第1章 软件工程基础

第一章软件工程基础主要内容计算机系统工程软件工程软件生存期模型软件开发方法软件工程环境软件与计算机的系统要素之间的关系大多数软件系统都是为了开发满足某种需求而建立。这些软件必须要计算机系统的支持。不论系统的自动化程度有多高，都需要人的参与。任何系统都必须配备使用手册及必要的表格和其他文档。在网络时代的应用系统中，绝大多数应用系统都离不开数据库和网络这样的基础设施。如图1.1所示。过程输出输入文档硬件软件人系统数据库、网络图1.1基于计算机的系统要素1.1计算机系统工程计算机系统工程：与构造基于计算机系统有关的过程、方法和技术。一种问题求解活动，目的是揭示与分析所期望的功能，并把这些功能分配到系统的各个独立系统元素中去。计算机系统工程师与用户充分合作，以确认用户的目标与约束。1.1.1硬件与硬件工程计算机系统工程师根据系统需求为硬件系统指派任务，产生硬件需求。硬件工程师根据硬件需求设计、制造或选择硬部件或设备。硬件工程过程分为三个阶段，即计划和定义阶段；设计和样机实现阶段；生产、销售和售后服务阶段。硬件功能开发计划评审详细需求分析评审成本进度硬件规格说明(a)计划与定义阶段该阶段的任务是制订开发计划，确定项目成本预算和工程进度，并进行详细需求分析，确定硬件规格说明。设计图纸设计图纸样机设计分析评审建立样机与测试评审生产分析(b)设计与样机实现阶段该阶段的任务是分析设计，画出设计图，必要时建造原型对样机进行测试，最后进行制造分析，画出生产图。产品备件制造质量保证销售评审返工维护机构(c)制造、销售与售后服务阶段该阶段的任务是按照质量保证计划和要求生产硬件产品。1.1.2软件与软件工程计算机软件：软件工程师设计和建造的产品。包括：可执行的程序+开发各阶段文档+各种数据。软件工程是研究软件生产和软件管理的工程科学。内容包括：市场调研、正式立项、需求分析、项目策划、概要设计、详细设计、编程、测试、试运行、产品发布、用户培训、产品复制、销售、实施、系统维护和版本升级等。软件工程模型一般包括：软件项目的定义阶段、软件开发阶段、软件的检验、交付与维护阶段。原型(a)定义阶段软件项目计划评审需求分析或原型评审项目计划需求规格说明软件功能原型数据与结构设计评审过程设计评审程序编码评审详细设计规格说明概要设计规格说明源程序代码(b)开发阶段操作过程(c)检验、交付与维护阶段（运行维护阶段）单元测试组装测试确认测试调试交付与销售评审维护评审用户文档测试计划测试过程测试结果修改的源程序代码因缺陷可能导致返回到前面步骤修改的文档代码1.1.3人机工程关键是处理软件与人的交互问题。现在“人机界面友好”的要求，已成为基于计算机系统的一项重要技术指标。人机工程包括下列步骤：1.创建系统功能的外部模型2.确定为完成此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工具构造界面原型和最终实现设计模型5.从质量的角度对界面进行评估1.1.4数据库工程数据库系统是基于计算机系统的重要组成部分，它将有关的硬件、软件、数据和数据库管理人员结合起来，为用户提供信息服务。数据库系统的开发方法主要有：结构化生命周期开发方法、原型法、面向对象的开发方法等。数据库工程的任务数据库工程应完成下列任务：1.确定系统的各项指标并进行评估和计划制定2.论证、选择和配置数据库系统3.数据库设计与实现概念设计（E-R图）、逻辑设计、物理设计4.数据库的管理与维护1.1.5网络工程网络工程是研究网络系统的规划、设计与管理的工程科学，要求工程技术人员根据既定的目标，严格依照行业规范，制定网络建设的方案，协助工程招投标、设计、实施、管理与维护等活动。网络工程的任务网络工程应该完成以下任务：1.需求分析。2.总体设计分析，确定该网络的服务类型，进而确定系统建设的具体目标以及系统构件拓扑结构等。3.