南京师范大学软件工程方法与实践

软件工程-方法与实践窦万峰计算机科学与技术学院南京师范大学2009年8月第一部分：软件工程与过程什么是软件工程？什么是工程化思想？什么是软件过程？有哪些过程模型？如何建立过程模型？什么是统一过程？什么是敏捷过程？有哪些模型？什么是软件工程实践？注：本部分的实验课参照实验教材实验1和实验2进行第1章概述（主要内容）软件工程的基本概念软件工程化思想软件工程两大范型软件工程思想与基本原理软件工程基本活动软件工程定义B.W.Boehm的定义：运用现代科学技术知识来设计并构造计算机程序及为开发、运行和维护这些程序所必须的相关文件资料。FritzBauer的定义：软件工程是为了经济地获得能够在实际机器上有效运行的可靠软件而建立和使用的一系列完善的工程化原则。1983年美国《IEEE软件工程标准术语》的定义为：软件工程是开发、运行、维护和修复软件的系统方法，其中“软件”的定义为：计算机程序、方法、规则、相关的文档资料以及在计事机上运行时所必需的数据。什么是软件？三要素：程序文档数据特性：复杂性一致性不会磨损和“老化”易变性移植性成本高软件演化第一代：程序设计阶段。1946年到60年代初，其主要特征是程序生产方式为个体手工方式。第二代：程序系统阶段。60年代初到70年代初，软件工程学科诞生。软件的开发方式由个体生产发展到了小组生产，软件的开发与维护费用以惊人的速度增加，维护困难，导致软件危机。第三代：传统软件工程阶段。20世纪70年代中期至80年代中期，软件工程师把工程化的思想加入到软件的开发过程中，用工程化的原则、方法和标准来开发和维护软件。第四代：面向对象阶段。20世纪80年代中期至今，面向对象的方法学受到了人们的重视，促进了软件业的飞速发展，软件产业在世界经济中已经占有举足轻重的地位。软件危机两个方面的问题：如何开发如何维护表现：软件的规模大复杂度增加软件的需求量增大价格昂贵供需差增大开发速度慢质量难以保证软件危机解决途径重视需求分析，明确与确切表达需求重视与客户沟通与交流统一的、公认的方法论和规范指导重视设计和实现过程的资料充分的检测工作软件工程化思想把软件看作是一个工程产品两个方面：软件开发技术软件工程管理原因：缺乏软件过程控制能力能力成熟模型（CapabilityMaturityModel）软件工程两大范型传统的结构化范型特征：结构化技术要么面向行为，要么面向数据构成结构化范型的技术包括：结构化分析结构化设计结构化编程结构化测试结构化维护软件工程两大大范型面向对象范型型特征：将对象象视作一个融融合了数据及及在其上操作作的行为的、、统一的软件件组件。技术包括：面向对象分析析面向对象设计计面向对象编程程面向对象测试试面向对象维护护优势：对象的概念符符合业务或领领域的客观实实际维护容易软件工程基本本原理分阶段的软件件生存周期坚持进行阶段段评审实行严格的产产品控制采用现代程序序设计技术明确职责开发小组的人人员应少而精精不断改进开发发过程软件工程思想想推迟实现的观观点逐步求精的观观点分解与抽象的的观点信息隐蔽观点点质量保证观点点软件工程基本本活动开发活动软件生命周期期模型项目管理活动动项目的范围（（要做的内容容）进度（要花费费的时间）成本（要耗费费的资源）过程改进活动动关注质量软件开发的最最佳实践过程定义和改改进小结软件工程的是是主旨以工程程化的思想进进行软件开发发，以生产高高质量和高效效率的软件。。软件工程化思思想的核心是是，把软件看看作是一个工工程产品。软件工程方法法学分别是传传统结构化范范型和面向对对象范型。软件工程活动动包括开发活活动、管理活活动和过程改改进活动。第2章软件件过程（内容容提要）什么是软件过过程？什么软件生命命周期？能力成熟度模模型敏捷过程软件过程实践践软件过程定义：软件过程是为为了开发出软软件产品，或或者是为了完完成软件工程程项目而需要要完成的有关关软件工程的的活动通常使用生命命周期模型简简洁地描述软软件过程层次：软件工程是一一门建立在以以质量焦点为为基础，分过过程、方法和和工具三个研研究层次的综综合技术过程方法与工工具工具

方法

过程

