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第5章总体设计5.1设计过程5.2设计原理5.3启发规则5.4描绘软件结构的图形工具5.5面向数据流的设计方法5.6小结习题软件设计需求分析:软件系统必须“做什么”；软件设计：“如何做”才可以满足需求规格说明中规定的各项需求。从工程管理的角度来看，软件设计通常分为两步，即概要设计和详细设计。概要设计的基本目的是回答“概括地说，软件系统应如何实现”这一问题。因此，概要设计有时称为初步设计或总体设计。这个阶段的工作将划分出组成系统的物理元素——程序、文件、数据库、人工过程和文档等，每个物理元素仍处在黑盒子级，具体内容将在以后仔细设计。概要设计的关键是确定软件的总体结构，即确定软件系统的组成成份（子系统或模块）以及各组成成份之间的相互关系。软件设计(续）详细设计是对概要设计结果的进一步细化，其主要任务是确定软件系统各组成成份内部的数据结构和算法过程方法：结构化方法、面向对象方法软件设计(续）总体设计过程首先寻找实现目标系统的各种不同的方案（需求分析阶段得到的数据流图是设想各种可能方案的基础）。然后分析员从这些供选择的方案中选取若干个合理的方案，为每个合理的方案都准备一份系统流程图，列出组成系统的所有物理元素，进行成本效益/分析,并且制定实现出一个最佳方案的进度计划。系统分析员推荐最佳方案，用户接受后，为这个最佳方案设计软件结构。进行必要的数据库设计，确定测试要求并制定测试计划。总体设计的必要性可以站在全局高度上，花较少成本，从较抽象的层次上分析对比多种可能的系统实现方案和软件结构，从中选出最佳方案和最合理的软件结构，从而用较低成本开发出较高质量的软件系统。总体设计过程由两个主要阶段(包括9个步骤)组成：(1)系统设计阶段，确定系统的具体实现方案；(2)结构设计阶段，确定软件结构。设计原理:模块化、抽象、信息隐藏和局部化、模块独立模块的独立程度度量：内聚和耦合，在软件设计中应该追求尽可能松耦合、高内聚的系统。启发规则：7条规则描绘软件结构的图形工具：层次图、HIPO图、结构图面向数据流的设计方法：变换流分析、事务流分析5.1设计过程总体设计过程通常由两个主要阶段组成：(1)系统设计阶段，确定系统的具体实现方案；(2)结构设计阶段，确定软件结构。典型的总体设计过程包括下述9个步骤：1.设想供选择的方案2.选取合理的方案3.推荐最佳方案4.功能分解5.设计软件结构6.设计数据库7.制定测试计划8.书写文档9.审查和复审在总体设计阶段分析员应该考虑各种可能的实现方案，并且力求从中选出最佳方案。在总体设计阶段开始时只有系统的逻辑模型，分析员有充分的自由分析比较不同的物理实现方案，一旦选出了最佳的方案，将能大大提高系统的性能/价格比。需求分析阶段得出的数据流图是总体设计的极好的出发点。设想供选择的方案的一种常用的方法是，设想把数据流图中的处理分组的各种可能的方法，抛弃在技术上行不通的分组方法(例如，组内不同处理的执行时间不相容)，余下的分组方法代表可能的实现策略，并且可以启示供选择的物理系统。1.设想供选择的方案应该从前一步得到的一系列供选择的方案中选取若干个合理的方案，通常至少选取低成本、中等成本和高成本的三种方案。在判断哪些方案合理时应该考虑在问题定义和可行性研究阶段确定的工程规模和目标，有时可能还需要进一步征求用户的意见。对每个合理的方案分析员都应该准备下列4份资料：(1)系统流程图；(2)组成系统的物理元素清单；(3)成本/效益分析；(4)实现这个系统的进度计划。2.选取合理的方案分析员应该综合分析对比各种合理方案的利弊，推荐一个最佳的方案，并且为推荐的方案制定详细的实现计划。制定详细实现计划的关键技术是本书第13章中将要介绍的工程网络。用户和有关的技术专家应该认真审查分析员所推荐的最佳系统，如果该系统确实符合用户的需要，并且是在现有条件下完全能够实现的，则应该提请使用部门负责人进一步审批。在使用部门的负责人也接受了分析员所推荐的方案之后，将进入总体设计过程的下一个重要阶段——结构设计。3.