《软件工程》教案-04 设计工程.doc

山东轻工业学院教师授课教案课程名称：软件工程课程代码：0310040学 分：3课程类别：选修课开课单位:信息科学与技术学院授课班级：计科07-12授课教师：赵培英山东轻工业学院教务处制授课时间2009年 9 月 23 日 星期 三 第 34 节2009年 9 月 25 日 星期 五 第 34 节2009年 10 月 9 日 星期 五 第 34 节授课内容概要第四章 设计第一节 设计工程概述 设计的目标，设计的任务，软件设计的过程。第二节 软件设计原则 模块化，抽象与逐步求精，信息隐藏，模块独立。第三节 软件体系结构设计 各种体系结构风格。第四节 部件级设计技术结构化程序设计方法，设计的各种表示方法。第五节 人机界面设计影响人机界面设计的因素，涉及的模型，人机界面设计的黄金规则。第六节 设计归档、确认与验证 设计文档应包含的内容，设计确认与验证的含义，设计评审的过程。目的要求了解设计的目标、任务、过程；了解结构化程序设计方法；了解设计的各种表示方法；了解人机界面设计的黄金规则；掌握软件设计原则；掌握各种体系结构风格；掌握设计评审的方法。重 点软件设计原则；各种体系结构风格；设计评审。难点耦合与内聚的概念及分类作业布置1.简述软件设计阶段的任务和目标？2.软件设计有哪些原则？3.简述模块、模块化及模块化设计的概念。4.举例说明各种类型的模块耦合和模块内聚。5.比较各种体系结构风格。6.人机界面设计的黄金规则？7.如何进行设计评审？参考书1.软件工程理论与实践（第三版影印版），Shari Lawrence Pfleeger，高等教育出版社,2001年8月2软件工程钱乐秋等 清华大学出版社课 型理论课学时分配复 习 5 分钟主要教具多媒体讲 授 35 分钟教学方法多媒体课件指 导 2 分钟教学手段讲授结合实例总 结 3 分钟备注授课：每周二56，双周周五56，II公教JT301 答疑：每周四78节，机电C403学时分配：指本章节每节课（45分钟）的平均分配情况授 课 过 程 及 内 容：第四章 设计 软件设计原则 软件体系结构设计 部件级设计技术 人机界面设计 设计规约与设计评审一、软件设计工程概述 软件设计的任务 软件设计的目标 软件设计的过程1软件设计的任务 设计过程解决“怎么做”的问题,把软件需求变换成软件表示的过程,主要包含两个阶段：Ø 软件体系结构设计（概要设计）Ø 部件级设计 （详细设计） 根据用信息域表示的软件需求，以及功能和性能需求，产生Ø 数据/类设计Ø 体系结构设计Ø 接口设计Ø 部件级设计 1）数据/类设计 类模型=>类实现（数据结构） 在类和由CRC（类责任协作者）中定义的数据对象和关系以及数据字典中描述的详细数据内容提供了数据设计活动的基础2）体系结构设计 定义软件的整体结构 由软件部件、外部可见的属性和它们之间的关系组成。 体系结构设计表示可以从系统规约、分析模型和分析模型中定义的子系统的交互导出。 3）接口设计 描述软件内部、与协作系统之间、与人之间如何通信，主要包括三个方面：Ø 设计模块间接口Ø 设计外部接口Ø 设计人机接口 4）部件级设计 软件体系结构的结构性元素>软件部件的过程性描述。 在编码步骤，根据这种过程性描述，生成源程序代码，然后通过测试最终得到完整有效的软件。 部件设计的基础:从类为基础的模型、流模型、行为模型中得到的信息 2软件设计的目标 1)设计必须实现分析模型中描述的所有显式需求，必须满足用户希望的所有隐式需求。2)设计必须是可读、可理解的，使得将来易于编程、易于测试、易于维护。3)设计应从实现角度出发，给出与数据、功能、行为相关的软件全貌。3软件设计的过程 1)制定规范2)体系结构和接口设计3)数据/类设计4)部件级（过程）设计5)编写设计文档6)设计评审4软件设计原则（1）抽象化 软件系统进行模块设计时，可有不同的抽象层次。 在最高的抽象层次上，可以使用问题所处环境的语言概括地描述问题的解法。 在较低的抽象层次上，则采用过程化的方法。 包括过程抽象和数据抽象1) 过程的抽象：在软件工程中，从系统定义到实现，每进展一步都可以看做是对软件解决方法的抽象化过程的一次细化。 r需求分析阶段，用“问题所处环境的为大家所熟悉的术语”来描述软件解决方法。 r从概要设计到详细设计的过程中，抽象化的层次逐次降低。 r当产生源程序时到达最低抽象层次。 2) 数据抽象：在不同层次上描述数据对象的细节，定义与该数据对象相关的操作。（2）逐步求精 将软件的体系结构按自顶向下方式，对各个层次的过程细节和数据细节逐层细化，直到用程序设计语言的语句能够实现为止，从而最后确立整个的体系结构 逐步求精与抽象是一对互补的概念（3）模块化 模块化：指整个软件被划分成若干单独命名和可编址的部分，称之为模块。