軟件設計工程

1、軟件設計簡介

定義：爲軟件系統的架構，組件，接口和其它特性的定義過程及該過程的結果，解決「如何作」How的問題。

軟件設計方法包括：

• 結構化設計SD
• 面向對象的設計OOD

軟件設計包括如下活動：

• 軟件架構設計（概要設計，頂層設計）
  • 體系結構設計
  • 數據設計
  • 接口設計
• 軟件詳細設計（組件設計，過程設計）
• 不包括：創新設計

 軟件質量能夠用質量屬性來描述。FURPS質量屬性：

1. Functionality: 功能性
2. Usability: 可用性
3. Reliability: 可靠性
4. Performance: 性能
5. Serviceability: 可維護性

2、設計技術

抽象：

側重於解決特定問題的細節，忽略不相關的底層細節。

設計開始時應提升軟件的抽象層次，按抽象級別從高到低進行軟件設計。

細化：

與抽象相對的概念，從軟件定義到實現，每進展一步均可以當作是對軟件設計方案的抽象化過程的一次細化。

自頂向下，逐步細化：

• 最高的抽象層次：用問題所處環境的語言描述
• 較低的抽象層次：用面向問題的術語，面向現實的術語描述
• 最低的抽象層次：用某種程序設計語言描述

設計模式：

1. 建立型模式
2. 結構型模式
3. 行爲型模式

模塊化：

• 理論依據：分解問題後的複雜性/工做量的總和<原問題複雜性/工做量
• 模塊分解並非越小越好：隨着模塊數增長，單個模塊的規模減少了，可是模塊之間的關係複雜程度會增長，設計模塊間接口的工做量也將增大。

如何衡量模塊化設計水平？模塊化設計標準：

1. 模塊化分解性：分解子問題的系統機制
2. 模塊化組合性：現有組件能夠組裝成系統
3. 模塊化可理解性：一個模塊能夠做爲一個獨立單元來使用
4. 模塊化連續性：系統需求的小變化只引發單個模塊變化
5. 模塊化保護：模塊內的異常狀況隻影響自身模塊

信息隱藏：

模塊內的信息不能夠被不須要這些信息的其它模塊訪問。

功能獨立：

• 只解決特定的子功能
• 接口獲得簡化

功能獨立的兩個定性衡量標準：

1. 內聚性：模塊的功能相對強度
2. 耦合性：模塊之間的相互依賴程度

獨立性強的模塊：高內聚，低耦合

耦合的7種類型：

1. 1. 非直接耦合：兩個模塊沒有直接聯繫，徹底是經過主模塊的控制和調用實現的
   2. 數據耦合：僅經過模塊參數交換信息，且交換的都是簡單數據
   3. 標記耦合：經過參數表，傳遞一個數據結構的一部分
   4. 控制耦合：一個模塊傳遞給另外一個模塊的參數中，包含了控制信息，用於控制接受模塊的執行狀況
   5. 外部耦合：模塊經過除軟件之外的環境（如I/O）鏈接
   6. 公共耦合：一組模塊訪問一個公共數據環境
   7. 內容耦合：一個模塊對另外一個模塊的內容（數據，代碼段）進行了直接引用或修改，兩個模塊共享一部分代碼

內聚的7種類型：

1. 1. 巧合內聚：又稱偶然內聚，語句段十分鬆散，無聯繫
   2. 邏輯內聚：把幾種功能組合在一塊兒，由傳入模塊的控制參數來決定執行哪種功能
   3. 時間內聚：一個模塊包括了須要在同一時間段執行的多個任務
   4. 過程內聚：一個模塊內的各個部分按照特定的次序執行
   5. 通訊內聚：一個模塊中的各個部分使用同一個輸入數據或產生同一個輸出數據
   6. 順序內聚：必須按照前後順序執行，後一個部分與前一個部分密切相關
   7. 功能內聚：模塊完成一個功能

重構：

不改變組件功能的條件下，簡化組件設計。

3、設計模型

• 體系結構設計：強調系統的：可理解性，可維護性，可擴展性
  • 模式
  • 風格
  • 框架（如MVC Struts）
• 數據設計
• 接口設計
• 組件設計

