《软件工程》CH4 概要设计

1、软件生存周期可行性研究需求分析概要设计详细设计实 现集成测试确认测试使用与维护退役软件定义软件开发软件使用与维护软件生命周期1软件设计是后续开发步骤及软件维护工作的基础。如果没有设计，只能建立一个不稳定的系统结构2第五章 软件设计主要内容： 软件设计的目标和任务 软件设计基础 模块的独立性 结构化设计方法 数据设计及文件设计 过程设计3讨论要点(1)如何将分析模型转换为软件 设计？(2)作为软件工程师在软件设计 方面应使用哪些基本原则和 概念？4引言： 软件设计的目标和目的 软件需求：解决“做什么” 软件设计：解决“怎么做” 1. 软件设计的任务 问题结构(软件需求) 软件结构 从软件需求规格

2、说明书出发，形成软件的具体设计方案。映射5将分析模型转换为软件设计数据字典数据流图E-R图状态变迁图加工规约控制规约数据对描 述象数 据 设 计体系结构设计接口设计过程设计分析模型设计模型2.软件的总体结构主要回答的问题软件的组成部分软件的层次关系模块的内部处理逻辑模块之间的界面73. 软件设计的问题 工具 如何描述软件的总体结构方法 用什么方法有问题结构导出 软件结构评估准则 什么样的软件结构是 “最优的”84. 软件设计方法结构化设计方法(SD)面向数据结构的设计方法(JSD方法)面向对象的设计方法(OOD)95. 软件设计分为两个阶段：(1)概要设计(总体设计)确定软件的结构以及各组成成

3、分(子系统或模块)之间的相互关系。(2)详细设计 确定模块内部的算法和数据结构，产生描述各模块程序过程的详细文档。10软件设计任务从工程管理的角度来看，软件设计分两步完成。 概要设计，将软件需求转化为数据结构和软件的系统结构。 详细设计，即过程设计。通过对结构表示进行细化，得到软件详细的数据结构和算法。11软 件 工 程-第4章 概要设计125.1 设计过程开始考虑“How”，但仍属高层设计（确定黑盒关系）1、设想供选择的方案2、选择合理的方案3、确定最佳方案： 从DFD出发进行任务分解，不同的划分方法即对应不同的方案。每个合理的方案应配备下列4份资料：系统流程图组成系统的物理元素清单成本/效

4、益分析进度计划选择最佳方案并制定详细的实现计划4、功能分解131. 概要设计的过程5、结构设计 模块化思想： 将DFD细化，至每个子功能都明白易懂；每个模块完成一个子功能；每层模块合成一个高一级的功能。 6、数据库设计8、文档、审查7、测试计划14总体设计阶段的文档（1）总体设计说明书（包括系统实现方案和软件模块结构）；（2）测试计划（包括测试策略、测试方案、预测的测试结果、测试进度计划等）；（3）用户手册（根据总体设计阶段的结果，编写的初步的用户操作手册）；（4）详细的实现计划；（5）数据库设计结果。155.2 软件设计原理1、模块化原理：经验1：E(P1+P2)E(P1)+E(P2)经验2

5、：成本成本 / 模块最小成本区接口成本软件总成本模块数目16模块化概念模块：又称构件，是能够单独命名并独立地完成一定功能的程序语句的集合。例如高级语言中的过程、函数、子程序等都可作为模块模块化是软件的一个重要属性。模块化的特性提供了人们处理复杂的问题的一种方法，同时也使得软件能够被有效地管理。17 模块化 (Modularity)模块化是好的软件设计的一个基本准则 高层模块 从整体上把握 问题,隐蔽细节 复杂问题 较小问题 分解 可减小解题所需的总的工作分解182. 软件结构度量术语深度宽度扇出扇入(模块的 层数)(同一层最大模块数)(一个模块 直接调用 的模块数)(调用一个给定模 块的模块个

