第1章_软件工程与软件设计

软件设计与体系结构1先修课程&后继课程先修课程数据结构面向对象程序设计语言数据库系统软件工程UML统一建模后继课程软件质量控制软件项目管理软件工程知识体系（SWEBOK）指南2004版软件需求软件设计软件构造软件测试软件维护软件需求基础需求过程需求获取需求分析需求规格说明需求确认实际考虑软件设计基础软件设计关键问题软件结构与体系结构软件设计质量的分析与评价软件设计符号软件设计策略与方法软件构造基础管理构造实际考虑软件测试基础测试级别测试技术与测试相关的度量需求分析测试过程软件维护基础软件维护关键问题维护过程维护技术软件设计软件设计基础软件设计关键问题软件结构与体系结构软件设计质量的分析与评价软件设计符号软件设计策略与方法一般设计概念软件设计上下文软件设计过程使能技术并发性事件处理与控制组件分布错误与异常处理、容错交互与表现数据持久性质量属性体系结构与视点体系结构风格（宏观体系结构）设计模式（微观体系结构）软件结构与体系结构程序与框架族质量分析与评价技术度量结构描述（表态视图）行为描述（动态视图）一般策略面向工程的设计（结构化设计）面向对象的设计数据结构为中心的设计基于组件的设计其它方法软件设计是后续开发步骤及软件维护工作的基础。如果没有设计，只能建立一个不稳定的系统结构本课程教学内容内容软件工程与软件设计整体设计软件体系结构的设计界面设计详细设计设计模式软件体系结构评估第1章软件工程与软件设计1.1软件工程1.2软件生存周期1.3软件开发过程模型1.4软件设计1.5软件体系结构1.6小结第1章软件工程与软件设计以计算机为核心的信息社会软件是信息化的灵魂以工程化方法和思想开发软件软件设计是软件开发过程中的核心活动之一1.1软件工程软件危机：在计算机软件的开发和维护过程中所遇到的一系列严重问题软件设计：计算机软件发展到一定阶段，为了应对软件危机计算机软件=程序+数据+文档计算机软件是逻辑和智力产品，不是物理产品1.1软件工程软件的应用领域和分类系统软件实时软件嵌入式软件科学和工程计算软件事物务理软件人工智能软件个人计算机软件1.1软件工程软件危机软件危机是指在计算机软件的开发和维护过程中所遇到的一系列严重问题。即包含两方面的问题：(1)如何开发软件(2)如何维护软件软件危机的原因软件产品生产效率较低软件供需失衡用户需求不明确整个软件开发过程缺乏正确的理论指导软件产品的规模越来越大软件产品开发的复杂度越来越高1.1软件工程软件工程软件工程是指导计算机软件开发和维护的工程学科；将系统的、规范的、可度量的工程化方法应用于软件开发、运行和维护的全过程及上述方法的研究；是用工程、科学和数学的原则与方法研制、维护计算机软件的有关技术和管理方法；软件工程要素：方法、工具、过程方法：为软件开发提供了“如何做”的技术，是完成软件工程项目的技术手段工具：人类在开发软件的活动中智力和体力的扩展和延伸，为软件工程方法提供自动或半自动的软件支持环境过程：将方法和工具综合起来以达到合理、及时地进行软件开发的目的1.1软件工程软件工程的目标和原则目标：在给定成本、进度的前提下，开发出具有可修改性、有效性、可靠性、可理解性、可维护性、可复用性、可适应性、可移植性、可跟踪性并满足用户需求的软件产品。原则：抽象、信息隐藏、模块化、局部化、一致性、完全性、可验证性目标可修改性有效性可靠性可理解性可维护性可复用性可适应性可移植性可追踪性•基本目标：付出较低的开发成本达到要求的软件功能取得较好的软件性能开发的软件易于移植需要较低的维护费用能按时完成开发工作及时交付使用软件工程的目标是提高软件的质量与生产率，最终实现软件的工业化生产。