这些模块可以被组装起来以满足整个问题的需求。 把问题子问题的分解与软件开发中的系统子系统或系统模块对应起来，就能够把一个大而复杂的软件系统划分成易于理解的比较单纯的模块结构。 模块化的理论根据“分而治之”（P66）（4）信息隐藏 每个模块的实现细节对于其它模块来说应该是隐蔽的。即：块中所包含的信息（包括数据和过程）不允许其它不需要这些信息的模块使用 通过信息隐蔽，可使错误局部化 （5）模块独立 模块独立：是指软件系统中每个模块只涉及软件要求的具体的子功能, 而和软件系统中其它的模块的接口是简单的 一般采用两个准则度量模块独立性。即模块间耦合和模块内聚： 内聚（cohesion）是一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程度的度量 耦合(coupling)是模块之间互相连接的紧密程度的度量 模块独立性比较强的模块应是高内聚低耦合的模块。1）内聚 内聚性分七种类型 . 功能内聚 (Functional Cohesion)：模块中各部分都是完成某一具体功能必不可少的组成部分。. 顺序内聚 (Sequential Cohesion)：一个模块完成多个功能，各个功能必须顺序执行。. 通信内聚 (Communication Cohesion)：一个模块内各功能部分都使用了相同的输入数据，或产生了相同的输出数据。. 过程内聚（Procedural Cohesion）：一个模块完成多个任务，这些任务必须按指定的过程进行。. 时间内聚（Classical Cohesion）：模块的各个功能的执行与时间有关，通常要求所有功能必须在同一时间段内执行。例如初始化模块和终止模块。. 逻辑内聚（Logical Cohesion）：这种模块把几种相关的功能组合在一起，调用时，由传送给模块的判定参数来确定该模块应执行哪一种功能。. 巧合内聚（Coincidental Cohesion）：巧合内聚又称为偶然内聚。模块内各部分之间没有联系，或者即使有联系也很松散。2）耦合 模块间的耦合方式. 非直接耦合(Nondirect Coupling)：两个模块之间没有直接关系，它们的联系完全是通过主模块的控制和调用来实现的。. 数据耦合 (Data Coupling)：模块间仅通过参数表传递简单数据参数 (不是控制参数、公共数据结构或外部变量) 交换信息。. 标记耦合 (Stamp Coupling)：模块间通过参数表传递一个数据结构的一部分（不是简单变量。. 控制耦合 (Control Coupling)：如果一个模块通过传送开关、标志、名字等控制信息，明显地控制选择另一模块的功能，就是控制耦合。. 外部耦合（External Coupling）：一组模块都访问同一全局简单变量而不是同一全局数据结构，而且不是通过参数表传递该全局变量的信息，则称之为外部耦合。. 公共耦合（Common Coupling）：若一组模块都访问同一个公共数据环境，则它们之间的耦合就称为公共耦合。公共的数据环境可以是全局数据结构、共享的通信区、内存的公共覆盖区等。公共耦合的复杂程度随耦合模块的个数增加而显著增加。若只是两模块间有公共数据环境，则公共耦合有两种情况。松散公共耦合和紧密公共耦合。. 内容耦合 (Content Coupling)：如发生下列情形，两个模块之间就发生了内容耦合：a) 一个模块直接访问另一个模块的内部数据;b) 一个模块不通过正常入口转到另一模块内部;c) 两个模块有一部分程序代码重迭(只可能出现在汇编语言中);d) 一个模块有多个入口。二、软件体系结构设计 软件体系结构设计的一个核心问题是能否使用重复的体系结构模式，即能否达到体系结构级的软件重用 软件体系结构风格是描述某一特定应用领域中系统组织方式的惯用模式。1软件体系结构的风格 （1）仓库风格体系结构 以数据为中心，有两种不同的构件：中央数据结构说明当前状态，独立构件在中央数据存贮上执行，仓库与外构件间的相互作用在系统中会有大的变化 例子：数据库，黑板系统（2）数据流风格的体系结构 输入数据被一系列的构件变换成输出数据。 构件被称为过滤器，连接件为管道 过滤器必须是独立的实体，它不能与其它的过滤器共享数据，而且一个过滤器不知道它上游和下游的标识 例：编译程序（3）调用和返回风格的体系结构 非常容易修改和扩充的体系结构。 包含：主程序/子程序风格体系结构和远程过程调用风格的体系结构 在这里要了解几个概念：Ø 程序结构的深度：程序结构的层次数称为结构的深度。结构的深度在一定意义上反映了程序结构的规模和复杂程度。