第8章软件设计PPT讲稿.ppt

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1、第8章 软件设计第1页，共38页，编辑于2022年，星期一第8章 软件设计软件设计模块化设计软件结构软件体系结构模型体系结构模式第2页，共38页，编辑于2022年，星期一软件设计概述软件设计阶段的基本目标是构造系统“怎么做”的模型描述。“设计先于编码”，这是软件工程“推迟实现”基本原则软件系统设计是把软件需求“变换”为用于构造软件的蓝图。“输入”是需求分析各种模型元素“输出”是软件设计模型和表示软件设计的目标是对将要实现的软件系统的体系结构、系统的数据、系统模块间的接口，以及所采用的算法给出详尽的描述。第3页，共38页，编辑于2022年，星期一软件设计三类活动软件设计三类活动总体设计，也称为概

2、要设计，软件结构设计，或高层设计。分析需求规格说明模块划分，形成具有预定功能的模块组成结构表示出模块间的控制关系给出模块之间的接口软件详细设计，也称为（模块）过程设计，或低层设计。设计模块细节确定模块所需的算法和数据结构等测试和复审第4页，共38页，编辑于2022年，星期一软件结构设计过程软件结构设计过程设计供选择的方案选取合理的方案推荐最佳方案功能分解和设计软件结构数据库设计制定软件设计测试计划编制设计文档审查和复审第5页，共38页，编辑于2022年，星期一软件设计质量原则软件设计质量原则设计过程不应该受“隧道视野”的限制设计对于分析模型应该是可跟踪的设计不应该从头做起设计应该缩短软件和现实

3、问题的“智力距离”设计应该表现出一致性和集成性设计应该能够适应修改设计不是编码在创建设计时，就应该考虑能够评估其质量应该复审每一步设计，以减少语义性错误第6页，共38页，编辑于2022年，星期一概要设计说明书概要设计说明书1 范围1.1系统目标1.2 主要软件需求1.3 软件设计约束、限制2 数据设计2.1 数据对象和形成的数据结构2.2文件和数据库结构外部文件结构 逻辑结构 逻辑记录描述 访问方法全局数据文件和数据交叉索引3 体系结构设计3.1 数据和控制流复审3.2 得出的程序结构4 接口设计4.1 人机界面规约4.2 人机界面设计规约4.3 外部接口设计外部数据接口外部系统或设备接口4.

4、4 内部接口设计规约5 （每个模块）过程设计5.1 处理说明5.2 接口描述5.3 设计语言描述5.4 使用的模块5.5 内部设计结构5.6 注释/约束/限制6 需求交叉索引7 测试部分7.1测试方针7.2 集成策略7.3 特殊考虑8 附录（包括特殊注解）第7页，共38页，编辑于2022年，星期一详细设计说明书详细设计说明书1 引言1.1 编写目的：阐明编写详细设计说明书的目的，指明读者对象。1.2 项目背景：应包括项目的来源和主管部门等。1.3 定义：列出本文档中所用到的专门术语的定义和缩写词。列出有关资料的作者、标题、编号、发表日期、出版单位或资料来源 文档所引用的资料、软件开发的标准或规

5、范。1.4 参考资料：项目经核准的计划任务书、合同或上级机关的批文；项目开发计划；需求规格说明书；概要设计说明书；测试计划（初稿）；用户操作手册。2 总体设计2.1 需求概述2.2 软件结构：如给出软件系统的结构图。3 程序描述3.1 逐个模块给出以下说明：性能 输出项目 功能 输入项目3.2 算法：模块所选用的算法。3.3 程序逻辑：详细描述模块实现的算法，可采用：标准流程图；PDL语言；N-S图；判定表等描述算法的图表。3.4 接口 限制条件 存储分配3.5测试要点：给出测试模块的主要测试要求。第8页，共38页，编辑于2022年，星期一软件模块化设计软件模块化设计模块是一个独立命名的，拥有

6、明确定义的输入、输出和特性的程序实体。把一个大型软件系统的全部功能，按照一定的原则合理地划分为若干个模块，每个模块完成一个特定子功能，所有的这些模块以某种结构形式组成一个整体，这就是软件的模块化设计（Modular Design）。软件模块化设计可以简化软件的设计和实现，提高软件的可理解性和可测试性，并使软件更容易得到维护。分解、抽象、逐步求精、信息隐蔽和模块独立性，是软件模块化设计的指导思想。第9页，共38页，编辑于2022年，星期一软件模块化软件模块化采用有效的分解，即“分而治之”，是能够使问题得以很好解决的必不可少的措施。一个软件系统的各个模块之间是相互关联的，模块划分的数量越多，模块间