质量焦点软件过程框架架定义：框架是实现整整个软件开发发活动的基础础，并且那些些与过程有关关的角色、职职责的定义以以及实现也都都离不开框架架的支持两个方面组织及管理框框架技术及工具框框架软件过程模型型把软件生命周周期中各项开开发活动的流流程用一个合合理的框架——开发模型来来规范描述，，这就是软件件过程模型。。软件生命周期期模型软件生命周期期划分为定义、、开发和运行行三个阶段细分为六个阶阶段：问题的定义及及规划需求分析软件设计程序编码软件测试运行维护能力成熟度模模型集成CMM(CapabilityMaturityModel)是是指“能力成成熟度模型””CMM是由美美国卡内基－－梅隆大学的的软件工程研研究所（SEI）开发的的软件成熟度度模型。思想：管理软软件过程的方方法不当引起起的问题，导导致新软件技技术的运用并并不会自动提提高软件的生生产率和质量量。CMM为软件件企业的过程程能力提供了了一个阶梯式式的改进框架架，它基于过过去所有软件件工程过程改改进的成果，，吸取了以往往软件工程的的经验教训，，提供了一个个基于过程改改进的框架。。能力成熟度模模型集成（CMMI--CapabilityMaturityModelIntegration）是是CMM模型型的最新版本本。CMM概述为企业的发展展规定过程成成熟级别，分分为5级（Version1.0）：初始级（Initial）：一般企企业皆具有可重复级（Repeatable））：成功经验验可以重复定义级（Defined）：一套完完整的企业过过程，人员自自觉遵守（培培训）管理级（Managed）：过程&产品可度量量和控制优化级（Optimizing）：：过程持续改改进从无序到有序序、从特殊到到一般、从定定性管理到定定量管理、最最终达到动态态优化CMM概述（（续）2.Repeatable1.Initial3.Defined4.ManagedDisciplinedProcessStandard,ConsistentProcessPredictableProcessContinuouslyImprovingProcessUnpredictableandpoorlycontrolledCanrepeatpreviouslymasteredtasksProcesscharacterized,fairlywellunderstoodProcessmeasuredandcontrolledFocusonprocessimprovement5.OptimizingProjectManagementIntegratedEngineeringProcessProductandProcessQualityManagingChangeDisorderDisciplinedPredictableImmatureMatureCMM的概念念模型关键过程域KPA：代表表一组相关的的工作（活动动）。每个KPA都有一一个确定的目目标，完成该该目标即认为为过程能力的的提高。一般特性CF（CommonFeatures）：进一一步细分KPA的工作。。五个特性：：承诺（commitment）准备（ability））执行（activity）度量分析（measurement&analysis）验证（verifyingimplementation）CMM的五个个级别Level1：初始级级过程无序且不不可见OutInCMM的五个个级别Level2：可重复复级Milestone可见见，按计划开开发CMM的五个个级别Level2的6个KPA：侧重重于管理需求管理（RequirementsManagement）软件项目计划划（SoftwareProjectPlanning））软件项目的跟跟踪和监控（（SoftwareProjectTackingandOversight）软件子合同管管理（SoftwareSubcontractManagement）软件质量保证证（SoftwareQualityAssurance）软件配置管理理（SoftwareConfigurationManagement）CMM的五个个级别Level3：定义级级每个阶段的内内部活动可见见标准过程和项项目定义过程程裁剪CMM的五个个级别Level3的7个KPA：工程程过程＋企业业理念机构过程关注注（OrganizationProcessFocus）机构过程定义义（OrganizationProcessDefinition）培训计划（TrainingProgram）集成软件管理理（IntegratedSoftwareManagement）－过程程裁剪和定义义软件产品工程程（SoftwareProductEngineering））－过程执行行组间协调（IntergroupCoordination）对等审查（PeerReviews）CMM的五个个级别Level4管理级级过程可度量，，预测值与结结果之间的偏偏差可控CMM的五个个级别Level4的2个KPA：预测测＋量化管理理定量过程管理理（QuantitativeProcessManagement）－过过程度量软件质量管理理（SoftwareQualityManagement）－－产品度量CMM的五个个级别Level5优化级级过程动态调整整、新技术的的采用CMM的五个个级别Level5的3个KPA：动态态优化缺陷预防（DefectPrevention）技术改变管理理（TechnologyChangeManagement））过程改变管理理（ProcessChangeManagement）能力成熟度模模型集成CMMI--CapabilityMaturityModelIntegration是CMM模型的最最新版本。CMMI有两两种表示方法法：和软件CMM一样的阶段段式表现方法法连续式的表现现方法过程管理项目管理工程支持CMMI的的目标标是质质量、、时间间表和和最低低的成成本敏捷过过程敏捷不不是一一个过过程，，是一一类过过程的的统称称。敏捷方方法的的两大大主要要特征征：对“适适应性性”的的强调调对“人人”的的关注注做法：：引入迭迭代式式的开开发手手段将整个个软件件生命命周期期分解解为若若干个个小的的迭代代周期期获取切切实有有效的的客户户反馈馈提出12条条基本本原则则极限编编程极限编编程（（eXtremeProgramming，，XP）是是一种种软件件工程程方法法学，，是敏敏捷开开发中中最富富有成成效的的方法法学之之一由KentBeck在1996年年提出出具有强强沟通通、简简化设设计、、迅速速反馈馈等特特点适合于于规模模小、、进度度紧、、需求求不稳稳定、、开发发小项项目的的小团团队。。极限编编程特点：：XP模模型是是“轻轻量型型”或或“灵灵活””的软软件过过程模模型与面向向对象象语言言结合合的开开发方方案“专家家协作作”的的开发发方式式，解解决难难点问问题核心有有四个个要点点：交流简单反馈勇气结对编编程结对编编程(Pair-Programming)是是XP中中非常常重要要的实实践之之一。。定义：：两个个人坐坐在同同一台台计算算机前前面，，使用用相同同的键键盘和和鼠标标来开开发同同样的的一个个模块块，一一个称称为驾驾驶者者(Driver)，负负责代代码的的键入入，另另外一一个称称为领领航员员(Navigator)，，负责责监看看与决决策，，包括括低级级错误误和方方向性性的错错误。。当出出现的的一个个问题题对其其中一一个人人来说说，难难以解解决，，而恰恰好是是另外外一个个人的的强项项的时时候，，那么么角色色就会会发生生转换换。结对编编程优势：：可以减减少风风险可以使使团队队生产产效率率更高高是知识识传播播的最最好途途径可以打打造出出最佳佳的合合作团团队。。可以生生成更更好的的代码码三个方方面的的应用用：教育学学结对对学习习工业界界结对对开发发与编编程分布式式结对对编程程环境境结对编编程研研究教育学学研究究结对编编程学学习效效果研研究结对双双方的的相容容性研研究结对编编程过过程研研究软件工业界界结对编程实实践方式社会动力学学研究个人编程能能力的增强强分布式结对对编程结对编程开开发环境研研究开发结对编编程工具的的需求适合开展分分布式结对对编程的工工具研究自适应软件件开发自适应软件件开发（AdaptiveSoftwareDevelopment）由JimHighsmith提提出着眼于人员员协作和团团队自我组组织，类似似于收集人人们创意的的容器生命周期三三个阶段包包括：思考：启动动项目并完完成自适应应循环计划划协作：沟通通与信任学习：改进进真正的理理解水平，，通过焦点点组、正式式技术评审审和事后剖剖析方式进进行学习动态系统开开发动态系统开开发（DynamicSystemDevelopmentMethod））是一种使使用增量原原型开发模模式完全满满足对时间间约束的系系统构建和和维护的敏敏捷软件开开发方法。。