软件工程讲义

课程概述一、软件工程学科介绍二、学习目的三、部分参考资料四、课程特点和学习的注意事项五、教材简介六、课程考核方式一、软件工程学科介绍软件程学科发展历史三个阶段：概念提出、学科雏形、学科确立第一阶段：概念提出1968年NATO会议(北大西洋公约组织的计算机科学家的国际会议）提出“软件工程”概念。当时对“软件工程”代表性定义：为了经济地获得在真实机器上可靠工作的软件而制定和使用的合理工程原则和方法。1972年IEEE学会的计算机分会IEEE一CS第一次出版了“软件工程学报”第二阶段：学科雏形上世纪70年代末，美国将软件工程教程列入研究生教育计划。1980年代末和1990年代初，软件工程教育得到卡内基一梅隆大学软件工程研究所（CMU/SEI）的支持。1991年，“软件工程”被ACM（美国计算机协会）和IEEE/CS列为计算学科的九个知识领域之一。1993年，IEEE一CS和ACM为了把软件工程建设成为一个专业，建立了IEEE一CS/ACM联合指导委员会。第三阶段：学科确立2023年8月，IEEE一CS和ACM给出：软件工程知识体（SWEBOK,SoftwareEngineeringBodyofKnowledge)软件工程教育知识体（SEEK)最终版，标志着软件工程学科在世界范围正式确立。软件工程、计算机科学、计算机工程、信息系统、信息技术并列成为计算学科下的独立学科。软件工程知识体（SWEBOK)：全面描述了软件工程实践所需的知识。SWEBOK（软件工程知识体》10个领域软件需求软件设计软件构造软件测试软件维护软件配置管理软件工程管理软件工程过程软件工程工具和方法软件质量SWEBOK具体结构（1）软件工程与其他学科的关系1、软件工程是计算学科9个领域之一．算法和数据结构计算机系统结构人工智能和机器人学数据库和信息检索人一机交互操作系统程序设计语言软件方法学和软件工程数字和符号计算计算学科中12个反复出现的基本概念绑定．概念和形式模型效率抽象层次准时间排序安全性大问题的复杂性一致性和完备性演化按空间排序重用折衷与决策2、8个相关学科知识域计算机工程计算机科学数学管理学项目管理质量管理系统工程学软件人类工程学其中：计算机科学、数学是基础工程学科、管理学科也非常重要软件程是一门什么样的学科？它是指导计算机软件开发与维护的一门工程学科。工程：将科学及数学原理运用于实际用途的应用手段，如：设计、制造、机器操纵、构架等。典型的传统工程：建筑工程、机械工程、电力工程等。概括的说，软件工程即用工程、科学和数学的原则和方法研制、维护计算机软件的有关技术及方法，其优点是以较小的代价开发高质量的软件并有效地维护它。二、学习目的(1)掌握软件工程的基础知识和理论，对软件工程学有一个全貌的了解；熟悉软件项目开发和维护的一般过程；纯熟掌握软件需求分析、设计、编码和测试等阶段的重要思想和技术方法；二、学习目的(2)通过学习，特别是通过课程设计，真正运用和深刻体会软件工程的思想方法，转变对软件开发的结识：从个人的单纯编程活动转移到进行系统分析与设计方面上来转变思维定式：程序员―系统工程师（系统分析员）三、部分参考资料《软件工程理论与实践》许家冶等编著，高等教育出版社，2023年《软件工程》（第二版），齐治昌等，高等教育出版社，2023年《面向对象的系统分析》，杨芙清等编著，清华大学出版社，2023年《UML用户指南》GBooch等著，邵维忠等译，机械工业出版社2023年四、课程特点和学习的注肯事项1、知易行难要将理论知识与实践运用结合，进行对照，以加深理解和掌握。2、内容纷杂软件工程涉及计算机科学、数学、工程科学和管理科学等多个领域。其中：计算机科学和数学用于构造模型与算法；工程科学用于制定规范、设计范型、评估成本及拟定权衡管理科学用于计划、资源、质量和成本的管理。