实施，即选择合适的设备，按设计方案实现网络建设。4.验收与维护。1.2软件工程1.2.1软件1.软件定义(1)在运行中能提供所希望的功能和性能的指令集（即程序）；(2)使程序能够正确运行的数据结构；(3)描述程序研制过程、方法所用的文档。2.软件的特点软件是一种逻辑实体，不是具体的物理实体，具有抽象性。软件是通过人们的智力活动，把知识与技术转化成信息的一种产品，是在研制、开发中被创造出来的。在软件的运行和使用期间，没有硬件那样的机械磨损、老化问题。软件存在故障（错误）的原因软件的开发和运行经常受到计算机硬件系统的限制，软件对计算机硬件系统有着不同程度的依赖关系。软件的开发尚未完全摆脱手工的开发方式。软件的开发费用越来越高，成本相当昂贵。软件的开发是一个复杂的过程，管理是软件开发过程中必不可少內容。1.2.2软件工程的概念软件发展的四个阶段1.1950’s~1960’s中:规模较小的程序，个体化的软件开发，只有程序清单。——程序设计阶段2.1960’s中~1970’中：“软件作坊”，广泛使用产品软件。——程序系统阶段3.1970’中~1980’s：微处理器的出现并广泛应用。分布式系统、嵌入智能。——进入软件工程阶段4.1980’s~:网络迅速普及,强大的桌面系统、面向对象技术、专家系统、人工智能、神经网络、并行计算、网格计算、虚拟组织。软件发展过程中存在的问题软件开发能力不能满足人们的需要；社会对软件的依赖程度加大，人们普遍关注软件的安全和可靠性；若干年前开发的应用软件经过几十次修改已无人认识它的内部结构，己经不可维护；由于经济原因,嵌入式系统存在许多怪现象，企业不愿意投入资源再生产，而采取打补丁+时髦界面的方法。1.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。典型表现：开发成本和进度的估计常常很不准确；用户对“已完成的”软件系统不满意；“闭门造车”；软件质量不可靠；软件常常是不可维护的；软件成本的比例逐年上升；软件产品“供不应求”；2.消除软件危机的途径消除“软件就是程序”的错误观念。一个软件必须由一个完整的配置组成，事实上，软件是程序、数据及相关文档的完整集合。软件开发不是某种个体劳动的神秘技巧，而应该是一种组织良好、管理严密、各类人员协同配合、共同完成的工程项目。成功的软件开发技术和方法。软件工具和软件工程支撑环境。3.软件工程的定义1968年在联邦德国召开的计算机国际会议NATO软件危机根源解决途径软件工程“概括地说，软件工程是指导计算机软件开发和维护的一门工程学科。采用工程的概念、原理、技术和方法来开发与维护软件，把经过时间考验而证明正确的管理技术和当前能够得到的最好的技术方法结合起来，以经济地开发出高质量的软件并有效地维护它。”4.软件工程的目标软件工程的目标是明确的，就是研制、开发与生产出具有良好软件质量和费用合算的产品。1)采用工程化方法和途径来开发与维护软件。2)应该开发和使用更好的软件工具。3)采取必要的管理措施。5.软件工程的基本原则1.用分阶段的生命周期计划严格管理2.坚持进行阶段评审错误出现的时间：在编代码之前（设计错误占63%：编码占37%）改正错误的代价：发现得越晚，开发代价越高3.实行严格的产品控制基线配置（经阶段评审后的软件配置）、变动控制（要严格评审才能修改）4.采用现代程序设计技术5.结果应能清楚地审查6.开发小组的人员应该少而精7.承认不断改进软件工程实践的必要性6.软件工程研究的基本内容软件工程学分为：理论与结构、方法、工具与环境、管理和规范等。理论与结构包括：程序正确性证明理论、软件可靠性理论、软件成本估算模型、软件开发模型、模块划分原理等。软件开发技术包括：软件开发方法学、软件工具和软件开发环境。软件工程管理包括：软件开发管理和软件经济管理。1.2.3软件生命周期软件生存周期就是从提出软件产品开始，直到该软件产品被淘汰的全过程。