软件工程总体设计幻灯片.ppt

软件工程总体设计第1页，共31页，编辑于2022年，星期三15.1 5.1 设计过程设计过程n系统设计阶段系统设计阶段：确定系统的具：确定系统的具体实现方案体实现方案n结构设计阶段结构设计阶段：确定软件结构：确定软件结构第2页，共31页，编辑于2022年，星期三2典型的总体设计过程（一）典型的总体设计过程（一）1.1.设想供选择的方案设想供选择的方案设想供选择的方案设想供选择的方案n综合考虑各种可能的实现方案，并且力求从中选出最佳方案。综合考虑各种可能的实现方案，并且力求从中选出最佳方案。n需求分析阶段得到的数据流图是极好的出发点。需求分析阶段得到的数据流图是极好的出发点。2.2.选取合理的方案选取合理的方案选取合理的方案选取合理的方案n参考需求分析阶段确定的工程规模和目标，从可选方案中选择若干个参考需求分析阶段确定的工程规模和目标，从可选方案中选择若干个合理的方案，通常至少选择低成本、中等成本、高成本三种方案。合理的方案，通常至少选择低成本、中等成本、高成本三种方案。n对于每种方案应准备：系统流程图、组成系统的物理元素清单、成本对于每种方案应准备：系统流程图、组成系统的物理元素清单、成本/效益分析、实现系统的进度计划。效益分析、实现系统的进度计划。3.推荐最佳方案推荐最佳方案n综合分析、对比各种合理方案的利弊，推荐一个最佳的方案，并为推综合分析、对比各种合理方案的利弊，推荐一个最佳的方案，并为推荐的最佳方案制定一个详细的实现计划。荐的最佳方案制定一个详细的实现计划。n用户和有关人员评审所推荐的最佳方案。用户和有关人员评审所推荐的最佳方案。第3页，共31页，编辑于2022年，星期三3典型的总体设计过程（二）典型的总体设计过程（二）4.功能分解功能分解n确定系统有哪些模块构成，以及这些模块之间的关系。确定系统有哪些模块构成，以及这些模块之间的关系。n对于复杂的功能或模块，结合数据流图，进一步分解。对于复杂的功能或模块，结合数据流图，进一步分解。5.设计软件结构设计软件结构n系统软件是由实现各个子功能的模块构成，系统软件是由实现各个子功能的模块构成，软件结构是软件结构是指模块组成的层次关系。指模块组成的层次关系。n软件结构用层次图或结构图表示。软件结构用层次图或结构图表示。n数据流图细化到适当的层次，可以映射出软件结构。数据流图细化到适当的层次，可以映射出软件结构。6.设计数据库设计数据库n结合需求分析阶段所确定的系统数据需求，进一步设结合需求分析阶段所确定的系统数据需求，进一步设计数据库。计数据库。第4页，共31页，编辑于2022年，星期三4典型的总体设计过程（三）典型的总体设计过程（三）7.7.制定测试计划制定测试计划制定测试计划制定测试计划n开发早期考虑并制定测试计划，有助于在设计时注意提高软件的可测试性。开发早期考虑并制定测试计划，有助于在设计时注意提高软件的可测试性。8.8.书写文档书写文档书写文档书写文档n系统说明系统说明：主要包括用系统流程图描绘的系统构成方案，组成系统的物理元素清单，主要包括用系统流程图描绘的系统构成方案，组成系统的物理元素清单，成本成本/效益分析；对最佳方案的概括描述，精化的数据流图，用层次图或结构图描绘的效益分析；对最佳方案的概括描述，精化的数据流图，用层次图或结构图描绘的软件结构，用软件结构，用IPOIPO图或其他工具简要描述的各个模块的算法，模块间的接口关系，以及图或其他工具简要描述的各个模块的算法，模块间的接口关系，以及需求、功能和模块三者之间的交叉参照关系等。需求、功能和模块三者之间的交叉参照关系等。n用户手册用户手册：根据总体设计阶段的结果，更正在需求分析阶段产生的用户手册。：根据总体设计阶段的结果，更正在需求分析阶段产生的用户手册。n测试计划测试计划：包括测试策略，测试方案，预期的测试结果，测试进度计划等。：包括测试策略，测试方案，预期的测试结果，测试进度计划等。