推荐最佳方案为了最终实现目标系统，必须设计出组成这个系统的所有程序和文件(或数据库)。对程序(特别是复杂的大型程序)的设计，通常分为两个阶段完成：首先进行结构设计，然后进行过程设计。结构设计确定程序由哪些模块组成，以及这些模块之间的关系；过程设计确定每个模块的处理过程。结构设计是总体设计阶段的任务，过程设计是详细设计阶段的任务。为确定软件结构，首先需要从实现角度把复杂的功能进一步分解。分析员结合算法描述仔细分析数据流图中的每个处理，如果一个处理的功能过分复杂，必须把它的功能适当地分解成一系列比较简单的功能。一般说来，经过分解之后应该使每个功能对大多数程序员而言都是明显易懂的。功能分解导致数据流图的进一步细化，同时还应该用IPO图或其他适当的工具简要描述细化后每个处理的算法。4.功能分解通常程序中的一个模块完成一个适当的子功能。应该把模块组织成良好的层次系统，顶层模块调用它的下层模块以实现程序的完整功能，每个下层模块再调用更下层的模块，从而完成程序的一个子功能，最下层的模块完成最具体的功能。软件结构(即由模块组成的层次系统)可以用层次图或结构图来描绘，第5.4节将介绍这些图形工具。如果数据流图已经细化到适当的层次，则可以直接从数据流图映射出软件结构，这就是第5.5节中将要讲述的面向数据流的设计方法。5.设计软件结构对于需要使用数据库的那些应用系统，软件工程师应该在需求分析阶段所确定的系统数据需求的基础上，进一步设计数据库。在数据库课中已经详细讲述了设计数据库的方法，本书不再赘述。6.设计数据库在软件开发的早期阶段考虑测试问题，能促使软件设计人员在设计时注意提高软件的可测试性。本书第7章将仔细讨论软件测试的目的和设计测试方案的各种技术方法。7.制定测试计划应该用正式的文档记录总体设计的结果，在这个阶段应该完成的文档通常有下述几种：(1)系统说明主要内容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/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IPO图或其他工具(例如，PDL语言)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等。(2)用户手册根据总体设计阶段的结果，修改更正在需求分析阶段产生的初步的用户手册。(3)测试计划包括测试策略，测试方案，预期的测试结果，测试进度计划等等。(4)详细的实现计划(5)数据库设计结果8.书写文档最后应该对总体设计的结果进行严格的技术审查，在技术审查通过之后再由使用部门的负责人从管理角度进行复审。9.审查和复审5.2设计原理模块可以是过程、函数、子程序和宏、对象内的方法。5.2.1模块化C(P1)C(P2)显然E(P1)E(P2)而且C(P1+P2)C(P1)+C(P2)故E(P1+P2)E(P1)+E(P2)其中，C(x)问题x的复杂程度；模块化和软件成本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(工作量)确实减少了;但是随着模块数目增加，设计模块间接口所需要的工作量也将增加。虽然目前还不能精确地决定M的数值，但是在考虑模块化的时候总成本曲线确实是有用的指南。采用模块化原理可以使软件结构清晰，不仅容易设计也容易阅读和理解。因为程序错误通常局限在有关的模块及它们之间的接口中，所以模块化使软件容易测试和调试，因而有助于提高软件的可靠性。因为变动往往只涉及少数几个模块，所以模块化能够提高软件的可修改性。模块化也有助于软件开发工程的组织管理，一个复杂的大型程序可以由许多程序员分工编写不同的模块，并且可以进一步分配技术熟练的程序员编写困难的模块。5.2.2抽象抽象就是抽出事物的本质特性而暂时不考虑它们的细节。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；在需求分析期间，软件解法是使用在问题环境内熟悉的方式描述的；当由总体设计向详细设计过渡时，抽象的程度也就随之减少了；最后，当源程序写出来以后，也就达到了抽象的最低层。