软件设计工程

一、软件设计简介

定义：为软件系统的架构，组件，接口和其它特性的定义过程及该过程的结果，解决“如何做”How的问题。

软件设计方法包括：

• 结构化设计SD
• 面向对象的设计OOD

软件设计包括以下活动：

• 软件架构设计（概要设计，顶层设计）
  • 体系结构设计
  • 数据设计
  • 接口设计
• 软件详细设计（组件设计，过程设计）
• 不包括：创新设计

 软件质量可以用质量属性来描述。FURPS质量属性：

1. Functionality: 功能性
2. Usability: 可用性
3. Reliability: 可靠性
4. Performance: 性能
5. Serviceability: 可维护性

二、设计技术

抽象：

侧重于解决特定问题的细节，忽略不相关的底层细节。

设计开始时应提高软件的抽象层次，按抽象级别从高到低进行软件设计。

细化：

与抽象相对的概念，从软件定义到实现，每进展一步都可以看成是对软件设计方案的抽象化过程的一次细化。

自顶向下，逐步细化：

• 最高的抽象层次：用问题所处环境的语言描述
• 较低的抽象层次：用面向问题的术语，面向现实的术语描述
• 最低的抽象层次：用某种程序设计语言描述

设计模式：

1. 创建型模式
2. 结构型模式
3. 行为型模式

模块化：

• 理论依据：分解问题后的复杂性/工作量的总和<原问题复杂性/工作量
• 模块分解并不是越小越好：随着模块数增加，单个模块的规模减小了，但是模块之间的关系复杂程度会增加，设计模块间接口的工作量也将增大。

如何衡量模块化设计水平？模块化设计标准：

1. 模块化分解性：分解子问题的系统机制
2. 模块化组合性：现有组件可以组装成系统
3. 模块化可理解性：一个模块可以作为一个独立单元来使用
4. 模块化连续性：系统需求的小变化只引起单个模块变化
5. 模块化保护：模块内的异常情况只影响自身模块

信息隐藏：

模块内的信息不可以被不需要这些信息的其它模块访问。

功能独立：

• 只解决特定的子功能
• 接口得到简化

功能独立的两个定性衡量标准：

1. 内聚性：模块的功能相对强度
2. 耦合性：模块之间的相互依赖程度

独立性强的模块：高内聚，低耦合

耦合的7种类型：

1. 1. 非直接耦合：两个模块没有直接联系，完全是通过主模块的控制和调用实现的
   2. 数据耦合：仅通过模块参数交换信息，且交换的都是简单数据
   3. 标记耦合：通过参数表，传递一个数据结构的一部分
   4. 控制耦合：一个模块传递给另一个模块的参数中，包含了控制信息，用于控制接受模块的执行情况
   5. 外部耦合：模块通过除软件以外的环境（如I/O）连接
   6. 公共耦合：一组模块访问一个公共数据环境
   7. 内容耦合：一个模块对另一个模块的内容（数据，代码段）进行了直接引用或修改，两个模块共享一部分代码

内聚的7种类型：

1. 1. 巧合内聚：又称偶然内聚，语句段十分松散，无联系
   2. 逻辑内聚：把几种功能组合在一起，由传入模块的控制参数来决定执行哪一种功能
   3. 时间内聚：一个模块包括了需要在同一时间段执行的多个任务
   4. 过程内聚：一个模块内的各个部分按照特定的次序执行
   5. 通信内聚：一个模块中的各个部分使用同一个输入数据或产生同一个输出数据
   6. 顺序内聚：必须按照先后顺序执行，后一个部分与前一个部分密切相关
   7. 功能内聚：模块完成一个功能

重构：

不改变组件功能的条件下，简化组件设计。

三、设计模型

• 体系结构设计：强调系统的：可理解性，可维护性，可扩展性
  • 模式
  • 风格
  • 框架（如MVC Struts）
• 数据设计
• 接口设计
• 组件设计

