软件工程4ppt课件.ppt

,第4章 结构化设计 l面向数据流的设计方法,4.1 软件设计概述4.2 软件设计的原理 4.3 模块独立性 4.4 表示软件结构的工具4.5 软件结构设计中的启发规则,4.6 面向数据流的设计方法 l例3：汽车仪表4.7 人机界面设计 4.8 过程设计（详细设计）4.9 面向数据结构的设计方法,第4章 结构化设计 l面向数据流的设计方法,1软件设计分为概要设计和详细设计两个阶段,（1）概要设计：将软件需求转化为软件结构（程序结构、接口）和 数据结构。通过仔细分析软件需求规格说明，确定组成系统的 模块及各模块之间的关系，设计出完成预定功能的 模块结构（软件结构），并建立接口。,（2）详细设计：详细地设计每个模块，即确定完成每个模块功能所需 要的算法和数据结构。,2软件设计与分析模型的关系（图4.1）,（1）数据设计：将分析阶段的数据模型（E-R图、数据字 典）转变成实现软件所需要的数据结构。,（2）体系结构设计：将分析阶段的功能模型（DFD）转变 成软件的模块框架。,l结构化分析结果为结构化设计提供了最基本的输入信息,（3）接口设计：根据分析阶段的功能模型（DFD），描述 软件内部、软件与协作系统之间、软件与用户之间的 通信方式。,（4）过程设计（详细设计）：根据数据流图中每个处理的 要求及分析阶段的行为模型（状态转换图）设计每个模 块的实现过程,4.2.1 模块化 4.2.2 抽象和逐步求精 4.2.3 信息隐藏,（1）模块：由边界元素限定的程序单元。l 模块是构成程序的基本构件，是指用一个名字可以 调用的一段程序语句，可以将模块理解成类似“子 程序(函数)”的概念。,（2）模块化的含义：将程序划分成独立命名且可独立访问 的若干模块，每个模块完成一个子功能；将模块集成 起来构成一个整体，完成指定的系统功能。,（3）模块化的依据：把复杂的问题分解成许多容易解决的小问题时，原 来的问题也就容易解决了。,l设函数 C(x)表示问题x的复杂程度，函数 E(x)表示解决问题x需要 的工作量(时间)。对于两个问题P1和P2：如果：C(P1)C(P2)则：E(P1)E(P2)根据经验规律：C(P1+P2)C(P1)+C(P2)E(P1+P2)E(P1)+E(P2),（4）合理划分模块，可使软件开发成本达到最小,当模块数目增加时每个模块的规模将减小，开发单个模块需要的成本 也减少了；但随着模块数目增加，设计模块间接口所需要的工作量也 将增加。根据以上两个因素，得出每个软件都相应地有一个最适当的模块数目 M，使得系统的开发成本最小。,模块化是对软件的一次划分过程。该划分过程从需求分析 阶段确立的目标系统的功能模型出发，对整个软件问题进 行分割，使软件问题中的每个部分用一个或几个软件成份 加以解决。,（1）抽象：抽象是抽出事物的本质特性而暂时不考虑其 细节的思维方式。处理复杂系统的有效的方法：分层次构造和分析。（对于一个复杂的动态系统，首先用一些高级的抽象概 念构造和理解，这些高级概念又可以用一些较低级的 概念构造和理解，直至构造出最低层次的具体元 素）,软件工程过程的每一步都是对软件解法的抽象层次的 一次精化：在可行性研究阶段，软件作为系统的一个完整部件；在需求分析期间，软件解法是使用在问题环境内熟悉 的方式描述的；当由总体设计向详细设计过渡时，抽象的程度也就随 之减少了；最后，当源程序写出来以后，也就达到了抽象的最低层。,（2）逐步求精：从一个高层抽象的功能定义开始，逐步进行功能和信息 的细化，逐步实现越来越多的细节，直至用某种程序设 计语言实现此功能。,l可以把逐步求精定义为：为了能集中精力解决主要问题而尽量推迟对问题细节 的考虑,人类的认知过程遵守Miller法则：一个人在任何时候都只能把注意力集中在(72)个 知识块上。