面向数据流的设计方法.ppt

软件工程,教材：主编 曹哲 高诚 中国水利水电出版社,教案：河北工业大学廊坊分院 计算机系 黄南川,ZLL,软件工程,第8章面向数据流的设计方法,本章所述技术用于软件的概要设计描述，包括模块、界面和数据结构的定义，这是所有后续开发的基础。面向数据流的设计方法，即通常所说的结构设计法（Structure Design，简称SD方法），由Yourdon和Constantine等人于1874年提出的，与结构化分析（SA）相衔接，根据对数据流的分析设计软件结构。SD方法突出考虑的是如何建立一个结构良好的程序系统，它的基本思想是将系统设计成相对独立、单一功能的模块组成的结构。整个设计是以数据流为基础，由于数据流图和模块结构图之间有着一定的联系，结构化设计方法可以和需求分析中采用的结构化分析方法很好地衔接。结构化设计方法能恰当地划分模块，按功能由顶向下、由抽象到具体逐步细化，把系统分解为一个多层次的具有独立功能的许多模块组成，一直分解到能简便地用程序实现的一种模块为止。所以，SD方法还能和结构化程序设计(SP)相适应。SD方法是根据数据流图来设计，最终目标是建立软件体系结构的描述，即软件模块的层次结构图。此方法用于软件系统的概要设计，尤其适用于大中型的数据处理系统。因此结构化设计方法得到了广泛的应用。,ZLL,软件工程,8.1 SD方法的设计过程和有关概念,SD方法能方便地将数据流图转换为软件结构，其过程分为五步：1 确定信息流的类型；2 划定流界；3 将数据流图映射为程序结构；4 提取层次控制结构；5 通过设计复审和使用启发式策略进 一步精化所得到的结构。在软件设计开始之前，首先要分析数据流图DFD图的系统特性。数据流图一般有两种典型的结构：变换型结构和事务型结构，即变换流和事物流。,ZLL,软件工程,1）变换流,在数据处理问题中，通常会遇到这样一类问题，即从(程序)“外部”取得数据(例如从键盘、磁盘文件等)。对取得的数据进行某种变换，然后再将变换得到的数据传回给“外部“。其中取得数据这一过程称为传人信息(数据)流程，变换数据的过程称为变换信息(数据)流程，传回数据过程称为传出信息(数据)流程。变换流 在基本系统模型（即顶级数据流图）中信息通常以“外部世界”所具有的形式进入系统，经过处理后又以这种形式离开系统。变换型结构是一种线性 状的结构，它可以明显 地分成输人、主加工（或称变换、处理）和输出三部分。,ZLL,软件工程,1）变换流,典型的变换流变换流的特点是：经过变换B的数据流一部分先经过变换C到达变换E，然后另一部分经过变换D到达E；即C和D是顺序结构。,ZLL,软件工程,2）事务流,事务流单个数据项称为事务（transaction）沿传入路径（也称接受通道）进入系统，由外部形式变换为内部形式后到达事务中心，事务中心根据数据项计值结果从若干动作路径中选定一条继续执行。可见它是一个选择结构。,事务中心,T,B,事务,C,A,事务流,ZLL,软件工程,图面向数据流的设计,ZLL,软件工程,8.2 变换分析,下面以“家庭保安系统”的传感器监测子系统为例说明变换分析的各个步骤。步骤一、复审基本系统模型 基本系统模型指顶级DFD和所有由外部提供的信息。这一设计步骤是对系统规格说明书和软件需求规格说明书进行评估。这两个文档描述软件界面上信息的流程和结构。