软件工程 第08章 面向数据流的设计方法

1、CompanyLOGO软件工程软件工程教材：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软件工程软件工程第8章面向数据流的设计方法面向数据流的设计方法，即通常所说的结构设计法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，简称SD方法），由方法），由Yourdon和和Constantine等人于等人于1874年提出的，与结构化分析年提出的，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。）相衔接，根据对数据流的分析设计软件结构。本章所述技术用于软件的概要设计描述，包括模块、本章所述技术用于软件的概要设计

2、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。界面和数据结构的定义，这是所有后续开发的基础。 SD方法对那些顺序处理信息且不含层次数据结构的方法对那些顺序处理信息且不含层次数据结构的系统最为有效，例如过程控制、复杂的数值分析过程、系统最为有效，例如过程控制、复杂的数值分析过程、以及科学与工程方面的应用。当以及科学与工程方面的应用。当SD方法用于完全的方法用于完全的数据处理时，即使系统中使用层次数据也同样行之有数据处理时，即使系统中使用层次数据也同样行之有效。效。ZLL软件工程软件工程8.1 SD方法的设计过程和有关概念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

3、结构，其过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：程分为五步： 1 确定信息流的类型；确定信息流的类型； 2 划定流界；划定流界； 3 将数据流图映射为程序结构；将数据流图映射为程序结构； 4 提取层次控制结构；提取层次控制结构； 5 通过设计复审和使用启发式策略进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。一步精化所得到的结构。第第3步所用映射方法涉及信息流的类型。信息流分步所用映射方法涉及信息流的类型。信息流分为变换流和事务流两种类型。为变换流和事务流两种类型。ZLL软件工程软件工程1）变换流）变换流变换流变换流 在基本系统模型（即顶级数据在基本系统模型（即顶级数据

4、流图）中信息通常以流图）中信息通常以“外部世界外部世界”所具所具有的形式进入系统，经过处理后又以这有的形式进入系统，经过处理后又以这种形式离开系统。种形式离开系统。输入流输入流外外部部表表示示内内部部表表示示信信息息时间时间信息流信息流输出流输出流变换流变换流ZLL软件工程软件工程1）变换流）变换流典型的变换流典型的变换流变换流的特点是：经过变换变换流的特点是：经过变换B的数据流一部分先的数据流一部分先经过变换经过变换C到达变换到达变换E，然后另一部分经过变换，然后另一部分经过变换D到达到达E；即；即C和和D是顺序结构。是顺序结构。ABCDEFZLL软件工程软件工程2）事务流）事务流事务流事务

5、流单个数据项称为事务（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数据项计值结果从若干动作路径中选定一条继续执行。行。可见它是一个选择结构。可见它是一个选择结构。事务中心事务中心TB事务事务CA事务流事务流ZLL软件工程软件工程图面向数据流的设计精化数据流图精化数据流图流的类流的类型型确定事务中心确定事务中心和各动作路径和各动作路径确定输入输出确定输入输出流界流界映射为事务结构

6、映射为事务结构映射为变换结构映射为变换结构提取控制结构提取控制结构利用启发式策略利用启发式策略精化软件结构精化软件结构描述接口和全局描述接口和全局数据结构数据结构事务分析事务分析变换分析变换分析复审复审详细设计详细设计通过通过“变换变换”“事务事务”ZLL软件工程软件工程8.2 变换分析下面以下面以“家庭保安系统家庭保安系统”的传感器监测的传感器监测子系统为例说明变换分析的各个步骤。子系统为例说明变换分析的各个步骤。 步骤一、复审基本系统模型步骤一、复审基本系统模型 基本系统模型指顶级基本系统模型指顶级DFD和所有由外部和所有由外部提供的信息。这一设计步骤是对系统规提供的信息。这一设计步骤是对

7、系统规格说明书和软件需求规格说明书进行评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估。这两个文档描述软件界面上信息的流程和结构。流程和结构。 ZLL软件工程软件工程“家庭保安系统家庭保安系统”的顶级数据流图的顶级数据流图警报类别警报类别家庭保安家庭保安系统软件系统软件控制面板控制面板显示器显示器警报器警报器电话线电话线传感器传感器用户命令用户命令显示信息显示信息传感数据传感数据电话拨号音频电话拨号音频ZLL软件工程软件工程“家庭保安系统家庭保安系统”的第一级的第一级DFD 电话拨号音频电话拨号音频配置数据配置数据配置配置 数据数据配置数据配置数据用户命用户命令处理令处

