软件设计的目标和任务软件设计基础模块独立性结构化设计方.ppt

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1、软件设计的目标和任务软件设计基础模块独立性结构化设计方法数据设计和文件设计过程设计,软件概要设计,软件设计的目标和任务,根据软件需求进行 数据设计 系统结构设计 过程设计。,数据设计侧重于数据结构的定义。系统结构设计定义软件系统各主要成份之间的关系。过程设计则是把结构成份转换成软件的过程性描述。,开发阶段的信息流,程序模块,测试,编码,设计,信息域需求,功能与性能需求,数据设计,过程设计,系统结构设计,组装好的有效的软件,软件设计是后续开发步骤及软件维护工作的基础。如果没有设计，只能建立一个不稳定的系统结构,软件设计任务,从工程管理的角度来看，软件设计分两步完成。 概要设计，将软件需求转化为数

2、据结构和软件的系统结构。 详细设计，即过程设计。通过对结构表示进行细化，得到软件的详细的数据结构和算法。,概要软件设计过程,1. 制定规范在进入软件开发阶段之初，首先应为软件开发组制定在设计时应该共同遵守的标准，以便协调组内各成员的工作。,2. 软件结构的设计,基于功能层次结构建立系统。 采用某种设计方法，将系统按功能划分成模块的层次结构 确定每个模块的功能确定模块间的调用关系 确定模块间的接口 评估模块划分的质量,3. 数据结构设计,确定数据库的模式、子模式，进行数据完整性和安全性的设计确定输入，输出文件的详细的数据结构,4.可靠性设计,可靠性设计也叫做质量设计在运行过程中，为了适应环境的变

3、化和用户新的要求，需经常对软件进行改造和修正。在软件开发的一开始就要确定软件可靠性和其它质量指标，考虑相应措施，以使得软件易于修改和易于维护。,5.编写概要设计阶段的文档,概要设计阶段完成时应编写以下文档： 概要设计说明书 数据库设计说明书 用户手册 制定初步的测试计划,6.概要设计评审,可追溯性：确认该设计是否复盖了所有已确定的软件需求，软件每一成份是否可追溯到某一项需求接口：确认该软件的内部接口与外部接口是否已经明确定义。模块是否满足高内聚和低耦合的要求。模块作用范围是否在其控制范围之内风险：确认该设计在现有技术条件下和预算范围内是否能按时实现,实用性：确认该设计对于需求的解决方案是否实用

4、技术清晰度：确认该设计是否以一种易于翻译成代码的形式表达可维护性：确认该设计是否考虑了方便未来的维护质量：确认该设计是否表现出良好的质量特征,各种选择方案：看是否考虑过其它方案，比较各种选择方案的标准是什么限制：评估对该软件的限制是否现实，是否与需求一致其它具体问题：对于文档、可测试性、设计过程.等进行评估,软件设计基础,自顶向下，逐步细化 软件结构 结构图 模块化 抽象化 信息隐蔽,自顶向下，逐步细化,将软件的体系结构按自顶向下方式，对各个层次的过程细节和数据细节逐层细化，直到用程序设计语言的语句能够实现为止，从而最后确立整个的体系结构。,软件结构,软件结构包括两部分。程序的模块结构和数据的

5、结构软件的体系结构通过一个划分过程来完成。该划分过程从需求分析确立的目标系统的模型出发，对整个问题进行分割，使其每个部分用一个或几个软件成份加以解决，整个问题就解决了,结构图,结构图反映程序中模块之间的层次调用关系和联系：它以特定的符号表示模块、模块间的调用关系和模块间信息的传递, 模块：模块用矩形框表示，并用模块的名字标记它。,结构图的基本元素, 模块的调用关系：模块之间用单向箭头联结，箭头从调用模块指向被调用模块。,在模块A的箭头尾部标以一个菱形符号，表示模块A有条件地调用另一个模块B。当一个在调用箭头尾部标以一个弧形符号，表示模块A反复调用模块C和模块D。, 模块间的信息传递：当一个模块

6、调用另一个模块时，调用模块把数据或控制信息传送给被调用模块，以使被调用模块能够运行。而被调用模块在执行过程中又把它产生的数据或控制信息回送给调用模块,结构图的形态,模块化,软件系统的模块化是指整个软件被划分成若干单独命名和可编址的部分，称之为模块。这些模块可以被组装起来以满足整个问题的需求。把问题子问题的分解与软件开发中的系统子系统或系统模块对应起来，就能够把一个大而复杂的软件系统划分成易于理解的比较单纯的模块结构。,模块化是为了使一个复杂的大型程序能被人的智力所管理。 设函数C(x)定义问题x的复杂程度，函数E(x)确定解决问题x需要的工作量(时间)。 对于两个问题P1和P2，如果C(P1)

