第3章 软件设计-1.pptx

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1、第3章 软件设计3.1软件设计的基本概念 完成了需求分析，回答了软件系统能“做什么”的问题，软件的生命周期就进入了设计阶段。软件设计是软件开发过程中的重要阶段，在此阶段中，开发人员将集中研究如何把需求规格说明书里归纳的分析模型转换为可行的设计模型，并将解决方案记录到相关的设计文档中。实际上，软件设计的目标就是要回答“怎么做”才能实现软件系统的问题，也可以把设计阶段的任务理解为把软件系统能“做什么”的逻辑模型转换为“怎么做”的物理模型。软件设计在软件开发中处于核心地位。3.1软件设计的基本概念 3.1.1 软件设计的意义和目标 软件设计在软件开发过程中处于核心地位，它是保证质量的关键步骤。设计为

2、我们提供了可以用于质量评估的软件表示，设计是我们能够将用户需求准确地转化为软件产品或系统的唯一方法。软件设计是所有软件工程活动和随后的软件支持活动的基础。软件设计是一个迭代的过程，通过设计过程，需求被变换为用于构建软件的“蓝图”。McGlaughlin提出了可以指导评价良好设计演化的3个特征：1)设计必须实现所有包含在分析模型中的明确需求，而且必须满足用户期望的所有隐含需求。2)对于程序员、测试人员和维护人员而言，设计必须是可读的、可理解的指南。3)设计必须提供软件的全貌，从实现的角度说明数据域、功能域和行为域。以上每一个特征实际上都是设计过程应该达到的目标。3.1软件设计的基本概念 3.1.

3、2软件设计的原则为了提高软件开发的效率及软件产品的质量，人们在长期的软件开发实践中总结出一些软件设计的原则，其基本内容如下。1.模块化模块是数据说明、可执行语句等程序对象的集合，是构成程序的基本构件，可以被单独命名并通过名字来访问。在面向过程的设计中，过程、函数、子程序、宏都可以作为模块；在面向对象的设计中，对象是模块，对象中的方法也是模块。模块化就是把系统或程序划分为独立命名并且可以独立访问的模块，每个模块完成一个特定的子功能。模块集成起来可以构成一个整体，完成特定的功能，进而满足用户需求。3.1软件设计的基本概念 在模块化的过程中，要注意以下几点。(1)模块的规模要适中。(2)提高模块的独

4、立性，降低模块间的耦合程度。(3)提高模块的内聚程度。(4)加强模块的保护性。3.1软件设计的基本概念 2.抽象 抽象是人们认识复杂的客观世界时所使用的一种思维工具。抽象主要是为了降低问题的复杂度，以得到问题领域中较简单的概念，好让人们能够控制其过程或以宏观的角度来了解许多特定的事态。抽象在软件开发过程中起着非常重要的作用。一个庞大、复杂的系统可以先用一些宏观的概念构造和理解，然后再逐层地用一些较微观的概念去解释上层的宏观概念，直到最底层的元素。3.1软件设计的基本概念 3.逐步求精 在面对一个新问题时，开发人员可暂时忽略问题非本质的细节，而关注于与本质相关的宏观概念，集中精力解决主要问题，这

5、种认识事物的方法就是逐步求精。逐步求精是抽象的逆过程。开发人员认识问题时逐步求精的过程，同时也是抽象程度逐渐降低的过程。按照逐步求精的思想，程序的体系结构是按照层次结构，逐步精化过程细节而开发出来的。可见，求精就是细化，它与抽象是互补的概念。逐步求精与抽象的关系3.1软件设计的基本概念 4.信息隐藏信息隐藏与模块化的概念相关。当一个系统被分解为若干个模块时，为了避免某个模块的行为干扰同一系统中的其他模块，应该让模块仅仅公开必须让外界知道的信息，而将其他信息隐藏起来，这样模块的具体实现细节相对于其他不相关的模块而言就是不可见的，这种机制就叫做信息隐藏。信息隐藏提高了模块的独立性，加强了外部对模块

6、内部信息进行访问的限制，它使得模块的局部错误尽量不影响其他模块。信息隐藏有利于软件的测试和维护工作。通常，模块的信息隐藏可以通过接口来实现。模块通过接口与外部进行通信，而把模块的具体实现细节（如数据结构、算法等内部信息）隐藏起来。一般来说，一个模块具有有限个接口，外部模块通过调用相应的接口来实现对目标模块的操作。3.1软件设计的基本概念 5.复用性设计 软件复用就是将已有的软件成分用于构造新的软件系统。可以被复用的软件成分一般称作可复用构件，无论对可复用构件原封不动地使用还是作适当的修改后再使用，只要是用来构造新软件，则都可称作复用。软件复用不仅仅是对程序的复用，它还包括对软件生产过程中任何活