 體系結構設計：

將模式（即，針對特定問題的解決方案）劃分紅三類：

• 體系結構模式：軟件系統的基本結構組織形式或方案
• 設計模式（23種）：構件相互通訊的結構
• 慣用法：與編程語言相關的低級模式

架構風格分類：

• 數據中心架構：
• 數據流架構
• 調用和返回架構：
  • 可分爲主程序/子程序架構（因此程序組件都在同一臺計算機上），遠程過程調用架構（主程序或子程序的各組件分佈在多臺計算機上）兩類
  • 須要理解：深度，寬度，扇入，扇出：

 

• 面向對象架構：封裝了數據和對數據的操做
• 層次架構：每一層爲上一層提供服務，並做爲下一層的客戶。每一層最多隻影響兩層，只需提供接口，容許各層用不一樣方法實現。

另外一種分類方法：

• 單主機結構
• 分佈式結構
  • 多處理器體系結構
  • 客戶機/服務器體系結構（B/S C/S架構）
  • 分佈式對象體系結構
  • 代理

兩層C/S架構：

• 瘦客戶機模型：除數據表示之外的操做都在服務器執行。客戶機只負責數據表示。
• 胖客戶機模型：服務器只負責管理數據，客戶機實現應用邏輯和與系統交互。

 三層C/S架構：

增長了應用服務器。

將系統分爲：數據層，應用邏輯層，表示層

B/S架構（是三層體系架構）：

瀏覽器——web服務器——數據庫服務器

相對靈活，但響應速度和動態交互性不如C/S

 

接口設計中的重要部分：

用戶界面設計：三個準則：

1. 用戶控制系統
2. 減小學習和記憶負擔
3. 保持界面的一致性

數據設計：

組件級別的數據設計，即設計供軟件組件直接訪問的數據結構。

低層的數據設計應推遲到後期進行。

注意信息的隱藏和耦合。

組件設計：

是接近代碼層次的軟件抽象描述。

• 結構化設計：基於過程
• 面向對象設計：基於類

部署設計：

包含了整個解決方案的邏輯架構和服務質量(QoS)需求。

項目審批發生在部署設計階段，估計軟件部署的成本，提交審批。

是一種高層架構，描述了邏輯環境到物理環境的映射。

4、結構化設計方法SD(Structured Design)

 結構化設計中，軟件的結構元素是模塊，所以也稱爲模塊設計。

接口設計：

• 內部接口：模塊之間的接口。
• 外部接口：軟件和硬件的接口，軟件和其它軟件的接口，軟件和用戶的交互界面。

SD數據設計的歸納：將ER圖轉換爲數據庫表。

軟件的結構分爲：模塊結構+數據結構。通常採用功能劃分的方法進行軟件結構設計，對整個問題進行分割，每一部分用一個或幾個模塊來完成。

模塊的表示：

• 用矩形框表示，已定義的模塊用雙縱邊矩形框表示。

模塊的分類（實際系統中的模塊屬於如下任意一種，或某幾種的組合）：

1. 傳入模塊
2. 傳出模塊
3. 變換模塊
4. 協調模塊

模塊的結構：

1. 樹狀結構：
   • 只有一個頂層（第0層）模塊
   • 上層模塊調用下層模塊，同一層模塊之間互不調用
   • 實際系統中建議使用樹狀結構，最底層可能存在公共模塊，使得整個系統不是嚴格的樹狀結構，屬正常狀況
2. 網狀結構：
   • 沒法區分層次
   • 任意模塊可相互調用
   • 系統結構複雜，難以處理
   • 實際系統中不建議使用網狀結構

用結構圖表示模塊結構：

菱形表示條件調用，圓弧表示循環調用。

 

 理解深度，寬度（下圖寬度爲7），扇入，扇出：

數據結構：

基於數據流的設計方法是：過程驅動的設計方法。

數據流的類型：（通常都是以變換型爲主，事務型爲輔）

• 變換型數據流：工做過程大體分爲3步：取得數據，變換數據，給出數據

變換型系統結構圖以下：

 

