的就是希望加强程序的局部性。顺序性指语言的线性特征。例如对于顺序结构的程序人们很容易理解，而如果程序中存在大量的分支结构和循环结构，人们理解起来就比较困难了。语言的局部性和顺序性是由人类习惯于用联想的方式及按逻辑上的线性序列记忆事物的特性所决定的，局部性和顺序性的加强可提高程序的可理解性。第6章 软件编码 2.2.工程特性工程特性 语言是人们在软件工程活动中的编码阶段所使用的工具，因此有必要从软件工程的观点考虑为了满足软件开发项目的需要，程序设计语言所应具备的工程特性。语言的工程特性主要体现在以下几个方面。1)可移植性 可移植性反映了程序在不同机器环境下的通用性和适应性。不同机器环境包括不同的机型、不同的操作系统版本及不同的应用软件包。若一个程序可不加修改或稍加修改就可以应用于不同的机型、运行于高版本的操作系统或集成到不同的应用软件包中，则称这个程序具有较高的可移植性。第6章 软件编码 第6章 软件编码 3)开发工具的支持 为了缩短编码阶段所花费的时间以及提高编码的质量，应选择具有良好开发工具支持的程序设计语言。这些开发工具主要包括：编译程序、连接程序、交互式调试器、交叉编译器、图形界面及菜单系统生成程序、宏处理程序等。4)可维护性 程序的维护是软件工程活动中的一项重要内容。为了提高程序的可维护性，即方便对源程序的修改，程序中采用的语言必须具有良好的可读性和易于使用的特点。第6章 软件编码 第6章 软件编码 6.1.3 6.1.3 程序设计语言的选择程序设计语言的选择 要为待开发项目选择合适的程序设计语言，应充分考虑到项目的各种需求，结合各种语言的心理特性、工程特性、技术特性以及应用特点，尽量选取实现效率高且易于理解和维护的语言。由于程序设计语言的选择往往会受到各种实际因素的制约和限制，因此选择语言时不能只考虑理论上的标准，而是要同时兼顾理论标准和实用标准。下面分别简要地对选择语言的主要理论标准和实用标准进行介绍。第6章 软件编码 1.1.理论标准理论标准 1)理想的模块化机制、易于阅读和使用的控制结构及数据结构 模块化、良好的控制结构和数据结构可以降低编码工作的难度，增强程序的可理解性，提高程序的可测试性和可维护性，从而减少软件生存周期中的总成本，并缩短软件开发所需的时间。2)完善、独立的编译机制 完善的编译系统可尽可能多地发现程序中的错误，便于程序的调试和提高软件的可靠性，并且可以使生成的目标代码紧凑、高效；独立的编译机制便于程序的开发、调试和维护，可以降低软件开发和维护的成本。第6章 软件编码 第6章 软件编码 2)工程的规模 语言系统的选择与工程的规模有直接的关系。例如，Foxpro与Oracal及Sybase都是数据库处理系统，但Foxpro仅适用于解决小型数据库问题，而Oracal和Sybase则可用于解决大型数据库问题。特别是在如果工程的规模非常庞大，并且现有的语言都不能完全适用时，为了提高开发的效率和质量，就可以考虑为这个工程设计一种专用的程序设计语言。第6章 软件编码 3)软件的运行环境 软件在提交给用户后，将在用户的机器上运行，在选择语言时应充分考虑到用户运行软件的环境对语言的约束。此外，运行目标系统的环境中可以提供的编译程序往往也限制了可以选用的语言的范围。4)可以得到的软件开发工具 由于开发经费的制约，往往使开发人员无法任意选择、购买合适的正版开发系统软件。此外，若能选用具有支持该语言程序开发的软件工具的程序设计语言，则将有利于目标系统的实现和验证。第6章 软件编码 5)软件开发人员的知识 软件开发人员采用自己熟悉的语言进行开发，可以充分运用积累的经验使开发的目标程序具有更高的质量和运行效率，并可以大大缩短编码阶段的时间。为了能够根据具体问题选择更合适的语言，软件开发人员应拓宽自己的知识面，多掌握几种程序设计语言。6)软件的可移植性要求 要使开发出的软件能适应于不同的软、硬件环境，应选择具有较好通用性的、标准化程度高的语言。