软件工程的原则抽象采用分层次抽象，自顶向下、逐层细化的办法控制软件开发过程的复杂性信息隐蔽将模块设计成“黑箱”，实现的细节隐藏在模块内部，不让模块的使用者直接访问。这就是信息封装，使用与实现分离的原则模块化如C语言程序中的函数过程，C++语言程序中的类。模块化有助于信息隐蔽和抽象，有助于表示复杂的系统。软件工程的原则局部化要求在一个物理模块内集中逻辑上相互关联的计算机资源，保证模块之间具有松散的耦合，模块内部具有较强的内聚。这有助于控制解的复杂性确定性软件开发过程中所有概念的表达应是确定的、无歧义性的、规范的。一致性整个软件系统的各个模块应使用一致的概念、符号和术语。程序内部接口应保持一致。软件和硬件、操作系统的接口应保持一致。系统规格说明与系统行为应保持一致。用于形式化规格说明的公理系统应保持一致软件工程的原则完全性软件系统不丢失任何重要成分，可以完全实现系统所要求功能的程度。为了保证系统的完备性，在软件开发和运行过程中需要严格的技术评审。可验证性开发大型的软件系统需要对系统自顶向下、逐层分解。系统分解应遵循系统易于检查、测试、评审的原则，以确保系统的正确性。软件工程的原则复杂问题子问题1子问题2子问题n程序1程序2程序n软件系统解决原始问题集成分解1.2软件生存周期Softwarelifecycle软件产品从形成概念开始，经过开发、使用和维护，直到最后退役的全过程称为软件生存周期软件有一个孕育、诞生、成长、成熟、衰亡的生存过程。这个过程即为计算机软件的生存周期软件定义-软件开发-软件使用和维护软件定义(系统分析)：可行性研究(软件计划)、需求分析软件开发(系统设计)：概要设计、详细设计、软件实现(编码、单元测试)、软件测试(组装测试、确认测试)软件使用、维护退役软件生存周期可行性研究确定要开发软件系统的总目标给出功能、性能、可靠性以及接口等方面的要求完成该软件任务的可行性研究估计可利用的资源、成本、效益、开发进度制定出完成开发任务的实施计划，连同可行性研究报告，提交管理部门审查需求分析对用户提出的要求进行分析并给出详细的定义编写软件需求说明书或系统功能说明书及初步的系统用户手册提交管理机构评审软件生存周期概要设计—把各项需求转换成软件的体系结构。结构中每一组成部分都是意义明确的模块，每个模块都和某些需求相对应，编写设计说明书，评审详细设计—对每个模块要完成的工作进行具体的描述，为源程序编写打下基础，编写设计说明书，提交评审软件构造把软件设计转换成计算机可以接受的程序代码，即以某一种特定程序设计语言表示的“源程序清单”；程序应当是结构良好、清晰易读的，且与设计相一致的。软件生存周期软件测试单元测试，查找各模块在功能和结构上存在的问题并加以纠正集成测试，将已测试过的模块按一定顺序组装测试确认测试，按规定的各项需求，逐项进行有效性确认测试，决定已开发的软件是否合格，能否交付用户使用使用与维护：在用户特定的环境中，在测试通过后移交用户使用改正性维护：运行中发现软件中的错误需要修正适应性维护：为了适应变化了的软件工作环境，需做适当变更完善性维护：为了增强软件的功能需做变更软件生存周期的“V-模型”可行性研究需求分析概要设计详细设计软件构造单元测试集成测试确认测试使用与维护1.3软件开发过程模型软件开发过程模型是跨越整个生存期的系统开发、运作和维护所实施的全部过程、活动和任务的结构框架瀑布模型原型模型螺旋模型统一软件开发过程RUP瀑布模型（生存周期模型）W.W.Royce1970提出瀑布模型，是既自顶向下结构化开发模型优点：奠定了软件工程方法的基础；流水依赖；便于分工协作；推迟现实；文档易修改；有复审质量保证。