五、教材总目录第1章软件工程学概述第2章可行性研究第3章需求分析第4章形式化说明技术第5章总体设计第6章具体设计第7章实现第8章维护第9章面向对象方法学引论第10章面向对象分析第11章面向对象设计第12章面向对象实现第13章软件项目管理附录AC+＋类库管理系统分析与设计附录B汉字行编辑程序设计课程内容学时安排章节课程内容学时l软件工程学概述42可行性研究43需求分析45总体设计66具体设计47实现8章节课程内容学时8软件维护29面向对象方法学引论410面向对象分析211面向对象设计212面向对象实现213软件项目管理614总结2六、课程考核方式分数组成：平时成绩（10%)：以理论课课堂表现为主。作业（30%)：书面作业期末考试（60%)：第1章软件工程学概述学习重点1、软件危机、软件工程产生的因素2、软件工程过程和软件生命周期3、软件生命周期模型掌握几个基本概念软件危机软件工程软件过程软件生命周期软件生命周期模型软件危机与软件工程学软件工程学的产生要从“软件危机”说起1968年，第一届NAT0（北大西洋公约组织的计算机科学家的国际会议）会议，“软件工程”的慨念作为一种有效解决“软件危机”的途径被正式提出。什么是软件危机？软件危机有什么典型表现？为什么会产生软件危机？怎么解决软件危机？§1软件危机§1.1.1软件危机介绍什么是软件危机？软件危机指在计算机软件的开发和维护过程中，所碰到的一系列严重问题。软件危机重要涉及的问题（两方面）:①如何开发软件②如何维护软件软件危机有什么典型表现？（1）开发费用和进度难以估算和控制，大大超过预期的资金和规定日期；软件需求分析不够充足，用户不满意“已经完毕”的软件系统。软件质量难于保证；软件维护困难；难以改正程序中的错误；难以根据用户的需要在原有程序中增长一些新的功能。软件危机有什么典型表现？通常没有保存适当的文档资料。文档的作用：软件开发管理人员：用于管理和评价软件开发工程的进展状况软件开发人员：用于开发人员对各个阶段的工作都进行周密思考、全盘权衡、从而减少返工。并且可在开发初期发现错误和不一致性，便于及时加以纠正软件维护人员:软件维护的依据开发成本逐年上升，软件开发生产率提高的速度，远远跟不上计算机应用迅速普及进一步的趋势。几个软件危机的著名案例①1966年，IBM360机的操作系统。花费5000人一年的工作量，写了近1万行代码。错误百出，每次的新版本就是从前一版本中找1000个程序错误而修正的结果。②1963年，美国用于控制火星探测器的计算机软件中的一个“,”号被误写为“.”，而致使飞往火星的探测器发生爆炸，导致高达数亿美元的损失。③美国丹佛新国际机场自动化行李系统软件。投资1.93亿美元，计划1993年万圣节启用。但开发人员一直为系统错误困扰，屡次推后启用时间，直到1994年6月，机场计划者认可无法预测何时能启用。④1996年，欧洲阿里亚纳5型运载火箭坠毁，导致5亿美元损失。因素是控制软件中的一个错误。§1.1.2产生软件危机的因素重要两个因素：1、与软件自身的特点有关2、与软件开发与维护的方法不对的有关。一、软件自身的特点（1）软件与硬件、一般程序存在很多不同之处。1、软件与硬件不同抽象性。软件生产没有明显的制造过程，难以衡量开发进展，也难以控制软件质量。问题的隐蔽性。没有硬件的磨损、老化问题，但存在开发初期在分析、设计阶段的错误，修改难度较大。失效率蜘线改正一个问题需付出的代价2、软件与一般程序不同（1）①软件远比一般程序规模庞大，复杂性高软件所反映的实际问题的复杂性程序逻辑结构的复杂性。例1:Windows95,1000万行代码；Windows2023，5000万行代码例2:Exchange2023和windows2023开发人员软件的规模软件产品的特殊性和人类智力的局限性，导致人们无力解决“复杂问题”。2、软件与一般程序不同（2)②大型软件开发既有技术问题，尚有社会问题。社会因素：组织机构、体制、管理方式、观念、人的心理素等。开发团队成员分工合作技术与管理的矛盾软件开发人员对软件应用的领域知识的了解二、软件开发维护方法中存在的问题（1)①对用户需求的获取不对的用户的因素分析人员的因素对分析人员的规定：沟通能力、归纳总结能力、经验越是初期产生的错误，付出的代价越大。图：不同时期引入同一变动的代价二、软件开发维护方法中存在的问题(2)②软件开发就是编写程序。