7、动所产生的制成品的复用，如软件开发计划、可行性研究报告、分析模型、设计模型、源程序、测试用例等等。如果是在一个系统中多次使用一个相同的软件成分，则不称作复用，而称作共享；对一个软件进行修改，使它运行于新的软硬件平台也不称作复用，而称作软件移值。3.1软件设计的基本概念 6.灵活性设计 灵活性设计，简而言之就是软件在面对需求修改时的随机应变能力，可以体现在修改程序代码的工程量等方面。抽象是软件设计的关键因素。设计模式、软件架构等可以用来实现更高抽象层次的编程，以达到软件的灵活性。在设计（尤其是面向对象的设计）中引入灵活性的方法如下。1）降低耦合并提高内聚2）建立抽象：就是创建有多态操作的接口和父

8、类，主要的目的就是能继承的就继承，尽可能不要写冗余代码3）不要将代码写死：就是消除代码中的常数。4）抛出异常：就是由操作的调用者处理异常。5）使用并创建可复用的代码3.1软件设计的基本概念 3.1.3软件设计的分类 软件设计可以从活动任务观点和工程管理观点分别对其进行分类。从活动任务来看，软件设计是对软件需求进行：数据设计、体系结构设计、接口设计、构件设计和部署设计。1)数据设计创建在高抽象级别上表示的数据模型和信息模型。然后，数据模型被精化为越来越多和实现相关的特定表示，即基于计算机的系统能够处理的表示。2)体系结构设计为我们提供软件的整体视图，定义了软件系统各主要成份之间的关系。3)接口设

9、计告诉我们信息如何流入和流出系统以及被定义为体系结构一部分的构件之间是如何通信的。4)构件设计完整的描述了每个软件构件的内部细节，为所有本地数据对象定义数据结构，为所有在构件内发生的处理定义算法细节，并定义允许访问所有构件操作的接口。5)部署设计指明软件功能和子系统如何在支持软件的物理计算环境内分布。3.1软件设计的基本概念 从工程管理角度来看，软件设计分为概要设计（总体设计）和详细设计。前期进行概要设计，得到软件系统的基本框架。后期进行详细设计，明确系统内部的实现细节。1）概要设计确定软件的结构以及各组成部分之间的相互关系。它以需求规格说明书为基础，概要地说明软件系统的实现方案，包括：目标系

10、统的总体架构每个模块的功能描述、数据接口描述及模块之间的调用关系数据库、数据定义和数据结构等 其中，目标系统的总体架构为软件系统提供了一个结构、行为和属性的高级抽象，由构成系统的元素的描述、这些元素之间的相互作用、指导元素集成的模式以及这些模式的约束组成。3.1软件设计的基本概念 2）详细设计确定模块内部的算法和数据结构，产生描述各模块程序过程的详细文档。它对每个模块的功能和架构进行细化，明确要完成相应模块的预定功能所需要的数据结构和算法，并将其用某种形式描述出来。详细设计的目标是得到实现系统的最详细的解决方案，明确对目标系统的精确描述，从而在编码阶段可以方便地把这个描述直接翻译为用某种程序设

11、计语言书写的程序。在进行详细设计的过程中，设计人员的工作涉及到的内容有过程、数据和接口等 过程设计主要是指描述系统中每个模块的实现算法和细节数据设计是对各模块所用到的数据结构的进一步细化接口设计针对的是软件系统各模块之间的关系或通信方式以及目标系统与外部系统之间的联系3.2 结构化软件设计概述 结构化软件设计的任务是从软件需求规格说明书出发，设计软件系统的整体结构、确定每个模块的实现算法以及编写具体的代码，形成软件的具体设计方案，解决“怎么做”的问题。在结构化设计中，概要设计（总体设计）阶段将软件需求转化为数据结构和软件的系统结构。概要设计阶段要完成体系结构设计、数据设计及接口设计。详细设计阶