第6章 软件编码 7)软件的应用领域 任何语言编译系统设计的出发点都有所不同，其对某一领域问题的处理能力也就存在较大差异，因此不存在真正适用于任何应用领域的语言，通用语言也不例外。如FORTRAN语言最适用于工程科学计算，COBOL语言最适用于处理商业领域中的问题。所以，选择语言时一定要充分考虑到软件的应用领域。在实际选择语言时，往往任何一种语言都无法同时满足项目的所有需求和各种选择的标准，这时就需要编程者对各种需求和标准进行权衡，分清主次，在所有可用的语言中选取最适合的一种进行编程。第6章 软件编码 6.2 6.2 编码风格及软件效率编码风格及软件效率6.2.1 6.2.1 编码风格编码风格 编码风格是指在不影响程序正确性和效率的前提下，有效编排和合理组织程序的基本原则。一个具有良好编码风格的程序主要表现为可读性好、易测试、易维护。由于测试和维护阶段的费用在软件开发总成本中所占比例很大，因此编码风格的好坏直接影响着整个软件开发中成本耗费的多少。特别是在需要团队合作开发大型软件的时候，编码风格显得尤为重要。若团队中的成员不注重自己的编码风格，则会严重影响与其他成员的合作和沟通，最终将可能导致软件质量上出现问题。第6章 软件编码 第6章 软件编码 1)序言性注释 序言性注释一般位于模块的首部，用于说明模块的相关信息。主要包括：对模块的功能、用途进行简要说明；对模块的界面进行描述，如调用语句的格式、各个参数的作用及需调用的下级模块的清单等；对模块的开发历史进行介绍，如模块编写者的资料、模块审核者的资料及建立、修改的时间等；对模块的输入数据或输出数据进行说明，如数据的格式、类型及含义等。第6章 软件编码 2)描述性注释 描述性注释位于源程序模块内部，用于对某些难以理解的语句段的功能或某些重要的标识符的用途等进行说明。通过在程序中加入恰当的描述性注释可以大大提高程序的可读性和可理解性，对语句的注释应紧跟在被说明语句之后书写。需要注意的是，并不是对所有程序中的语句都要进行注释，太多不必要的注释反而会影响人们对程序的阅读。第6章 软件编码 2.2.标识符的命名及说明标识符的命名及说明 编写程序必然要使用标识符，特别是对于大型程序，使用的标识符可能成千上万。由于对程序中的标识符作用的正确理解是读懂程序的前提，因此若编程者随心所欲地进行标识符的命名和说明，可能就会给阅读程序带来麻烦。1)标识符的命名 为了便于阅读程序时对标识符作用进行正确的理解，标识符的命名应注意以下几个问题：第6章 软件编码 第6章 软件编码 2)标识符的说明 由于程序中通常需要使用大量不同类型的标识符，为了使说明部分阅读起来更加清晰，在对其进行类型说明时应注意以下几点：(1)应按照某种顺序分别对各种类型的变量进行集中说明，如：先说明简单类型，再说明指针类型，再说明记录类型；对简单类型的变量进行说明时，可先说明整型，再说明实型，再说明字符型等等。(2)在使用一个说明语句对同一类型的多个变量进行说明时，应按照变量名中的字母顺序(az)对其进行排列。第6章 软件编码 3.3.语句的构造及书写语句的构造及书写 语句是构成程序的基本单位，语句的构造方式和书写格式对程序的可读性具有非常重要的决定作用。1)语句构造 (1)语句应简单直接，避免使用华而不实的程序设计技巧。如为了求出x、y两个数中的较大数，以下两个C语句均可实现：方法一：max=(x+y+abs(xy)/2;方法二：max=(xy)?x:y;显然，方法二的可读性要比方法一好得多。第6章 软件编码 第6章 软件编码 (4)为了不破坏结构化程序设计中结构的清晰性，在程序中应尽量不使用强制转移语句GOTO。(5)为了便于程序的理解，不要书写太复杂的条件，嵌套的重数也不宜过多。(6)为了缩短程序的代码，在程序中应尽可能地使用编译系统提供的标准函数。对于程序中需要重复出现的代码段，应将其用独立模块(函数或过程)实现。