7、C(P2)，显然E(P1)E(P2) 根据人类解决一般问题的经验，另一个有趣的规律是C(P1+P2)C(P1)+C(P2) 综上所述，有下面的不等式E(P1+P2)E(P1)+E(P2),模块化和软件成本,抽象,抽象就是抽出事物的本质特性而暂时不考虑它们的细节软件系统进行模块设计时，可有不同的抽象层次。在最高的抽象层次上，可以使用问题所处环境的语言概括地描述问题的解法。在较低的抽象层次上，则采用过程化的方法。,(1) 过程的抽象在软件工程中，从系统定义到实现，每进展一步都可以看做是对软件解决方法的抽象化过程的一次细化。 在软件需求分析阶段，用“问题所处环境的为大家所熟悉的术语”来描述软件的解决

8、方法。 在从概要设计到详细设计的过程中，抽象化的层次逐次降低。当产生源程序时到达最低抽象层次。,(2) 数据抽象在不同层次上描述数据对象的细节，定义与该数据对象相关的操作。,信息隐蔽,由 parnas 方法提倡的信息隐蔽是指，每个模块的实现细节对于其它模块来说是隐蔽的。也就是说，模块中所包含的信息（包括数据和过程）不允许其它不需要这些信息的模块使用。,模块的独立性,模块（Module）“模块”，又称“组件”。它一般具有如下三个基本属性:功能：描述该模块实现什么功能逻辑：描述模块内部怎么做状态：该模块使用时的环境和条件,在描述一个模块时，还必须按模块的外部特性与内部特性分别描述模块的外部特性 模

9、块的模块名、参数表、其中的输入参数和输出参数，以及给程序以至整个系统造成的影响模块的内部特性 完成其功能的程序代码和仅供该模块内部使用的数据,模块独立性 模块独立性, 是指软件系统中每个模块只涉及软件要求的具体的子功能, 而和软件系统中其它的模块的接口是简单的一般采用两个准则度量模块独立性。即模块间耦合和模块内聚,耦合是模块之间的互相连接的紧密程度的度量。 内聚是模块功能强度(一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程度)的度量。 模块独立性比较强的模块应是高内聚低耦合的模块。,模块间的耦合,非直接耦合(Nondirect Coupling) 两个模块之间没有直接关系，它们之间的联系完全是通过主模块

10、的控制和调用来实现的。非直接耦合的模块独立性最强。,数据耦合 (Data Coupling)一个模块访问另一个模块时，彼此之间是通过简单数据参数 (不是控制参数、公共数据结构或外部变量) 来交换输入、输出信息的。标记耦合 (Stamp Coupling)一组模块通过参数表传递记录信息，就是标记耦合。这个记录是某一数据结构的子结构，而不是简单变量。,控制耦合 (Control Coupling) 如果一个模块通过传送开关、标志、名字等控制信息，明显地控制选择另一模块的功能，就是控制耦合。,外部耦合（External Coupling）一组模块都访问同一全局简单变量而不是同一全局数据结构，而且不是

11、通过参数表传递该全局变量的信息，则称之为外部耦合。公共耦合（Common Coupling）若一组模块都访问同一个公共数据环境，则它们之间的耦合就称为公共耦合。公共的数据环境可以是全局数据结构、共享的通信区、内存的公共覆盖区等。,公共耦合的复杂程度随耦合模块的个数增加而显著增加。若只是两模块间有公共数据环境，则公共耦合有两种情况。松散公共耦合和紧密公共耦合。,内容耦合 (Content Coupling)如果发生下列情形，两个模块之间就发生了内容耦合 (1) 一个模块直接访问另一个模块的内部数据; (2) 一个模块不通过正常入口转到另一模块内部; (3) 两个模块有一部分程序代码重迭(只可能出

12、现在汇编语言中); (4) 一个模块有多个入口。,c,内聚,功能内聚10分高顺序内聚9分通信内聚7分过程内聚5分时间内聚3分逻辑内聚1分偶然内聚0分 低,功能内聚 (Functional Cohesion)一个模块中各个部分都是完成某一具体功能必不可少的组成部分，或者说该模块中所有部分都是为了完成一项具体功能而协同工作，紧密联系，不可分割的。则称该模块为功能内聚模块。,顺序内聚 (Seguential Cohesion) 这种模块完成多个功能，各个功能顺序执行，一项功能输出是另一功能的输入,通信内聚 (Communication Cohesion)如果一个模块内各功能部分都使用了相同的输入数据

