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第1章软件与软件工程的概念•软件的概念、特性和分类•软件危机与软件工程•系统工程的目标•软件生存期•软件生存期模型•软件工程知识体系及知识域1.1软件的概念、特性和分类•软件的作用具有产品和产品生产载体的双重作用。(1)作为产品，软件显示了由计算机硬件体现的计算能力，扮演着信息转换的角色：产生、管理、查询、修改、显示或者传递各种不同的信息。(2)作为产品生产的载体，软件提供了计算机控制（操作系统）、信息通信（网络），以及应用程序开发和控制的基础平台（软件工具和环境）。1.1软件的概念、特性和分类•软件的概念虽然软件对于现代的人并不陌生，但很多人对于软件的理解并不准确，“软件就是程序，软件开发就是编程序”的这种错误观点仍然存在。什么是软件？1.1软件的概念、特性和分类•软件是计算机系统中与硬件相互依存的另一部分，它是包括程序，数据及其相关文档的完整集合。•程序是按事先设计的功能和性能要求执行的指令序列。•数据是使程序能正常操纵信息的数据结构。•文档是与程序开发，维护和使用有关的图文材料。1.1软件的概念、特性和分类•软件的特性(1)形态特性:软件是无形的、不可见的逻辑实体。度量常规产品的几何尺寸、物理性质和化学成分对它却是毫无意义的。(2)智能特性：软件是复杂的智力产品，它的开发凝聚了人们的大量脑力劳动，它本身也体现了知识实践经验和人类的智慧，具有一定的智能。它可以帮助我们解决复杂的计算、分析、判断和决策问题。(3)开发特性:尽管已经有了一些工具（也是软件）来辅助软件开发工作，但到目前为止尚未实现自动化。软件开发中仍然包含了相当份量的个体劳动，使得这一大规模知识型工作充满了个人行为和个人因素。(4)质量特性：目前还无法得到完全没有缺陷的软件产品。1.1软件的概念、特性和分类(5)生产特性:与硬件或传统的制造业产品的生产完全不同，软件一旦设计开发出来，如果需要提供多个用户，它的复制十分简单，其成本也极为有限。(6)管理特性：由于上述的几个特点，使得软件的开发管理显得更为重要，也更为独特。1.1软件的概念、特性和分类(7)环境特性:软件的开发和运行都离不开相关的计算机系统环境，包括支持它的开发和运行的相关硬件和软件。软件对于计算机系统的环境有着不可摆脱的依赖性。(8)维护特性：软件投入使用以后需要进行维护，但这种维护与传统产业产品的维护概念有着很大差别。1.1软件的概念、特性和分类(9)废弃特性:与硬件不同，软件并不是由于被“用坏”而被废弃的。(10)应用特性：软件的应用极为广泛，如今它已渗入国民经济和国防的各个领域，现已成为信息产业、先进制造业和现代服务业的核心，占据了无可取代的地位。1.1软件的概念、特性和分类1.1软件的概念、特性和分类•软件的分类按照软件的作用，一般可以将软件做如下分类。(1)系统软件(2)应用软件(3)支撑软件(4)可复用软件软件危机暴发于上个世纪六十年代末。主要表现为：软件的发展速度远远滞后于硬件的发展速度，不能满足社会日益增长的软件需求。软件开发周期长、成本高、质量差、维护困难。1.2软件危机与软件工程•软件危机典型例子：美国IBM公司在1963年至1966年开发的IBM360机的操作系统。这个项目的负责人F.D.Brooks事后总结了他在组织开发过程中的沉痛教训时说：……正像一只逃亡的野兽落到泥潭中做垂死的挣扎，越是挣扎，陷得越深。最后无法逃脱灭顶的灾难，……程序设计工作正像这样一个泥潭，……一批批程序员被迫在泥潭中拼命挣扎，……谁也没有料到竟会陷入这样的困境……1.2软件危机与软件工程具体来说，软件危机主要有以下一些典型表现:对软件开发成本和进度的估计常常很不准确。用户对“已完成的”软件系统不满意的现象经常发生。软件产品的质量往往靠不住。软件常常是不可维护的。软件通常没有适当的文档资料。软件成本在计算机系统总成本中所占的比例逐年上升。软件开发生产率提高的速度，既跟不上硬件的发展速度，也远远跟不上计算机应用迅速普及深入的趋势。