7、的联系也越多。模块本身的复杂性和工作量虽然随着模块变小而减少，模块的接口工作量却随着模块数增加而增大。软件模块化开发存在一个最小成本区，把模块数控制在一定的范围内，可以得到最小的总开发工作量。第10页，共38页，编辑于2022年，星期一模块数与开发工作量开发工作量模块数最小成本区模块成本接口成本总成本第11页，共38页，编辑于2022年，星期一抽象抽象分解必然需要抽象的支持。抽象是抓住主要问题，隐藏细节，这样才能容易分解。抽象具有不同的级别。人类解决复杂问题的基本方法之一。只有抓住事物的本质，才能准确分析和处理问题，找到合理的解决方案。第12页，共38页，编辑于2022年，星期一软件体系结构软

8、件体系结构是指软件的整体结构和这种结构为系统提供概念上完整性的方式。体系结构可以是程序构件或模块的结构或组织，这些构件或模块交互的形式以及这些构件所用数据的结构。体系结构设计可以使用大量的模型来表达。第13页，共38页，编辑于2022年，星期一信息隐藏信息隐藏信息隐蔽原则建议模块应该具有的特征是：每个模块对其他所有模块都隐蔽自己的设计决策。信息隐蔽意味着通过一系列独立的模块可以得到有效的模块化。独立的构件或模块之间的“接口”简单而清晰。第14页，共38页，编辑于2022年，星期一模块的独立性模块的独立性模块的独立性（Module Independence）是模块化、抽象、信息隐蔽等概念的直接结

9、果，也是判断模块化结构是否合理的标准。模块独立性是指开发具有独立功能而和其他模块没有过多关联的模块。模块独立性两大优点：独立的模块由于分解了功能，简化了接口，使得软件比较容易开发；独立的模块比较容易测试和维护。模块独立性由两个定性标准度量：模块自身的内聚（Cohesion），也称为块内联系或模块强度，模块之间的耦合（Coupling)，也称为块间联系。模块独立性愈高，则块内联系越强，块间联系越弱。第15页，共38页，编辑于2022年，星期一模块内聚性内聚性是从功能的角度对模块内部聚合能力的量度。高内聚是模块独立性追求的目标。分类：偶然性内聚：模块内的各个任务在功能上没有实质性联系，纯属“偶然”

10、因素组合了块内各个互不相关的任务。逻辑性内聚：模块通常由若干个逻辑功能相似的任务组成，通过模块外引入的一个开关量选择其一执行。这种内聚增大了模块间的耦合。时间性内聚：模块内的各个任务由相同的执行时间联系在一起。例如，初始化模块。过程性内聚：模块内的各个任务必须按照某一特定次序执行。通信性内聚：模块内部的各个任务靠公用数据联系在一起，即都使用同一个输入数据，或者产生同一个输出数据。顺序性内聚：模块内的各个任务是顺序执行的。通常，上一个任务的输出是下一个任务的输入。功能性内聚：模块各个成分结合在一起，完成一个特定的功能。显然，功能性模块具有内聚性最强、与其他模块联系少的特点。第16页，共38页，编

11、辑于2022年，星期一内聚性分类偶然性内聚弱逻辑性内聚时间性内聚过程性内聚通信性内聚顺序性内聚功能性内聚强低内聚中内聚高内聚第17页，共38页，编辑于2022年，星期一模块耦合性耦合性是对一个软件结构内不同模块之间互连程度的度量。耦合性的强弱取决于模块间接口的复杂程度，以及通过接口的数据类型和数目。分类：非直接耦合：同级模块相互之间没有信息传递，属于非直接耦合。数据耦合：调用下属模块时，如果交换的都是简单变量，便构成数据耦合。特征耦合：调用下属模块时，如果交换的是数据结构，便构成特征耦合。由于传递的是数据结构，不仅数据量增加，而且会使模块的相关性增加。控制耦合：模块间传递的信息不是一般的数据，