,ZLL,软件工程,“家庭保安系统”的顶级数据流图,警报类别,家庭保安系统软件,控制面板,显示器,警报器,电话线,传感器,用户命令,显示信息,传感数据,电话拨号音频,ZLL,软件工程,“家庭保安系统”的第一级DFD,电话拨号音频,配置数据,配置 数据,配置数据,用户命令处理,显示信息和状态,传感器监测,系统配置,控制面板,显示器,警报器,电话线,传感器,配置信息,配置 命令,启动/停止命令,原口令,有效口令,传感器信息,报警类别,传感数据,显示 信息,用户命令,口令,启动/停止系统和状态,启动或停止消息,口令核对,用户交互子系统,图8-5,ZLL,软件工程,8.2 变换分析,步骤二、复审和精化软件数据流图 这一步主要是对软件需求规格说明书中的分析模型进行精化，直至获得足够详细的DFD。例如，由“传感器监测子系统”的第一级和第二级DFD进一步推导出第三级数据流图，此时，每个变换对应一个独立的功能，可以用一个具有较高内聚度的模块实现，至此已有足够的信息可用于设计“传感器监测子系统”的程序结构，精化过程亦可结束。,ZLL,软件工程,“传感器监测子系统”的第二级DFD,传感器信息,传感器标志的类型和位置,传感数据,警报类别,警报数据,显示格式,产生警报信号,电话拨号,异常数据判别,读取传感数据,配 置 信 息,配置数据,传感器标识类型,电话号码,电话拨号音频,图8-6,ZLL,软件工程,“传感器监测子系统”的第三级DFD,配 置 信 息,警报条件码传感器标志定时信息,传感数据,电话号码对应的音频,电话拨号音频,传感器信息,号码表,电话号码,读取传感数据,获取响应信息,建立警报条件,选择电话号码,连通电话网,产生拨号脉冲,产生警报信号,格式化显示,产生显示,传感器标志的类型和位置,格式化标志的类型和位置,置传感器标识,警报数据,警报类别,配 置 数 据,图8-7,ZLL,软件工程,8.2 变换分析,步骤三、确定DFD的特性，判定它为变换流还是事务流。以图87所示DFD为例，数据沿一个传入路径进来，沿三个传出路径离开，没有明显的事务中心，因此，该信息流应属变换流。步骤四、划定输入流和输出流的边界，孤立变换中心，即找出系统的主加工，确定逻辑输入和逻辑输出。,ZLL,软件工程,这一步我们暂不考虑数据流图中的一些支流，如出错处理等。如果设计人员的经验比较丰富，对该系统的需求又很熟悉，则决定哪些加工是系统的主加工是比较容易的，在几股数据流的汇合处往往是系统的主加工。如果一时不能确定系统的主加工在哪里，则可以先找出逻辑输入和逻辑输出。我们从系统边界的物理输入端开始，一步步向中间移动，直至达到这样一个数据流、它不能再被看作为系统的输入，则其前一个数据流就是系统的逻辑输入，换句话说，离物理输入端最远的，但仍可被看作是系统的输入的那个数据流就是逻辑输入。同样，从物理输出端开始，一步步向中间移动，也可以找出离物理输出端最远的，但仍可被看作是系统的输出的那个数据流就是逻辑输出。在逻辑输入和逻辑输出之间，就是系统的主加工变换中心。再用虚线划分出流界，DFD的三部分就确定了。8-7图中的流边界如虚线所示。,ZLL,软件工程,8.2 变换分析,步骤五、执行“一级分解”（first level factoring）一级分解的目标是导出具有三个层次的程序结构，顶层为主控模块；中层模块控制、协调底层的工作；底层模块执行输入、计算和输出功能。系统的主加工（变换流控制模块，对内部形式数据进行加工、处理）决定了程序结构的“顶层”模块，它抽象地描述了完成整个程序要做的工作。因此主加工确定以后，就决定了主模块的位置，即软件的顶层结构。,ZLL,软件工程,8.2 变换分析,然后，我们按输入、变换、输出等分支设计模块结构的第一层（中层模块控制、协调底层的工作）：为逻辑输入设计一个输入模块，它的功能是向主模块提供数据（输入流控制模块，接收所有输入数据）；为逻辑输出设计一个输出模块，它的功能是将主模块提供的数据输出（输出流控制模块，产生输出数据）；为主加工设计一个变换模块，它的功能是将逻辑输入变换成逻辑输出。并且，第一层模块同主模块之间传送的数据应该同数据流图相对应。,ZLL,软件工程,ZLL,软件工程,8.2 变换分析,程序结构可用Yourdon结构图表示。结构图中，方框代表模块，框内名称表示模块的功能；方框之间的有向边（无二义时也可用无向边）表示模块间的调用关系。调用模块上无标志表示顺序调用：从左至右；菱形表示选择调用；弧形箭头表示循环调用。但本书后面除了顺序调用外，并没有遵循这些规定。,a,c,b,a,c,b,a,b,a)顺序调用 b)选择调用 c)循环调用,ZLL,软件工程,8.2 变换分析,图8-8是一个简单三叉结构，实际处理大型系统的复杂数据流时，可能需要多个模块对应一个模块的功能。“一级分解”总的原则是，在完成控制功能并保持低耦合度、高内聚度的前提下尽可能地减少模块的数量。图8-9是“传感器监测子系统”一级分解，其中控制模块的名字概括了所有下属模块的功能。,ZLL,软件工程,8.2 变换分析,一级分解,输入流,变换流,变换流控制模块,输入流控制模块,输出流,主控模块,输出流控制模块,A,B,C,D,E,F,G,H,图8-8,ZLL,软件工程,传感器监测子系统一级分解结果,警报条件控制模块,传感器输入控制模块,主控模块,警报输出控制模块,配 置 信 息,图8-9,ZLL,软件工程,8.2 变换分析,步骤六、执行“二级分解”。二级分解的任务是把数据流图中每个处理框映射为结构图中的一个模块。其过程是从变换中心的边界开始沿输入、输出通道向外移动；从变换中心的输入(出)边界向外移动，把遇到的每个处理框映射为结构图中相应控制模块下的一个模块。图8-8的二级分解如图8-10所示。图8-9的传感器监测子系统二级分解输出流如图8-11（见教材），整个分解如图8-12所示（见教材）,ZLL,软件工程,二级分解,输入流,变换流,输入流控制模块,输出流,主控模块,A,B,C,D,E,F,G,H,B,D,A,C,变换流控制模块,输出流控制模块,E,F,G,H,图8-10,ZLL,软件工程,8.2 变换分析,DFD的处理框与程序结构模块一一对应，但按照软件设计原则进行设计时，可能需要把几个处理框聚合为一个模块，或者把一个处理框裂变为几个模块。总之，应根据“良好”设计的标准，进行二级分解。图8-10的处理如下图8-10-A所示。二级分解后得到的仅仅是程序结构的“雏形”（firstcut），后续的复审和精化会反复修改。传感器监测子系统的精化如图8-13（见教材）,ZLL,软件工程,结构的优化,输入流控制模块,主控模块,B,D,A,C,变换流控制模块,输出流控制模块,E,F,G,H,输入流控制模块,主控模块,B,D,A,C,E,F,G,H,图8-10-A,ZLL,软件工程,8.2 变换分析,程序结构的模块名已隐含了模块功能，但仍有必要为每个模块写一个简要的处理说明，它应当包括：1进出模块的信息（接口描述）；2模块的局部信息；3处理过程陈述，包括任务和主要的判 断点的位置、条件；4对有关限制和一些专门特性的简要说 明（例如，文件I/O，独立于硬件的 特性，特殊的实时要求等）。这些描述构成第一版设计规格说明书。,ZLL,软件工程,8.2 变换分析,步骤七、采用启发式设计策略，精化所得程序结构雏形，改良软件质量 对于程序结构的雏形，以“模块独立”为指导思想，对模块进行整合或分解，旨在追求高内聚、低耦合，以及易实现、易测试、易维护的软件结构。