借用Pareto(佩瑞多)原则：即即如果交付付整个应用用系统需用用100%时间，那那么80%的应用系系统可以用用20%的的时间交付付建议使用迭迭代软件过过程动态系统开开发生命周周期的敏捷捷过程模型型：可行性研究究业务研究功能模型迭迭代设计和构建建迭代实现特征驱动开开发特征驱动开开发（Feature-Drivendevelopment）把软件件开发项目目作为一个个系统，即即生产软件件的系统定义六种关关键项目角角色：项目经理，负责报告告进度情况况、管理预预算、筹措措人员，以以及管理设设备、办公公场地和资资源等主设计师，负责系统统的整体设设计开发经理，负责领导导日常开发发活动，解解决主程序序员们自己己无法解决决的日常的的资源冲突突问题。主程序员，参与高层层的需求分分析和设计计活动，领领导3-6人开发小小组负责新新软件特征征的底层分分析、设计计和开发工工具。类的所有者者，是主程序序员领导的的开发小组组的成员，，对新软件件系统所需需要的特征征进行设计计、编码、、测试和编编写文档。。领域专家，是客户、、用户、业业主、业务务分析专家家或者所有有这些的混混合。软件工程实践践软件工程实践践的精髓是理理解问题、计计划解决方案案、实施计划划和检查结果果的精确度等等方面通用的框架活活动包括：沟通计划建模部署普适性活动软件工程实践践核心原则：存在价值保持简洁维护视图生产者要让消消费者理解面向未来计划复用认真思考软件工程实践践沟通实践：包包括决定项目目涉及人的信信息和沟通需需求计划实践：是是软件开发过过程的准备阶阶段，包括定定义问题、可可行性分析、、制定计划建立模型实践践：创建分析析模型和设计计模型小结软件工程是一一种层次化技技术，包括过过程、技术和和工具。软件过程是为为了获得高质质量软件所需需要完成的一一系列任务的的框架，它规规定了完成各各项任务的工工作步骤。软件过程框架架定义了若干干个小的框架架活动，为完完整的软件开开发过程建立立了基础。软软件过程框架架的通用过程程框架活动包包括沟通、计计划、建模、、构建和部署署。能力成熟度模模型（CMM）是改进软软件过程的有有效策略。它它的基本思想想是通过改进进对软件过程程的管理来提提高软件生产产率和软件质质量。敏捷方法是一一组敏捷实践践技术的总称称，包括极限限编程、自适适应软件开发发、动态系统统开发和特征征驱动开发等等等。软件工程实践践包括概念、、原则、方法法和在整个软软件开发过程程中所使用的的工具。软件工程实践践的通用框架架活动包括沟沟通实践、计计划实践、建建模实践、构构造实践和部部署实践。第3章软软件过程模型型（内容提要要）瀑布模型增量模型螺旋模型协同开发模型型面向对象模型型面向方面的软软件开发瀑布模型瀑布模型提供供了软件开发发的基本框架架。瀑布模型将软软件生命周期期划分为软件件计划、需求求分析和定义义、软件设计计、软件实现现、软件测试试、软件运行行和维护这6个阶段，规规定了它们自自上而下、相相互衔接的固固定次序，如如同瀑布流水水逐级下落而而得名它是一个软件件开发架构，，开发过程是是通过一系列列阶段顺序展展开的。每个阶段都会会产生循环反反馈各个阶段产生生的文档是维维护软件产品品时必不可少少的，没有文文档的软件几几乎是不可能能维护的。瀑布模型示意意图系统需求软件需求需求分析设计编码维护测试瀑布模型特点点顺序性和依赖赖性推迟实现质量保证的观观点是一种线性模模型强调文档的作作用增量模型增量模型（IncrementalModel）也称为为渐增模型，，是在项目的的开发过程中中以一系列的的增量方式开开发系统。软件被作为一一系列的增量量构件来设计计、实现、集集成和测试，，每一个构件件是由多种相相互作用的模模块所形成的的提供特定功功能的代码片片段构成.增量方式包括括：增量开发：以以一定的时间间间隔开发部部分工作软件件增量提交：以以一定的时间间间隔增量方方式向用户提提交工作软件件及相应文档档增量模型融合合了线性顺序序模型的基本本成份和原型型实现模型的的迭代特征。。