软件工程第09章

第9章 面向数据的设计方法面向数据的设计（datastructured-orienteddesign）方法就是根据问题的数据结构定义一组映射，把问题的数据结构转换为问题解的程序结构。面向数据流的设计来源于程序的模块化和功能分解的概念；而面向数据结构的设计，则侧重于问题的数据结构，把程序结构设计成与问题的数据结构一致，不强调模块定义。模块只是设计过程的副产品，对于模块独立性原则也未过分强调。这种程序结构容易理解，也易于修改。9.1面向数据据设计的的概念在许多应应用领域域中，信信息有着着清晰的的层次结结构，输输入数据据、存储储信息（（即数据据库）及及输出数数据都有有各自的的组织形形式。一般说来来，顺序序出现的的数据可可以用顺顺序控制制结构的的程序处处理；选选择出现现的数据据用分支支控制结结构的程程序处理理；重复复出现的的数据用用循环控控制结构构的程序序处理。。因此可以以根据数数据的组组织形式式确定使使用和处处理这些些数据的的程序的的组织形形式。9.1面向数据据设计的的概念面向数据据的设计计就是根根据数据据结构的的表示获获得软件件表示。。本章重点点讨论：：1.Jackson系统开发发方法JacksonSystemDevelopment，简称JSD2.基于结构构化数据据的系统统开发方方法DataStructuredSystemDevelopment，简称DSSD9.1面向数据据设计的的概念JSD方法是Jackson于1989年对软件件设计中中广为使使用的Jackson结构程序序设计（（JacksonStructuredProgramming，简称JSP）方法的扩扩展。DSSD方法，也也称为Warnier‑Orr方法，是是对Warnier程序逻辑辑构造（（LogicalConstructionofProgram，简称LCP）方法的扩扩充，除除了设计计能力以以外，还还加强了了分析能能力。9.1面向数据据设计的的概念面向数据据设计方方法一般般都包括括下列任任务：1．确定数数据结构构特征；；2．用顺序序、选择择和重复复三种基基本形式式表示数据；3．把数据据结构表表示映射射为软件件的控制制结构；；4．用与具具体方法法配套的的设计指指南进一一步精化控制结结构；5．开发软软件的过过程性描描述。9.1面向数据据设计的的概念JSD和DSSD方法的软软件总体体结构设设计与软软件过程程性设计计的分界界并不明明显，都都能很快快地过渡渡到过程程性描述述。这也也是易于于理解和和易于维维护的重重要表现现之一。。JSD和DSSD也是分析析与设计计一体化化的，，本章侧侧重于讨讨论与设设计有关关的技术术。面向向数据的的设计方方法，要要求信息息结构用用层次图图表示，，在软件件需求规规格说明明中与信信息域的的描述相相对应。。9.1面向数据据设计的的概念面向数据据的设计计方法的的适用场场合具有明显显的层次次信息结结构的应应用：企事业的的信息管管理系统统；系统软件件（如操操作系统统）；科学与工工程计算算；计算机辅辅助教学学；组合问题题求解等等领域。。例如：CAD//CAE/CIM类应用软软件。9.2Jackson系统开发发方法用JSD方法开发发一个软软件的步步骤：1）标识实实体与动动作：用用与面向向对象方方法类似似的分析析技术识识别出系系统中的的实体（（包括人人、对象象、产生生或使用用信息的的组织））和动作作（客观观世界中中影响系系统实体体的那些些事件））；2）生成实实体结构构图：针针对每一一实体，，将影响响它的所所有动作作按发生生的时间间顺序用用Jackson结构图（（Jacksondiagrams）表示出来来。为了了描述时时间约束束，同一一动作必必须出现现在多张张结构图图中；用JSD方法开发发一个软软件的步步骤：3）初建系系统模型型：将实实体和动动作统一一用一个个过程模模型表示示，并定定义该模模型中的的过程与与客观世世界中的的过程之之间的联联系。所所用描述述工具为为系统规规格说明明图（SystemSpecificationDiagram，简称SSD）；4）扩充功能能性过程程：在过过程模型型中扩充充交互型型功能和和信息型型功能，，分别产产生内部部输入信信息和系系统输出出信息；；5）系统定定时：确确定实现现必须满满足的时时间约束束；6）实现：：确定系系统中所所有软硬硬件成分分，形成成一个完完整设计计方案。。