8、理显示信息显示信息和状态和状态传感器传感器监测监测系统系统配置配置控制面板控制面板显示器显示器警报器警报器电话线电话线传感器传感器配置信息配置信息配置配置 命令命令启动启动/ 停止命令停止命令原口令原口令有效口令有效口令传感器信息传感器信息报警类别报警类别传感数据传感数据显示显示 信息信息用户命令用户命令口令口令启动启动/停止停止系统和状态系统和状态启动或启动或停止消息停止消息口令口令核对核对用用户户交交互互子子系系统统图图8-5ZLL软件工程软件工程8.2 变换分析步骤二、复审和精化软件数据流图步骤二、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这一步主要是对软件需求规格说

9、明书中的分析模型进行精化，直至获得足够详细的析模型进行精化，直至获得足够详细的DFD。v例如，由例如，由“传感器监测子系统传感器监测子系统”的第一级和第的第一级和第二级二级DFD进一步推导出第三级数据流图，此时，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息可用于设计“传感器监测子系统传感器监测子系统”的程序结的程序结构，精化过程亦可结束。构，精化过程亦可结束。ZLL软件工程软件工程“传感器监测子系统传感器监测子系统”的第二级的第二级

10、DFD 传感器信息传感器信息传感器标志传感器标志的类型和位置的类型和位置传感数据传感数据警报类别警报类别警报数据警报数据显示显示格式格式产生警产生警报信号报信号电话电话拨号拨号异常数异常数据判别据判别读取传读取传感数据感数据配配 置置 信信 息息配置数据配置数据传感器传感器标识类型标识类型电话号码电话号码电话拨号音频电话拨号音频ZLL软件工程软件工程“传感器监测子系统传感器监测子系统”的第三级的第三级DFD 配配 置置 信信 息息警报条件码警报条件码传感器标志传感器标志定时信息定时信息传感数据传感数据电话号码电话号码对应的音频对应的音频电话拨电话拨号音频号音频传感器信息传感器信息号码表号码表电

11、话号码电话号码读取传读取传感数据感数据获取响获取响应信息应信息建立警建立警报条件报条件选择电选择电话号码话号码连通电连通电话网话网产生拨产生拨号脉冲号脉冲产生警产生警报信号报信号格式化格式化显示显示产生产生显示显示传感器标志的传感器标志的类型和位置类型和位置格式化标志的格式化标志的类型和位置类型和位置置传感器标识置传感器标识警报数据警报数据警报类别警报类别配配 置置 数数 据据ZLL软件工程软件工程8.2 变换分析步骤三、确定步骤三、确定DFD的特性，判定它为变换的特性，判定它为变换流还是事务流。流还是事务流。v 以图以图8 2 4所示所示DFD为例，数据沿一个为例，数据沿一个传入路径进来，沿

12、三个传出路径离开，没传入路径进来，沿三个传出路径离开，没有明显的事务中心，因此，该信息流应属有明显的事务中心，因此，该信息流应属变换流。变换流。步骤四、划定输入流和输出流的边界，孤步骤四、划定输入流和输出流的边界，孤立变换中心。立变换中心。ZLL软件工程软件工程8.2 变换分析步骤五、执行步骤五、执行“一级分解一级分解”（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；底层模块执行序结构，顶层为主控模块；底层模块执行输入、计算和输出功能；中层模块控制、输入、计算和输出功能；中层模块控制、协调底层的工作

13、。协调底层的工作。ZLL软件工程软件工程8.2 变换分析程序结构可用程序结构可用Yourdon结构图表示。结构图中，方框结构图表示。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。面除了顺序调用外，并没有遵循这些规定。acbac

14、bab a) 顺序调用顺序调用 b) 选择调用选择调用 c) 循环调用循环调用ZLL软件工程软件工程8.2 变换分析对应于一级分解的上两层模块，即主控模对应于一级分解的上两层模块，即主控模块和下面几个中层控制模块：块和下面几个中层控制模块： 输入流控制模块，接收所有输入数据；输入流控制模块，接收所有输入数据； 变换流控制模块，对内部形式数据进行加变换流控制模块，对内部形式数据进行加工、处理；工、处理； 输出流控制模块，产生输出数据。输出流控制模块，产生输出数据。ZLL软件工程软件工程8.2 变换分析一级分解一级分解输入流输入流变换流变换流变换流变换流控制模块控制模块输入流输入流控制模块控制模块