我国软件工程标准将软件生命周期分成以下几个阶段：软件定义:确定软件开发总目标；确定工程的可行性；导出实现策略及系统功能；估计资源和成本，并且制定工程进度表。问题定义、可行性研究、需求分析软件开发:具体设计和实现在前一个时期定义的软件总体设计、详细设计、编码和单元测试、综合测试软件维护:使软件持久地满足用户的需要。软件生命周期(续1)1.问题定义“要解决的问题是什么?”确定用户要求解决的性质、工程的目标和规模。2.可行性研究“对于上一个阶段所确定的问题有行得通的解决办法吗?”经济可行性、技术可行性、法律可行性、不同的方案3.需求分析“为了解决这个问题，目标系统必须做什么”确定系统必须具有的功能和性能，系统要求的运行环境，并且预测系统发展的前景。规格说明书(specification)软件生命周期(续2)4.总体设计（概要设计）“概括地说，应该怎样实现目标系统?”设计出实现目标系统的几种可能的方案。推荐一个最佳方案。5.详细设计“应该怎样具体地实现这个系统呢?”设计出程序的详细规格说明。6.编码和单元测试写出正确的容易理解、容易维护的程序模块仔细测试编写出的每一个模块。7.综合测试集成测试和验收测试，现场测试或平行运行8.软件维护使系统持久地满足用户的需要。改正性维护，适应性维护，完善性维护，预防性维护。1.3软件生存期模型软件生存期模型反映软件生存周期内各种工作应如何组织及，以及各个阶段应如何衔接。软件生存期模型是跨越整个软件生存周期的系统开发、运作、维护所实施的全部工作和任务的结构框架。常用的软件生存期模型有：瀑布模型、原型模型、螺旋模型、基于四代技术模型、喷泉模型和增量模型。1.3.2瀑布模型(Waterfallmodel)瀑布模型又称生存周期模型，由B.M.Boehm提出，是软件工程的基础模型。理想的瀑布模型实际的瀑布模型瀑布模型的特点1.阶段间具有顺序性和依赖性各个阶段如同瀑布流水，逐级下落，自上而下、相互衔接的固定次序。2.推迟实现的观点清楚地区分逻辑设计与物理设计，尽可能推迟程序的物理实现。3.质量保证的观点(文档驱动)每个阶段都必须完成规定的文档每个阶段结束前都要对所完成的文档进行评审瀑布模型的缺点模型缺乏灵活性。开发过程一般不能逆转，否则代价太大规格说明很难理解：“我知道这是按我的要求做的，但不是我想要的样子。”软件的实际情况必须到项目开发的后期客户才能看到。（文档驱动的两面性）1.3.3快速原型模型快速建立起来的可以在计算机上运行的程序，它所能完成的功能往往是最终产品能完成的功能的一个子集。用户测试运行原型建造/修改原型听取用户意见1.快速原型模型的优点快速原型的本质是“快速”，主要帮助建立正确的规格说明。原型模型给用户以机会，更改心中原先设想的、不尽合理的最终系统。原型模型可以低风险开发柔性较大的计算机系统。原型模型使系统更易维护，生成对用户更友好的最终系统。原型模型使总的开发费用降低，开发时间缩短。有利于开发与培训的同步2.缺点对于开发者不熟悉的领域，可能会把次要部分当作主要框架，从而做出不切题的原型。原型迭代不收敛于开发者预先定义的目标。原型过快收敛于需求集合，而忽略了一些基本点。资源规划和管理较为困难，随时更新文档也带来麻烦。长期在原型环境上开发，只注意得到满意的原型，容易“遗忘”用户环境和原型环境的差异。3.原型模型的应用范围对所开发的领域比较熟悉而且有快速的原型开发工具项目招投标时，可以以原型模型作为软件的开发模型进行产品移植或升级时，或对已有产品原型进行客户化工作时，原型模型是非常适合的原型模型不适用嵌入式软件、实时控制软件、数值计算软件比较•瀑布模型—试图一次就获得正确的产品•快速原型—频繁变化，然后废弃1.3.4螺旋模型1988年，BarryBoehm正式发表了软件系统开发的“螺旋模型”，它将瀑布模型和快速原型模型结合起来，强调了其他模型所忽视的风险分析。该模型通常用来指导大型软件项目的开发，它将开发划分为