前三个步步骤主要要在需求求分析阶阶段完成成，后三三步是软软件设计计的任务务。9.2..1JSD分析技术术回顾我们曾以以大学校校园内直直达交通通车系统统USS为例进行行需求分分析，结结果得出出“交通通车”和和“按钮钮”两实实体及其其动作对对应的实实体结构构图如下下图所示示。ShuttleShuttle*bodyStation(i)Arrive(i)°Leave(i)°Arrive(1)ButtonPush*Leave(1)9.2..1JSD分析技术术回顾初建系统统模型后后，得到到USS的系统规规格说明明图（图图7‑2‑‑4）。其中中后缀为为“_0”的过程表表示客观观世界中中的过程程（或外外部过程程），后后缀为““_1”的过程表表示系统统模型内内的过程程（或模模型过程程）。图7-2--4USS的系统规格格说明图图Button‑1DSShuttle‑0Shuttle‑1SV数据流联系Button‑0状态向量联系9.2..1JSD分析技术术回顾将实体结结构图与与初建系系统模型型（系统统规格说说明图））综合起起来，可可导出目目标软件件系统中中每个过过程内部部细节的的结构正正文表示示，如6.2..3节过程BUTTON__1和SHUTTLE_1所描述。。上述结构构正文也也可对应应地用Jackson结构图表表示。图图6‑2‑‑5是与模型型过程SHUTTLE_1的结构正正文对应应的Jackson结构图。。图6‑2‑‑5对应于结结构正文文的结构构图Shuttle‑1Station(i)*Arrive(1)Leave(1)Shuttle‑body1TRANSit‑body1wait‑body1Transit(i)*Transit(1)*Arrive(i)Leave(i)Wait(1)*TRANSit‑bodywait‑bodyWait(i)*9.2..2扩充功能能性过程程这一步骤骤以初建建系统模模型为基基础，通通过数据据流和状状态向量量两种方方式将新新定义的的功能性性过程与与原有的的模型过过程联系系起来。。具体考考虑两类类功能：：1．信息型型功能（（informationfunction）：从模型过过程产生生的数据据流和状状态向量量中提取取信息并并生成输输出信息息。嵌入入型功能能只需在在原有模模型过程程的结构构正文中中插入一一些操作作；2．交互型型功能（（interactivefunction）：监视模型型过程的的状态向向量，在在输出结结果的同同时产生生内部输输入信息息，反过过来影响响模型化化过程的的动作。。图10‑2‑1两类功能能性过程程与系统统模型的的关系外部过程系统模型信息型功能过程交互型功能过程客观世界系统9.2..2扩充功能能性过程程假设在交交通车上上有一块块发光板板，专门门显示车车到站的的信息，，发光板板“亮””说明车车到站，，“暗””说明车车离开。。此板或或亮或暗暗受LON（i）、LOFF（i）两命令的的控制。。在过程程SHUTTLE_1中可嵌入入一个新新功能：：当交通通车到达达站（i）时，发出出命令LON（i）；离开站（（i）时，发出出命令LOFF（i）。交通车在在两站之之间往返返运行过过程中，，输出““开关发发光板””的命令令数据流流，图10‑2‑2为增加这这一功能能后的SSD，结构正文文修改为为：9.2..2扩充功能能性过程程图10‑2‑2修改后的的SSDLAMPCMDS—LampcommandsButton‑‑0BDSVButton‑‑1Shuttle‑0Shuttle‑1LAMPCMDSSHUTTLE_1seqLON((1)//*控制发光光板“亮亮”，说说明交通车车正停在在站1上*/read状态向量量WAIT_BODY1itrwhileWait(1))read状态向量量WAIT_BODY1endLOFF(1))//*交通车即即将离站站；控制发光板板“暗””*/LEAVE(1)TRANSIT_BODY1itrwhileTransit(1))read状态态向量TRANSIT_BODY1endSHUTTLE_BODY1itrSTATIONseqARRIVE((i)LON((i)//**交通车已已停靠站站（i）*/WAIT_BODYitrwhileWait(i))read状态向量量WAIT_BODYendLOFF(i))//*交通车将将离开站站（i）*/LEAVE(i)TRANSIT_BODYitrwhileTransit(i))read状态向量量TRANSIT_BODYendSTATIONendSHUTTL__BODY1endARRIVE((1)SHUTTL__1end9.2..2扩充功能能性过程程第二个功功能是产产生关于于启动（（START）和关闭（（STOP）发动机的的命令，，以此控控制交通通车的运运行。下下达STOP命令的条条件是，，传感器器显示车车已到站站，而下下达START命令的条条件是乘乘客压下下按钮招招呼交通通车并恰恰好交通通车在某某个站上上等待。。为此引引入一个个功能性性过程mcontrol，它从SHUTTLE_1和BUTTON__2两过程接接收数据据，适时时地发出出START和STOP两种命令令。过程SHUTTLE_1与过程mcontrol之间用数数据流““S1D””连接。因因此SHUTTLE_1的结构正正文进一一步修改改为：SHUTTLE_1seqLON((1)read状态向量量WAIT_BODY1itrwhileWait(1))read状态向量量WAIT_BODY1endLOFF(1))LEAVE(1)TRANSIT_BODY1itrwhileTransit(1))read状态向量量TRANSIT_BODY1endSHUTTLE_BODY1itrSTATIONseqARRIVE((i)writearrivetoS1D//**向mcontrol发送数据据流，说明车已已到站（（i）*/LON((i)WAIT_BODYitrwhileWait(i))read状态向量量WAIT_BODYendLOFF(i))LEAVE(i)TRANSIT_BODYitrwhileTransit(i))read状态向量量TRANSIT_BODYendSTATIONendSHUTTLE_BODY1endARRIVE((1)writearrivetoS1D//*发送数据据流，说说明车已已到站1*//SHUTTLE_1end9.2..2扩充功能能性过程程过程SHUTTLE_1执行“read状态向量量”操作作和过程程mcontrol对“S1D””的访问都都必须有有足够快快的频率率，否则则交通车车将不能能及时停停下来。。为完成USS实例，还还需进一一步考虑虑实体BUTTON模型。过过程BUTTON__1是对按钮钮动作的的精确描描述（即即每次压压下都对对应过程程push的一次调调用），，实际上上系统应应把第一一次压下下按钮招招呼交通通车的动动作与一一次运行行未开始始之前乘乘客压下下按钮招招呼交通通车的请请求区分分开来。。用已有有实体无无法描述述和区分分动作之之间的时时间约束束，常常常引入额额外的实实体——为此设计计过程BUTTON__2，结构图如如图10‑2‑3所示图10‑2‑3button‑2的结构图图Button‑2Pushgroup*ExtraArrivalbodyExtrapushbodyRequestpushArrivalExtraArrival*Extrapush*9.2..2扩充功能能性过程程功能性过过程mcontrol既负责检检查BUTTON__2的状态向向量“B2V””，确定是否否有未满满足的请请求，又又负责把把从SHUTTLE_1处（S1D）获取的信信息（即即交通车车已到达达发出请请求的车车站）传传递给BUTTON__2（MBD流）。在在此定义义了一个个交互型型功能。。