1.2软件危机与软件工程除了软件本身的特点，软件危机发生的主要原因有：(1)缺乏软件开发的经验和有关软件开发数据的积累，使得开发工作的计划很难制定。(2)软件人员与用户的交流存在障碍，使得获取的需求不充分或存在错误。(3)软件开发过程不规范。如，没有真正了解用户的需求就开始编程序。(4)随着软件规模的增大，其复杂性往往会呈指数级升高。需要很多人分工协作，不仅涉及技术问题，更重要的是必须有科学严格的管理。(5)缺少有效的软件评测手段，提交用户的软件质量不能完全保证。1.2软件危机与软件工程•彻底消除“软件就是程序”的错误观念。•充分认识到软件开发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。•推广和使用在实践中总结出来的开发软件的成功技术、方法和工具。•按工程化的原则和方法组织软件开发工作。如何摆脱软件危机?1.2软件危机与软件工程1.2软件危机与软件工程软件工程的概念•为了克服软件危机，1968年10月在北大西洋公约组织（NATO）召开的计算机科学会议上，FritzBauer首次提出“软件工程”的概念，试图将工程化方法应用于软件开发。•在NATO会议上，FritzBauer对软件工程的定义是：“软件工程就是为了经济地获得可靠的且能在实际机器上有效地运行的软件，而建立和使用完善的工程原理。”•1993年IEEE给出的定义：“软件工程是：①把系统的、规范的、可度量的途径应用于软件开发、运行和维护过程，也就是把工程应用于软件；②研究①中提到的途径。”。1.2软件危机与软件工程•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、技术和方法来开发和维护软件，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技术结合起来，以经济地开发出高质量的软件并有效地维护它，这就是软件工程。1.2软件危机与软件工程1.3软件工程的目标•软件工程的目标是运用先进的软件开发技术和管理方法来提高软件的质量和生产率，也就是要以较短的周期、较低的成本生产出高质量的软件产品，并最终实现软件的工业化生产。1.3软件工程的目标软件的质量特性：功能性、可靠性、可使用性、效率、可维护性和可移植性。•功能性是指软件所实现的功能达到它的设计规范和满足用户需求的程度；•可靠性是指在规定的时间和条件下，软件能够正常维持其工作的能力；•可使用性是指为了使用该软件所需要的能力；•效率是指在规定的条件下用软件实现某种功能所需要的计算机资源的有效性；•可维护性是指当环境改变或软件运行发生故障时，为了使其恢复正常运行所做努力的程度；可移植性是指软件从某一环境转移到另一环境时所做努力的程度。1.3软件工程的目标质量目标之间的关系(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)在软件工程领域中是由一种文化背景的人替具有另一种文化背景的人创造产品软件工程的本质特性(1)按软件生存周期分阶段制订计划并认真实施(2)(3)(4)(5)明确责任(6)(7)不断改进开发过程软件工程的基本原理1.4软件生存期•概念软件也有一个孕育、诞生、成长、成熟和衰亡的生存过程，我们称这个过程为软件生命周期或软件生存期。软件生存期由软件定义、软件开发和运行维护3个时期组成，每个时期又可划分为若干个阶段。1.4软件生存期•软件定义时期主要任务是解决“做什么”的问题，即确定工程的总目标和可行性；导出实现工程目标应使用的策略及系统必须完成的功能；估计完成工程需要的资源和成本；制订工程进度表。通常又分为3个阶段：问题定义、可行性研究和需求分析。1.4软件生存期•软件开发时期主要任务是解决“如何做”的问题，即具体设计和实现在前一个时期定义的软件。由概要设计、详细设计、编码和测试4个阶段组成。1.4软件生存期•软件运行维护时期主要任务是使软件持久地满足用户的需要，通常有4类维护活动：(1)改正性维护，也就是诊断和改正在使用过程中发现的软件错误；(2)适应性维护，即修改软件以适应环境的变化；(3)完善性维护，即根据用户的要求改进或扩充软件，使它更完善；(4)预防性维护，即修改软件为将来的维护活动预先做准备。