n详细的实现计划详细的实现计划n数据库设计结构数据库设计结构9.审查和复审审查和复审n技术审查系统开发方技术审查系统开发方n管理复审系统使用者管理复审系统使用者第5页，共31页，编辑于2022年，星期三55.2 5.2 设计原理设计原理n n模块化模块化n n抽象抽象n n逐步求精逐步求精n n信息隐藏和局部化信息隐藏和局部化n n模块独立模块独立第6页，共31页，编辑于2022年，星期三6模块化（一）模块化（一）n n定义：定义：定义：定义：是指能够相对独立的实现一定功能的程序代码。简是指能够相对独立的实现一定功能的程序代码。简单的讲，单的讲，模块化就是把程序划分成独立命名且可独立访问模块化就是把程序划分成独立命名且可独立访问的模块，每个模块完成一个子功能，把这些模块集成起来的模块，每个模块完成一个子功能，把这些模块集成起来构成一个整体，可以完成指定的功能满足用户的需求。构成一个整体，可以完成指定的功能满足用户的需求。“复复杂的问题分解成许多容易解决的小问题杂的问题分解成许多容易解决的小问题”。n n表现形式：表现形式：表现形式：表现形式：过程、函数、子程序、宏；面向对象方法学中过程、函数、子程序、宏；面向对象方法学中的对象、对象内的方法。的对象、对象内的方法。n n优点：优点：优点：优点：u软件结构清晰，便于设计、交流软件结构清晰，便于设计、交流u容易测试、调试，有助于提高软件的可靠性容易测试、调试，有助于提高软件的可靠性u提高软件的可修改性提高软件的可修改性u有助于软件开发项目的组织与管理有助于软件开发项目的组织与管理第7页，共31页，编辑于2022年，星期三7模块化（二）模块化（二）n n缺点：缺点：缺点：缺点：当模块数目增加时每个模块的规模将减小，开发当模块数目增加时每个模块的规模将减小，开发单个模块需要的成本单个模块需要的成本(工作量工作量)减少了；但是，随着模块减少了；但是，随着模块数目增加，设计模块间接口所需要的工作量将增加，并数目增加，设计模块间接口所需要的工作量将增加，并且在模块交互时易发生错误。且在模块交互时易发生错误。图图5.1 5.1 模块化和软件成本模块化和软件成本 第8页，共31页，编辑于2022年，星期三8抽象抽象n n定义：定义：定义：定义：是指是指是指是指抽出事物的本质特性并加以描述，但是不考虑它们抽出事物的本质特性并加以描述，但是不考虑它们的细节。的细节。n n应用：应用：应用：应用：一个复杂系统可以用一些高级的抽象概念构造和理解，这一个复杂系统可以用一些高级的抽象概念构造和理解，这些高级概念又可以用一些较低级的概念构造和理解，如此进行些高级概念又可以用一些较低级的概念构造和理解，如此进行下去，直至最低层次的具体元素。下去，直至最低层次的具体元素。软件工程过程的每一步都是对软件解法的抽象层次的一次精化。软件工程过程的每一步都是对软件解法的抽象层次的一次精化。在可行性研究阶段，软件作为系统的一个完整部件；在需求在可行性研究阶段，软件作为系统的一个完整部件；在需求分析期间，软件解法是使用在问题环境内熟悉的方式描述；分析期间，软件解法是使用在问题环境内熟悉的方式描述；当由总体设计向详细设计过渡时，抽象的程度随之减少；最当由总体设计向详细设计过渡时，抽象的程度随之减少；最后，当源程序实现，即达到抽象的最低层。后，当源程序实现，即达到抽象的最低层。n n抽象与模块化的关系：抽象与模块化的关系：抽象与模块化的关系：抽象与模块化的关系：软件结构顶层的模块，控制系统的主要软件结构顶层的模块，控制系统的主要功能并且影响全局；在软件结构底层的模块，完成对数据的一功能并且影响全局；在软件结构底层的模块，完成对数据的一个具体处理，用自顶向下由抽象到具体的方式分配控制，简化个具体处理，用自顶向下由抽象到具体的方式分配控制，简化软件的设计和实现，提高软件的可理解性和可测试性，并且使软件的设计和实现，提高软件的可理解性和可测试性，并且使软件更容易维护。