BUTTON__2的结构正正文描述述如下：：BUTTON__2seqrequest:=no/*置初值**/readMBDandB1D//*检查是否否有未满满足请求求和交通车是否否停在站站上**/BUTTON__BODYitrPUSH_GROUPseqEXTRA_AR_BODYitrwhile((ARRIVAL)/*交通车已已靠站但但尚无请请求，或既无请请求交通通车也未未靠站**/readMBDandB1DEXTRA_AR_BODYendRQ_PUSHseq/*首次请求求到达，，置请求求标志**/request:=yesreadMBDandB1DRQ_PUSHendEXTRA_RQ_PUSHitrwhile((REQUEST)/*因交通车车尚未靠靠站，请请求暂不满足足，循环环等待**/readMBDandB1DEXTRA_RQ_PUSHendARRIVALseq/*请求满足足，清请请求标志志*/request:=noreadMBDandB1DARRIVALendPUSHGROUPendBUTTON__BODYendBUTTON__2end9.2..2扩充功能能性过程程图10‑2‑4给出的系系统规格格说明图图反映了了在此步步骤完成成的所有有工作。。我们在在SHUTTLE_1中嵌入了了一个功功能，产产生开、、关发光光板的命命令，增增加了一一个功能能性过程程mcontrol，它除了负负责完成成BUTTON__2上的交互互型功能能外，还还产生启启动、关关闭发动动机的命命令。至至于mcontrol过程的内内部结构构可采用用传统的的JSP技术导出出，关于于JSP技术我们们将在9.2..4和9.2..5节讨论。。图10‑2‑4扩充功能能1和2后的系统统规格说说明图Button‑‑0BDSVButton‑‑1Shuttle‑0Shuttle‑1LAMPCMDSB1DButton‑‑2S1DMBDMcontrolB2VMOTORCMDS9.2..3施加时间间约束经过前几几个步骤骤，获得得一个由由若干顺顺序过程程组成的的系统，，它们通通过数据据流或状状态向量量进行通通信，但但对这些些处理过过程的执执行速度度尚未考考虑。所所以，对对于输出出流，定定义输出出速度和和更新频频率；对对于输入入流，要要求子系系统保证证及时收收集所有有输入信信息并保保持它们们的到达达顺序不不变。在USS实例中，，关于时时间方面面的约束束包括：：1．停车命命令允许许的最大大延迟时时间；2．开、关关发光板板命令的的响应时时间。目前在JSD方法中，，时间约约束的描描述仍采采用非形形式化的的方式。。一种解解决办法法是引入入时间标标志流（（timemarkerstream）作为模型型过程的的输入，，时间标标志流由由特定的的时钟过过程产生生。9.2..4实现与JSP技术实现是JSD方法的最最后一个个步骤，，它将系系统功能能说明配配置到给给定的软软硬件环环境上，，并满足足性能方方面的约约束。这一步骤骤主要考考虑：过过程在多多处理机机上的调调度（scheduling）、根据SSD和Jackson结构图进进行过程程变换（（transformation）、过程状态态向量的的存储和和访问（（storageandaccessofstatevectors）以及借助助JSP技术描述述功能性性过程。。因篇幅幅所限，，本节及及下节仅仅讨论最最后一个个问题。。9.2..4实现与JSP技术JSP技术是一一种详细细设计技技术，它它由问题题所固有有的数据据结构导导出过程程的内部部结构。。所用的的基本工工具称为为数据结结构图，，是Jackson结构图的的变种，，专门用用于描述述数据元元素之间间的逻辑辑关系。。例如在在图10‑2‑5中，数据据集合A由若干个个B结构（““*”表表示重复复）组成成，而每每个B由若干个个C结构后跟跟一个D结构组成成（同级级分叉表表示顺序序），D结构或为为数据项项E或为F（“°”表示选择择），这这种层次次信息结结构的表表示方法法同样适适用于输输入、输输出和数数据库中中的数据据。图10‑2‑5数据结构构图AB*C*DE°F°图10‑2‑6信用卡记记帐系统统OutstandingbalCNO主文件YYYY1749..30CNODATEAMTXXXX9..1725.30XXXX9..27108.20XXXX9..3065.40YYYY9..13158.00YYYY9..28307.90……………支付文件件支付记录录*CNO分组*CNOCNO主文件顾客记录录*余款额支付文件件XXXX2373.50………简化的信信用卡付付帐系统统如图10‑2‑6所示。系系统的输输入是支支付文件件和顾客客主文件件。