增量模型分为渐增模型型和原型模型型渐增模型是瀑瀑布模型的变变种，有两类类渐增模型：：增量构造模型型：它在瀑布布模型基础上上，对一些阶阶段进行整体体开发，对另另一些阶段进进行增量开发发。前面的开开发阶段按瀑瀑布模型进行行整体开发，，后面的开发发阶段按增量量方式开发。。演化提交模型型：它在瀑布布模型的基础础上，所有阶阶段都进行增增量开发，也也就是说不仅仅是增量开发发，也是增量量提交。增量构造模型型需求分析设计编码1测试1测试2编码2编码3测试3螺旋模型螺旋模型（SpiralModel）是结合合了瀑布模型型和快速原型型模型的迭代代开发模型强调了其他模模型均忽略了了的风险分析析：风险识别风险分析风险控制特别适合于大大型复杂的系系统每一个周期都都包括需求定定义、风险分分析、工程实实现和评审螺旋模型示意意图螺旋模型活动动四个象限分别别代表了以下下活动：制定计划：确确定软件目标标，选定实施施方案，确定定项目开发的的限制条件；；风险分析：分分析评估所选选方案，考虑虑如何识别和和消除风险；；实施工程：实实施软件开发发和验证；客户评估：评评价开发工作作，提出修正正建议，制定定下一步计划划。螺旋模型是风风险驱动的模模型协同开发模型型协同开发模型型（CollaborativeDevelopmentModel,简简称CDM）），有时也叫叫做协同工程程，可以表示示为一系列框框架活动、软软件工程动作作和任务以及及相应的状态态。在某一特定时时间，建模活活动可能处于于任何一种状状态。协同开发模型型定义了一系系列事件，这这些事件将触触发软件工程程活动、动作作或任务的状状态转换。协同开发模型型空状态开发状态等待变更状态评审状态修改状态建立基线状态结束状态建模活动面向对象过程程模型面向对象是一一种的程序设设计方法，或或者说它是一一种程序设计计范型。基本思想是使使用对象，类类，继承，封封装，消息等等基本概念来来进行程序设设计。面向对象的要要素：抽象：强调实实体的本质、、内在的属性性，忽略一些些无关紧要的的属性。类实实现了对象的的数据（即状状态）和行为为的抽象，是是对象的共性性的抽象。封装性：指所所有软件部件件内部都有明明确的范围以以及清楚的外外部边界。共享性：面向对象的特特征：对象惟惟一性；分类类性；继承性性；多态性（（多形性）。。统一过程模型型统一过程（UnifiedProcess，，UP)是是风险驱动的的、基于用例例技术的、以以架构为中心心的、迭代的的、可配置的的软件开发流流程。统一过程是以以用例驱动的的，以架构为为中心，迭代代和增量的过过程。统一过程是一一个软件开发发过程，是一一个通用的过过程框架：初始细化构造移交统一过程的四四个阶段统一过程五个个核心工作流流需求(RequirementsCapture)：致致力于开发正正确的系统分析(Analysis)：更精确确地理解需求求设计(Design)：：深入理解与与非功能性需需求和约束相相联系的问题题实现(Implementation)：实现现系统与集成成测试(Test)：验证证实现的结构构核心工作流统一过程准则则准则迭代的开发软软件需求管理基于构件的体体系结构可视化软件建建模验证软件质量量控制软件的变变更统一过程主要要的优点是提提高了团队生生产力构件集成模型型构件集成模型型是基于构件件的开发模型型构件集成模型型：整个系统模块块化复用构件库中中的软件构件件构件集成模型型是演化形的的，开发过程程是迭代的5个阶段：软件的需求分分析和定义体系结构设计计构件库建立应用软件构建建测试和发布构件集成模型型需求分析和定义体系结构设计构件库建立测试和发布应用软件构建1：N面向方面的软软件开发面向方面的软软件开发（Aspect-OrientedSoftwareDevelopment,简称AOSP）是一一系列新兴技技术，用以寻寻找软件系统统中新的模块块化特性。强调独立描述述关注点方面需求（AspectualRequirement）定义了那那些对整个软软件体系结构构产生影响的的横切关注点点：对等关注点，，这种关注点点是相互独立立的，没有任任何一个对等等关注点比另另一个更重要要。如ATM的取款、、转帐和存款款等扩展（extension），是在在基础组件（（base））之上定义的的组件，它用用来表示附加加的服务或功功能。