第1章软件工程 概述

软件工程概述第1章1【本章引言】

自从1946年第一台电子计算机诞生以来，计算机的研究生产和应用得到迅猛的发展，计算机系统已经经历了四个不同的发展阶段，计算机科学成为当今世界上发展最快和应用最广的学科之一。然而，我们仍然没有彻底摆脱“软件危机”困扰，软件已经成为限制计算机系统发展的关键因素。为了克服这种困扰，软件工作者在不断的研究消除软件危机的方法，从而逐步形成了计算机科学技术领域中的一门新兴的工程学科—软件工程。本章将对软件概念、软件分类、软件发展、软件危机、软件工程概念等方面做简要的介绍，通过本章学习，可为后几章软件工程的深入学习打下基础。2第一章软件工程概述

1.1软件概述1.2软件危机1.2软件工程3【本章重点】软件工程概念软件的特点4【学习目标】理解软件工程的基本概念了解软件危机的表现形式51.1软件工程的产生和发展软件工程(SoftwareEngineering)是在克服20世纪60年代末所出现的“软件危机”的过程中逐渐形成与发展的。由于软件工程是一门指导计算机软件系统开发和维护的工程学科，是一门新兴的边缘学科，涉及到计算机科学、工程科学、管理科学、数学等多学科，研究的范围广，主要研究如何应用软件开发的科学理论和工程技术来指导大型软件系统的开发。例如现代操作系统的开发，如果不采用软件工程的方法是不可能的。

61.1.1软件的概念1.1.2软件的分类1.1.3软件的发展1.1软件概述71.1.1软件的概念

软件是计算机系统中与硬件相互依存的另一部分，它是包括程序、数据及其相关文档的完整集合。其中，程序是按事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；数据是使程序能正常操纵信息的数据结构；文档是与程序开发、维护和使用有关的图文材料。8软件的特点软件是一种逻辑实体，不是具体的物理实体软件产品的生产主要是研制软件具有“复杂性”，其开发和运行常受到计算机系统的限制软件成本昂贵，其开发方式目前尚未完全摆脱手工生产方式软件不存在磨损和老化问题，但存在退化问题91.1.2软件的分类

按软件的作用，一般可以分为以下几类。1．系统软件

系统软件（systemsoftware）是指能与计算机硬件紧密配合在一起，使计算机系统各个部件、相关的软件、和数据协调高效地工作的软件。系统软件是计算机系统的重要组成部分，它支持应用软件的开发和运行。系统软件包括：操作系统、网络软件、编译程序、数据库管理程序、文件编辑系统、系统检查与诊断软件等。102．应用软件

应用软件（applicationsoftware）则是在系统软件基础上，为解决特定的领域应用而开发的软件。按其性质不同可以分为以下几类：事务软件

事务信息处理是一个最大的软件应用领域。如工资单、收/支计算、存货盘点报表等。这些独立的系统可以组成管理信息系统（MIS）软件，它从一个或多个装有事务信息的数据库中存取数据。1.1.2软件的分类11实时软件

监视、分析和控制现实世界中发生的事件，能以足够快的速度对输入信息进行处理并在规定的时间内作出反应的软件，称之为实时软件。实时系统必须在严格的时间范围内响应，因此实时软件和计算机系统必须有很高的可靠性和安全性。1.1.2软件的分类12工程和科学软件

工程和科学软件具有数值算法的特点。其应用范围从天文学到火山学；从自动应力分析到空间航天飞机轨道动力学；从分子生物学到自动化制造。但是，在工程和科学领域中的新的应用已经远离传统的数值算法。计算机辅助设计（CAD）、系统模拟和其他交互应用系统已经做到具有实时和系统软件的特点。1.1.2软件的分类13嵌入式软件

嵌入式计算机系统将计算机嵌入在某一系统之中，使之成为该系统的重要组成部分、控制该系统的运行，进而实现一个特定的物理过程。大型的嵌入式计算机系统软件可用于航空航天系统、指挥控制系统、武器系统等；小型的嵌入式计算机系统软件可用于工业的智能化产品之中，这时嵌入式软件驻留在只读存储内，为该产品提供各种控制功能和仪表的数字或图形显示功能等。如汽车的刹车控制，空调机、洗衣机的自动控制等。1.1.2软件的分类14个人计算机软件