缺点：用户需求明确困难；用户见面晚；纠错慢；难于克服系统分析员不懂专业领域的知识，用户不懂计算机的困难，成功率低。适合于系统要求明确的小系统。带反馈的瀑布模型快速原型模型rapidprototypemodel根据用户提出的软件定义，快速的开发一个原型，在征求用户对原型意见的过程中，再进一步修改、完善，直至达成一致。模拟软件的人机界面开发一个原型，实现部分功能向用户展示正在运行的类似软件优点：与用户见面快；开发成功率高，适合于需求不确定的大系统。缺点：周期长，开发成本高。快速原型模型螺旋模型螺旋模型沿着螺线旋转（一个螺旋式周期），在四个象限上分别表达四个方面的活动，即：制定计划──确定软件目标，选定实施方案，弄清项目开发的限制，选定完成目标的策略风险分析──分析所选方案，考虑如何识别和消除风险，风险角度分析该策略实施工程──实施软件开发，启动一个开发阶段客户评估──评价前一步开发工作，提出修正建议，计划下一轮的工作特点瀑布模型+快速原型+风险分析迭代过程统一软件开发过程统一软件开发过程(RUP,RationalUnifiedProcess)是一套软件工程过程，是一套软件工程方法的框架，各个组织可根据自身的实际情况，以及项目规模对RUP进行裁剪和修改，以制定出合乎需要的软件工程过程。适合与统一建模语言(UML,UnifiedModelLanguage）结合起来使用支持六大最佳软件开发实践迭代式开发管理需求基于构件的软件体系结构可视化建模验证软件质量控制变更统一软件开发过程统一软件开发过程横轴：时间轴，表示软件开发的顺序开启阶段精化阶段构建阶段产品化阶段纵轴：“谁”在“何时”、“如何”去做“何事”9个工作流程各个阶段实施的工作流程，在不同的时间段内工作流所占工作量不同1.4软件设计对软件如何被开发出来的一种规范化描述软件需求分析和软件设计受到重视编码所占比例越来越少软件设计的重要性对软件需求的直接体现为软件实现提供直接依据考虑软件系统的各种约束条件并给出相应方案决定最终软件系统的质量及早发现软件设计中存在的错误减少软件修复和维护的成本1.4软件设计软件设计的特征出现新的问题需要软件来解决、解决问题和实施决策的过程、一系列转换过程、满足各种约束的过程过程、不断演化的过程、给出一个方案、新思路、新想法软件设计的要素目标描述、设计约束、产品描述、设计原理、开发规划、使用描述1.5软件体系结构软件设计是从软件需求到软件实现的活动，它把各种软件需求转换为能直接实现的软件结构软件需求与软件设计之间存在难以逾越的鸿沟，如何有效的将软件需求软化为相应的设计？软件需求——？——软件设计——软件实现软件体系结构1.5软件体系结构软件体系结构的定义软件体系结构是软件系统的结构，包含软件元素、软件元素外部可见的属性以及这些软件元素之间的关系；软件体系结构是软件系统的基本组织、包含构件、构件之间、构件与环境之间的关系，以及相关的设计与演化原则；软件体系结构是程序或系统中组件的结构、组件之间的相互关系、设计的基本原则以及随时间进化的指导方针；1.5软件体系结构软件体系结构的发展历程“无体系结构”设计阶段萌芽阶段以汇编语言进行小规模应用程序开发为特征以描述系统的高层抽象结构为中心，不关心具体的建模细节，划分了体系结构模型与传统软件结构的界限，该阶段以Kruchten提出的“4+1”模型为标志出现了从不同侧面描述系统的结构模型，以UML为典型代表。出现了程序结构设计主题，以控制流图和数据流图构成软件结构为特征高级阶段初期阶段1.5软件体系结构软件体系结构的内容软件体系结构的描述：软件体系结构描述语言软件体系结构的设计方法软件体系结构的分析方法软件体系结构的复用