如在图图书馆系统中中，当还书时时发现该书已已经超期，那那么系统就要要计算罚金。。计算罚金功功能就是还书书的扩展。对等关注点对等关注点（（分离限制））扩展对等关注点（（分离限制））问题：缠绕（tangling），各个组组件包含满足足不同关注点点的实现（也也就是编码））分散（Scattering），某某个特定关注注点的实现是是分散在多个个组件中。分离扩展是一一种使复杂问问题易于理解解的技术。关注点分离技技术关注点分离技技术（ConcernSeparationTechnique）对关注点点进行建模和和结构化。用例技术关注点合成机机制关注点合成机机制（ConcernCompositionMechanism）将关注注点合成发生在编译时时、编译后，，甚至是运行行时扩展相互分离离扩展相互分离离Jacobson早在1986发表表的论文““支持易于变变化的实时系系统的语言””术语：表示原原有程序、扩扩展基础的术术语existion；；表示添加到到existion的新新功能的术语语extensions。扩展在编译或运行行阶段，而非非编码阶段，，往existion中中插入extensions（扩展展）原有系统的源源代码甚至二二进制代码都都与任何扩展展之间保持了了清晰性和无无关性优点：扩展更为简单单系统将更易于于理解序列变化器小结软件开发模型型是指软件开开发全部过程程、活动和任任务的结构框框架，能清晰晰、直观地表表达软件开发发全过程，明明确规定了要要完成的主要要活动和任务务，用来作为为软件项目工工作的基础。。瀑布模型是一一种线性模型型，文档驱动动的模型。增量提交模型型采用一系列列的增量方式式开发系统。。螺旋模型结合合瀑布模型和和快速原型，，是一种风险险驱动的开发发模型协同开发模型型是一种时间间驱动的活动动网络模型。。统一过程模型型是以用例驱驱动的，以架架构为中心，，迭代和增量量的过程。构件集成模型型利用模块化化方法将整个个系统模块化化，复用构件件库中的软件件构件，通过过组合手段提提高应用软件件系统过程的的效率和质量量。面向方面的软软件开发是一一系列新兴技技术，用以寻寻找软件系统统中新的模块块化特性，允允许对软件系系统中多种关关注点进行独独立描述，同同时又能自动动统一组合到到工作系统之之中。第4章案案例研究出卷系统短信系统POS机系统统ATM机系统统图书馆系统出卷系统系统支持人工工辅助和自动动出卷。系统应能够进进行题库管理理系统能够进行行试卷管理，，应完成试卷卷修改、删除除和打印等。。试卷能够按按照给定的样样式进行输入入。系统应能支持持不同的科目目。系统能够在所所有流行的技技术环境下运运行，优好的的图形界面。。系统应该具有有很好的可扩扩展性。试题不允许重重复出现，至至少三次不能能重复。试卷符合要求求的96%以以上即可结束束，允许教师师调整。应能进行试卷卷分析。短信系统短信发送：客客户选择一个个或多个目标标人员、编辑辑内容、立即即或定时发送送通知信息。。短信人工应答答：用户察看看收到的短信信内容，并确确定回复内容容回复询问者者。短信自动应答答：根据短信信询问内容，，并依据规则则自动回复询询问者。短信接收：接接收外部短信信。短信确认：确确认接收方是是否接收。客户资料维护护：添加、删删除和更新用用户。短信息维护：：预设短消息息内容接口要求：支支持移动终端端通过串口通通信；支持与与移动网关通通信。POS机系系统收银员可以以记录销售售商品信息息，系统计计算总价。。收银员能够够通过系统统处理支持持，包括现现金支付、、信用卡支支付和支票票支付。经理还能处处理顾客退退货。系统要求具具有一定的的容错性，，即如果远远程服务（（如库存系系统）暂时时中断，系系统必须仍仍然能够获获取销售信信息并且至至少能够处处理现金付付款。POS机必必须支持日日益增多的的各种的客客户终端和和接口，比比如多种形形式的用户户图形界面面、触摸屏屏输入装置置、无线PDA等。。系统需要一一种机制提提供灵活的的处理不同同客户独特特的业务逻逻辑规则和和定制能力力。ATM机系系统ATM机处处理银行储储户的各种种操作，并并与分行计计算机通信信；各分理处的的计算机保保存各自的的帐户，负负责录入帐帐户和事务务数据；分行计算机机与拨款分分理处结帐帐；