1.4软件生存期•开发过程中的典型文档①软件需求规格说明书：描述将要开发的软件做什么。②项目计划：描述将要完成的任务及其顺序，并估计所需要的时间及工作量。③软件测试计划：描述如何测试软件，使之确保软件应实现规定的功能，并达到预期的性能。④软件设计说明书：描述软件的结构，包括概要设计及详细设计。⑤用户手册：描述如何使用软件。1.4软件生存期•各个阶段所要完成的基本任务(1)问题定义与可行性研究本阶段要回答的关键问题是“到底要解决什么问题？在成本和时间的限制条件下能否解决问题？是否值得做？”(2)需求分析本阶段要回答的关键问题是“目标系统应当做什么？”(3)软件设计设计是软件工程的技术核心。本阶段要回答的关键问题是“如何实现目标系统？”1.4软件生存期•各个阶段所要完成的基本任务(4)程序编码和单元测试本阶段要解决的问题是“正确地实现已做的设计”，即“如何编写正确的、可维护的程序代码？”(5)集成和系统测试测试是控制软件质量的重要手段，本阶段的主要任务是做集成测试和系统测试。(6)软件运行和维护已交付的软件投入正式使用，便进入运行阶段。这一阶段可能持续若干年。软件在运行中可能由于多方面的原因，需要对它进行修改。1.5软件生存期模型•瀑布模型•快速原型模型•增量模型•螺旋模型•喷泉模型•统一过程瀑布模型在20世纪80年代之前，瀑布模型一直是唯一被广泛采用的生命周期模型。传统的瀑布模型如图所示。瀑布模型•瀑布模型的特点阶段间具有顺序性和依赖性。其中包含两重含义：①必须等前一阶段的工作完成之后，才能开始后一阶段的工作；②前一阶段的输出文档就是后一阶段的输入文档。瀑布模型•瀑布模型的特点①瀑布模型在编码之前设置了系统分析和系统设计的各个阶段，分析与设计阶段的基本任务规定，在这两个阶段主要考虑目标系统的逻辑模型，不涉及软件的物理实现。②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，是按照瀑布模型开发软件的一条重要的指导思想。瀑布模型•瀑布模型的特点质量保证的观点①每个阶段都必须完成规定的文档，没有交出合格的文档就是没有完成该阶段的任务。②每个阶段结束前都要对所完成的文档进行评审，以便尽早发现问题，改正错误。瀑布模型•实际的瀑布模型实际的瀑布模型是带“反馈环”的，如图所示。图中实线箭头表示开发过程，虚线箭头表示维护过程。瀑布模型•瀑布模型的优点可强迫开发人员采用规范化的方法。严格地规定了每个阶段必须提交的文档。要求每个阶段交出的所有产品都必须是经过验证的。瀑布模型•瀑布模型的缺点由于瀑布模型几乎完全依赖于书面的规格说明，很可能导致最终开发出的软件产品不能真正满足用户的需要。如果需求规格说明与用户需求之间有差异，就会发生这种情况。瀑布模型只适用于项目开始时需求已确定的情况。快速原型模型快速原型是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。快速原型模型如图所示。快速原型模型•快速原型模型的优点(1)有助于满足用户的真实需求。(2)原型系统已经通过与用户的交互而得到验证，据此产生的规格说明文档能够正确地描述用户需求。(3)软件产品的开发基本上是按线性顺序进行。(4)因为规格说明文档正确地描述了用户需求，因此，在开发过程的后续阶段不会因为发现规格说明文档的错误而进行较大的返工。快速原型模型•快速原型模型的优点(5)开发人员通过建立原型系统已经学到了许多东西，因此，在设计和编码阶段发生错误的可能性也比较小，这自然减少了在后续阶段需要改正前面阶段所犯错误的可能性。(6)快速原型的突出特点是“快速”。开发人员应该尽可能快地建造出原型系统，以加速软件开发过程，节约软件开发成本。原型的用途是获知用户的真正需求，一旦需求确定了，原型可以抛弃，当然也可以在原型的基础上进行开发。增量模型增量模型也称为渐增模型，是Mills等于1980年提出来的。使