软件工程基本原理

第1页共11页软件工程基本原理1.1软件的生命周期一个软件产品从构想到不再使用，期间会经历若干阶段，我们称其为软件的生命周期（lifecycle）。生命周期中的3个主要阶段是：开发阶段（development），使用阶段(use)和维护阶段（maintenance）。通常情况是：客户提出需要解决的问题，软件开发者就构思并开发相应的软件，并藉此获得酬劳。新的软件是在开发阶段建立的。软件开发完毕之后就交付用户使用。用户在使用过程中，通常都会发现各种问题（错误）及提出各种修改建议。这些信息都会反馈给开发者，这就进入了维护阶段.在软件维护阶段中，软件中的错误被修改（标识），功能被增强。如果需要进行较大的修改，通常会开发一个新版本的软件并发布和使用。当一个软件的维护费用过于昂贵时，开发者就考虑不再使用该软件，也不再发布新的版本。软件开发阶段是生命周期中的第一个阶段，也是最重要的阶段。如果一个软件开发得好，后续的维护将十分容易，相应的也就节约维护成本。第2页共11页1.2软件开发阶段软件工程师通常将软件的开发阶段分为下面4个子阶段：●分析阶段●设计阶段●实现阶段●测试和调试阶段1.2.1分析阶段分析问题是第一步也是最为重要的一部。在这一步中。您需要做以下事情：●全面理解所要解决的问题●进行需求分析（requirementanalysis）：理解问题需求，包括程序是否需要和用户进行交互，是否操纵数据，是否有输出结果以及输出结果的格式等等。举一个列子，如果您需要编写一个自动取款机（ATM）的程序。在分析阶段，您要给出该ＡＴＭ机可以进行的操作，如：取款，存款，转账及余额查询等等。您会和使用该ＡＴＭ机的客户进行讨论，理解他们的需求，增加必要的操作，以便是您的程序是用户友好的。●如果程序需要对数据进行操作，开发人员必须了解数据类型及它们的表示方法。这时候可能会接触一些样本数据。如果程序有输出信息，必须确定它们所生成的结果及输出格式等。●如果需要解决的问题过于复杂，可以把它分解为多个子问第3页共11页题，在对每个子问题做相应的需求分析。1.2.2设计阶段当您仔细分析完问题后，就需要设计相应的算法去解决问题。如果已经将问题分解为若干子问题，那么对每个子问题都需要设计相应的算法。算法（algorithm）：在有限时间内获得问题解决方案的逐步求解过程。○1结构化设计方法将一个问题分解为若干个子问题的方法叫做结构化设计方法（structureddesign）。结构化设计方法又叫做自顶向下的设计方法（top-downdesign）、逐步求精方法（stepwiserefinement）和模块化程序设计方法（modularprogramming）。在结构化设计方法中，问题被分解为若干子问题，然后分别对每个子问题进行分析和求解。所有子问题的解合并起来就是原始问题的解。使用结构化设计方法进行编程就叫做结构化程序设计（structureprogramming）。○2面向对象设计方法在面向对象设计方法（object-oriented，OOD）中，求解问题的首要步骤是识别称为“对象”（object）的组件（它是运用该方法求解问题的基础）和确定对象之间如何进行交互。比如，我们要为一家录像出租店编写一个可以使其业务自动化的程序。在这个问题中，我们可以确定两个主要对象，即：录像带对象和客户对象。明确系统中的对象之后，下一步就是为每个对象确定有关数据和第4页共11页数据上进行的相关操作。对于录像带对象而言，数据可能包括影片名称，演员名单，制片人，出版公司，库存副本数等等。在录像带对象可以进行的相关操作包括查询影片名，每租出一盘录像带就将库存副本数减一，客户每归还一盘录像带就将库存数加一。由上文可知：对象包括数据和在数据上执行的操作。对象可以看作数据和其上操作的统一体。使用面向对象方法编程，最终的程序是交互对象的集合。实现面向对象设计方法的编程语言叫做面向对象程序设计（object-orientedprogramming，OOP）语言。面向对象设计方法的3个基本原则：●封装性（encapsulation）：将数据和操作集成在一个单元（对象）中的能力。●继承性（inheritance）：从已有数据类型中派生新数据类型的能力。●多态性（polymorphism）:使用相同表达形式来实现不同操作的能力。在C++中,封装性是通过叫做类（class）的数据类型实现的。在面向对象的设计方法中，我们要确定需要哪些类，它们的数据成员和成员方法。我们还需要描述个各类之间如何进行交互。第5页共11页1.2.3实现阶段在实现阶段，您将编写和编译程序代码，以实现在设计阶段分析得到的类和函数。最终的程序通常由几个函数组成，它们分别完成不同的任务。有些函数是主程序的一部分，其他的则是在对象上完成的操作。显然函数之间存在交互关系，从而能够利用彼此的函数功能。要使用一个函数，用户只需要知道该函数的功能和用法即可，而不必关心该函数的实现的具体细节。下面的例子说明了这个观点。假设您要编写一个将计量单位英寸转换为厘米的函数。转换公式是：１英寸＝２．５４。下面的函数用来实现这个功能。doubleinchesToCentimeters(doubleinches){if(inches0){cerr”Thegivenmeasurementmustbenonnegative”endl;return-1.0;}elsereturn2.54*inches;}第6页共11页注意：对象cerr对应于无缓冲的标准错误流。对象cout的输出首先进入缓冲区不同的是，cerr的输出结果直接送往标准错误流——通常是用户屏幕。如果您仔细查看函数体就会发现，如果输入的英寸值小于0（即为负数），那么返回值将为-1.0。如果输入的值非负，那么返回对应的厘米值。使用该函数无需了解它使用什么算法将英寸转换为厘米。但是用户必须知道，要想得到正确答案，输入值不可以为负。如果为负，返回值将为-0.1。