12、段要完成过程设计，因此详细设计一般也称为过程设计，它详细地设计每个模块，确定完成每个模块功能所需要的算法和数据结构。在软件设计期间我们所做出的决策，将最终决定软件开发能否成功，更重要的是，这些设计决策将决定软件维护的难易程度。软件设计之所以如此重要，是因为设计是软件开发过程中决定软件产品质量的关键阶段。3.3 结构化设计与结构化分析的关系 要进行结构化的设计，必须依据结构化分析的结果，结构化设计与结构化分析的关系如图所示。图的左边是用结构化分析方法所建立的模型，图的右边是用结构化设计方法所建立的设计模型。3.4体系结构设计 3.4.1 表示软件结构的图形工具1 层次图和HIPO图通常使用层次图

13、描绘软件的层次结构。在层次图中一个矩形框代表一个模块，框间的连线表示调用关系（位于上方的矩形框所代表的模块调用位于下方的矩形框所代表的模块）。每个方框可以带编号，像这样带编号的层次图称为HIPO（Hierarchy Input-Process-Output）图。如图所示。3.4体系结构设计 2结构图结构图是描绘软件结构的图形工具，图中一个方框代表一个模块，框内注明模块的名字或主要功能；方框之间的箭头（或直线）表示模块的调用关系。在结构图中通常还用带注释的箭头表示模块调用过程中来回传递的信息。如果希望进一步标明传递的信息是数据还是控制信息，则可以利用注释箭头尾部的形状来区分：尾部是空心圆表示传递

14、的是数据，实心圆表示传递的是控制信息。3.4体系结构设计 3.4.2面向数据流的设计方法面向数据流的设计方法是常用的结构化设计方法，多在概要设计阶段使用。它主要是指依据一定的映射规则，将需求分析阶段得到的数据描述从系统的输入端到输出端所经历的一系列变换或处理的数据流图转换为目标系统的结构描述。在数据流图中，数据流分为变换型数据流和事务型数据流两种。所谓变换，是指把输入的数据处理后转变成另外的输出数据。信息沿输入路径流入系统，在系统中经过加工处理后又离开系统，当信息流具备这种特征时就是变换流。所谓事务，是指非数据变换的处理，它将输入的数据流分散成许多数据流，形成若干个加工，然后选择其中一个路径来

15、执行。3.4体系结构设计 变换型数据流事务型数据流3.4体系结构设计 3.4.3面向数据结构的设计方法顾名思义，面向数据结构的设计方法就是根据数据结构设计程序处理过程的方法，具体地说，面向数据结构的设计方法按输入、输出以及计算机内部存储信息的数据结构进行软件结构设计，从而把对数据结构的描述转换为对软件结构的描述。使用面向数据结构的设计方法时，分析目标系统的数据结构是关键。面向数据结构的设计方法通常在详细设计阶段使用。比较流行的面向数据结构的设计方法包括Jackson方法和Warnier方法。在这里，主要介绍Jackson方法。3.4体系结构设计 Jackson方法把数据结构分为3种基本类型：顺

16、序型结构、选择型结构和循环型结构。在顺序型结构中，数据由一个或多个元素组成，每个元素按照确定的次序出现一次。在顺序型图示中，数据A由B、C和D3个元素顺序组成。在选择型结构中，数据包含两个或多个元素，每次使用该数据时，按照一定的条件从罗列的多个数据元素中选择一个。在选择型图示中，数据A根据条件从B或C或D中选择一个，元素右上方的符号“”表示从中选择一个。在循环型结构中，数据根据使用时的条件由一个数据元素出现零次或多次构成。在循环型图示中，数据A根据条件由元素B出现零次或多次组成。元素B后加符号“*”表示重复。3.5 接口设计 3.5.1 接口设计概述 软件系统结合业务、功能、部署等等因素将软件

17、系统逐步分解到模块，那么模块与模块之间就必须根据各模块的功能定义对应的接口。概要设计（总体设计）中的接口设计主要用于子系统/模块之间或内部系统与外部系统进行各种交互。接口设计的内容应包括功能描述、接口的输入输出定义、错误处理等。软件系统接口的种类以及规范很多，可以有API、服务接口、文件、数据库等等，所以设计的方法也有很大的差异。但是总体来说接口设计的内容应包括通讯方法、协议、接口调用方法、功能内容、输入输出参数、错误/例外机制等。从成果上来看，接口一览表以及详细设计资料是必须的资料。3.5 接口设计 接口设计一般包括3个方面：（1）用户接口-用来说明将向用户提供的命令和它们的语法结构以及软件