15、输出流输出流主控模块主控模块输出流输出流控制模块控制模块ABCDEFGHZLL软件工程软件工程8.2 变换分析一个简单三叉结构，实际处理大型系统一个简单三叉结构，实际处理大型系统的复杂数据流时，可能需要多个模块对的复杂数据流时，可能需要多个模块对应一个模块的功能。应一个模块的功能。“一级分解一级分解”总的总的原则是，在完成控制功能并保持低耦合原则是，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度、高内聚度的前提下尽可能地减少模块的数量。块的数量。“传感器监测子系统传感器监测子系统”一级分解，其中一级分解，其中控制模块的名字概括了所有下属模块的控制模块的名字概括了所有下属模块的功

16、能。功能。ZLL软件工程软件工程传感器监测子系统一级分解结果传感器监测子系统一级分解结果 警报条件控警报条件控制模块制模块传感器输入传感器输入控制模块控制模块主控模块主控模块警报输出控警报输出控制模块制模块配配 置置 信信 息息ZLL软件工程软件工程8.2 变换分析步骤六、执行步骤六、执行“二级分解二级分解”。 二级分解的任务是把数据流图中每个处理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；从变换中心的输入向外移动；从变换中心的输入(出出)边界向外边

17、界向外移动，把遇到的每个处理框映射为结构图移动，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。中相应控制模块下的一个模块。ZLL软件工程软件工程二级分解二级分解 输入流输入流变换流变换流输入流控制输入流控制模块模块输出流输出流主控模块主控模块ABCDEFGHBDAC变换流控制变换流控制模块模块输出流控制输出流控制模块模块EFGHZLL软件工程软件工程8.2 变换分析DFD的处理框与程序结构模块一一对应，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，或需要把几个处理框聚合为一个模块，或者把一个处理框

18、裂变为几个模块。总之，者把一个处理框裂变为几个模块。总之，应根据应根据“良好良好”设计的标准，进行二级设计的标准，进行二级分解。分解。 二级分解后得到的仅仅是程序结构的二级分解后得到的仅仅是程序结构的“雏形雏形”（first cut），后续的复审和），后续的复审和精化会反复修改。精化会反复修改。ZLL软件工程软件工程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，有必要为每个模块写一个简要的处理说明，它应当包括：它应当包括： 1进出模块的信息（接口描述）；进出模块的信息（接口描述）； 2模块的局部信息；模块的局部

19、信息； 3处理过程陈述，包括任务和主要的判处理过程陈述，包括任务和主要的判 断点的位置、条件；断点的位置、条件； 4对有关限制和一些专门特性的简要说对有关限制和一些专门特性的简要说 明（例如，文件明（例如，文件I/O，独立于硬件的，独立于硬件的 特性，特殊的实时要求等）。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。这些描述构成第一版设计规格说明书。ZLL软件工程软件工程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，改良软件质量程序结构雏形，改良软件质量 对于程序结构的雏形，以对于程序结构的雏形，以“模块独立模块独立”为为指

20、导思想，对模块进行整合或分解，旨在指导思想，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、易测追求高内聚、低耦合，以及易实现、易测试、易维护的软件结构。试、易维护的软件结构。ZLL软件工程软件工程结构的优化结构的优化输入流控制模块输入流控制模块主控模块主控模块BDAC变换流控制模块变换流控制模块输出流控制模块输出流控制模块EFGH输入流控制模块输入流控制模块主控模块主控模块BDACEFGHZLL软件工程软件工程8.2 变换分析上述七个设计步骤的目标是给出软件上述七个设计步骤的目标是给出软件的一个整体描述。的一个整体描述。一旦有了这样一个描述，设计人员即一旦有了这样一个描述，设计人员

21、即可从整体角度评价和精化软件的总体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，却能结构，此时修改所需耗费不多，却能大大提高软件质量。大大提高软件质量。ZLL软件工程软件工程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，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。采用事务分析法更为适宜。下面以下面以“家庭保安系统家庭保安系统”中中“用户交互子系统用户交互子系统”为例，说明事务分析法。为例，说明事务分析法。该子系统的第一级数据流图（图该子系统的第一级数据流图（图8-5）精化

22、后）精化后得到第二级数据流图（得到第二级数据流图（8-14）。图中）。图中“用户命用户命令数据令数据”流入系统后，沿三条动作路径之一离流入系统后，沿三条动作路径之一离开系统，若将数据项开系统，若将数据项“命令类型命令类型”看作事务，看作事务，该子系统的信息流具有明显的事务特征。该子系统的信息流具有明显的事务特征。ZLL软件工程软件工程用户交互子系统的二级数据流图用户交互子系统的二级数据流图 无效口令无效口令启动启动/停止命令停止命令口令口令启动启动/停止停止消息消息配置数据配置数据配置数据配置数据配置命令配置命令显示信息显示信息“再试再试”信信息息读取读取用户用户命令命令启动启动命令命令处理处