上述得到信息可以使用包含前置条件和后置条件的文档进行描述。前置条件（precondition）：指定调用某个函数前必须满足的条件语句。后置条件（postcondition）:指定函数调用完成后程序流程的语句。函数inchesToCentimeters的前置条件和后置条件可以这样描述：//Precondition:Thevalueofinchesmustbenonnegative.//Postcondition:Ifthevalueofinchesis0,thefunction//returns-1.0;otherwise,thefunctionreturns//theequivalentlengthincentimeters.doubleinchesToCentimeters(doubleinches){if(inches0)第7页共11页{cerr“Thegivenmeasurementmustbenonnegative”endl;return-1.0;}elsereturn2.54*inches;}在某些情况下，您可以使用C++的assert语句来验证输入的正确性。例如下面的程序中就使用了assert：//Precondition:Thevalueofinchesmustbenonnegative.//Postcondition:Ifthevalueofinchesis0,thefunction//returns-1.0;otherwise,thefunctionreturns//theequivalentlengthincentimeters.doubleinchesToCentimeters(doubleinches){assert(inches=0);return2.54*inches;}如果assert语句执行失败，则整个程序运行中止，这种做法比较适合后续语句的执行以当前函数的正确执行为前提的情况。另一方面，用户可以检查函数的返回值，确定返回值是否合理，并执行相应的处理。如果您要使用assert函数，必须在程序中包含cassert头文件。第8页共11页注意：如果想在程序中禁用assert语句，即跳过assert语句不执行它。只需要在#includecassert语句之前使用#defineNDEBUG预处理指令。正如您看到的，对于同样功能的函数，不同的程序员可以用不同的方法实现，并且该函数的用户不关心实现的具体细节，所以前置条件和后置条件必须在函数的原型（prototype）中给出。即用户可以看到下面的信息：doubleinchesToCentimeters(doubleinches)//Precondition:Thevalueofinchesmustbenonnegative.//Postcondition:Ifthevalueofinchesis0,thefunctionreturns//-1.0;otherwise,thefunctionreturnsequivalentlengthincentimrters.再举一个例子，假如有一个函数用来在一个表中查找一个特定项。首先，在调用函数前，表必须存在。查找结束后，函数根据成功或失败分别返回真（true）或假（false）。boolsearch（intlist[],intlistLength,intsearchItem）;//Precondition:Listmustexist.//postcodition:ThefunctionreturnstrueifsearchItemisinthelist,thefunctionreturnsfalse.第9页共11页1.2.4测试和调试测试（testing）这个术语表示检测程序的正确性，即检查程序是不是完成了需要完成的工作。而调试（debugging）一词指，如果程序存在错误，如何找到并修改错误。在每写完一个函数或算法后，接下来应该验证它是否正确工作。在复杂的大型程序中，错误是一定存在的。为了提高程序的可靠性，必须在交付用户前发现并修改其中的错误。您可以使用某些方法，通常是数学方法来证明程序的正确性。然而，对于大型的程序来说，单单使用证明方法是不行的，因为在证明过程中就有可能引入错误。所以，我们必须使用测试的方法考察程序的质量。通过让程序运行一些特定的例子，即测试用例（testcase）来找出程序中的问题。测试用例的组成部分包括：一组输入数据、用户操作、初始条件和期望的结果等。由于测试用例将被多次使用，所以需要正确地记录它们。通常，一个程序需要对大量的数据进行操作，虽然理论上可以将所有的输入情况在测试用例中体现，但在实际工作中显然是不现实的。例如，一个程序需要对整数进行处理，显然，为每个整数做一个测试用例是不可能的。我们可以将测试用例分类，即分为等价类（equivalencecategory）。所谓等价类是指：在这个分类中的所有输入值将对应相同的输出值。有比如说，有一个函数的输入为整数，并且如果该整数为非负则返回真（true），否则返回假（false）。那么我们可以做两个等价类，一个为负数集合，另一个为非负数集合。第10页共11页测试有两类方法，即：黑盒测试（black-boxtesting）和白盒测试（White-boxtesting）。使用黑盒测试方法时，您不需要知道算法或函数的内部实现，只需要知道程序的功能即可黑盒测试是基于输入输出的方法。它的测试用例通过创建等价类来选取。如果程序对于等价类中的某个输入的输出结果是正确的话，那么就认为对应该等价类中其他输入也会输出同样的正确结果。假设有一个函数isWithinRange，该函数对于大于等于0且不小于100的输入值均返回真（true）。使用黑盒测试时，主要针对在分界点周围和分界点上的值，即边界值（boundaryvalue）进行测试，还要考虑一个等价类中的值。对于函数isWithinRange而言，边界值可以是：-1，0，1，99，100和101。因此，实际测试