5.2.3逐步求精逐步求精：为了能集中精力解决主要问题而尽量推迟对问题细节的考虑。人类的认知过程遵守Miller法则：一个人在任何时候都只能把注意力集中在（7±2）个知识块上。逐步求精方法的强大作用就在于，它能帮助软件工程师把精力集中在与当前开发阶段最相关的那些方面上，而忽略那些对整体解决方案来说虽然是必要的，然而目前还不需要考虑的细节，这些细节将留到以后再考虑。5.2.4信息隐藏和局部化信息隐藏原理指出：应该这样设计和确定模块，使得一个模块内包含的信息(过程和数据)对于不需要这些信息的模块来说，是不能访问的。局部化是指把一些关系密切的软件元素物理地放得彼此靠近。5.2.5模块独立模块独立化有如下优点：1.有效的模块化(即具有独立的模块)的软件比较容易开发出来。2.独立的模块比较容易测试和维护。模块的独立程度可以由内聚和耦合两个定性标准度量:耦合衡量不同模块彼此间互相依赖(连接)的紧密程度；内聚衡量一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程度。耦合是对一个软件结构内不同模块之间互连程度的度量。耦合强弱取决于模块间接口的复杂程度，进入或访问一个模块的点，以及通过接口的数据。在软件设计中应该追求尽可能松散耦合的系统。模块间的耦合程度强烈影响系统的可理解性、可测试性、可靠性和可维护性。如果两个模块中的每一个都能独立地工作而不需要另一个模块的存在，那么它们彼此完全独立，这意味着模块间无任何连接，耦合程度最低。但是，在一个软件系统中不可能所有模块之间都没有任何连接。1.耦合数据耦合：如果两个模块彼此间通过参数交换信息，而且交换的信息仅仅是数据，那么这种耦合称为数据耦合。控制耦合：如果传递的信息中有控制信息(尽管有时这种控制信息以数据的形式出现)，则这种耦合称为控制耦合。特征耦合：当把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一部分数据元素时，就出现了特征耦合。公共环境耦合：当两个或多个模块通过一个公共数据环境相互作用时，它们之间的耦合称为公共环境耦合。内容耦合：如果出现下列情况之一，两个模块间就发生了内容耦合：一个模块访问另一个模块的内部数据；一个模块不通过正常入口而转到另一个模块的内部；两个模块有一部分程序代码重叠(只可能出现在汇编程序中)；一个模块有多个入口(这意味着一个模块有几种功能)。总之，耦合是影响软件复杂程度的一个重要因素。应该采取下述设计原则：尽量使用数据耦合，少用控制耦合和特征耦合，限制公共环境耦合的范围，完全不用内容耦合。内聚标志一个模块内各个元素彼此结合的紧密程度，简单地说，理想内聚的模块只做一件事情。设计时应该力求做到高内聚，内聚和耦合是密切相关，模块内的高内聚往往意味着模块间的松耦合。2.内聚低内聚有如下几类：偶然内聚：如果一个模块完成一组任务，这些任务彼此间即使有关系，关系也是很松散的，就叫做偶然内聚。逻辑内聚：如果一个模块完成的任务在逻辑上属于相同或相似的一类，则称为逻辑内聚。时间内聚：如果一个模块包含的任务必须在同一段时间内执行，就叫时间内聚。中内聚主要有两类：过程内聚：如果一个模块内的处理元素是相关的，而且必须以特定次序执行，则称为过程内聚。(使用程序流程图作为工具设计软件时，常常通过研究流程图确定模块的划分，这样得到的往往是过程内聚的模块)通信内聚：如果模块中所有元素都使用同一个输入数据和(或)产生同一个输出数据，则称为通信内聚。高内聚也有两类：顺序内聚：如果一个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(通常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)，则称为顺序内聚。功能内聚：根据数据流图划分模块时，通常得到顺序内聚的模块，这种模块彼此间的连接往往比较简单。如果模块内所有处理元素属于一个整体，完成一个单一的功能，则称为功能内聚。功能内聚是最高程度的内聚。耦合和内聚的概念是Constantine,Yourdon,Myers和Stev