一个完整的软件产品由一整套完整的配置组成，程序只是其中的一个组成部分。软件开发过程涉及多个阶段，每个阶段的产品都是最终的完整的软件产品的一部分。③软件开发只要依靠个别编程高手就能完毕。④轻视软件维护软件维护约占软件费用55一75%，涉及修改软件运营的错误；对软件进行改善和功能扩充。软件维护在软件费用的比例三、其他产生软件危机的因素①软件开发尚未完全摆脱手工艺的开发方式。②软件成本相称昂贵，重要依靠大量复杂的、高强度的脑力劳动③软件的开发和运营经常受到计算机系统的限制，对计算机系统有着不同限度的依赖性。软件的“可移植性”就是指的软件对硬件的依赖限度。好的可移植性依赖少。§1.1.3消除软件危机的途径1、彻底消除“软件就是程序”的错误观念。2、充足结识到软件开发是一种组织良好、管理严密、各类人员协同配合、共同完毕的工程项目，不是个人独立的劳动。3、推广和使用在实践中总结出来的软件开发的成功技术和方法。4、开发和使用更好的软件工具总结：“软件工程”的方法理论是摆脱软件危机的一个重要出路。计算机和软件科学家为解决软件危机问题，尝试将在其它领域中行之有效的工程学知识运用到软件开发工作中来，通过不断实践和总结，最后得出一个结论；按工程化的原则和方法组织软件开发工作是有效的，是摆脱软件危机的一个重要出路。思考题（1)1）只要是编程高手，即使是不懂软件工程，也能编出很好的软件。软件是服务于大众，却是由个性化的开发人员完毕的。假如个性化太强，程序就无法阅读，其别人员也就无法维护。例：国内80年代涌现出来的众多汉字操作系统均是由编程高手完毕的。思考题（2)2）只要拥有一套讲述如何开发软件的书籍，并了解了书中的标准与示例，就可以解决软件开发中碰到的任何问题。软件是用来解决现实问题的，现实问题的特殊性对规范提出了挑战（要进行适应）。软件技术是发展的，没有祖传秘方。就像拥有食谱并不能成为名厨同样，软件开发需要实践。思考题（3)3）只要拥有最佳的开发工具、最佳的计算机，一定能做出优秀的软件。硬件环境只是必要条件，人才是充足条件，软件是人在一定的约束条件下发明出来的。因人因事而异。思考题(4)4）软件开发时，假如进度慢，落后于计划，可以增长更多的程序员来解决。增长人力可以减少开发时间吗？新手！任务的重新划分！沟通更加复杂！必须依靠科学地计划来解决这样的问题。思考题（5）5）争议：假如软件运营较慢，是换一台更快的计算机，还是设计一种更快的算法？软件的性能问题；应用级别→算法的合理性；系统级别→操作系统、数据库系统、系统软件等；硬件级别→机器性能§1.2软件工程§1.2.1软件工程介绍一、“软件工程”的典型定义1）1968年，第一届NATO会议为了经济地获得可靠的且能在实际机器上有效地运营的软件，而建立和使用完善的工程原理。2)IEEE/CS（电气电子工程师协会／计算机科学分会）①1993年，将系统化的、规范的、可度量的方法应用于软件的开发、运营和维护的过程，即将工程化应用于软件中。②对①中提到的各种方法的研究3）其他学者的定义Boehm：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、运营和维护这些程序所必需的相关文献资料。FritzBauer:建立并使用完善的工程化原则，以较经济的手段获得能在实际机器上有效运营的可靠软件的一系列方法所有定义都强调在软件开发过程中，应用工程化原则的重要性几个关于软件工程本质特性和基本原理的问题问题一：软件工程合用范围？问题二：软件工程如何控制系统开发的复杂性的？问题三：以你的经验，举例说明一个成熟的软件通常采用什么方法来适应现实世界的变化的？问题四：假设某软件公司，能为同一个用户开发两个不同层次的软件：一个层次的软件功能非常强大，在满足用户所有需求的基础上，还能提供大大超过用户需求的其他更多更强的功能；另一个层次的软件仅仅能满足用户需求，但没有提供其他额外的功能。请问假如你是项目负责人，你会选择为客户开发那个层次的软件？问题五：协同工作有什么重要性？：如何理解“在软件工程领域中是由具有一种文化背景的人替具有另一种文化背景的人发明产品”这句话？