,逐步求精技术的作用：把精力集中在与当前开发阶段最相关的那些方面上，而忽略那些对整体解决方案来说是必要的、然而目 前还不需要考虑的细节，这些细节留到以后再考虑。,（3）抽象与逐步求精是互补的概念：l抽象使得设计者能够集中精力于当前主要的过程和数 据，同时却忽略低层细节。l求精则帮助设计者在设计过程中逐步揭示出低层细节。l可以把抽象看作是一种通过忽略多余的细节同时强调 有关的细节，而实现逐步求精的方法。,信息隐藏：一个模块内包含的信息对于不需要这些信息的模块来说，是不能访问的。,l“隐藏”意味着有效的模块化可以通过定义一组独立的模块来实现，这些模块彼此之间只交换那些为了完成软件功能而必须交换的信息。,“隐藏”定义并施加了对模块内部过程细节和模块使用的局部数据结构 的访问限制。,信息隐藏原理给出了应用模块化分解软件的原则。,l模块独立性含义：软件结构中的每个模块完成一个相对独 立的特定子功能，而和其它模块的接口是简单的。,l模块独立性的度量标准：模块之间的耦合尽可能弱；每个模块的内聚尽可能强。,4.3.1 耦合4.3.2 内聚,1.耦合表示一个软件结构内不同模块之间的互连程度。,2.耦合的强弱取决于模块间接口的复杂程度(调用方式、接口信息性质、通过接口的数据量),3.模块之间的耦合强度由弱到强依次如下：（1）数据耦合：模块间通过参数交换数据。,（2）控制耦合：模块间通过参数交换控制信息。,（3）特征耦合：主调模块将整个数据结构作为参数传递，而被调模块 只需要其中的一部分数据元素。,l在特征耦合中，被调用的模块处理了的数据多于它 确实需要的数据，这将导致对数据的访问失去控制。,（4）公共环境耦合：一组模块通过一个公共数据环境相互作用。l公共环境可以是全程变量、共享的通信区、内存的公 共覆盖区、任何存储介质上的文件和物理设备等 l分为松散的公共环境耦合和紧密的公共环境耦合两种,（5）内容耦合：一个模块访问另一个模块的内部数据 一个模块不通过正常入口转到另一模块的内部。两个模块有一部分程序代码重叠。一个模块有多个入口。,l耦合的强弱：弱 强 数据耦合控制耦合特征耦合公共环境耦合内容耦合,l耦合是影响软件复杂程度的一个重要因素。应该采取下述 设计原则：尽量使用数据耦合，少用控制耦合和特征耦合，限制公共 环境耦合的范围，完全不用内容耦合。,1.内聚标志着一个模块内各个元素彼此结合的紧密程度。它是信息隐蔽和局部化概念的自然扩展。理想内聚的模块只做一件事情。,2.模块内各元素之间的内聚强度由弱到强依次如下：（1）偶然内聚：模块内各元素之间关系松散 l模块没有明确功能或模块包括彼此无关的一组功能,（2）逻辑内聚：一个模块内的各功能在逻辑上相同或相似,l这种模块把几种相关的功能组合在一起，每次调用时，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。当调用逻辑内聚模 块时需要进行控制参数的传递，增加了模块间的耦合程度。而将未 用的部分也调入内存，降低了系统的效率。,l例如：一个模块可生 成、打印多种报表；多种功能一个界面，靠传递控制参数分别 调用不同功能。,（3）时间内聚：一个模块内各功能须在同一时段内完成,l模块内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。一般情形下，时间 内聚模块的各功能可以以任意的顺序执行，所以它 的内部逻辑简单、存在的开关(或判定)转移较少 l例如：初始化模块完成各种初始化工作。,（4）过程内聚：模块内各个部分彼此相关，必须按特定的次序执行。,l通常过程内聚模块仅包括完整功能的一部分，所以 它的内聚程度仍然较低。,（5）通信内聚：模块内各功能使用同一个输入或产生同 一个输出,l通信内聚模块中包括了若干独立的功能。l通信内聚模块的缺点是它容易产生重复的联结或重复的功能。因 为各成分执行的次序可以是任意的，有的模块调用它时，可能只 需执行其中的部分动作，另一部分则为多余联结。