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软件工程基本概念

1、软件的相关概念

计算机软件是包括程序、数据及相关文档的完整集合。

软件的特点包括：1）软件是一种逻辑实体，而不是物理实体，具有抽象性[wx1] ；2）软件的生产与硬件不同，它没有明显的制作过程；3）软件在运行、使用期间不存在磨损、老化问题；4）软件的开发、运行对计算机系统具有依赖性，受计算机系统的限制，这导致了软件移植的问题；5）软件复杂性高，成本昂贵；6）软件开发涉及诸多的社会因素[wx2] 。

2、软件危机与软件工程

软件工程源自软件危机。所谓软件危机是泛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。具体的说，在软件开发和维护过程中，软件危机主要表现在：

1）软件需求的增长得不到满足。用户对系统不满意的情况经常发生。

2）软件开发成本和进度无法控制。开发成本超出预算，开发周期大大超过规定日期的情况经常发生。

3）软件质量难以保证。

4）软件不可维护或维护程度非常低。 5）软件的成本不断提高。

6）软件开发生产率的提高跟不上硬件的发展和应用需求的增长。

总之，可以将软件危机可以归结为成本、质量、生产率等问题。

软件工程是应用于计算机软件的定义、开发和维护的一整套方法、工具、文档、实践标准和工序。软件工程的目的就是要建造一个优良的软件系统，它所包含的内容概括为以下两点：

1）软件开发技术，主要有软件开发方法学、软件工具、软件工程环境。

2）软件工程管理，主要有软件管理、软件工程经济学。

软件工程的主要思想是将工程化原则运用到软件开发过程，它包括3个要素：方法、工具和过程。方法是完成软件工程项目的技术手段；工具是支持软件的开发、管理、文档生成；过程支持软件开发的各个环节的控制、管理。

软件工程过程是把输入转化为输出的一组彼此相关的资源和活动。

3、软件生命周期

软件生命周期：软件产品从提出、实现、使用维护到停止使用退役的过程。

软件生命周期分为软件定义、软件开发及软件运行维护三个阶段：

1）软件定义阶段：包括制定计划和需求分析。

制定计划：确定总目标；可行性研究；探讨解决方案；制定开发计划。

需求分析：对待开发软件提出的需求进行分析并给出详细的定义。

2）软件开发阶段：

软件设计：分为概要设计和详细设计两个部分。

软件实现：把软件设计转换成计算机可以接受的程序代码。

软件测试：在设计测试用例的基础上检验软件的各个组成部分。

3）软件运行维护阶段：软件投入运行，并在使用中不断地维护，进行必要的扩充和删改。

*：软件生命周期中所花费最多的阶段是软件运行维护阶段。

4、软件工程的目标和与原则

（1）软件工程目标：在给定成本、进度的前提下，开发出具有有效性、可靠性、可理解性、

可维护性、可重用性、可适应性、可移植性、可追踪性和可互操作性且满足用户需求的产品。

（2）软件工程需要达到的基本目标应是：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，及时交付使用。

（3）软件工程原则：抽象、信息隐蔽、模块化、局部化、确定性、一致性、完备性和可验证性。

1)抽象：抽象是事物最基本的特性和行为，忽略非本质细节，采用分层次抽象，自顶向下，逐层细化的办法控制软件开发过程的复杂性。

2）信息隐蔽：采用封装技术，将程序模块的实现细节隐蔽起来，使模块接口尽量简单。

3）模块化：模块是程序中相对独立的成分，一个独立的编程单位，应有良好的接口定义。模块的大小要适中，模块过大会使模块内部的复杂性增加，不利于模块的理解和修改，也不利于模块的调试和重用；模块太小会导致整个系统表示过于复杂，不利于控制系统的复杂性。