,ZLL,软件工程,8.2 变换分析,上述七个设计步骤的目标是给出软件的一个整体描述。一旦有了这样一个描述，设计人员即可从整体角度评价和精化软件的总体结构，此时修改所需耗费不多，却能大大提高软件质量。,ZLL,软件工程,8.3 事务分析,当数据流具有明显的事务特征时，即能找到一个事务（亦称触发数据项）和一个事务中心，采用事务分析法更为适宜。下面以“家庭保安系统”中“用户交互子系统”为例，说明事务分析法。该子系统的第一级数据流图（图8-5）精化后得到第二级数据流图（8-14）。图中“用户命令数据”流入系统后，沿三条动作路径之一离开系统，若将数据项“命令类型”看作事务，该子系统的信息流具有明显的事务特征。,ZLL,软件工程,用户交互子系统的二级数据流图,无效口令,启动/停止命令,口令,启动/停止消息,配置数据,配置数据,配置命令,显示信息,“再试”信息,读取用户命令,启动命令处理,启动/停止系统,产生无效的信息,读取系统数据,读取配置文件,读取口令,显示信息和状态,比较口令与文件,配 置 信 息,用户命令数据,系统参数和数据,原始配置项,格式化的配置数据,命令类型,确认口令,四位数,有效口令,图8-14,ZLL,软件工程,8.3 事务分析,事务分析法可概括为七个步骤：步骤一、复审基本系统模型；步骤二、复审并精化软件数据流图；步骤三、确定数据流图的特征；步骤四、指出事务中心，确定接收部分和发送部分的流界；数条动作路径的公共源头即为事物中心。,ZLL,软件工程,8.3 事务分析,步骤五、映射出系统上层模块结构；事物处理型的程序结构由“输入”和“散转”两部分组成。“输入”部分的构成方法是从事物中心开始，沿输入通路向外推进，每一个处理框映射为一个模块（如同变换分析法）。“散转”部分顶层为一“散转”模块，它总控所有对应于每一条动作路径的控制模块，每条动作路径都是根据它的信息流特征映射为一个程序子结构。,ZLL,软件工程,映射系统上层结构模块,9,8,6,1,2,5,4,3,7,10,11,事务中心,接收部分,发送部分,SYSTEM,输入 1,散转 2,SUBSYS1,SUBSYS2,SUBSYS3,ZLL,软件工程,8.3 事务分析,步骤六、分解并精化事务结构以及每条动作路径所对应的结构。这些子结构是根据流经每一动作路径的数据流特征，采用本节或上节所述设计步骤逐一导出的。,ZLL,软件工程,设计系统下层模块结构,9,8,6,1,2,5,4,3,7,10,11,事务中心,接收部分,发送部分,将SUBSYS2部分看成是一个变换型，则得到如图所示结构,ZLL,软件工程,8.3 事务分析,图8-3-4 将模块结构组合，得到程序结构雏形,SYSTEM,输入 1,散转 2,SUBSYS1,SUBSYS2,SUBSYS3,7,10,4,11,输入控制,变换控制,输出控制,3,6,5,8,9,ZLL,软件工程,8.3 事务分析,步骤七、使用启发式设计策略，精化所得程序结构雏形，改良软件质量。这一步骤与变换分析法相同。,ZLL,软件工程,8.4 设计优化及原则8.4.1 启发式设计策略,1调整模块的功能和规模，降低耦合度，提高内聚度。若在几个模块中发现了共有的子功能，一般应将此子功能独立出来作为一个模块，以提高单个模块的内聚度。合并模块通常是为了减少控制信息的传递以及对全程数据的引用，同时降低接口的复杂性。模块的规模没有固定的要求。以保持模块的独立性为原则。一般而言，模块规模以一页左右为宜（高级语言在75个语句左右）。模块过大，既不便于阅读，又不利于纠错与维护；模块过小、也可能增大模块间的耦合度，增加软件开发的工作量。