问题六：某软件开发，由于时间和资金都非常紧迫，在需求分析人员非常认真、仔细地做完需求分析之后，说：我们可以保证我们的需求分析对的性，不用花时间检查了，设计人员可以直接拿着这份分析报告，立即开始设计。假如你是项目负责人，你会如何决定？为什么？问题七：在需求分析完毕并获得了用户的肯定，也通过了评审，进入软件设计阶段之后，用户的想法有了改变，提出了一个新的规定，此时假如你是项目负责人，应当如何做？二、软件工程本质特性（2）1）软件工程关注于大型程序的构造。2）软件工程的中心课题是控制复杂性重要考虑：如何分解和集成为什么要分解：G.Miller,“7士2”原则3）软件经常变化4）开发软件的效率非常重要5）和谐地合作是开发软件的关键6）软件必须有效地支持它的用户7）在软件工程领域中是由具有一种文化背景的人替具有另一种文化背景的人发明产品扩展定义：软件=知识＋程序+数据+文档§1.2.2软件工程的基本原理B.W.Boehm,1983年提出：1）用分阶段的生命周期计划严格管理2）坚持进行阶段评审3）实行严格的产品控制基线基线（baseline）控制4）采用现代程序设计技术5）结果应能清楚地审查6）开发小组的人员应当少而精7）认可不断改善软件工程实践的必要性§1.2.3软件工程方法学软件工程涉及“管理”和“技术”两方面内容：管理——对人、财、物的合理使用和配置；技术——指软件开发中采用的方法、工具和过程。什么是软件工程方法学？通常把在软件生命周期全过程中使用的一整套技术方法的集合称为方法学（methodology)，也称为范型（paradigm）。一、软件工程方法学三要素：工具、方法和过程要素一：软件工程过程规定了完毕各项任务的工作环节。要素二：软件工程方法完毕软件开发的各项任务的技术方法，为软件开发提供了“如何做”的技术。如项目计划与估算、软件系统需求分析、数据结构、系统总体结构的设计、算法过程的设计、编码、测试以及维护等。要素三：软件工程工具计算机辅助软件工程CASE(computerAidedsottwareEngineering)，为软件工程方法提供自动或半自动的软件支撑环境。二、软件工程方法学思想两种：1、传统方法学（生命周期方法学或结构化范型）2、面向对象方法1.传统方法学(生命周期方法学或结构化范型）采用结构化技术（结构化分析、结构化设计和结构化实现）来完毕软件开发的各项任务；把软件生命周期划分为若干个阶段，按顺序完毕每个阶段的任务；每个阶段开始和结束都有严格的标准，对任何两个相邻的阶段而言，前一个阶段的结束标准就是后一阶段的开始标准；每一个阶段结束之前都必须进行正式严格的技术审查和管理复审传统方法学的优点：分解任务，分工合作，减少整个软件开发工程的困难；采用科学的管理技术和良好的技术方法对每个阶段成果都进行严格的审查。保证了软件的质量。传统方法学的缺陷：把数据和操作人为地分离成两个独立的部分，增长了软件开发与维护的难度。2、面向对象方法学（OO,Object-oriented)模拟人类习惯的思维方式，使开发软件的方法与过程尽也许接近人类结识世界解决问题的方法与过程，从而使描述问题的问题空间（也称为问题域）与实现解法的解空间（也称为求解域）在结构上尽也许一致。面向对象方法学4要点把对象（object）作为融合了数据及在数据上的操作行为的统一的软件构件。把所有对象都划提成类（class）。按照父类（或称为基类）与子类（或称为派生类）的关系，把若干个相关类组成一个层次结构的系统（也称为类等级）。对象彼此间仅能通过发送消息互相联系。两者区别传统方法学：强调自顶向下顺序地完毕软件开发的各阶段任务。面向对象方法：是积极地多次反复迭代的演化过程3软件生命周期一、什么是软件生命周期（lifecycle）指软件孕育、诞生、成长、成熟、衰亡的生存过程GB一8567中将软件生命周期分为7个阶段：可行性研究和项目开发计划；需求分析；慨要设计；具体设计；编码；测试；维护其他分法，5个阶段：需求定义、设计、编码、测试及维护；需求定义阶段涉及可行性研究和项目开发计划、需求分析；设计阶段涉及慨要设计和具体设计。