13、，或产生了相同的输出数据，则称之为通信内聚模块。通常，通信内聚模块是通过数据流图来定义的。,过程内聚 （Procedural Cohesion） 使用流程图做为工具设计程序时，把流程图中的某一部分划出组成模块，就得到过程内聚模块。例如，把流程图中的循环部分、判定部分、计算部分分成三个模块，这三个模块都是过程内聚模块。,时间内聚 （Classical Cohesion）时间内聚又称为经典内聚。这种模块大多为多功能模块，但模块的各个功能的执行与时间有关，通常要求所有功能必须在同一时间段内执行。例如初始化模块和终止模块。,逻辑内聚（Logical Cohesion）这种模块把几种 相关的功能组合 在

14、一起，每次被 调用时，由传送 给模块的判定参 数来确定该模块 应执行哪一种功 能。,巧合内聚（Coincidental Cohesion） 巧合内聚 (偶然内聚)。当模块内各部分之间没有联系，或者即使有联系，这种联 系也很松散， 则称这种模 块为巧合内 聚模块，它 是内聚程度 最低的模块。,启发规则,1. 改进软件结构提高模块独立性 设计出软件的初步结构以后，应该审查分析这个结构，通过模块分解或合并，力求降低耦合提高内聚。2. 模块规模应该适中 经验表明，一个模块的规模不应过大，最好能写在一页纸内(通常不超过60行语句)。有人从心理学角度研究得知，当一个模块包含的语句数超过30以后，模块的可理

15、解程度迅速下降。,3. 深度、宽度、扇出和扇入都应适当,深度表示软件结构中控制的层数，如果层数过多则应该考虑是否有许多管理模块过分简单了，能否适当合并。宽度是软件结构内同一个层次上的模块总数的最大值。一般说来，宽度越大系统越复杂。扇出是一个模块直接控制(调用)的模块数目，扇出过大意味着模块过分复杂，需要控制和协调过多的下级模块；扇出过小(例如总是1)也不好。经验表明，一个设计得好的典型系统的平均扇出通常是3或4(扇出的上限通常是59)。扇出太大一般是因为缺乏中间层次，应该适当增加中间层次的控制模块。扇出太小时可以把下级模块进一步分解成若干个子功能模块，,4. 模块的作用域应该在控制域之内,模块

16、的作用域定义为受该模块内一个判定影响的所有模块的集合。模块的控制域是这个模块本身以及所有直接或间接从属于它的模块的集合。在一个设计得很好的系统中，所有受判定影响的模块应该都从属于做出判定的那个模块。,5. 力争降低模块接口的复杂程度模块接口复杂是软件发生错误的一个主要原因。应该仔细设计模块接口，使得信息传递简单并且和模块的功能一致。6. 设计单入口单出口的模块这条启发式规则警告软件工程师不要使模块间出现内容耦合。当从顶部进入模块并且从底部退出来时，软件是比较容易理解的，因此也是比较容易维护的。,7. 模块功能应该可以预测如果一个模块可以当做一个黑盒子，也就是说，只要输入的数据相同就产生同样的输

17、出，这个模块的功能就是可以预测的。带有内部“存储器”的模块的功能可能是不可预测的，因为它的输出可能取决于内部存储器(例如某个标记)的状态。由于内部存储器对于上级模块而言是不可见的，所以这样的模块既不易理解又难于测试和维护。,结构化设计,结构化设计是给出设计软件结构的一个系统化的途径。结构化设计方法定义了一些不同的“映射”，利用这些映射可以把数据流图变换成软件结构。所以结构化设计方法(简称SD方法)，也就是基于数据流的设计方法。因为任何软件系统都可以用数据流图表示，所以结构化设计方法理论上可以设计任何软件的结构。,两种类型的信息流,1. 变换流 信息沿输入通路进入系统，同时由外部形式变换成内部形