6、数)19模块化和软件成本成本或工作量模块数量软件总成本集成成本成本/模块M最小成本区域202. 软件设计原则2、抽象： 忽略细节，分层理解问题，自顶向下层层加细。我们在考虑问题时，集中考虑和当前问题有关的方面，而忽略和当前问题无关的方面，这就是抽象。或者说抽象就是抽出事物的本质特性而暂时不考虑它们的细节。 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细化。在可行性研究阶段，软件被看作是一个完整的系统部分；在需求分析期间，我们使用在问题环境中熟悉的术语来描述软件的解法；当我们由总体设计阶段转入详细设计阶段时，抽象的程度进一步减少；最后，当源程序写出来时，也就达到了抽象的最低层。例：开发一

7、个CAD软件，实现一个二维绘图系统的全部功能，供低级计算机辅助设计使用。21 3、信息隐蔽(Information hiding)与局部化 每一个模块的实现细节对于其他模块来说是隐蔽的，模块中所包括的信息不允许其他不需要这些信息的模块调用。 信息隐蔽对于软件的测试与维护都有很大的好处。因为对于软件的其它部分来说，绝大多数数据和过程都是隐蔽的，这样，在修改期间由于疏忽而引入的错误所造成的影响就可以局限在一个或几个模块内部，不至波及到软件的其他部分。 局部化就是将一些关系密切的软件元素物理地放得彼此靠近。2. 软件设计原则224、模块独立性(Module independence) * 好设计的关

8、键：每个模块完成一个相对独立的子功能，并且与其它模块间的接口简单。2. 软件设计原则独立性的度量：耦合(Coupling)&内聚(Cohesion) 模块独立性是模块化、抽象和信息隐蔽概念的直接结果。 23 耦合(Coupling)Great deal of dependenceIndependent Highly coupledLoosely coupledUncoupled 2. 软件设计原则耦合表示一个软件结构内各个模块之间的互连程度，应尽量选用松散耦合的系统24例1：A访问C的内部数据或不通过正常入口而转入C的内部。ABCDA:goto C1C:C1: 独立性由弱到强（耦合程度由强到弱

9、）排列为： 内容耦合(Content Coupling): 一个模块直接影响另一个2. 软件设计原则25例2：部分代码重叠（常出现在汇编程序中）B A例3：一个模块有多个入口（功能）A:entry 1:entry 2: The least desirable2. 软件设计原则26 公共耦合 (Common coupling)：几个模块共享一个数据区域Global : V1 V2A:A1=V1+V2B:V1=B1Global : V1 V2A:V1+B:V2=B1+V1问题： 公共部分的改动将影响所有调用它的模块； 公共部分的数据存取无法控制； 复杂程度随耦合模块的个数增加而增加。2. 软件设计

10、原则27控制耦合(Control coupling)：一个模块通过传递控制信息来控制另一个模块ABFlagF2F1FnFlag接口单一，但仍然影响被控模块的内部逻辑。控制耦合:当把整个数据结构作为参数传递而被调用的模块只需要使用其中一部分数据元素时，就出现了特征耦合.2. 软件设计原则28数据耦合(Data coupling): 只有数据在模块之间进行交换原则：尽量使用数据耦合，少用控制耦合，限制公共耦合的范围，完全不用内容耦合。29 低内聚：偶然内聚（Coincidental cohesion） 模块中任务没有多大关系A:Read inputsfrom diskfrom tapefrom 逻

11、辑内聚（Logical cohesion）：相似功能放在一个模块例如： 内聚 (Cohesion): 一个模块内各元素结合的紧密程度.Goal: as cohesive as possible.2. 软件设计原则30 时间内聚（Temporal cohesion）：模块内的功能在同一时间段内完成例如：系统的初始化问题：不同功能混在一个模块中，有时共用部分编码，使局部功能的修改牵动全局。 中内聚： 过程内聚（Procedural cohesion）：模块内的处理是相关的，而且必须以特定顺序执行例如：enter datacheck datamanipulate data2. 软件设计原则31 通信

12、内聚（Communicational cohesion）：模块中所有元素都用同一个输入数据或产生同一个输出数据例如：从同一磁带上读取不相干的数据 可能破坏独立性。 高内聚： 顺序内聚（Sequential cohesion）：模块的多个功能使用相同的数据结构和入口 功能内聚（Functional cohesion）：所有元素合力完成一个单一功能，缺一不可2. 软件设计原则32 耦合、内聚与模块独立性的关系：2. 软件设计原则335. 3 结构设计原则(启发原则)2. 软件设计原则34结构设计原则2. 模块规模适中： 过大不易理解；太小则接口开销过大。注意分解后不应降低模块的独立性。提高模块独立