软件更容易维护。第9页，共31页，编辑于2022年，星期三9逐步求精逐步求精n n定义：定义：定义：定义：是一种是一种是一种是一种自顶向下的设计策略：通过逐步分解对功能的自顶向下的设计策略：通过逐步分解对功能的宏观陈述而开发出层次结构，直至最终得出用程序设计语言宏观陈述而开发出层次结构，直至最终得出用程序设计语言表达的程序。表达的程序。n n实质：实质：实质：实质：求精就是细化的过程。求精就是细化的过程。n n求精与抽象的关系：求精与抽象的关系：求精与抽象的关系：求精与抽象的关系：互补性：互补性：互补性：互补性：抽象使设计者说明过程和数抽象使设计者说明过程和数据，但却忽略低层的细节；逐步求精则帮助设计者在设计过据，但却忽略低层的细节；逐步求精则帮助设计者在设计过程中逐步揭示出低层的细节。程中逐步揭示出低层的细节。第10页，共31页，编辑于2022年，星期三10信息隐藏与局部化信息隐藏与局部化n n定义：定义：定义：定义：划分模块时，使得一个模块内包含的信息划分模块时，使得一个模块内包含的信息(过程和数过程和数据据)对于不需要这些信息的模块来说，是不能访问的。对于不需要这些信息的模块来说，是不能访问的。即隐即隐藏每个模块所包含的私有信息藏每个模块所包含的私有信息。所谓所谓局部化局部化是指把一些关系密切的软件元素物理地放得彼此是指把一些关系密切的软件元素物理地放得彼此靠近。局部化有助于实现信息隐藏。靠近。局部化有助于实现信息隐藏。n n应用：应用：应用：应用：在在在在模块中，隐藏的是模块的实现细节；模块之间的交互模块中，隐藏的是模块的实现细节；模块之间的交互是为了完成系统功能而必须交换的信息。是为了完成系统功能而必须交换的信息。n n优点：优点：优点：优点：易修改。易修改。易修改。易修改。第11页，共31页，编辑于2022年，星期三11模块独立（一）模块独立（一）n n定义：定义：定义：定义：是指每个模块完成一个相对独立的特定子功能，是指每个模块完成一个相对独立的特定子功能，并且和其他模块之间的关系很简单。并且和其他模块之间的关系很简单。n n优点：优点：优点：优点：u容易设计和开发。功能分割相对独立，可以简化接口，并容易设计和开发。功能分割相对独立，可以简化接口，并且便于分工合作开发。且便于分工合作开发。u独立的模块比较容易测试和维护。独立的模块比较容易测试和维护。n n度量标准：度量标准：度量标准：度量标准：u耦合耦合：衡量不同模块彼此间互相依赖衡量不同模块彼此间互相依赖(连接连接)的紧密程的紧密程度。度。u内聚内聚：衡量一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程：衡量一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程度。度。第12页，共31页，编辑于2022年，星期三12模块独立（二）：耦合模块独立（二）：耦合分类分类n n数据耦合：数据耦合：数据耦合：数据耦合：两个模块间通过参数交换的信息仅是必须的数两个模块间通过参数交换的信息仅是必须的数据。据。n n控制耦合：控制耦合：控制耦合：控制耦合：传递的交换信息中有控制信息，有时这种控制信传递的交换信息中有控制信息，有时这种控制信息以数据的形式出现。息以数据的形式出现。n特征耦合：特征耦合：整个数据结构作为参数传递而被调用的模块只需要使整个数据结构作为参数传递而被调用的模块只需要使用其中的一部分数据元素。用其中的一部分数据元素。即：被调用的模块可以使用的数据多于即：被调用的模块可以使用的数据多于它确实需要的数据，它确实需要的数据，这将导致对数据的访问失去控制。这将导致对数据的访问失去控制。n公共环境耦合：公共环境耦合：两个或多个模块通过一个公共数据环境相互两个或多个模块通过一个公共数据环境相互作用。