Ø 程序结构的宽度：层次结构中同一层模块的最大模块个数称为结构的宽度。Ø 模块的扇入和扇出：扇出表示一个模块直接调用（或控制）的其它模块数目。扇入则定义为调用（或控制）一个给定模块的模块个数。多扇出意味着需要控制和协调许多下属模块。而多扇入的模块通常是公用模块。（4）面向对象风格的体系结构 系统部件封装数据表示和数据操作。 部件之间通过消息来交互和协调。 （5）层次式风格的体系结构 定义不同的层次，每一层为上层服务，并作为下层客户二、评估可选的体系结构 同一软件需求，不同设计方法，导出不同的软件结构。 同一问题的不同软件结构：体系结构权衡分析法（ATAM，architecture trade-off analysis method） 在进行软件体系结构设计时，可以参考如下规则： (1)改进软件结构提高模块独立性(2)模块适当的深度、宽度、扇出和扇入(3)模块判断作用范围应在其控制作用范围内(4)力争降低模块接口的复杂度(5)设计单入口单出口的模块(6)模块功能应该是可以预测的模块大小适中(7)一般一个模块包含的语句在3050条左右较好。(8)一个设计好的软件结构，通常顶层扇出比较高，中层扇出比较少，底层有高扇入。三、部件级设计技术 结构化程序设计方法1部件级设计技术 在部件级设计阶段，主要完成如下工作： 为每个部件确定采用的算法，选择某种适当的工具表达算法的过程，编写部件的详细过程性描述； 确定每一部件内部使用的数据结构； 在部件级设计结束时，应该把上述结果写入部件级设计说明书，并且通过复审形成正式文档，作为下一阶段（编码阶段）的工作依据。 2结构化程序设计方法 结构化程序设计的定义：Ø “如果一个程序的代码块仅仅通过顺序、选择和循环这三种基本控制结构进行连结，并且每个代码块只有一个入口和一个出口，则称这个程序是结构化的”。 结构化程序设计方法Ø 自顶向下，逐步求精Ø 随着面向对象和软件复用的发展，更现实、更有效的开发途径可能是自顶向下和自底向上两种方法有机的结合。 3部件描述方式 图形表示：程序流程图 ，N-S图 ，PAD 表格表示：判定表 语言表示：PDL四、人机界面设计1 人机界面设计中人的因素 人对感知过程的认识 用户的技能和行为方式 用户所要求完成的整个任务以及用户对人机界面部分的特殊要求2人机界面设计中涉及的模型 设计模型（design model）：软件工程师创建的，整个系统设计模型包括对软件的数据结构、体系结构、界面和过程的表示。界面设计往往是设计模型的附带结果。 用户模型（user model）：人机工程师创建的，用户模型描述系统终端用户的特点。设计前，应对用户分类，了解用户的特点，包括年龄、性别、实际能力（physical abilities）、教育、文化和种族背景、动机、目的以及个性。 用户的模型（user´s model）或系统感觉（system perception）：终端用户主观想象的系统映象，描述了期望的系统能提供的操作。 系统映象（system image）：系统实现者创建的，包括基于计算机的系统的外在表示（界面的观感）和用来描述系统语法和语义的支撑信息（书、手册、录像带、帮助文件）。3人机界面设计的黄金法则 让用户拥有控制权 减少用户的记忆负担 保持界面一致 五、设计规约与设计评审1设计规约的内容2设计评审 软件设计的最终目标是要取得最佳方案 Ø “最佳”是指在所有候选方案中，就节省开发费用，降低资源消耗，缩短开发时间的条件，选择能够赢得较高的生产率、较高的可靠性和可维护性的方案 设计评审的内容 可追溯性：Ø 即分析该软件的系统结构、子系统结构Ø 确认该软件设计是否覆盖了所有已确定的软件需求，软件每一成分是否可追溯到某一项需求。 接口：Ø 即分析软件各部分之间的联系Ø 确认该软件的内部接口与外部接口是否已经明确定义。部件是否满足高内聚和低耦合的要求。部件作用范围是否在其控制范围之内。 风险：即确认该软件设计在现有技术条件下和预算范围内是否能按时实现 实用性：即确认该软件设计对于需求的解决方案是否实用 技术清晰度：即确认该软件设计是否以一种易于翻译成代码的形式表达。 可维护性：从软件维护的角度出发，确认该软件设计是否考虑了方便未来的维护。 质量：即确认该软件设计是否表现出良好的质量特征。 各种选择方案：看是否考虑过其它方案，比较各种选择方案的标准是什么。 限制：评估对该软件的限制是否现实，是否与需求一致。 其它具体问题：对于文档、可测试性、设计过程等等进行评估。设计评审方式 评审分正式评审和非正式评审两种 Ø 正式评审除软件开发人员外，还邀请用户代表和领域专家参加，通常采用答辩形式 Ø 非正式评审多少有些同行切磋的性质，不拘泥于时间和形式 8