13、性 争取低耦合、高内聚（增加内聚 减少耦合）2. 软件设计原则35 深度 = 分层的层数。过大表示分工过细。 宽度 = 同一层上模块数的最大值。过大表示系统复杂度大。2. 软件设计原则3. 选择适当的深度、宽度、扇出和扇入 36 扇出 = 一个模块直接调用控制的模块数。 3 fan-out 9AA的扇出AA的扇入 扇入 = 直接调用该模块的模块数在不破坏独立性的前提下，fan-in 大的比较好。2. 软件设计原则374、作用域在控制域内 控制域MACBM的控制域为 M，A，B，C 作用域：M中的一个判定所影响的模块。例如：A: if then goto B1 B: B1: 作用域在控制域内A:

14、 if then goto M1 M: M1: goto C1 作用域超出了控制域上例中A的作用超出了控制域。改进方法之一，可以把A中的 if 移到M中；方法之二，可以把C移到A下面。2. 软件设计原则385、降低接口的复杂程度：接口复杂可能表明模块的独立性差。6、单出单入，避免内容耦合。7、模块功能可预测 相同输入必产生相同输出。反例：模块中使用全局变量或静态变量，则可能导致不可预测。2. 软件设计原则39层次图用来描绘软件的层次结构。在图5.2中已经非正式地使用了层次图。虽然层次图的形式和第3.7节中介绍的描绘数据结构的层次方框图相同，但是表现的内容却完全不同。层次图中的一个矩形框代表一个

15、模块，方框间的连线表示调用关系而不像层次方框图那样表示组成关系。图5.3是层次图的一个例子。5.4 描绘软件结构的图形工具 5.4.1 层次图和HIPO图40图5.3 正文加工系统的层次图 41层次图很适于在自顶向下设计软件的过程中使用。HIPO图是美国IBM公司发明的“层次图加输入/处理/输出图”的英文缩写。为了能使HIPO图具有可追踪性，在H图(层次图)里除了最顶层的方框之外，每个方框都加了编号。和H图中每个方框相对应，应该有一张IPO图描绘这个方框代表的模块的处理过程。HIPO图中的每张IPO图内都应该明显地标出它所描绘的模块在H图中的编号，以便追踪了解这个模块在软件结构中的位置。42图

16、5.4 带编号的层次图(H图)43Yourdon提出的结构图是进行软件结构设计的另一个有力工具。结构图和层次图类似，也是描绘软件结构的图形工具，图中一个方框代表一个模块，框内注明模块的名字或主要功能；方框之间的箭头(或直线)表示模块的调用关系。因为按照惯例总是图中位于上方的方框代表的模块调用下方的模块，即使不用箭头也不会产生二义性，为了简单起见，可以只用直线而不用箭头表示模块间的调用关系。5.4.2 结构图44在结构图中通常还用带注释的箭头表示模块调用过程中来回传递的信息。如果希望进一步标明传递的信息是数据还是控制信息，则可以利用注释箭头尾部的形状来区分：尾部是空心圆表示传递的是数据，实心圆表

17、示传递的是控制信息。图5.5是结构图的一个例子。以上介绍的是结构图的基本符号，也就是最经常使用的符号。此外还有一些附加的符号，可以表示模块的选择调用或循环调用。图5.6表示当模块M中某个判定为真时调用模块A，为假时调用模块B。图5.7表示模块M循环调用模块A、B和C。45图5.5 结构图的例子产生最佳解的一般结构46图5.6 判定为真时调用A，为假时调用B47图5.7 模块M循环调用模块A、B、C48注意，层次图和结构图并不严格表示模块的调用次序。虽然多数人习惯于按调用次序从左到右画模块，但并没有这种规定，出于其他方面的考虑(例如为了减少交叉线)，也完全可以不按这种次序画。此外，层次图和结构图