第6章 软件编码 2)书写格式 为了便于人们对程序(特别是大型程序)的阅读，清晰整齐的书写格式是必不可少的。以下列出了书写程序时需注意的几个主要问题。(1)虽然许多语言都允许在一行上书写多个语句，但为了程序看起来更加清楚，最好在一行上只书写一条语句。(2)在书写语句时，应通过采用递缩式格式使程序的层次更加清晰。(3)在模块之间通过加入空行进行分隔。(4)为了便于区分程序中的注释，最好在注释段的周围加上边框。第6章 软件编码 4.4.输入输入/输出输出 由于输入和输出是用户与程序之间传递信息的渠道，因此输入、输出的方式往往是用户衡量程序好坏的重要指标。为了使程序的输入、输出能便于用户的使用，在编写程序时应对输入和输出的设计格外注意。1)输入 在运行程序时，原始数据的输入工作通常要由用户自己完成。为了使用户能方便地进行数据的输入，应注意以下几点：第6章 软件编码 (1)输入方式应力求简单，尽量避免给用户带来不必要的麻烦。如：尽可能采用简单的输入格式、尽可能减少用户的输入量。当程序中对输入数据的格式需要有严格规定时，同一程序中的输入格式应尽可能保持一致。(2)交互式输入数据时应有必要的提示信息，提示信息可包括：输入请求、数据的格式及可选范围等。如：“请输入待查职工的编号(5位数字 0000199999)”。第6章 软件编码 (3)程序应对输入数据的合法性进行检查。若用户输入了非法的数据，则应向用户输出相应的提示信息，并允许用户重新输入正确的信息。例如，月份的正确值只能在112之间，若检测输入的月份超出了这个范围，就说明用户输入的数据非法，此时应输出出错提示并允许用户再次输入。(4)若用户输入某些数据后可能会产生严重后果，应给用户输出必要的提示并在必要的时候要求用户确认。如：“清库会使库中原有数据全部丢失，真的需要清库吗？(Y/N)”第6章 软件编码 (5)当需要输入一批数据时，不要以记数方式控制数据的输入个数，而应以特殊标记作为数据输入结束的标志。例如，要输入一个班学生的成绩，若要求用户输入学生的总数并通过总数来控制输入数据的个数，无疑就会增加用户的麻烦；而若以特殊标记来控制数据的录入，如当用户输入1时结束输入，对于用户而言就方便多了。(6)应根据系统的特点和用户的习惯设计出令用户满意的输入方式。第6章 软件编码 2)输出 用户需要通过程序的输出来获取加工的结果。为了使用户能够清楚地看到需要的结果，设计数据输出方式时应注意以下几点：(1)输出数据的格式应清晰、美观。如对大量数据采用表格的形式输出，可以使用户一目了然。(2)输出数据时要加上必要的提示信息。例如，表格的输出一定要带有表头，用以说明表格中各项数据的含义。第6章 软件编码 6.2.2 6.2.2 软件效率软件效率 软件的“高效率”，即用尽可能短的时间及尽可能少的存储空间实现程序要求的所有功能，是程序设计追求的主要目标之一。一个程序效率的高低取决于多个方面，主要包括需求分析阶段模型的生成、设计阶段算法的选择和编码阶段语句的实现。正由于编码阶段在很大程度上影响着软件的效率，因此在进行编码时必须充分考虑程序生成后的效率。软件效率的高低是一个相对的概念，它与程序的简单性直接相关，不应因过分追求高效率而忽视了程序设计中的其他要求。一定要遵循“先使程序正确，再使程序有效率；先使程序清晰，再使程序有效率”的准则。软件效率的高低应以能满足用户的需要为主要依据。在满足以上原则的基础上，可依照下述方法来提高程序的效率。第6章 软件编码 1.1.用于提高运行速度的指导原则用于提高运行速度的指导原则 为了提高程序的运行速度，应尽量避免和简化复杂的运算，为此应遵循以下原则：(1)编写程序之前，先对需要使用的算术表达式和逻辑表达式进行化简。(2)尽可能多地采用执行时间短的算术运算。(3)尽量避免使用多维数组、指针和其他复杂的数据类型。(4)尽量采用整型算术表达式和布尔表达式。