字处理、电子报表、计算机图形、家庭游戏、数据库管理、个人和事务财务应用、外部网络或数据库存取等数百种应用。基于Web的软件人工智能软件

1.1.2软件的分类153．工具软件

是系统软件和应用软件之间的支持软件。一般用来辅助和支持开发人员开发和维护应用软件，以提高软件的开发质量和生产率。它包括需求分析工具、设计工具、编码工具、测试工具、维护工具和管理工具等。工具软件又可分为垂直工具软件和水平工具软件。垂直工具软件是指生命周期的某一阶段特定活动所使用的工具软件，如分析、设计、测试等活动；水平工具软件是指整个生命周期活动所使用的工具软件，如项目管理、配置管理等活动。164．可重用软件

如各种标准程序库，通常它是计算机厂家提供的系统软件中的一部分，对这些标准程序库里的标准子程序稍加改造，甚至不经改造就可以把它们编入新开发的程序。今天，世界已把可重用范围扩展到算法以外，数据结构也可以重用。20世纪90年代的可重用构件则是把数据和相应的操作两者封装在一起（通常叫做类或对象），使软件工程师能够用可重用构件来建立新的应用程序。171.1.3软件的发展1.程序设计时代(1946－1956年)采用“个体生产方式”，即软件开发完全依赖于程序员个人的能力水平。2.程序系统时代(1956－1968年)由于软件应用范围及规模的不断扩大，个体生产已经不能够满足软件生产的需要，一个软件需要由几个人协同完成，采用“生产作坊方式”。该阶段的后期，随着软件需求量、规模及复杂度的增大，生产作坊的方式已经不能够适应软件生产的需要，出现所谓“软件危机”。183.软件工程时代(1968年至今)这阶段的主要任务是为了克服软件危机，适应软件发展的需要，而采用“工程化的生产”方式。19程序设计程序系统软件工程软件的范畴程序程序及说明书产品软件(项目软件)主要程序设计语言汇编及机器语言高级语言高级语言系统、程序设计语言软件工作范围程序编写包括设计和测试软件生存期需求者程序设计者本人少数用户市场用户维护责任者

程序设计者开发小组专职维护人员硬件特征价高、存储小、可靠性差降价；速度、容量、可靠性明显提高向超高速、大容量、微型化发展软件特征完全不受重视软件技术的发展不满足需要，出现软件危机开发技术有进步，但未获得突破性进展，软件危机未完全摆脱20

“软件危机”(Softwarecrisis)的出现是由于软件的规模越来越大，复杂度不断增加，软件需求量增大。而软件开发过程是一种高密集度的脑力劳动，软件开发的模式及技术不能适应软件发展的需要。致使大量质量低劣的软件涌向市场，有的花费大量人力财力，而在开发过程中就夭折。

1.2软件危机211．软件危机的含义

软件危机是指在计算机软件的开发和维护过程中所遇到的一系列严重问题。这些问题绝不仅仅是不能正常运行的软件才具有的。实际上，几乎所有软件都不同程度地存在这些问题。概括地说，软件危机包含下述两方面的问题：如何开发软件，以满足对软件日益增长的需求；如何维护数量不断膨胀的已有软件。鉴于软件危机的长期性和症状不明显的特征，近年来有人建议把软件危机更名为“软件萧条（depression）”或“软件困扰（afflication）”。22例如：

IBM公司的OS/360，共约100万条指令，花费了5000个人年；经费达数亿美元，而结果却令人沮丧，错误多达2000个以上，系统根本无法正常运行。OS/360系统的负责人Brooks这样描述开发过程的困难和混乱：“…像巨兽在泥潭中作垂死挣扎，挣扎得越猛，泥浆就沾得越多，最后没有一个野兽能够逃脱淹没在泥潭中的命运。…”