• 事務型數據流：接受一項事務，分派適當的處理單元並給出結果。選擇分派任務的部分稱爲事務（處理）中心或分派部件。調度模塊若是不復雜，能夠納入事務中心模塊。

事務型系統結果圖（簡化）：

變換型映射方法：將具備變換流特色的數據流圖映射成軟件結構：

自頂向下，設計下層模塊的順序是任意的。但通常先設計輸入模塊的下層模塊。

一層一層往下分解。

事務型映射方法：將具備事務流特色的數據流圖映射成軟件結構：

變換型和事務型混合結構的例子：

模塊的完善化：

模塊徹底類似，可能只是在數據類型上不一致。能夠徹底合併。

局部類似時，則不能將二者合併爲一。通常的處理方法是將類似的部分分離出去。

模塊的做用範圍和控制範圍：

模塊的控制範圍是指它自己和全部的從屬模塊。

模塊的做用範圍是指收模塊內一個斷定影響的範圍。

模塊的做用範圍應該在模塊的控制範圍之內。

扇入和扇出：

適當的扇出數爲2~5，最好不要超過9。扇出數太小會使結構圖的深度增長，扇出數過大會使結構圖的寬度增長。

一個好的軟件模塊設計，一般是：上層扇出較高，中層扇出較少，底層公用模塊的扇入較高。

數據庫設計：

數據庫分爲多種，其中關係數據庫最成熟。多對多關係的映射須要引入關聯表。

結構化程序設計用到的工具：

• 程序流程圖
• N-S圖（盒圖）
• PAD圖：採用PAD描述出來的程序必定是結構化程序，多少根豎線對應多少層
• 斷定表：多重嵌套的條件選擇
• 僞代碼

5、面向對象的設計方法OOD(Object-Oriented Design)

 OOA和OOD，分析和設計聯繫緊密，沒有明顯界限。

整個設計階段的核心任務：建立包含操做的設計類圖

從分析類到設計類：導出實體類，增長邊界類，控制類

在OOD中，類和接口是程序的基本組成單元。

繼承（子類對象繼承父類的全部特徵，又能夠覆蓋父類的方法）依賴性：

1. 多態繼承：
   • 根據爲請求服務的對象不一樣能夠獲得不一樣的行爲。若在運行時對類進行實例化，稱爲動態綁定；若方法的調用是在編譯時肯定的，稱爲靜態綁定。
   • 多態不是伴隨着繼承產生。若是子類中不覆蓋父類中的任何方法，就不會產生多態。
   1. 編譯時繼承依賴性：通常來講，全部的繼承都會引入編譯時依賴性。而且，依賴性是可傳遞的。
   2. 運行時繼承依賴性
   3. 交互依賴性：經過消息鏈接產生的
2. 無多態繼承：
   • 子類不覆蓋父類的方法。
   • 有時不是十分有用，但便於理解和管理。
3. 擴展繼承和約束繼承：
   • 擴展繼承：子類繼承了父類的屬性，並提供額外屬性來加強類的定義。
   • 約束繼承：子類對從父類繼承來的方法和功能進行了約束和限制。

面向接口編程，而不是面向實現編程：接口依賴性又分爲使用依賴性和實現依賴性。

在包之間增長新包，能夠消除循環依賴性。

構件：比類更高級，包含一個或一組類，或者其它部署單元，完成一個或多個功能的特定服務。隱藏了具體的實現，只用接口對外提供服務。

從軟件複用的角度，構件是指開發過程當中能夠複用的軟件元素。具備獨立性，不可拆分。

構件被實現爲大粒度的單元，只能由一個實例。

OOD：系統劃分爲子系統。

封閉體系結構：每一層只能訪問與其相鄰的下一層。

開放體系結構：每一層能夠訪問比其下一層更低的層次。

典型的面向對象系統的分層結構：數據庫層，業務邏輯層，用戶界面層。

面向對象的設計順序：業務邏輯層（問題域部分）M——人機交互部分V——C任務管理部分——數據管理部分。

數據管理部分：關聯關係的映射：