第6章 软件编码 (5)尽可能减少循环体，特别是内循环中语句的个数。(6)尽量使同一表达式中的数据类型保持统一。需要特别强调的是，应尽量避免不同类型数据的比较运算，因为这样有可能导致程序运行出错。(7)应当对所有的输入和输出安排适当的缓冲区，以减少频繁通信所带来的额外开销。第6章 软件编码 2.2.用于优化存储空间使用的指导原则用于优化存储空间使用的指导原则 (1)对于变动频繁的数据最好采用动态存储。(2)可根据需要采用存储单元共享等节约空间的技术。(3)选用具有紧缩存储器特性的编译程序，在必要时甚至可采用汇编语言。(4)采用结构化程序设计，将程序划分为大小合适的模块。一个模块或若干个关系密切的模块的大小最好与操作系统页面的容量相匹配，以减少页面调度的次数，提高存储效率。第6章 软件编码 6.3 6.3 程序复杂度的概念及度量方法程序复杂度的概念及度量方法6.3.1 6.3.1 程序图程序图 由于程序复杂度的主要研究对象是程序结构的清晰性和非结构化程度，因此许多程序复杂度的度量方法需要借助程序图(Program Graph)来完成。程序图实际上可以看作是一种简化了的程序流程图。在程序图中，由于我们关心的只是程序的流程，而不关心各个处理框的细节，因此原来程序流程图中的各个处理框(包括语句框、判断框、输入/输出框等)都被简化为结点，一般用圆圈表示，而原来程序流程图中的带有箭头的控制流变成了程序图中的有向边。从图论的观点看，程序图是一个可表示为G=的有向图。其中，N表示程序图中的结点，而E表示程序图中的有向边。第6章 软件编码 图6.1 几种基本结构的程序图(a)顺序结构；(b)分支结构；(c)循环结构(当型和直到型)第6章 软件编码 可以看出，程序图仅仅用于描绘程序内部的控制流程，而完全不反映对数据的具体操作以及分支和循环结构中的判断条件。由于程序图舍弃了程序流程图中不需要的内容，从而使画面更加简洁，便于实现对程序复杂度的实际度量。程序图可以通过简化程序流程图得到，也可以由PAD图或其他详细设计表达工具变换获得。例如，对图6.2(a)所示的程序流程图进行简化，可得到如图6.2(b)所示的程序图。为了便于说明，程序图中各个结点中的标记和程序流程图中相应框的标记相同。在程序图中，开始点后面的那个结点称为入口点(如图6.2(b)中的a结点)，结束点前的那个结点被称为出口点(如图6.2(b)中的h结点)。结构化设计的程序通常只有一个入口点和一个出口点。第6章 软件编码 图6.2 程序流程图及导出的程序图(a)程序流程图；(b)程序图第6章 软件编码 6.3.2 6.3.2 程序复杂度的度量方法程序复杂度的度量方法 1.1.环形复杂度的度量方法环形复杂度的度量方法 环形复杂度的度量方法又称为McCabe方法。一个强连通的程序图中线性无关的有向环的个数就是该程序的环形复杂度。所谓强连通图，是指从图中任意一个结点出发都能到达图中其他结点的有向图。要度量某个程序的环形复杂度，首先需要导出该程序的程序图，然后通过分析程序图中线性无关的有向环的个数就可以得到此程序的环形复杂度。在图论中，可通过如下公式来计算一个强连通的有向图中线性无关的有向环的个数：第6章 软件编码 V(G)mnp 其中，V(G)表示有向图G中的线性无关的环数；m表示有向图G中有向边(弧)的个数；n表示有向图中的结点个数；p表示有向图G中可分离出的独立连通区域数。由于程序图通常都是连通的，因此，G中的独立连通区域只有惟一的一个，因此p总是等于1。m和n的值从程序图中可以方便地得到。现在的关键问题是，程序图虽然是连通图，但却不是强连通图(图中靠近入口的结点可以到达下面的结点，而靠近出口的结点往往不能到达上面的结点)。为了使程序图能够满足图论中计算环形复杂度公式的要求，可以在程序图中增加一条从出口点到入口点的虚弧，此时，程序图就变成了一个强连通图。