1963年，美国飞往火星的火箭因为一个软件错误而爆炸。

1967年8月23日，原苏联”结盟一号”载人宇宙飞船也因软件错误烧毁。23“软件危机”主要表现在两个方面：(1)软件产品质量低劣，甚至开发过程就夭折(2)软件生产率低，不能满足需要其他：软件产品的质量往往靠不住软件常常是不可维护的软件通常没有适当的文档资料2425上帝见证着恐龙、猛犸象、剑齿虎在焦油中挣扎。它们挣扎得越猛烈，焦油纠缠得越紧，没有任何猛兽足够强壮或具有足够的技巧，能够挣脱束缚，最后它们都沉到了坑底。26过去几十年的大型软件系统开发就犹如这样一个焦油坑，很多大型和强壮的动物在其中剧烈地挣扎。他们中大多数开发了可运行的系统——不过只有极少数的项目满足了目标、进度和预算的要求。各种团队，大型的和小型，庞杂的和精干，一个接一个淹没在了焦油坑中。表面上看起来好像没有任何一个单独的问题会导致困难，每个问题都能获得解决，但是当它们相互纠缠和积累在一起的时候，团队的行动就会变得越来越慢272．产生软件危机的原因由于缺乏软件开发经验和有关软件开发数据的积累，使得开发工作的计划很难制定，以致经常出现超出经费预算，无法遵循进度计划，完成开发的期限一再拖延等情况。软件需求在开发的初期阶段不够明确，或是未能得到确切的表达。开发工作开始后，软件人员和用户又未能及时交换意见，造成矛盾在开发后期集中暴露。开发过程没有统一、公认的方法论和规范进行指导，参加开发的人员各行其事。另外，设计和实现过程的资料很难维护。未能在测试阶段做好充分的检测工作，提交至用户的软件质量差，在运行过程中暴露出大量的问题。283．软件危机的解决方法

首先应该对计算机软件有一个正确的认识。应该彻底清除在计算机系统早期发展阶段形成的“软件就是程序”的错误概念。一个软件必须由一个完整的配置组成。事实上，软件是程序、数据及相关文档的完整集合。1983年IEEE为软件下的定义是：计算机程序、方法、规则、相关的文档资料以及在计算机上运行程序时所必须的数据。虽然表面上看来在这个定义中列出了软件的5个配置成分，但是方法和规则通常是在文档中说明并在程序中实现的。29

必须充分认识到软件开发不是某种个体劳动的神秘技巧，而应该是一种组织良好、管理严密、各类人员协同配合、共同完成的工程项目。必须充分吸取和借鉴人类长期以来从事各种工程项目所积累的行之有效的原理、概念、技术和方法，特别要吸取几十年来人类从事计算机硬件研究和开发的经验教训。应该推广使用在实践中总结出来的开发软件的成功的技术和方法，并且研究探索更好更有效的技术和方法，尽快消除在计算机系统早期发展阶段形成的一些错误的概念和做法。30

应该开发和使用更好的软件工具。正如机械工具可以“放大”人类的体力一样，软件工具可以“放大”人类的智力。在软件开发的每个阶段都有许多繁琐重复的工作需要做，在适当软件工具辅助下，开发人员可以把这类工作做得既快又好。如果把各个阶段使用的软件工具有机地集合成一个整体，支持软件开发的主过程，则称为软件工程支撑环境。总之，为了消除软件危机，既要有技术措施（方法和工具），又要有必要的组织管理措施。软件工程正是从管理和技术两方面研究如何更好地开发和维护计算机软件的一门新兴学科。311.3软件工程的概念1.3.1软件工程的定义和原理1.3.2软件工程的目标1.3.3软件工程的原则321.3.1软件工程的定义和原理1．软件工程的定义

软件工程（software

engineering）这个名词是北大西洋公约组织（NATO）科学技术委员会1968年秋在当时的联邦德国召集了近50名第一流的编程人员、计算机科学家和工业界巨头，制定摆脱软件危机的办法时提出来的。331.3.1软件工程的定义和原理

关于什么是软件工程的定义，每一位软件工程的作者都给出了自己的不同理解。我们把它定义为：运用工程学的原理和方法来组织和管理软件的生产和维护，以保证软件产品开发，运行和维护的高质量和高生产率。1993年，IEEE在《IEEEStandard

Collecation：SoftwareEngineering》给出了以下全面的定义：应用系统的、规范的和可量化的方法去开发、运行和维护软件，即软件的工程化应用。对（1）中所述方法的研究。34方法过程质量焦点工具软件工程三要素：方法、工具和过程35软件工程三要素：方法、工具和过程软件工程方法：研究软件开发“如何做”的技术。软件工具：研究支撑软件开发方法的工具、软件工具的集成环境—计算机辅助软件工程CASE。软件工程过程：将软件工程方法与软件工具相结合实现合理、及时地进行软件开发的目的。36软件工程研究的内容

-----研究内容软件工程是一门新兴的边缘学科,涉及的学科多，研究的范围广。归结起来软件工程研究的主要内容有以下几方面：}软件开发软件开发方法、技术软件开发工具及环境软件管理技术软件规范（国际规范）}软件管理37

(1)软件开发技术（软件结构、开发方法、工具与软件工程环境、软件工程标准化）

(2)软件工程管理（质量管理，软件工程经济学：成本估算，计划安排）软件工程研究的目标是“以较少的投资获取较高质量的软件”。本课程主要讨论：381.3.1软件工程的定义和原理2．软件工程的基本原理