12、而是作为控制信息的开关值或标志量。例如，逻辑性内聚的模块调用就是典型的控制耦合。外部耦合：若允许一组模块访问同一个全局变量，可称它们为外部耦合。公共耦合：若允许一组模块访问同一个全局性的数据结构，则称它们为公共耦合。全局性的数据结构可以是共享的通信区、公共的内存区域、任何存储介质文件、物理设备等。内容耦合：若一个模块可以直接调用另一个模块中的数据，或者直接转移到另一个模块中去，或者一个模块有多个入口，则称为内容耦合。第18页，共38页，编辑于2022年，星期一耦合性分类非直接耦合弱数据耦合 特征耦合 控制耦合 外部耦合 公共耦合 内容耦合强弱耦合中耦合强耦合较强耦合第19页，共38页，编辑于2

13、022年，星期一逐步求精逐步求精逐步求精，或称逐步细化，是一种自顶向下的设计策略。逐步求精是人类采用抽象到具体的过程把一个复杂问题趋于简单化控制和管理的有效策略。抽象和精化是互补的概念。第20页，共38页，编辑于2022年，星期一重构重构重构是一种重新组织的技术，可以简化构件或模块的设计或编码而无需改变其功能或行为。重构是一种改进程序内部结构但不改变代码或设计的外部行为。“先使它转起来，再使它快起来”。第21页，共38页，编辑于2022年，星期一软件结构图软件结构图软件结构图（Structure Chart,简称SC）是软件系统的模块层次结构，反映了整个系统的功能实现。软件结构以层次表示程序的

14、系统结构，即一种控制的层次体系，并不表示软件的具体过程。件结构一般用树状或网状结构的图形来表示。软件结构图的主要元素有：模块：模块用带有名字的方框表示，名称应体现模块的功能。控制关系：控制关系用单向箭头或直线表示模块间的调用关系。信息传递：用带注释的短箭头表示模块调用过程中传递的信息。循环调用和选择调用：在上部模块底部加一个菱形符号表示选择调用，在上部模块的下方家一个弧形箭头，表示循环调用。第22页，共38页，编辑于2022年，星期一软件结构图软件结构图的形态特征：深度：指结构图控制的层次，也是模块的层数。图8-4中的结构图的深度为5。能粗略表示一个系统的大小和复杂程度，深度和程序长度之间存在

15、着某种对应关系。宽度：指一层中最大的模块个数。图8-4中的结构图的宽度为8。一般来说，结构的宽度越大，则系统就越复杂。扇出：指一个模块直接下属模块的个数。图8-4中的结构图的模块I的扇出为5。扇出过大，表示模块过分复杂，需要控制和协调的下级模块太多。扇出的上限一般为 59，平均一般为3或4。扇入：指一个模块直接上属模块的个数。图8-4中的结构图的模块T的扇入为4。扇入过大，意味着共享该模块的上级模块数目多，这有一定的益处，但是决不能违背模块的独立性原则而片面追求高扇入。画结构图应注意的事项：模块不能重名。调用关系只能从上到下。第23页，共38页，编辑于2022年，星期一软件结构图MNOPQGH

16、ICDATJKLEFBRS第24页，共38页，编辑于2022年，星期一模块化设计的优化模块化设计的优化改进软件结构提高模块独立性在满足模块化要求的前提下尽量减少模块数量，在满足信息需求的前提下尽可能减少复杂的数据结构模块规模应适中软件结构的深度、宽度、扇入数和扇出数都要适当模块的作用域应该在控制域之内力求降低模块接口的复杂程度，设计单入口、单出口的模块第25页，共38页，编辑于2022年，星期一软件系统结构模型软件系统结构模型软件体系结构是一种表达，使软件工程师能够分析设计是否满足需求、选择合理的方案和降低风险。大型软件系统总是被分解成一系列子系统，由子系统提供一些相关的服务。软件体系结构设计

17、过程就是识别出这些子系统，并建立子系统控制和通信的框架，最后给出软件体系结构的一个描述。两类结构模型：系统构成模型系统控制模型第26页，共38页，编辑于2022年，星期一系统构成模型系统构成模型以数据为中心的结构模型数据流结构模型客户机/服务器结构模型抽象机结构模型第27页，共38页，编辑于2022年，星期一以数据为中心的结构模型由一组子系统构成，子系统交换信息，协调工作有两种基本方法：全部共享数据放在一个中央数据库中，所有子系统都能从中存取数据。每个子系统用各自的数据库与其他子系统进行数据交互，通过消息传递来实现。共享数据模型的优点是能够高效地共享大量的数据，生产数据的子系统不需要关心数据如