而且维护起来 也不方便。l例如：一个模块完成对同一文件的输入、修改、删除操作,（6）顺序内聚：模块内各处理元素与同一个功能密切相关，且必须 顺序执行，即前一个处理动作产生的输出数据是下 一个处理动作的输入数据。,（7）功能内聚：模块内各部分属于一个整体、为完成一项单一功能而协 同工作、不可分割。,l内聚的强弱：弱 强 偶然内聚逻辑内聚时间内聚过程内聚通信内聚顺序内聚功能内聚,l模块的内聚在系统的模块化设计中是一个关键的因素。软件设计中，应力求做到高内聚，提高模块独立性。,（1）层次图（Hierarchy 图）：表示了模块和模块间的调用关系（图4.4,图4.5）,（2）HIPO图（Hierarchy plus Input,Process,Output）：用层次图表示模块和模块间调用关系；用IPO图表示各个模块的处理过程。lIPO：输入、处理、输出（图4.6,图4.7）,（3）结构图：,l结构图作用：表示模块及模块间的调用关系；表示模块间的信息传递,M循环调用A、B、C：,判定为真时调用A、为 假时调用B,(1)改进软件结构提高模块独立性：通过分解或合并模块，降低耦合、提高内聚。,(2)每个模块的规模适中：过大的模块往往是由于分解不充分、会降低独立性。过小的模块开销大于有效操作，而且模块数目过多将 使系统接口复杂。,(3)深度、宽度、扇出和扇入要适当（图示）,设计得很好的软件结构通常顶层模块扇出大、中层模块扇出 较小，底层模块扇入大(底层一般是公共的实用模块),(4)模块的作用域应在控制域之内,l模块的作用域：受该模块内一个判定影响 的所有模块集合,l模块的控制域：模块本身及其所有从属模块。,(5)力争降低模块接口的复杂程度(6)设计单入口单出口的模块(7)模块功能应该可以预测,程序的模块结构表明了程序各个部件(模块)的组织情况，是软件的过程表示。可能出现的软件结构：,1.模块的扇出：模块直接调用的子模块数目 扇出过大意味着模块过分复杂，需要 控制和协调过多的下级模块,应该适当 增加中间层次的控制模块。,2.模块的扇入：直接调用该模块的上层模块数目 扇入越大则共享该模块的上级模块数目 越多，这是有好处的。,3.结构图的深度：模块结构图的层次数,4.结构图的宽度：模块结构图中同一层模块数目的最大值,深度、宽度、扇出和扇入,4.6.1 设计步骤 4.6.2 变换分析设计方法（步骤）4.6.3 事务分析设计方法（步骤）4.6.4 软件优化原则,将数据流图映射成软件结构,(1)根据数据流图决定问题类型,(2)根据问题类型，进行变换分析或事务分析，导出系统结构图。,(3)改进系统结构图。,l面向数据流的设计方法-设计步骤,l面向数据流的设计步骤,变换型问题数据流图的构成：,信息沿输入通路进入系统、同时由外部形式(物理输入)变换成内部形式(逻辑输入)；进入系统的信息通过变换 中心，经加工处理以后的结果(逻辑输出)再沿输出通路 变换成外部形式(物理输出)离开软件系统。,事务型问题数据流图的构成：,事务中心“T”的任务：接受事务（请求）；分析事务类型、确定其对应哪一条处理路径。,数据流“事务”沿输入 通路到达处理“T”，这个处理根据事务的类 型在若干个活动通路中 选出一个来执行。,变换分析设计步骤(1)分析具有变换特征的数据流图，确定输入流和 输出流的边界、孤立出变换中心,变换分析设计步骤(2)完成一级分解，设计软件结构的顶层和第二层 l顶层模块Cm：代表系统 l第二层模块：输入信息处理模块Ca：协调对所有输入数据的接收 变换中心控制模块Ct：管理对内部形式的数据的所有 操作 输出信息处理控制模块Ce：协调输出信息的产生过程,变换分析设计：,变换分析设计步骤（3）完成二级分解：把数据流图中的每个处理映射成软件 结构中一个适当的模块,在数据流图上，沿变换中心的输入边界开始向外移动，将 输入通路中的每个处理映射成Ca模块下的一个直接或间接 低层模块。