公共环境可以是全程变量、共享的通信区、内存的公作用。公共环境可以是全程变量、共享的通信区、内存的公共覆盖区、存储介质上的文件、物理设备等。共覆盖区、存储介质上的文件、物理设备等。n n内容耦合：内容耦合：内容耦合：内容耦合：下列情况之一下列情况之一下列情况之一下列情况之一u一个模块访问另一个模块的内部数据一个模块访问另一个模块的内部数据u一个模块不通过正常入口而转到另一个模块的内部一个模块不通过正常入口而转到另一个模块的内部u两个模块有一部分程序代码重叠两个模块有一部分程序代码重叠u一个模块有多个入口一个模块有多个入口(这意味着一个模块有几种功能这意味着一个模块有几种功能)第13页，共31页，编辑于2022年，星期三13 模块独立（二）模块独立（二）（续）（续）耦合应用原则耦合应用原则n尽量使用数据耦合尽量使用数据耦合n少用控制耦合和特征耦合少用控制耦合和特征耦合n限制公共环境耦合的范围限制公共环境耦合的范围n完全不用内容耦合。完全不用内容耦合。第14页，共31页，编辑于2022年，星期三14模块独立（三）：内聚模块独立（三）：内聚n n低内聚低内聚低内聚低内聚uu偶然内聚：偶然内聚：偶然内聚：偶然内聚：一个模块完成一组任务，这些任务间即使存在关系，关系一个模块完成一组任务，这些任务间即使存在关系，关系也是很松散的。也是很松散的。uu逻辑内聚：逻辑内聚：逻辑内聚：逻辑内聚：一个模块完成的任务在逻辑上是相同或相似的。一个模块完成的任务在逻辑上是相同或相似的。uu时间内聚：时间内聚：时间内聚：时间内聚：一个模块包含的任务必须在同一段时间内执行。一个模块包含的任务必须在同一段时间内执行。n n中内聚中内聚中内聚中内聚u过程内聚：过程内聚：模块内的处理元素是相关的，并且必须以特定的次序执行。模块内的处理元素是相关的，并且必须以特定的次序执行。u通信内聚：通信内聚：模块中所有元素都使用同一个输入数据和模块中所有元素都使用同一个输入数据和(或或)产生同一个输出数产生同一个输出数据据。n n高内聚高内聚高内聚高内聚u顺序内聚：顺序内聚：模块内的处理元素和同一个功能密切相关，而且这些处模块内的处理元素和同一个功能密切相关，而且这些处理必须顺序执行，即：一个处理元素的输出数据作为下一个处理元理必须顺序执行，即：一个处理元素的输出数据作为下一个处理元素的输入数据。素的输入数据。u功能内聚：功能内聚：模块内所有处理元素属于一个整体，完成一个单一的功能。模块内所有处理元素属于一个整体，完成一个单一的功能。第15页，共31页，编辑于2022年，星期三15模块独立（三）：内聚模块独立（三）：内聚（续）（续）n n内聚的优劣评分内聚的优劣评分内聚的优劣评分内聚的优劣评分功能内聚功能内聚1010分分时间内聚时间内聚3 3分分顺序内聚顺序内聚9 9分分逻辑内聚逻辑内聚1 1分分通信内聚通信内聚 7 7分分偶然内聚偶然内聚0 0分分过程内聚过程内聚 5 5分分n n应用原则应用原则应用原则应用原则u设计时不必精确确定内聚的级别，力争做到高内聚。设计时不必精确确定内聚的级别，力争做到高内聚。u辨认低内聚的模块，通过修改设计提高模块的内聚程度，辨认低内聚的模块，通过修改设计提高模块的内聚程度，降低模块间的耦合程度，以获得较高的模块独立性。降低模块间的耦合程度，以获得较高的模块独立性。n n内聚与耦合的关系内聚与耦合的关系内聚与耦合的关系内聚与耦合的关系u模块内的高内聚往往意味着模块间的松耦合模块内的高内聚往往意味着模块间的松耦合u是模块化设计的有力工具是模块化设计的有力工具u实践表明内聚比耦合更重要实践表明内聚比耦合更重要第16页，共31页，编辑于2022年，星期三165.3 5.3 启发规则启发规则（一）（一）1.1.1.1.