因此，在模块划分时，对于过大或过小的模块，都应该找一找原因，并确定其是否需要重新划分。,ZLL,软件工程,8.4.1 启发式设计策略,2调整软件结构的深度、宽度、扇出和扇入数目，改善软件结构性能。经验表明，设计良好的软件结构通常顶层扇出较高，中层扇出较低，底层又高扇入到公共的实用模块中去。,ZLL,软件工程,应追求与避免的程序结构,8.4.1 启发式设计策略,ZLL,软件工程,8.4.1 启发式设计策略,设计良好的软件通常具有瓮型结构，两头小，中间大。软件在下部收拢，表明在底层模块中使用了较多高扇入的共享模块,ZLL,软件工程,8.4.1 启发式设计策略,3改造程序结构，使任一模块的作用域在其控制域之内。,判定,受F中判定的影响,A,C,F,E,G,H,D,B,违背第三条原则,满足第三条原则,A,D,C,E,F,H,G,B,作用域与控制域,ZLL,软件工程,8.4.1 启发式设计策略,4分析模块之间的接口信息，降低界面 的复杂性和冗余程度，提高协调性。界面复杂是引起软件错误的一个基本因素，界面上传递的数据应尽可能简单并与模块的功能相协调，界面不协调（即在同一个参数表内或以其他某种方式传递不甚相关的一堆数据）本身就是模块低内聚的表征。,ZLL,软件工程,8.4.1 启发式设计策略,5模块功能应该可预言，避免对模块施加过多限制。模块功能可预言指，只要模块的输入数据相同，其运行产生的输出必然相同，也就是可以依据其输入数据预测模块的输出结果。此外，如果设计时对模块中局部数据的体积，控制流程的选择及外部接口方式等诸因素限制过多，则以后为去掉这些限制要增加维护开销。,ZLL,软件工程,8.4.1 启发式设计策略,6.改造程序结构，追求单入口单出口的模块。7.为满足设计或可移植性的要求，把某些软 件用包（package）的形式封装起来。软件设计常常附带一些特殊限制，例如，要求程序采用覆盖技术。此时，根据模块重要的程度、被访问的频率及两次引用的间隔等因素对模块分组。此外，程序中那些供选择的或“单调”（oneshot）的模块应单独存在，以便高效地加载。,ZLL,软件工程,辅助文档,无论是采用变换分析法还是事务分析法，获得程序结构后，必须开发一系列辅助文档，作为软件总体设计的组成部分。主要工作包括：1）陈述每个模块的处理过程；2）描述每个模块的界面；3）根据数据字典定义数据结构；4）综述设计中所有限制和约束；5）对概要设计进行复审；6）对设计进行优化。,ZLL,软件工程,8.4.2 设计优化原则,我们努力追求的设计应该是既满足功能和性能的要求，又符合一般软件设计原理和上述种种启发式设计原则。对软件结构的修改越早越好。必要时，可以并行地开发若干个软件结构，通过评比，求得“最佳”结果。简洁的程序结构容易测试、容易维护，应该使用尽可能少的模块；只要满足信息要求，应该使用尽可能简单的数据结构。结构优化是一个精益求精的过程。优化过程可以在设计的早期，甚至要延续到详细设计乃至编码阶段。,ZLL,软件工程,8.4.2 设计优化原则,对时间有特殊要求的软件，应根据普遍存在的“百分之二十规则”（即20%的代码占用80%的处理时间，80%的错误出自20%的代码）采用下述对策：1在不考虑时、空耗费的情况下，设计并精化软件结构；2借用CASE工具模拟分析运行时的性能，定位出低效的部分，加以改进；3详细设计时对最耗时的模块，认真地设计它们的处理过程（算法），以便减少时间的开销；4尽量用高级语言编程以利于软件的优化；5对大量占用计算机系统资源的模块必要时用低级语言重新编码，以提高效率。设计优化的格言“先让它干起来，再让它快起来”。,