例如对图6.2(b)所示的程序图添加虚弧后，就得到了如图6.3所示的强连通图。第6章 软件编码 图6.3 将图6.2(b)中的程序图转变为强连通图第6章 软件编码 现在用来源于图论中的公式来计算图6.3所示的强连通程序图的环形复杂度，根据公式可得：V(G)131014 实质上，除了采用上面的公式可以计算环形复杂度的值以外，还可以使用下面两个公式来计算程序图中的环形复杂度。V(G)强连通的程序图在平面上围成的区域数 V(G)判定结点数1 第6章 软件编码 结构化程序的程序图总是平面图，因此均可采用公式来进行环形复杂度的计算。图6.3中，程序图围成的区域有(b,c,d,f,b)，(c,d,f,e,c)，(g,h,E,g)和(S,a,b,g,E,S)，因此，根据公式可得该程序图的环形复杂度为4。通过公式可以看出，一个程序的环形复杂度取决于它的程序图中所包含的判定结点的个数。在图6.3中，判定结点分别为b，c和g，每个判定结点都在程序图中产生一个环域，因此，程序中的分支或循环结构越多，嵌套层次数越多，程序的环形复杂度就越大。根据公式可得图6.3的环形复杂度为：314。第6章 软件编码 过对大量程序的研究发现，程序的环形复杂度越高，程序的可理解性就越差，程序测试和维护的难度也就越大，并且，环形复杂度高的程序，往往就是最容易出问题的程序。实践证明，模块规模以V(G)10为宜，即尽量将程序的环形复杂度控制在10以下。第6章 软件编码 2.2.文本复杂度的度量方法文本复杂度的度量方法 文本复杂度的度量方法又称为Halstead方法。此方法可根据源程序中运算符(包括关键字)和操作数(包括常量和变量)的总数来度量程序复杂度，并可以预测程序的文本复杂度和程序中包含的错误个数。对源程序文本复杂度进行度量的具体方法为：首先找出整个程序中运算符出现的总次数N1及操作数出现的总次数N2，接着使用下面的公式即可计算出程序的文本复杂度N：NN1N2第6章 软件编码 在详细设计结束后，可以知道程序中需使用的不同运算符的个数n1和不同操作数的个数n2，此时可通过下面的公式预测程序的文本复杂度H：Hn1lb n1n2lb n2 此外，Halstead方法还给出了预测程序中所包含的错误个数E的公式：ENlb(n1n2)/3000 经实践证明，通过Halstead方法预测得到的程序文本复杂度和实际程序的文本复杂度十分接近，并且预测出的程序错误数与实际错误数的相对误差不超过8%。第6章 软件编码 3.3.交点复杂度的度量交点复杂度的度量 该方法是根据程序图中的交叉点个数来度量程序的复杂度。如图6.4所示的程序图中，有两条转移线相交于一点，因此该程序的交点复杂度为1。严格采用结构化设计方法设计的程序中通常不含有交叉点，即程序的交点复杂度常常为0。而如果在程序中使用强制转移语句，就会增加程序的交点复杂度。为了减少程序的交点复杂度，保证程序的清晰度和易读性，在程序中应尽量避免或减少GOTO语句的使用。需要注意的是，为了能够通过程序图正确地度量出程序的交点复杂度，程序图中所有的转移线必须画在结点的同一侧。第6章 软件编码 图6.4 程序图中的交叉点 第6章 软件编码 6.4 6.4 小小 结结 编码阶段的主要任务是将详细设计确定的具体算法用程序设计语言描述出来，生成目标系统对应的源程序。这个阶段在整个软件开发过程中所占用的时间较短，且实现较为容易。虽然软件的质量主要取决于设计阶段的工作，但编码阶段对程序设计语言的选择和编码的风格，也对软件质量具有一定的影响，特别是直接影响着程序的可靠性、可读性、可测试性和可维护性。软件开发人员应根据开发项目的具体特点及语言自身的特性选择使用合适的程序设计语言进行编码，并在编码过程中注意保持良好的编码风格。在软件正确、清晰的前提下，开发人员可以采用一些有效的措施适当地提高软件的效率。对程序复杂度及其定量度量方法的研究，对帮助开发人员提高软件质量是非常有益的。