本教材对软件生命周期的划分1、软件定义时期任务：拟定软件开发工程必须完毕的总目的；拟定工程的可行性；导出实现工程目的应当采用的策略及系统必须完毕的功能；估计完毕该项工程需要的资源和成本，并且制定工程进度表。通常分为问题定义、可行性研究和需求分析三个阶段。软件定义时期的三个阶段①问题定义阶段回答：回答：“要解决的问题是什么？”②可行性研究阶段回答：“对于上一个阶段所拟定的问题有行得通的解决办法吗？③需求分析（RequirementAnalysis）回答“为了解决这个问题，目的系统必须做什么?用正式文档准确地记录对目的系统的需求，这份文档通常称为规格说明书（specification）。2、软件开发时期具体设计和实现前一个时期定义的软件，通常分为四个阶段：①总体设计（概要设计）回答：“概括地说，应当如何实现目的系统？”根据需求分析，设计软件的体系结构；定义结构中的组成模块。②具体设计（模块设计）回答：“应当如何具体地实现这个系统呢？”对每个模块要完毕的工作进行具体的描述，为源程序编写打下基础。编写设计说明书，提交评审。两者统称系统设计。③程序编写（Coding,Programming)：把软件设计转换成计算机可以接受的程序代码。④软件测试（Testing):按规定的各项需求，逐项进行有效性测试，决定已开发的软件是否合格，能否交付用户使用，涉及单元测试和组装测试。两者统称系统实现3、运营维护（软件维护）时期（Running/Maintenance)使软件持久的满足用户的需要。涉及：改正性维护：运营中发现了软件中的错误需要修正。适应性维护：为了适应变化了的软件工作环境，需做适当变更。完善性维护：当用户有新的规定期，应当及时改善软件以满足用户的规定。防止性维护:即修改软件为将来的维护活动预先做准备。几个关干软件生命周期阶段的问题问题一：开发一个软件大约需要多少资金、时间，将获得什么效益一般是在哪个阶段拟定？相对而言，在哪个阶段与用户交流最多？问题二：系统分析员重要工作在哪个时期？程序员重要工作在哪个时期？问题三：软件定义时期的三个阶段，各自回答什么关键问题？问题四：软件开发时期有几个阶段？各自回答什么关键问题？问题五：软件体系结构最早是在哪个阶段决定的？问题六：具体设计与程序编写阶段有什么样的密切联系？问题七：“软件测试是为了验证系统的对的性”这句话对吗？问题八：软件维护有那几种？各有什么功能？§1.4软件过程（SoftwareProcess)1、什么是软件过程为了获得高质量软件所需要完毕的一系列任务的框架，它规定了完毕各项任务的工作环节。ISO9000的定义：使用资源将输入转化为输出的活动所构成的系统。“系统”是互相关联或互相作用的一组要素。过程是软件工程三要素之一。通常用软件生命周期模型来描述。2、什么是软件生命周期模型又称：软件开发模型／软件过程模型／软件工程范型。指软件项目从需求定义直至软件经使用后废弃为止，跨越整个生存周期的系统开发、运作和维护所实行的所有过程、活动和任务的结构框架。常见的有：瀑布模型、演化模型、螺旋模型、喷泉模型、智能模型§1.4.1瀑布模型(waterfallmodel)1970年,由W.Royce提出一、瀑布模型的过程1、传统的瀑布模型从上一阶段接受本阶段的工作对象，作为输入；运用输入，完毕本阶段活动的内容．本阶段的工作成果作为输出传入下一阶段。2瀑布模型—实际的瀑布模型增长了一个评审活动，评审每个阶段完毕的活动，若得到确认，则进行下一阶段的活动；否则返回前一阶段，甚至更前阶段返工；二、瀑布模型特点阶段间具有顺序性和依赖性推迟实现的观点质量保证的观点三、瀑布模型优缺陷优点：可逼迫开发人员采用规范的方法；严格地规定了每个阶段必须提交的文档；规定每个阶段的所有产品都必须通过质量保证小组的仔细验证；缺陷：无法解决软件需求不明确或不准确的问题；也许导致最终开发的产品不能真正满足用户需要。瀑布模型比较适合开发需求明确的软件。§1.4.2快速原型模型1、什么是“原型”?原型是快速实现和运营的初期版本，反映最终系统部分重要特性。常见的原型实例：人机界面；系统重要功能。优点：1、通