18、回答信息（2）外部接口-用来说明本系统同外界的所有接口的安排包括软件与硬件之间的接口、本系统与各支持软件之间的接口关系（3）内部接口-用来说明本系统之内的各个系统元素之间的接口的安排。3.5 接口设计 3.5.2界面设计 界面设计是接口设计中的重要组成部分。用户界面的设计要求在研究技术问题的同时对人加以研究。Theo Mandel在其关于界面设计的著作中提出了3条“黄金原则”。1)置用户于控制之下2)减少用户的记忆负担3)保持界面一致 这些黄金原则实际上构成了指导用户界面设计活动的基本原则。3.5 接口设计 界面设计是一个迭代的过程，其核心活动包括：1)创建系统功能的外部模型；2)确定为完成此

19、系统功能人和计算机应分别完成的任务；3)考虑界面设计中的典型问题；4)借助CASE工具构造界面原型；5)实现设计模型；6)评估界面质量。在界面的设计过程中先后涉及4个模型：1)由软件工程师创建的设计模型（design model）；2)由人机工程师（或软件工程师）创建的用户模型（user model）；3)终端用户对未来系统的假想（system perception或users model）；4)系统实现后得到的系统映象（system image）。3.5 接口设计 在界面设计中，应该考虑4个问题。1)系统响应时间：指当用户执行了某个控制动作后（如，点击鼠标器等），系统做出反应的时间（指输出信

20、息或执行对应的动作）。系统响应时间过长、不同命令在响应时间上的差别过于悬殊，用户将难以接受。2)用户求助机制：用户都希望得到联机帮助，联机帮助系统有两类，集成式和叠加式，此外，还要考虑诸如帮助范围（仅考虑部分还是全部功能）、用户求助的途径、帮助信息的显示、用户如何返回正常交互工作及帮助信息本身如何组织等一系列问题。3)出错信息：应选用用户明了、含义准确的术语描述，同时还应尽可能提供一些有关错误恢复的建议。此外，显示出错信息时，若辅以听觉（如铃声）、视觉（专用颜色）刺激，则效果更佳。4)命令方式：键盘命令曾经一度是用户与软件系统之间最通用的交互方式，随着面向窗口的点选界面的出现，键盘命令虽不再是

21、唯一的交互形式，但许多有经验的熟练的软件人员仍喜爱这一方式，更多的情形是菜单与键盘命令并存，供用户自由选用。3.6 数据设计 数据设计就是将需求分析阶段定义的数据对象（E-R图、数据字典）转换为设计阶段的数据结构和数据库，包括两个方面。1)程序级的数据结构设计：采用（伪）代码的方式定义数据结构（数据的组成、类型、缺省值等信息）；2)应用级的数据库设计：采用物理级的E-R图表示。3.6 数据设计 数据库设计是指根据用户的需求，在某一具体的数据库管理系统上，设计数据库的结构和建立数据库的过程。一般，数据库的设计过程大致可分数据库设计为5个步骤，如下所示。1)需求分析；调查和分析用户的业务活动和数据

22、的使用情况，弄清所用数据的种类、范围、数量以及它们在业务活动中交流的情况，确定用户对数据库系统的使用要求和各种约束条件等，形成用户需求规约。2)概念设计；对用户要求描述的现实世界(可能是一个工厂、一个商场或者一个学校等)，通过对其中信息的分类、聚集和概括，建立抽象的概念数据模型。这个概念模型应反映现实世界各部门的信息结构、信息流动情况、信息间的互相制约关系以及各部门对信息储存、查询和加工的要求等。所建立的模型应避开数据库在计算机上的具体实现细节，用一种抽象的形式表示出来。3.6 数据设计 3)逻辑设计；主要工作是将现实世界的概念数据模型设计成数据库的一种逻辑模式，即适应于某种特定数据库管理系统

23、所支持的逻辑数据模式。与此同时，可能还需为各种数据处理应用领域产生相应的逻辑子模式。这一步设计的结果就是所谓“逻辑数据库”。4)物理设计；根据特定数据库管理系统所提供的多种存储结构和存取方法等依赖于具体计算机结构的各项物理设计措施，对具体的应用任务选定最合适的物理存储结构(包括文件类型、索引结构和数据的存放次序与位逻辑等)、存取方法和存取路径等。这一步设计的结果就是所谓“物理数据库”。5)验证设计；在上述设计的基础上，收集数据并具体建立一个数据库，运行一些典型的应用任务来验证数据库设计的正确性和合理性。一般，一个大型数据库的设计过程往往需要经过多次循环反复。当设计的某步发现问题时，可能就需要返