18、何被其他子系统使用，可以集中进行如备份、保密性、访问控制和错误恢复等活动；缺点是子系统一定要与以数据为中心的体系结构模型一致，系统变更或进化比较困难，子系统的需求会不同，难以集成，以及很难将数据分布到多台机器上。第28页，共38页，编辑于2022年，星期一数据流体系结构模型当输入数据经过一系列的计算和操作构件或模块的变换形成输出数据时，可以应用数据流体系结构。管道和过滤器结构通过一组由管道连接的过滤器来变换数据，并向下传递。第29页，共38页，编辑于2022年，星期一管道和过滤器结构过滤器过滤器过滤器过滤器过滤器过滤器过滤器过滤器第30页，共38页，编辑于2022年，星期一客户机/服务器结构模

19、型客户机/服务器结构模型的主组要成部分是：一组给其他子系统提供服务的单机服务器一组向服务器请求服务的客户机一个连接客户机和服务器的网络（可选）服务器模型能实现以数据为中心的体系结构模型的系统客户机/服务器模型的最大优势在于可以是一个分布式结构第31页，共38页，编辑于2022年，星期一多媒体服务系统结构网 络目录服务器目录视频服务器电影文件图片服务器图片文件web服务器超文本文件客户1客户2客户n第32页，共38页，编辑于2022年，星期一抽象机模型抽象机模型也称为分层模型，是建立子系统的接口模型。它把子系统组织成一系列的层次，每一层提供一组服务，每一层定义为一个抽象机。例如：网络协议OSI参

20、考模型通 信 介 质应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层用户B应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层用户A第33页，共38页，编辑于2022年，星期一系统控制模型系统控制模型集中式控制模型调用返回模型：这是一个自上而下的子过程模型。控制始于系统（程序）的顶层，在子系统（程序）调用过程中，控制逐步传递到更低的层次中。该模型适用于顺序执行的系统。管理者模型：这是一种适用于并发系统的模型。一个系统组件被指定为系统管理者，控制其他系统过程的启动、终止和协调。一个过程就是一个能和其他过程并发执行的子系统或模块。第34页，共38页，编辑于2022年，星期一并发系统的集中式控制模型系 统

21、控 制 器故障处理器用户界面传感器进程传动装置进程计算进程第35页，共38页，编辑于2022年，星期一系统控制模型系统控制模型事件驱动系统广播模型：发生的事件广播到所有子系统，任何能处理该事件的子系统都会响应。该模型适用于基于网络的分布式系统。广播模型中的子系统注册其感兴趣的特别事件广播模型的优点是进化比较简单缺点是子系统都知道是否和什么时候处理事件，这可能会引起冲突。中断驱动模型：由中断处理器对来自外部的中断进行检测，然后在其他组件中处理这些中断。该模型适用于对定时有严格要求的实时系统。只用在硬件实时系统中，要求对一些事件能做出及时响应第36页，共38页，编辑于2022年，星期一软件的体系结

22、构模式软件的体系结构模式定义了处理系统某些行为特征的方法并发性系统必须以一种模拟并行的方式来操作多个任务操作系统进程管理模式任务调度器模式包括一组含有tick()操作的活动对象持久性如果数据从创建它的进程执行以来一直存在，则该数据是持久性存在的数据。数据库管理系统模式将DBMS的存储和存取能力用于应用系统的体系结构中。应用级的持久模式在应用体系结构中建立了持久性特征。分布性强调系统或系统中构件或模块在一个分布的环境中相互通信的方式。分布性问题有两个元素：一是实体间连接方式二是实体间通信的特性代理模式是一种普遍的体系结构模式CORBA就是代理模式的一个范例第37页，共38页，编辑于2022年，星期一小结小结设计的基本原理和概念包括模块化、抽象、体系结构、信息隐蔽、模块独立、逐步求精和重构等，这些原理和概念描述了计算机软件的属性、所使用的设计方法和所使用的编程语言。设计通常被描述为一个多步过程，其主要任务是从需求信息中综合出数据的表示、程序结构、接口特征和过程细节。软件体系结构提供了待建系统的整体视图，它描述软件构件或模块的结构和组织、构件或模块的性质以及他们之间的连接。第38页，共38页，编辑于2022年，星期一