23、理启动启动/停止停止系统系统产生无效产生无效的信息的信息读取读取系统系统数据数据读取读取配置配置文件文件读取读取口令口令显示信息显示信息和状态和状态比较口令比较口令与文件与文件配配 置置 信信 息息用户命令数据用户命令数据系统参数和数据系统参数和数据原始配置项原始配置项格式化的格式化的配置数据配置数据命令类型命令类型确认口令确认口令四位数四位数有效口令有效口令ZLL软件工程软件工程8.3 事务分析事务分析法可概括为七个步骤：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；步骤二、复审并精化软件数据流图；步骤三、确定数据流图的特征；

24、步骤三、确定数据流图的特征；步骤四、指出事务中心，确定接收部分步骤四、指出事务中心，确定接收部分 和发送部分的流界；和发送部分的流界；步骤五、映射出系统上层模块结构；步骤五、映射出系统上层模块结构；ZLL软件工程软件工程映射系统上层结构模块映射系统上层结构模块9861254371011事务中心事务中心接收部分接收部分发送部分发送部分SYSTEM输入输入 1散转散转 2SUBSYS1SUBSYS2SUBSYS3ZLL软件工程软件工程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。这些子结构是根据作路径所对应的结构。这些子结构是根据流经每

25、一动作路径的数据流特征，采用本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。节或上节所述设计步骤逐一导出的。ZLL软件工程软件工程设计系统下层模块结构设计系统下层模块结构9861254371011事务中心事务中心接收部分接收部分发送部分发送部分SUBSYS2 710411输入控制输入控制变换控制变换控制输出控制输出控制ZLL软件工程软件工程8.3 事务分析图图8-3-4 将模块结构组合，得到程序结构雏形将模块结构组合，得到程序结构雏形SYSTEM输入输入 1散转散转 2SUBSYS1SUBSYS2SUBSYS3 710411输入控制输入控制变换控制变换控制输出控制输出控制

26、36589ZLL软件工程软件工程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。步骤与变换分析法相同。SYSTEM输入输入 1散转散转 2SUBSYS2 71041136589ZLL软件工程软件工程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，提高内调整模块的功能和规模，降低耦合度，提高内聚度。聚度。若在几个模块中发现了共有的子功能，一般应将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，以提高单个模此子功

27、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，同时降低接口的的传递以及对全程数据的引用，同时降低接口的复杂性。复杂性。 模块的规模没有固定的要求。以保持模块的独立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性为原则。一般而言，模块规模以一页左右为宜（高级语言在（高级语言在75个语句左右）。个语句左右）。ZLL软件工程软件工程8.4.1 启发式设计策略启发式设计策略2调整软件结构的深度、宽度、扇出和扇入调整软件结构的深度、宽度、扇出和扇入数目，改善软件结构

28、性能。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。到公共的实用模块中去。 ZLL软件工程软件工程应追求与避免的程序结构应追求与避免的程序结构 应追求的结构应追求的结构应避免的结构应避免的结构8.4.1 启发式设计策略ZLL软件工程软件工程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。改造程序结构，使任一模块的作用域在其控制域之内。判定判定受受F中判定中判定的影响的影响ACFEGHDB违背第三条原则违背第三条原则满足第三条

29、原则满足第三条原则ADCEFHGB作用域与控制域作用域与控制域 ZLL软件工程软件工程8.4.1 启发式设计策略启发式设计策略4分析模块之间的接口信息，降低界面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。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。的一堆数据

30、）本身就是模块低内聚的表征。ZLL软件工程软件工程8.4.1 启发式设计策略启发式设计策略5模块功能应该可预言，避免对模块施加模块功能应该可预言，避免对模块施加过多限制。过多限制。 模块功能可预言指，只要模块的输入数模块功能可预言指，只要模块的输入数据相同，其运行产生的输出必然相同，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，则以后部接口方式等诸因素限制过多，则以后为去掉这些

31、限制要增加维护开销。为去掉这些限制要增加维护开销。ZLL软件工程软件工程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。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，把某些软为满足设计或可移植性的要求，把某些软 件用包（件用包（package）的形式封装起来。）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度、被访问的频率及两次引用的间隔等因素对模块分组。模块分组。此 外 ， 程 序 中 那 些 供 选 择 的 或此 外 ， 程 序 中 那 些 供 选 择 的 或 “ 单 调单 调 ”（one shot）的模块应单独存在，以便高效）的模块应单独存在，以便高效地加载。地加载。ZLL软件工程软件工程辅助文档辅助文档无论是采用变换分析法还是事务分析法，获得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：软件总体设计的