24、回到前面去进行修改。因此，在做上述数据库设计时就应考虑到今后修改设计的可能性和方便性。3.7 过程设计 3.7.1程序流程图流程图是对过程、算法、流程的一种图形表示，它对某个问题的定义、分析或解法进行描述，用定义完善的符号来表示操作、数据、流向等概念。流程图分为数据流程图、程序流程图、系统流程图、程序网络图和系统资源图5种。这里主要介绍程序流程图。程序流程图也称为程序框图，是一种比较直观、形象地描述过程的控制流程的图形工具。它包含5种基本的控制结构：顺序型、选择型、先判定型循环（WHILE-DO）、后判定型循环（DO-WHILE）和多分支选择型。3.7 过程设计 流程图的基本符号流程图的控制结

25、构3.7 过程设计 程序流程图的主要优点是：采用简单规范的符号，画法简单结构清晰，逻辑性强便于描述，容易理解程序流程图的主要缺点是：不利于逐步求精的设计图中可用箭头随意地对控制进行转移，与结构化程序设计精神相悖不易于表示系统中所含的数据结构当目标系统比较复杂时，流程图会变得很繁杂、不清晰3.7 过程设计 3.7.2N-S图N-S图是由Nassi和Shneiderman提出的，又被称为盒图，是一种符合结构化程序设计原则的图形工具。N-S图的基本符号如图所示。3.7 过程设计 N-S图用类似盒子的矩形以及矩形之间的嵌套来表示语句或语句序列。N-S图内部没有箭头，因此，它所表示的控制流程不能随便进行

26、转移。N-S图的主要特点可以归纳为：不允许随意的控制转移，有利于严格的结构化程序设计；可以很方便地确定一个特定控制结构的作用域，以及局部数据和全局数据的作用域；可以很方便地表示嵌套关系以及模块之间的层次关系。用N-S图表示算法，思路清晰，结构良好，容易设计，因而可有效地提高程序设计的质量和效率。3.7 过程设计 3.7.3PAD图PAD图（Problem Analysis Diagram）也叫问题分析图，它是由日本日立公司于1973年发明的。PAD图基于结构化程序设计思想，用二维树形结构的图来表示程序的控制流及逻辑结构。在PAD图中，一条竖线代表一个层次，最左边的竖线是第一层控制结构，随着层次

27、的加深，图形不断地向右展开。PAD图的基本控制符号如图所示。3.7 过程设计 PAD图为常用的高级程序设计语言的各种控制语句提供了对应的图形符号，它的主要特点是：PAD图表示的程序结构的执行顺序是自最左边的竖线的上端开始，自上而下，自左向右；用PAD图表示的程序片断结构清晰、层次分明；支持自顶向下、逐步求精的设计方法；只能用于结构化的程序设计；PAD图不仅可以表示程序逻辑，还能表示数据结构。3.7 过程设计 3.7.4 结构化语言结构化语言也称为程序设计语言（Program Design Language，PDL），也称为伪代码，是一个笼统的名称，现在有许多种不同的程序设计语言在使用。它是用正

28、文形式表示数据和处理过程的设计工具。PDL应该具有下述特点:关键字的固定语法，它提供了结构化控制结构、数据说明和模块化的特点。为了使结构清晰和可读性好，通常在所有可能嵌套使用的控制结构的头和尾都有关键字，如if.fi（或endif）等。自然语言的自由语法，它描述处理特点。数据说明的手段。应该既包括简单的数据结构（例如纯量和数组），又包括复杂的数据结构（如链表或层次的数据结构）。模块定义和调用的技术，应该提供各种接口描述模式。3.7 过程设计 PDL作为一种设计工具有如下一些优点 可以作为注释直接插在源程序中间。这样做能促使维护人员在修改程序代码的同时也相应地修改PDL注释，因此，有助于保持文档和程序的一致性，提高了文档的质量。可以使用普通的正文编辑程序或文字处理系统，很方便地完成PDL的书写和编辑工作。已经有自动处理程序存在，而且可以自动由PDL生成程序代码。PDL的缺点是不如图形工具形象直观，描述复杂的条件组合与动作间的对应关系时，不如判定表清晰简单。下面的例子使用PDL语言描述了在数组A（1）A（10）中找最大数的算法。N=1WHILE N=10 DOIF A（N）=A（N+1）MAX=A（N+1）;ELSE MAX=A（N）ENDIF;N=N+1;ENDWHILE;