,l映射过程中，注意保持数据流的一致。,在数据流图上，沿变换中心的输出边界开始向外移动，将 输出通路中的每个处理映射成Ce模块下的一个直接或间接 低层模块。,将变换中心内的每个处理映射成Ct模块下的一个直接或间 接模块。,变换分析设计：,二级分解（局部）：将输入通路中的每个处理映射成Ca模块下的一 个直接或间接低层模块,变换分析设计步骤(4)精化软件结构：分解或合并,(5)简要描述每个模块（可以用IPO图描述）：接口说明 内部逻辑描述 全局和局部数据结构的说明 设计约束和限制,例：变换分析,数据流图,一级分解：,二级分解：,精化后的软件结构,l,事务分析 由事务流数据流图映射成的软件结构包括一个接收分支和 一个发送分支。映射出接收分支结构的方法和变换分析映射出输入结构的 方法很相像，即从事务中心的边界开始，把沿着接收流通 路的处理映射成模块。发送分支的结构包含一个调度模块，它控制下层的所有活 动模块；然后把数据流图中的每个活动流通路映射成与它 的流特征相对应的结构。,事务分析映射方法,例：事务分析,数据流图,一级分解,二级分解,对于一个大型软件系统，常常把变换分析和事务分析应用 到同一个数据流图的不同部分，由此得到的子结构形成“构件”，可以利用它们构造完整的软件结构。一般说来，如果数据流不具有显著的事务特点，最好使用 变换分析；反之，如果具有明显的事务中心，则应该采用 事务分析技术。,l 优化方法：(1)在不考虑时间因素的前提下开发并精化软件结构；(2)在详细设计阶段选出最耗费时间的那些模块，仔细地设计它们 的处理过程(算法)，以求提高效率；(3)使用高级程序设计语言编写程序；(4)在软件中孤立出那些大量占用处理机资源的模块；(5)必要时重新设计或用依赖于机器的语言重写上述大量占用资源 的模块的代码，以求提高效率。l上述优化方法遵守了一句格言：“先使它能工作，然后再使它快起来。”,1.详细设计的任务：（1）确定软件各个组成部分的内部算法以及 各部分的内部数据结构;（2）选定某种过程表达形式来描述各种算法。（3）进行详细设计的评审,2.详细设计的目标:确定应该怎样具体地实现所要求的系统。得出对目标系 统的精确描述，从而在编码阶段可以把这个描述直接翻译成 用某种程序设计语言书写的程序。详细设计阶段的任务还不是具体地编写程序，而是要设计 出程序的“蓝图”，以后程序员将根据这个蓝图写出实际 的程序代码。因此，详细设计的结果基本上决定了最终的 程序代码的质量。,3.结构化程序的经典定义：一个程序的代码块仅仅通过顺序、选择和循环 三种控制结构进行连接；并且每个代码块只有一个入口和一个出口,4.过程设计描述工具：(1)图形工具:程序流程图、NS图、PAD图,(2)表格工具:判定表、判定树,(3)语言工具过程设计语言（PDL）l课堂练习,用判定表表示计算行李费的算法,l当算法中包含多重嵌套的条件选择时，判定表能够清晰地表示复杂 的条件组合与应做的动作之间的对应关系。l一张判定表由四部分组成：左上部列出所有条件，左下部是所有可能做的动作，右上部是表示 各种条件组合的一个矩阵，右下部是和每种条件组合相对应的动作。判定表右半部的每一列实质上是一条规则，右下部规定了与特定的 规则相对应的动作。,图4.30 用判定树表示计算行李费的算法,lPDL介于自然语言和程序设计语言之间lPDL的语法：(1)数据说明：Type is 限定说明(2)程序块：Begin 一组伪码语句 End,(3)子程序：子程序结构：Procedure Interface 程序块或一组伪码语句End 子程序的调用：Perform Using,(4)选择控制结构：选择：if then else endif,多路选择：case of when select;when select;when select;default:endcase,(5)循环控制结构：lrepeat