软件工程-第3章第2节

3.2软件设计的基本原理3.2.1模块化

在软件的体系结构中，模块是可组合、分解和更换的单元。模块具有以下几种基本属性：(1)接口：指模块的输入与输出。(2)功能：指模块实现什么功能。(3)逻辑：描述内部如何实现要求的功能及所需的数据。(4)状态：指该模块的运行环境，即模块的调用与被调用关系。功能、状态与接口反映模块的外部特性，逻辑反映它的内部特性。3.2.1模块化

模块化是指解决一个复杂问题时自顶向下逐层把软件系统划分成若干模块的过程。每个模块完成一个特定的子功能，所有的模块按某种方法组装起来，成为一个整体，完成整个系统所要求的功能。

在面向对象设计中，模块和模块化的概念将进一步扩充(详见第11、12章)。模块化是软件解决复杂问题所具备的手段，为了说明这一点，可将问题的复杂性和工作量的关系进行推理。3.2.1模块化

设问题x，表示它的复杂性函数为C(x)，解决它所需的工作量函数为E(x)。对于问题P1和P2，如果C(P1) > C(P2)

即P1比P2复杂，那么E(P1) > E(P2)

即问题越复杂，所需要的工作量越大。

根据解决一般问题的经验，有如下规律：C(P1 + P2) > C(P1) + C(P2)

即一个问题由两个问题组合而成的复杂度大于分别考虑每个问题的复杂度之和。这样，可以推出：E(P1+P2)＞E(P1)+E(P2)3.2.1模块化

由此可知，开发一个大而复杂的软件系统，将它进行适当的分解。这样不但可降低其复杂性，还可减少开发工作量，从而降低开发成本，提高软件生产率，这就是模块化的依据。但是否将系统无限制分割，使最后开发软件的工作量趋于零?事实上，模块划分的越多，块内的工作量诬蔑不减少，但模块之间接口的工作量增加了，如图3.1所示。从图中可以看出，存在着一个使软件开发成本在最小区域的模块数M，虽然目前还不能确定M的准确数值，但在划分模块时，应避免数目过多或过少，一个模块的规模应当取决于它的功能和用途。同时，应减少接口的代价，提高模块的独立性。

通过抽象，可以确定组成软件的过程实体。通过信息隐蔽，可以定义和实施对模块的过程细节和局部数据结构的存取限制。所谓信息隐蔽，是指在设计和确定模块时，使得一个模块内包含的信息(过程或数据)，对于不需要这些信息的其他模块来说，是不能访问的；“隐蔽”的意思是，有效的模块化通过定义一组相互独立的模块来实现，这些独立的模块彼此之间仅仅交换那些为了完成系统功能所必需的信息，而将那些自身的实现细节与数据“隐藏”起来。3.2.3信息隐蔽3.2.3信息隐蔽

一个软件系统在整个生存期中要经过多次修改，信息隐蔽为软件系统的修改、测试及以后的维护都带来好处。因此，在划分模块时要采取措施，如采用局部数据结构，使得大多数过程(即实现细节)和数据对软件的其他部分是隐藏的，这样，修改软件时偶然引入的错误所造成的影响只局限在一个或少量几个模块内部，不波及其他部分。3.2.4模块独立性

模块独立性概念是模块化、抽象及信息隐蔽这些软件工程基本原理的直接产物。只有符合和遵守这些原则才能得到高度独立的模块。良好的模块独立性能使开发的软件具有较高的质量。由于模块独立性强，信息隐藏性能好，并完成独立的功能，且它的可理解性、可维护性及可测试性好，必然导致软件的可靠性高。3.2.4模块独立性

如何衡量软件的独立性呢?根据模块的外部特征和内部特征，提出了两个定性的度量标准——耦合性和内聚性。1．耦合性(Coupling)

耦合性也称块间联系，指软件系统结构中各模块间相互联系紧密程度的一种度量。模块之间联系越紧密，其耦合性就越强，模块的独立性则越差。模块间耦合高低取决于模块间接口的复杂性、调用的方式及传递的信息。模块的耦合性类型及相益关系紧密程度如下图所示：3.2.4模块独立性(1)无直接耦合：指两个模块之间没有直接的关系，它们分别从属于不同模块的控制与调用，它们之间不传递任何信息。因此，模块间的这种耦合性最弱，模块独立性最高。(2)数据耦合：指两个模块之间有调用关系，传递的是简单的数据值，相当于高级语言中的值传递。这种耦合耦合程度较低，模块的独立性较高。(3)标记耦合：指两个模块之间传递的是数据结构，如高级语言中的数组名、记录名和文件名等这些名字即为标记，其实传递的是这个数据结构的地址。两个模块必须清楚这些数据结构，并按要求对其进行操作，这样降低了可理解性。可采用“信息隐蔽”的方法，把该数据结构以及在其上的操作全部集中在一个模块，就可消除这种耦合，但有时因为还有其他功能的缘故，标记耦合是不可避免的。3.2.4模块独立性(4)控制耦合：指一个模块调用另一个模块时，传递的是控制变量(如开关、标志等)，被调模块通过该控制变量的值有选择地执行块内某一功能。因此被调模块内应具有多个功能，哪个功能起作用受其调用模块的控制。控制耦合增加了理解与编程及修改的复杂性，调用模块必须知道被调模块内部的逻辑关系，即被调模块处理细节不能“信息隐藏”，降低了模块的独立性。在大多数情况下，模块间的控制耦合并不是必需的，可以将被调模块内的判定上移到调用模块中去，同时将被调模块按其功能分解为若干单一功能的模块，将控制耦合改变为数据耦合。3.2.4模块独立性