18、并不指明什么时候调用下层模块。通常上层模块中除了调用下层模块的语句之外还有其他语句，究竟是先执行调用下层模块的语句还是先执行其他语句，在图中丝毫没有指明。事实上，层次图和结构图只表明一个模块调用那些模块，至于模块内还有没有其他成分则完全没有表示。49通常用层次图作为描绘软件结构的文档。结构图作为文档并不很合适，因为图上包含的信息太多有时反而降低了清晰程度。但是，利用IPO图或数据字典中的信息得到模块调用时传递的信息，从而由层次图导出结构图的过程，却可以作为检查设计正确性和评价模块独立性的好方法。传送的每个数据元素都是完成模块功能所必须的吗?反之，完成模块功能必须的每个数据元素都传送来了吗?所有

19、数据元素都只和单一的功能有关吗?如果发现结构图上模块间的联系不容易解释，则应该考虑是否设计上有问题。50结构图(SC)举例 医院管理系统门诊管理药房管理药库管理病房管理财务管理处方挂号处理挂号费总计挂号单挂号费总计出库处理进药管理病历管理处方管理常规处理51酒店管理信息系统功能结构图H M I S收银管理子系统收银管理子系统收银管理子系统客人登记预定登记客房处理历史记录客房查询预定查询餐桌安排菜单作业营业结帐汇总打印各类查询初始设置客帐处理退房处理夜审处理客帐查询报表打印大型零售商场管理信息系统功能结构图TM M I S系统维护POS系统零售实时系统商品进货管理商品批发管理商品库存管理商品及商

20、品帐管理顾客管理连锁店管理财务管理人事工资管理计划统计管理经理查询5.5 面向数据流的设计方法（又称为SD：Structural Design)基本思想： DFD System Hierarchy 5.1、Data Flow 的分类 变换流(Transform Flow)：Internal representationInformationTransform flowOutgoingflowIncomingflowExternal representationTime事实上所有信息流都可归结为变换流543. 面向数据流的设计方法 事务流(Transaction Flow) TTransacti

21、onrequest Action paths T = Call one of the several subroutines depending on the type of the incoming transaction request.当信息流具有明显的“发射中心”时，可归结为事务流。55(3)、软件结构的表达工具：结构图（SC图）结构图反映程序中模块之间的层次调用关系和联系：它以特定的符号表示模块、模块间的调用关系和模块间信息的传递 模块：模块用矩形框表示，并用模块的名字标记它。3. 面向数据流的设计方法56 模块的调用关系和接口：模块之间用单向箭头联结，箭头从调用模块指向被调用模块。

22、3. 面向数据流的设计方法57 模块间的信息传递：当一个模块调用另一个模块时，调用模块把数据或控制信息传送给被调用模块，以使被调用模块能够运行。而被调用模块在执行过程中又把它产生的数据或控制信息回送给调用模块3. 面向数据流的设计方法58 在模块A的箭头尾部标以一个菱形符号，表示模块A有条件地调用另一个模块B。当一个在调用箭头尾部标以一个弧形符号，表示模块A反复调用模块C和模块D。3. 面向数据流的设计方法59(4)、SD的总体过程：“变换”“事物”精化数据流图流类型区分事物中心和数据接收通路区分输入和输出分支映射成事务结构映射成变换结构用启发式设计规则精化软件结构导出接口描述和全程数据结构复

23、 查详细设计变换分析事物分析优化的前题是：“Get it to work, then make it fast.”3. 面向数据流的设计方法605.2、分析设计案例变换分析例：汽车数字仪表板的设计功能： 通过模 - 数转换实现传感器和微处理机接口； 在发光二极管面板上显示数据； 指示每小时英里数(mph),行驶的里程，每加仑油行驶的英里数(mpg)等等； 指示加速或减速； 如果车速超过55mph ,则发出警告铃声。3. 面向数据流的设计方法61第一步：DFD的分界，先分出I、P、O三块燃料流 传感器信号SPS旋转信号读旋转信号收集和求平均确定加/减速转换成转/分计算里程计算mph,超速值产生加/减速显示计算燃料消耗计算gph读和校核产生mpg显示产生mph显示发出铃声产生里程显示SPSSPS箭头指示燃烧流上箭头水平线下箭头rpmrpmgphmphmpgmph超速值英里显示铃声mph显示mpg显示3. 面向数据流的设计方法62一般问题