18、式，进入系统的信息通过变换中心，经加工处理以后再沿输出通路变换成外部形式离开软件系统。当数据流图具有这些特征时，这种信息流就叫作变换流。,变换流图示,事务流,当数据流图是“以事务为中心的”，也就是说，数据沿输入通路到达一个处理T，这个处理根据输入数据的类型在若干个动作序列中选出一个来执行。这类数据流应该划为一类特殊的数据流，称为事务流。处理T称为事务中心，它完成下述任务：(1) 接收输入数据(输入数据又称为事务)；(2) 分析每个事务以确定它的类型；(3) 根据事务类型选取一条活动通路。,事务流,变换型系统结构图,变换型数据处理问题的工作过程大致分为三步，即取得数据，变换数据和给出数据。相应于

19、取得数据、变换数据、给出数据，变换型系统结构图由输入、中心变换和输出等三部分组成。,事务型系统结构图,它接受一项事务，根据事务处理的特点和性质，选择分派一个适当的处理单元，然后给出结果。在事务型系统结构图中，事务中心模块按所接受的事务的类型，选择某一事务处理模块执行。各事务处理模块并列。每个事务处理模块可能要调用若干个操作模块，而操作模块又可能调用若干个细节模块。,变换分析,变换分析方法由以下四步组成： 重画数据流图； 区分有效(逻辑)输入、有效(逻辑)输出和中心变换部分； 进行一级分解，设计上层模块； 进行二级分解，设计输入、输出和中心变换部分的中、下层模块。,事务分析,在很多软件应用中，存

20、在某种作业数据流，它可以引发一个或多个处理，这些处理能够完成该作业要求的功能。这种数据流就叫做事务。与变换分析一样，事务分析也是从分析数据流图开始，自顶向下，逐步分解，建立系统到结构图。,事务分析过程, 识别事务中心利用数据流图和数据词典，从问题定义和需求分析的结果中，找出各种需要处理的事务。通常，事务来自物理输入装置。有时，设计人员还必须区别系统的输入、中心加工和输出中产生的事务。, 设计系统的顶层和第一层 设计中下层 优化,变换分析是软件系统结构设计的主方法。一般，一个大型的软件系统是变换结构和事务型结构的混合结构。所以我们通常利用以变换分析为主，事务分析为辅的方式进行软件结构设计。,软件

21、模块结构的改进,模块功能的完善化一个完整的模块应当有以下几部分： 执行规定的功能的部分； 出错处理的部分。当模块不能完成规定的功能时，必须回送出错标志，出现例外情况的原因。 如果需要返回数据给它的调用者，在完成数据加工或结束时， 应当给它的调用者返回一个状态码。,消除重复功能，改善软件结构 完全相似：在结构上完全相似，可能只是在数据类型上不一致。此时可以采取完全合并的方法。 局部相似：找出其相同部分，分离出去，重新定义成一个独立的下一层模块。还可以与它的上级模块合并。,模块的作用范围应在控制范围之内模块的控制范围包括它本身及其所有的从属模块。 模块的作用范围是指模块内一个判定的作用范围，凡是受

22、这个判定影响的所有模块都属于这个判定的作用范围。 如果一个判定的作用范围包含在这个判定所在模块的控制范围之内，则这种结构是简单的，否则，它的结构是不简单的。,尽可能减少高扇出结构，随着深度增大扇入。如果一个模块的扇出数过大，就意味着该模块过分复杂，需要协调和控制过多的下属模块。应当适当增加中间层次的控制模块。,避免或减少使用病态联接应限制使用如下三种病态联接： 直接病态联接 即模块A直接从模块B内部取出某些数据，或者把某些数据直接送到模块B内部。, 公共数据域病态联接 模块A和模块B通过公共数据域，直接传送或接受数据，而不是通过它们的上级模块。这种方式将使得模块间的耦合程度剧增。它不仅影响模块

23、和模块，而且影响与公共数据域有关联的所有模块。,模块的大小要适中模块的大小，可以用模块中所含语句的数量的多少来衡量。把模块的大小限制在一定的范围之内。通常规定其语句行数在50100左右，保持在一页纸之内，最多不超过500行。,设计功能可预测的模块，但要避免过分受限制的模块 一个功能可预测的模块，不论内部处理细节如何，但对相同的输入数据，总能产生同样的结果。但是，如果模块内部蕴藏有一些特殊的鲜为人知的功能时，这个模块就可能是不可预测的。对于这种模块，如果调用者不小心使用，其结果将不可预测。,设计的后处理,为每一个模块写一份处理说明为每一个模块提供一份接口说明确定全局数据结构和局部数据结构指出所有的设计约束和限制进行概要设计的评审进行设计的优化(如果需要和可能的话),