(5)公共耦合：

指通过一个公共数据环境相互作用的那些模块间的耦合。公共数据环境可以是全程变量或数据结构、共享的通信区、内存的公共覆盖区及任何存储介质上的文件和物理设备等(也有将共享外部设备分类为外部耦合的)。

公共耦合的复杂程度随耦合模块的个数增加而增加。如果

只在两个模块之间有公共数据环境，那么这种公共耦合就有两种情况：①一个模块只是给公共数据环境送数据，另一个模块只是从公共环境中取数据，这只是数据耦合的一种形式，是比较松散的公共耦合。3.2.4模块独立性②两个模块都既往公共数据环境中送数据，又从里面取数据，这是紧密的公共耦合。如果在模块之间共享的数据很多，且通过参数传递很不方便时，才使用公共耦合，因为公共耦合会引起以下问题：①耦合的复杂程度随模块的个数增加而增加，无法控制各个模块对公共数据的存取。若某个模块有错，可通过公共区将错误延伸到其他模块，这样会影响到软件的可靠性。②使软件的可维护性变差。若某一模块修改了公共区的数据，则会影响到与此有关的所有模块。③降低了软件的可理解性。因为各个模块使用公共区的数据，使用方式往往是隐含的，某些数据被哪些模块共享，不易很快搞清。3.2.4模块独立性(6)内容耦合：

这是最高程度的耦合，也是最差的耦合。当一个模块直接使用另一个模块的内部数据，或通过非正常入口而转入另一个模块内部时，这种模块之间的耦合便为内容耦合。这种情况往往出现在汇编程序设计中。3.2.4模块独立性为了降低模块间的耦合度，可采取以下几点措施：(1)在耦合方式上降低模块间接口的复杂性。模块间接口的复杂性包括模块的接口方式、接口信息的结构和数量。接口方式不采用直接引用(内容耦合)，而采用调用方式(如过程语句调用方式)。接口信息通过参数传递且传递信息的结构尽量简单，不用复杂参数结构(如过程、指针等类型参数)，参数的个数也不宜太多，如果很多，可考虑模块的功能是否庞大复杂。(2)在传递信息类型上尽量使用数据耦合，避免控制耦合，慎用或有控制地使用公共耦合。这只是原则，耦合类型的选择要根据实际情况综合地考虑。2．内聚性(Cohesion)

内聚性也称块内联系，指模块的功能强度的度量，即一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程度的度量。若一个模块内各元素(语句之间、程序段之间)联系的越紧密，则它的内聚性就越高。内聚性的分类及其联系紧密度如下图所示：2．内聚性(Cohesion)(1)偶然内聚：指一个模块内的各处理元素之间没有任何联系。例如，有一些无联系的处理序列在程序中多次出现或在几个模块中都出现，如：ReaddiskFile;Calculatecurrentvalues;Produceuseroutput;…为了节省存储，把它们抽出来组成一个新的模块，这个模块就属于偶然内聚。这样的模块不易理解也不易修改，这是最差的内聚情况。2．内聚性(Cohesion)(2)逻辑内聚：指模块内执行几个逻辑上相似的功能，通过参数确定该模块完成哪一个功能。如产生各种类型错误的信息输出放在一个模块上，或从不同设备上的输入放在一个模块上，这是一个单入口多功能模块。这种模块内聚程度有所提高，各部分之间在功能上有相互关系，但不易修改；当某个调用模块要求修改此模块公用代码时，而另一些调用模块又不要求修改。另外，调用时需要进行控制参数的传递，造成模块间的控制耦合，调用此模块时，不用的部分也占据了主存，降低了系统效率。2．内聚性(Cohesion)(3)时间内聚：把需要同时执行的动作组合在一起形成的模块为时间内聚模块。如初始化一组变量，同时打开若干文件，同时关闭文件等，都与特定时间有关。时间内聚比逻辑内聚程度高一些，因为时间内聚模块中的各部分都要在同一时间内完成。但是由于这样的模块往往与其他模块联系的比较紧密，如初始化模块对许多模块的运行有影响，因此和其他模块耦合的程度较高。2．内聚性(Cohesion)(4)通信内聚：指模块内所有处理元素都在同一个数据结构上操作(有时称之为信息内聚)，或者指各处理使用相同的输入数据或者产生相同的输出数据。如一个模块完成“建表”、“查表”两部分功能，都使用同一数据结构——名字表。又如一个模块完成生产日报表、周报表和月报表，都使用同一数据——日产量。

通信内聚的模块各部分都紧密相关于同一数据(或者数据结构)，所以内聚性要高于前几种类型。同时，可把某一数据结构、文件及设备等操作都放在一个模块内，实现信息隐藏。2．内聚性(Cohesion)(5)顺序内聚：指一个模块中各个处理元素都密切相关于同一功能且必须顺序执行，前一功能元素的输出就是下一功能元