著名的软件工程专家B.W.Boehm综合这些学者们的意见并总结了TRW公司多年开发软件的经验，于1983年在一片论文中提出了软件工程的7条基本原理。他认为这7条原理是确保软件产品质量和开发效率原理的最小集合。这7条原理是互相独立的，其中任意6条原理的组合都不能代替另一条原理。391.3.1软件工程的定义和原理用分阶段的生命周期计划严格管理在软件开发与维护的漫长生命周期中，需要完成许多性质各异的工作。这条基本原理意味着，应该把软件生命周期划分成若干个阶段，并相应地制定出切实可行的计划，然后严格按照计划对软件的开发与维护工作进行管理。

不同层次的管理人员都必须严格按照计划各尽其职地管理软件开发与维护工作，绝不能受客户或上级人员的影响而擅自背离预定计划。40坚持进行阶段评审软件的质量保证工作不能等到编码阶段结束之后再进行。理由：第一，大部分错误是在编码之前造成的。例如，根据Boehm等人的统计，设计错误占软件错误的63%，编码错误仅占37%；第二，错误发现与改正得越晚，所需付出的代价也越高。因此，在每个阶段都进行严格评审，以便尽早发现在软件开发过程中所犯的错误1.3.1软件工程的定义和原理41

有人说：软件开发时，一个错误发现得越晚，为改正它所付出的代价就越大。对否？请解释你的回答。42

在1970年代，IBM等三家公司对此问题做了独立研究，最后它们得到相似的结论：43实行严格的产品控制

在软件开发过程中不应随意改变需求，因为改变一项需求往往需要付出较高的代价。但是，在软件开发过程中改变需求又是难免的。由于外部环境的变化，相应地改变用户需求是一种客观需要，显然不能硬性禁止客户提出改变需求的要求，而只能依靠科学的产品控制技术来顺应这种要求。1.3.1软件工程的定义和原理44采用现代程序设计技术

20世纪60年代末提出的结构程序设计技术，已经成为绝大多数人公认的程序设计技术。以后又进一步发展出各种结构分析（SA）与结构设计（SD）技术。近年来，面向对象技术已经在许多领域中迅速地取代了传统的结构开发方法。实践证明，采用先进的技术不仅可以提高软件开发和维护的效率，而且可以提高软件产品的质量。1.3.1软件工程的定义和原理45结果应能清楚地审查

软件产品不同于一般的物理产品，它是看不见摸不着的逻辑产品。软件开发人员（或开发小组）的工作进展情况可见性差，难以准确度量，从而使得软件产品的开发过程比一般产品的开发过程更难于评价和管理。为了提高软件开发过程的可见性，更好地进行管理，应该根据软件开发项目的总目标及完成期限，规定开发组织的责任和产品标准，从而使得所得到的结果能够清楚地审查。1.3.1软件工程的定义和原理46开发小组的人员应该少而精

软件开发小组的组成人员的素质应该好，而人数则不宜过多。开发小组人员的素质和数量，是影响软件产品质量和开发效率的重要因素。素质高的人员的开发效率比素质低的人员的开发效率可能高几倍至几十倍，而且素质高的人员所开发的软件中的错误明显少于素质低的人员所开发的软件中的错误。此外，随着开发小组人员数目的增加，因为交流情况讨论问题而造成通信开销也急剧增加。1.3.1软件工程的定义和原理47承认不断改进软件工程实践的必要性Boehm提出应把承认不断改进软件工程实践的必要性作为软件工程的第七条基本原理。按照这条原理，不仅要积极主动地采纳新的软件技术，而且要注意不断总结经验。例如，收集进度和资源耗费数据，收集出错类型和问题报告数据等。这些数据不仅可以用来评价新的软件技术的效果，而且可以用来指明必须着重开发的软件工具和应该优先研究的技术。1.3.1软件工程的定义和原理481.3.2软件工程的目标

组织实施软件工程项目，从技术上和管理上采取了多项措施以后，最终希望得到项目的成功。成功指的是达到以下几个主要的目标：付出较低的开发成本；达到要求的软件功能；取得较好的软件性能；开发的软件易于移植；需要较低的维护费用；能按时完成开发工作，及时交付使用。。49501.3.3软件工程的原则

软件工程的目的是提高软件生产率，提高软件质量，降低软件成本。为了达到这个目的，在软件的开发过程中必须遵循以下软件工程原则。抽象

抽象事物最基本的特征和行为，