4）局部化：保证模块间具有松散的耦合关系，模块内部有较强的内聚性。

5）确定性：软件开发过程中所有概念的表达应是确定、无歧义且规范的。

6）一致性：程序内外部接口应保持一致，系统规格说明与系统行为应保持一致。

7）完备性：软件系统不丢失任何重要成分，完全实现系统所需的功能。

8）可验证性：应遵循容易检查、测评、评审的原则，以确保系统的正确性。

5、软件开发工具与软件开发环境

(1)软件开发工具

软件开发工具的完善和发展将促使软件开发方法的进步和完善，促进软件开发的高速度和高质量。软件开发工具的发展是从单项工具的开发逐步向集成工具发展的，软件开发工具为软件工程方法提供了自动的或半自动的软件支撑环境。同时，软件开发方法的有效应用也必须得到相应工具的支持，否则方法将难以有效的实施。

（2）软件开发环境

软件开发环境（或称软件工程环境）是全面支持软件开发全过程的软件工具集合。

计算机辅助软件工程（CASE，Computer Aided Software Engineering）将各种软件工具、开发机器和一个存放开发过程信息的中心数据库组合起来，形成软件工程环境。它将极大降低软件开发的技术难度并保证软件开发的质量。

3.2 结构化分析方法

结构化方法的核心和基础是结构化程序设计理论。

1、需求分析

需求分析方法有：1）结构化需求分析方法；2）面向对象的分析方法。

*：需求分析的任务就是导出目标系统的逻辑模型，解决“做什么”的问题。

*：需求分析一般分为需求获取、需求分析、编写需求规格说明书和需求评审四个步骤进行。

2、结构化分析方法

结构化分析方法是结构化程序设计理论在软件需求分析阶段的应用。

结构化分析方法的实质：着眼于数据流，自顶向下，逐层分解，建立系统的处理流程，以数据流图和数据字典为主要工具，建立系统的逻辑模型。

结构化分析的常用工具：1）数据流图（DFD）；2）数据字典（DD）；3）判定树；4）判定表。

数据流图以图形的方式描绘数据在系统中流动和处理的过程，它反映了系统必须完成的逻辑功能，是结构化分析方法中用于表示系统逻辑模型的一种工具。

上图是数据流图的基本图形元素：

加工（转换）：输入数据经加工变换产生输出。

数据流：沿箭头方向传送数据的通道，一般在旁边标注数据流名。

存储文件（数据源）：表示处理过程中存放各种数据的文件。

源，潭：表示系统和环境的接口，属系统之外的实体。

画数据流图的基本步骤：自外向内，自顶向下，逐层细化，完善求精。

下图是一个数据流图的示例：

数据字典：对所有与系统相关的数据元素的一个有组织的列表，以及精确的、严格的定义，使得用户和系统分析员对于输入、输出、存储成分和中间计算结果有共同的理解。

*：数据字典的作用是对数据流图中出现的被命名的图形元素的确切解释。

*：数据字典是结构化分析方法的核心。

3、软件需求规格说明书（SRS）

软件需求规格说明书是需求分析阶段的最后成果，通过建立完整的信息描述、详细的功能和行为描述、性能需求和设计约束的说明、合适的验收标准，给出对目标软件的各种需求。

3.3 结构化设计方法

1、软件设计的基础

*：需求分析主要解决“做什么”的问题，而软件设计主要解决“怎么做”的问题。

从技术观点来看，软件设计包括软件结构设计、数据设计、接口设计、过程设计。

结构设计：定义软件系统各主要部件之间的关系。

数据设计：将分析时创建的模型转化为数据结构的定义。

接口设计：描述软件内部、软件和协作系统之间以及软件与人之间如何通信。

过程设计：把系统结构部件转换成软件的过程性描述。

从工程角度来看，软件设计分两步完成，即概要设计和详细设计。

概要设计：又称结构设计，将软件需求转化为软件体系结构，确定系统级接口、全局数据结构或数据库模式。

详细设计：确定每个模块的实现算法和局部数据结构，用适当方法表示算法和数据结构的细节。

软件设计的基本原理包括：抽象、模块化、信息隐蔽和模块独立性。

1）抽象。抽象是一种思维工具，就是把事物本质的共同特性提取出来而不考虑其他细节。

2）模块化。解决一个复杂问题时自顶向下逐步把软件系统划分成一个个较小的、相对独立但又不相互关联的模块的过程。