支付文件件的每个个记录由由顾客号号（CNO）、支付日期期（DATE）和支付金金额（AMT）三个数据据项组成成，并假假定已按按顾客号号预先分分组。顾客主文文件由顾顾客号（（CNO）和余款额额（Outstandingbal）两项组成成。两个个文件分分别对应应图10-2-6中所示数数据结构构图。假设该系系统输出出报表如如下图所所示。AccountingReportCNODateAmtOldbalNewbalXXXXYYYYGrandtot图10‑2‑7系统输出出报表所所对应的的数据结结构图记帐报表表情况汇总总顾客数据据总付款额额总余额CNO组*CNO支付记录录*付款总数数平帐数据据原余额现余额9.2..5产生过程程表示JSP方法通过过综合、、对照过过程的输输入/输出数据据结构的的层次关关系导出出对应的的过程性性表示——程序。具具体步骤骤如下：：1．找出输输入与输输出数据据结构中中有对应应关系的的数据元元素，即即有直接接因果关关系者，，它们在在程序中中可一并并处理。。2．依据下下述三条条规则从从数据结结构图导导出Jackson结构图。。1）在Jackson结构图中中，为有有对应关关系的每每对数据据元素画一个处处理框，，该框所所处层次次取这两两个数据据元素在在各自数据据结构图图中层次次较低者者。2）参照输输入数据据结构图图中剩余余的每个个数据元元素所处处层次，在Jackson结构图的的相应层层次上画画一个处处理框。。3）参照输输出数据据结构图图中剩余余的每个个数据元元素所处处层次，在Jackson结构图的的相应层层次上画画一个处处理框。。9.2..5产生过程程表示3．列出所所有操作作和条件件（包括括分支和和循环条条件），，并把它它们分配配到Jackson结构图中中。4．根据Jackson结构图，，产生结结构正文文描述。。将上述第第1步骤用于于信用卡卡付帐系系统发现现，输入入数据结结构“支支付文件件”中的的“CNO组”、““支付记记录”分分别与输输出数据据结构中中的“CNO组”、““支付记记录”对对应，输输入数据据结构““顾客主主文件””中的““顾客记记录”与与输出数数据结构构中的““CNO组”对应应。参照照上述第第2步骤得到到该系统统的结构构图（图图10‑2‑8）。图10‑2‑8导出Jackson结构图（（程序结结构）信用卡付帐系统统情况汇总总处理顾客数据据总付款额额总余额处理CNO组*处理CNO处理支付记录录*计算顾客客支付总额额平帐数据据原余额现余额执行完3、4两步骤后后，该结结构图中中“处理顾顾客数据据”一框框对应的的结构正正文应为为：PROCESS_CUST__DATAseqopenPAY_FILE;openCNO_MASTER__FILE;PROCESSCNO_GROUPitruntileof:PAY_FILE;readPAY_FILE;PROCESS_CNO;/*读读顾客总总文件，，找出原原余额**/PROCESS_PAY_RECitruntilend:CNO__GROUP;;writereportline;computertotalpayments;readPAY_FILE;endPROCESS_PAY__RECCOMPUTE_CUST__TOTAL;;COMPUTE_BALANCEseqPROCESS_OLD_BAL;;COMPUTE_NEW_BAL;;writereportline;endCOMPUTE_BALANCEendPROCESS_CNO__GROUPendPROCESS_CUST_DATA课程名称称：软件件工程第第18讲班级级：日期期：教室室：教学题目目：9.3DSSD方法教学目的的：掌握握DSSD方法，了了解复杂杂过程逻逻辑的描述。。教学重点点：DSSD方法。教学难点点：DSSD方法。教具具：多媒媒体教室室、电子子教案作业业：习题题49.3基于结构构化数据据的系统统开发（（DSSD）方法DSSD需求分析析阶段产产生的需需求规格格说明，，将作为为设计过过程的输输入信息息。设计计过程的的输出为为设计规规格说明明，具体体包括输输出数据据结构、、过程描描述和设设计约束束三方面面内容。。DSSD设计分为为逻辑设设计和物物理设计计两个步步骤，逻逻辑设计计着重考考虑软件件的输出出、界面面及过程程性表示示，物理理设计则则在逻辑辑设计的的基础上上考虑如如何满足足性能、、可维护护性和其其他一些些设计约约束。