改进软件结构提高模块独立性改进软件结构提高模块独立性改进软件结构提高模块独立性改进软件结构提高模块独立性 例如例如：多个模块共用的一个子功能可以独立成一个：多个模块共用的一个子功能可以独立成一个模块，由这些模块调用；通过分解或合并模块以减少控制模块，由这些模块调用；通过分解或合并模块以减少控制信息的传递及对全程数据的引用，并且降低接口的复杂程信息的传递及对全程数据的引用，并且降低接口的复杂程度。度。2.模块规模应该适中模块规模应该适中u模块的规模不应过大，模块的规模不应过大，不超过不超过6060行语句为宜。行语句为宜。u过大的模块通常是分解不充分；进一步分解必过大的模块通常是分解不充分；进一步分解必须符合问题结构，并且分解后不应该降低模块须符合问题结构，并且分解后不应该降低模块独立性。独立性。u过小的模块开销可能大于有效操作，而且模块过小的模块开销可能大于有效操作，而且模块数目过多将使系统接口复杂。数目过多将使系统接口复杂。第17页，共31页，编辑于2022年，星期三175.3 5.3 启发规则启发规则（二）（二）3.3.3.3.深度、宽度、扇入、扇出应适当深度、宽度、扇入、扇出应适当深度、宽度、扇入、扇出应适当深度、宽度、扇入、扇出应适当 u深度：深度：表示软件结构中控制的层数，能粗略地标志表示软件结构中控制的层数，能粗略地标志一个系统的大小和复杂程度。一个系统的大小和复杂程度。u宽度：宽度：软件结构内同一层次上的模块总数的最大值。软件结构内同一层次上的模块总数的最大值。u扇出：扇出：一个模块直接调用的下级模块数目一个模块直接调用的下级模块数目u扇入：扇入：一个模块直接被调用的上级模块数目。一个模块直接被调用的上级模块数目。4.4.4.4.模块的作用域应该在控制域之内模块的作用域应该在控制域之内模块的作用域应该在控制域之内模块的作用域应该在控制域之内 u模块的作用域：模块的作用域：模块内一个判定所影响到的所有模模块内一个判定所影响到的所有模块的集合。块的集合。u模块的控制域：模块的控制域：模块本身以及所有直接或间接从属于模块本身以及所有直接或间接从属于它的模块的集合。它的模块的集合。u设计原则：设计原则：模块的作用域不超出模块的控制域。模块的作用域不超出模块的控制域。第18页，共31页，编辑于2022年，星期三18图图5.25.2模块的控制域与作用域模块的控制域与作用域第19页，共31页，编辑于2022年，星期三195.3 5.3 启发规则启发规则（三）（三）5.5.力争降低模块接口的复杂程度：力争降低模块接口的复杂程度：仔细设计模块接口，仔细设计模块接口，使得信息传递简单，并且和模块的功能一致。使得信息传递简单，并且和模块的功能一致。6.6.6.6.设计单入口单出口的模块：设计单入口单出口的模块：设计单入口单出口的模块：设计单入口单出口的模块：防止模块间的内容耦合。防止模块间的内容耦合。7.7.模块功能应该可以预测，同时防止模块功能过于模块功能应该可以预测，同时防止模块功能过于局限。局限。第20页，共31页，编辑于2022年，星期三20n n层次图层次图n nHIPOHIPO图图n n结构图结构图5.4 5.4 描绘软件结构的图形化工具描绘软件结构的图形化工具第21页，共31页，编辑于2022年，星期三21图图5.3 5.3 层次图层次图 层次图用来描绘软件的层次结构：一个层次图用来描绘软件的层次结构：一个矩形框矩形框代表一个代表一个模块，方框间的模块，方框间的连线连线表示调用关系。表示调用关系。第22页，共31页，编辑于2022年，星期三22图图5.4 5.4 带编号的层次图（带编号的层次图（H H图）图）u添加编号，最顶层除外。添加编号，最顶层除外。u每个方框（模块）对应一张每个方框（模块）对应一张IPO图，描绘模块的处理过程。图，描绘模块的处理过程。