3）信息隐蔽。每个模块的实施细节对于其他模块来说是隐蔽的。

4）模块独立性。软件系统中每个模块只涉及软件要求的具体的子功能，而和软件系统中其他的模块的接口是简单的。

*：模块分解的主要指导思想是信息隐蔽和模块独立性。

模块的耦合性和内聚性是衡量软件的模块独立性的两个定性指标。

内聚性：是一个模块内部各个元素间彼此结合的紧密程度的度量。

*：按内聚性由弱到强排列，内聚可以分为以下几种：偶然内聚、逻辑内聚、时间内聚、过程内聚、通信内聚、顺序内聚及功能内聚。

耦合性：是模块间互相连接的紧密程度的度量。

*：按耦合性由高到低排列，耦合可以分为以下几种：内容耦合、公共耦合、外部耦合、控制耦合、标记耦合、数据耦合以及非直接耦合。

一个设计良好的软件系统应具有高内聚、低耦合的特征。

在结构化程序设计中，模块划分的原则是：模块内具有高内聚度，模块间具有低耦合度。

2、总体设计（概要设计）和详细设计

（1）总体设计（概要设计）

软件概要设计的基本任务是：1）设计软件系统结构；2）数据结构及数据库设计；3）编写概要设计文档；4）概要设计文档评审。

常用的软件结构设计工具是结构图，也称程序结构图。程序结构图的基本图符：

模块用一个矩形表示，箭头表示模块间的调用关系。在结构图中还可以用带注释的箭头表示模块调用过程中来回传递的信息。还可用带实心圆的箭头表示传递的是控制信息，空心圆箭心表示传递的是数据信息。

经常使用的结构图有四种模块类型：传入模块、传出模块、变换模块和协调模块。其表示形式如下图：

它们的含义分别是：

传入模块：从下属模块取得数据，经处理再将其传送给上级模块。

传出模块：从上级模块取得数据，经处理再将其传送给下属模块。

变换模块：从上级模块取得数据，进行特定的处理，转换成其他形式，再传送给上级模块。

协调模块：对所有下属模块进行协调和管理的模块。

程序结构图的例图及有关术语列举如下：

深度：表示控制的层数。

上级模块、从属模块：上、下两层模块a和b，且有a调用b，则a是上级模块，b是从属模块。

宽度：整体控制跨度（最大模块数的层）的表示。

扇入：调用一个给定模块的模块个数。

扇出：一个模块直接调用的其他模块数。

原子模块：树中位于叶子结点的模块。

面向数据流的设计方法定义了一些不同的映射方法，利用这些方法可以把数据流图变换成结构图表示软件的结构。

数据流的类型：大体可以分为两种类型，变换型和事务型。

A、变换型：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、变换数据和输出数据。变换型系统结构图由输入、中心变换、输出三部分组成。

B、事务型：事务型数据处理问题的工作机理是接受一项事务，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[wx3] ，然后给出结果。

（2）详细设计

详细设计是为软件结构图中的每一个模块确定实现算法和局部数据结构，用某种选定的表达工具表示算法和数据结构的细节。

*：详细设计的任务是确定实现算法和局部数据结构，不同于编码或编程。

常用的过程设计（即详细设计）工具有以下几种：

图形工具：程序流程图、N-S（方盒图）、PAD（问题分析图）和HIPO（层次图+输入/处理/输出图）。

表格工具：判定表。

语言工具：PDL（伪码）[wx4]

软件的这个特点使它与其它工程对象有着明显的差异。人们可以把它记录在存储介质上，但却无法看到软件本身的形态，必须通过观察、分析、思考、判断，才能了解它的功能、性能等特性。

许多软件的开发和运行涉及软件用户的机构设置，体制问题以及管理方式等，甚至涉及到人们的观念和心理，软件知识产权及法律等问题。（学吧学吧独家稿件）

单元是程序中最小的部分，由可以隐含的三部分组成：数据输入、加工和数据输出。

PDL（伪码）：过程设计语言，它是用正文形式表示数据和处理过程的设计工具。

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