基本工具具：Warnier‑Orr图，既可可描述程程序结构构，又可可描述数数据结构构。这里里介绍一一种简化化的DSSD方法。9.3..1DSSD设计步骤骤DSSD的逻辑设设计步骤骤主要有有两个：：1．推导输输出数据据的逻辑辑结构（（LogicalOutputStructure，简称LOS）；2．由LOS导出处理理过程的的逻辑结结构（LogicalProcessStructure，简称LPS）。9.3..1DSSD设计步骤骤按下述简简化方法法，LOS可分四步步导出：：1）从问题题描述本本身或其其他相关关需求信信息中找出所所有不同同的原子子数据项项（即不不可再分的的数据项项）；2）说明每每个原子子数据项项的出现现频率；；3）找出那那些可再再分的一一般数据据项；4）用Warnier-Orr图表示LOS。【例9.1】】产生如图图10-3-1所示的““机器使使用情况日日报表””系统。。Daily_Machine_Tool__Usage__ReportDate：DATEToolcategoryToolIDstatusNO..partsproducedTool_CATTIDSNO_PARTSCATEGORYTOTALPARTS:CAT_TOT_PARTSCATEGORYTOTALPARTS:TOTALPARTSPRODUCEDTHISDATE::MANUF_TOTAL9.3..2推导输出出数据的的逻辑结结构输出数据据结构表表现为数数据项的的一种层层次结构构。按照LOS推导步骤骤：1）首先从从问题描描述（例例9.1所给报表表原型））中找出出原子数数据项；；2）确定每每个原子子数据项项出现的的频率（（图10‑3‑2）。图10‑3‑2原子数据据项及出出现频率率原子数据项频率细节HEADING（标题）DATE（日期）COLUME_HEAD（列标题）TOOL_CAT（工具类名称）TID（工具标志）S（状态）NO_PARTS（产品件数）SUB_TOTAL_HEAD（按类汇总小标题）CAT_TOT_PARTS（按类汇总）TOTAL_HEAD（按目汇总标题）MANUF_TOTAL（每日产品总计）1/报表1/报表1/报表1/工具类1/工具1/工具1/工具1/工具类1/工具类1/报表1/报表每日机器使用情况报表若干类，每类有若干项按类汇总按日汇总9.3..2推导输出出数据的的逻辑结结构3）找出一一般数据据项，有有：报表（出出现一次次）、工具类（（每报表表出现t次）、工具（每每类出现现s次）。4）用Warnier-Orr图表示LOS9.3..2推导输出出数据的的逻辑结结构图10‑3‑3LOS的Warnier‑Orr图示标题日期标题日期工具类名称工具标识列标题工具状态工具类(1，s)产品件数(1，t)按类汇总小标题每日汇总标题按类汇总每日产品总计生产日报表9.3..3推导处理理过程的的逻辑结结构(LPS)LPS是软件的的过程性性表示，，推导步步骤如下下：1）从LOS的Warnier‑Orr图示中去去掉所有有原子数数据项；；生产日报表图10‑3‑4去掉所有有原子数数据项工具工具类(1，s)(1，t)2）对每个个一般数数据项加加上“.BEGIN、.END”分隔符；；.BEGIN.BEGIN工具工具类(1，s)(1，t).END.END生产日报表3）定义所所有初始始、终止止的指令令或过程程；4）说明所所有数值值计算和和非数值值处理；；.BEGIN置MANUF_TOTAL为0.BEGIN置CAT__TOTALPARTS为0工具类工工具具(1，t)((1，s)把NO_PARTS加到CAT__TOTAL__PARTS上

.END.END生产日报表把CAT_TOTAL_PARTS加到MANUF_TOTAL上5）说明所所有输出出指令或或过程；；6）说明所所有输入入指令或或过程。。图10‑3‑6完整的LPS生产日报表.BEGIN工具类(1，t).END输出标题题、日期期标题、、日期、、列标题题置MANUF_TOTAL为0取一条逻逻辑记录录.BEGIN工具(1，s).END输出TOOL_CAT置CAT__TOTAL__PA