第23页，共31页，编辑于2022年，星期三23图图5.5 5.5 结构图的例子结构图的例子u方框之间的方框之间的箭头箭头或或直线直线表示模块的调用关系；表示模块的调用关系；u带注释的箭头带注释的箭头表示模块调用过程中来回传递的信息：箭头尾部是表示模块调用过程中来回传递的信息：箭头尾部是空心圆空心圆表表示传递的是数据，示传递的是数据，实心圆实心圆表示传递的是控制信息。表示传递的是控制信息。第24页，共31页，编辑于2022年，星期三24 图图5.6 5.6 选择判定选择判定图图5.7 5.7 模块模块M M循环调用模块循环调用模块A A、B B、C C第25页，共31页，编辑于2022年，星期三25层次图和结构图的应用小结层次图和结构图的应用小结n描绘软件结构的图形化工具。描绘软件结构的图形化工具。n没有严格表示模块的调用次序。没有严格表示模块的调用次序。n没有指明什么时候调用下层模块。即：没有确没有指明什么时候调用下层模块。即：没有确定调用时机。定调用时机。n只表明一个模块调用哪些模块，至于模块内还有只表明一个模块调用哪些模块，至于模块内还有没有其他成分则完全没有表示。没有其他成分则完全没有表示。n层次图通常用来描绘软件结构的文档；结构图层次图通常用来描绘软件结构的文档；结构图检查设计的正确性和评价模块的独立性。检查设计的正确性和评价模块的独立性。第26页，共31页，编辑于2022年，星期三26n n基于数据流图描绘的数据信息流在系统基于数据流图描绘的数据信息流在系统中加工和流动情况，映射出软件体系中加工和流动情况，映射出软件体系结构。结构。n n信息流的类型：信息流的类型：uu变换流变换流uu事务流事务流5.5 5.5 面向数据流的设计方法面向数据流的设计方法第27页，共31页，编辑于2022年，星期三27图图5.8 5.8 变换流变换流 信息沿输入通路进入系统，同时由外部形式变信息沿输入通路进入系统，同时由外部形式变换成内部形式，进入系统的信息通过变换中心，经换成内部形式，进入系统的信息通过变换中心，经加工处理以后再沿输出通路变换成外部形式离开软加工处理以后再沿输出通路变换成外部形式离开软件系统。件系统。第28页，共31页，编辑于2022年，星期三28图图5.9 5.9 事务流事务流 数据（数据（事务事务）沿输入通路到达一个处理）沿输入通路到达一个处理T T，这个处理根据输入数据的类型在若干个动作，这个处理根据输入数据的类型在若干个动作序列中选出一个来执行。序列中选出一个来执行。第29页，共31页，编辑于2022年，星期三29图图5.10 5.10 面向数据流方法的设计过程面向数据流方法的设计过程第30页，共31页，编辑于2022年，星期三30n总体设计阶段的总体设计阶段的基本目的：基本目的：用比较抽象概括的方式确定系统用比较抽象概括的方式确定系统如何完成预定的任务，即：应该确定系统的物理配置方案，如何完成预定的任务，即：应该确定系统的物理配置方案，并且确定组成系统的每个程序的结构。并且确定组成系统的每个程序的结构。n总体设计阶段主要由两部分组成；总体设计阶段主要由两部分组成；系统设计系统设计：从数据流图出：从数据流图出发设想完成系统功能的若干种合理的物理方案，分析员应该仔细发设想完成系统功能的若干种合理的物理方案，分析员应该仔细分析比较这些方案，并且和用户共同选定一个最佳方案；分析比较这些方案，并且和用户共同选定一个最佳方案；软件结软件结构设计：构设计：确定软件由哪些模块组成以及这些模块之间的动态确定软件由哪些模块组成以及这些模块之间的动态调用关系。调用关系。n模块独立模块独立原理是软件结构设计时遵循的最主要原理。原理是软件结构设计时遵循的最主要原理。n自顶向下逐步求精自顶向下逐步求精是进行软件结构设计的常用途径。是进行软件结构设计的常用途径。n如果存在详细的数据流图，可以使用如果存在详细的数据流图，可以使用面向数据流的设计方面向数据流的设计方法法，用形式化的方法由数据流图映射出软件结构。，用形式化的方法由数据流图映射出软件结构。小结小结第31页，共31页，编辑于2022年，星期三31