until endrep ldo while enddo ldo for 循环变量取值范围 endfor,(6)输入和输出：read/write from/to,l课堂练习：用N-S图和程序流程图描述下列PDL START DO WHILE L1 IF A0 THEN A2 ELSE A1 END IF S1 IF B0 THEN B2 DO WHILE L2 B3 END DO C ELSE B1 END IF S2 END DO D STOP,4.9.1 面向数据结构的设计方法概述4.9.2 Jackson 图,l面向数据结构的设计思想：根据软件所处理的信息的特征（数据结构）来设计软件l面向数据结构的设计方法适用于详细设计阶段，描述程序处理过程l著名的面向数据结构设计方法：Jackson 方法和 Warnier 方法,1Jackson图：（1）顺序结构：数据由一个或多个数据元素组成，每个元素 按确定次序出现一次 图4.31,（2）选择结构：数据包含两个或多个数据元素，每次使用这个数据 时，按一定条件从这些数据元素中选择一个 图4.32,（3）重复结构：根据使用条件，数据由一个数据元素出现零次或 多次构成 图4.33,l 改进的Jackson图 图4.34,2.Jackson图应用举例：某仓库存放多种零件（如P1，P2，）；每个零件的每次进货、发货都有一张卡片作出记录；每月根据这样一叠卡片打印一张月报 表。报表每行列出某种零件本月库存量的净变化。,(a)输入数据结构；(b)输出数据结构；(c)输出月报表,l人机界面的设计质量，直接影响用户对软件产品的评价，从而影响软件产品的竞争力和寿命，因此，必须对人机 界面设计给以足够重视。l人机界面设计中需要考虑的主要问题如下：（1）命令交互；（2）系统响应时间；（3）用户帮助设施；（4）出错信息处理。,1交互界面设计考虑的问题：保持一致性。提供有意义的反馈。保证在用户和界面之间建立双向通信。在执行有较大破坏性的动作之前要求用户确认。允许取消绝大多数操作。提供UNDO操作。减少在两次操作之间必须记忆的信息量。尽量减少击键次数，减少鼠标移动的距离。健壮性。系统应该保证不受致命错误的破坏。提供帮助设施。,2查询界面设计考虑的问题：只显示与当前工作内容有关的信息。显示的含义应该非常明确。允许用户保持可视化的语境。(如：对图形显示进行缩放，原始的图像应该一致(以缩小的形式显示在显示屏的一角)。产生有意义的出错信息。使用窗口分隔不同类型的信息。高效率地使用显示屏。,3数据输入界面设计考虑的问题：尽量减少用户的输入动作。特别是减少击键次数。保持信息显示和数据输入之间的一致性。使在当前动作语境中不适用的命令不起作用。让用户控制交互流。在不退出程序的情况下从错误状态中恢复正常。对所有输入动作都提供帮助。消除冗余的输入。尽可能提供缺省值。程序能自动获得或计算出来的信息不要求用户输入。,程序的3种基本控制结构：,(a)顺序(b)选择(c)循环,其他常用的程序控制结构：,(a)DO-UNTIL结构(b)DO-CASE结构,盒图的基本符号,(a)顺序(b)IF型分支(c)CASE型多分支(d)循环(e)调用子程序A,例：用公式：求。,用N-S图描述的程序算法,用程序流程图描述的程序算法,PAD图（问题分析图）用二维树形结构的图来表示 程序的控制流，将这种图翻译成程序代码比较容易。,(a)顺序(先执行P1，后执行P2)；(b)选择(IF C P1 ELSE P2)；(c)CASE型分支；(d)WHILE型循环(WHILE C DO P)；(e)UNTIL型循环(REPEAT P UNTIL C)；(f)语句标号；(g)定义,PAD图的符号支持自顶向下、逐步求精方法的使用。开始时设计者可以定义一个抽象的程序，随着设计工作的深入而使用def符号逐步增加细节，直至完成详细设计。,