 体系结构设计：

将模式（即，针对特定问题的解决方案）划分成三类：

• 体系结构模式：软件系统的基本结构组织形式或方案
• 设计模式（23种）：构件相互通信的结构
• 惯用法：与编程语言相关的低级模式

架构风格分类：

• 数据中心架构：
• 数据流架构
• 调用和返回架构：
  • 可分为主程序/子程序架构（所以程序组件都在同一台计算机上），远程过程调用架构（主程序或子程序的各组件分布在多台计算机上）两类
  • 需要理解：深度，宽度，扇入，扇出：

• 面向对象架构：封装了数据和对数据的操作
• 层次架构：每一层为上一层提供服务，并作为下一层的客户。每一层最多只影响两层，只需提供接口，允许各层用不同方法实现。

另一种分类方法：

• 单主机结构
• 分布式结构
  • 多处理器体系结构
  • 客户机/服务器体系结构（B/S C/S架构）
  • 分布式对象体系结构
  • 代理

两层C/S架构：

• 瘦客户机模型：除数据表示以外的操作都在服务器执行。客户机只负责数据表示。
• 胖客户机模型：服务器只负责管理数据，客户机实现应用逻辑和与系统交互。

 三层C/S架构：

增加了应用服务器。

将系统分为：数据层，应用逻辑层，表示层

B/S架构（是三层体系架构）：

浏览器——web服务器——数据库服务器

相对灵活，但响应速度和动态交互性不如C/S

接口设计中的重要部分：

用户界面设计：三个准则：

1. 用户控制系统
2. 减少学习和记忆负担
3. 保持界面的一致性

数据设计：

组件级别的数据设计，即设计供软件组件直接访问的数据结构。

低层的数据设计应推迟到后期进行。

注意信息的隐藏和耦合。

组件设计：

是接近代码层次的软件抽象描述。

• 结构化设计：基于过程
• 面向对象设计：基于类

部署设计：

包含了整个解决方案的逻辑架构和服务质量(QoS)需求。

项目审批发生在部署设计阶段，估计软件部署的成本，提交审批。

是一种高层架构，描述了逻辑环境到物理环境的映射。

四、结构化设计方法SD(Structured Design)

 结构化设计中，软件的结构元素是模块，因此也称为模块设计。

接口设计：

• 内部接口：模块之间的接口。
• 外部接口：软件和硬件的接口，软件和其它软件的接口，软件和用户的交互界面。

SD数据设计的概括：将ER图转换为数据库表。

软件的结构分为：模块结构+数据结构。一般采用功能划分的方法进行软件结构设计，对整个问题进行分割，每一部分用一个或几个模块来完成。

模块的表示：

• 用矩形框表示，已定义的模块用双纵边矩形框表示。

模块的分类（实际系统中的模块属于以下任意一种，或某几种的组合）：

1. 传入模块
2. 传出模块
3. 变换模块
4. 协调模块

模块的结构：

1. 树状结构：
   • 只有一个顶层（第0层）模块
   • 上层模块调用下层模块，同一层模块之间互不调用
   • 实际系统中建议使用树状结构，最底层可能存在公共模块，使得整个系统不是严格的树状结构，属正常情况
2. 网状结构：
   • 无法区分层次
   • 任意模块可相互调用
   • 系统结构复杂，难以处理
   • 实际系统中不建议使用网状结构

用结构图表示模块结构：

菱形表示条件调用，圆弧表示循环调用。

 理解深度，宽度（下图宽度为7），扇入，扇出：

数据结构：

基于数据流的设计方法是：过程驱动的设计方法。

数据流的类型：（一般都是以变换型为主，事务型为辅）

• 变换型数据流：工作过程大致分为3步：取得数据，变换数据，给出数据

变换型系统结构图如下：

• 事务型数据流：接受一项事务，分派适当的处理单元并给出结果。选择分派任务的部分称为事务（处理）中心或分派部件。调度模块如果不复杂，可以归入事务中心模块。

事务型系统结果图（简化）：

变换型映射方法：将具有变换流特点的数据流图映射成软件结构：

自顶向下，设计下层模块的顺序是任意的。但一般先设计输入模块的下层模块。

一层一层往下分解。

事务型映射方法：将具有事务流特点的数据流图映射成软件结构：

变换型和事务型混合结构的例子：

模块的完善化：

模块完全相似，可能只是在数据类型上不一致。可以完全合并。

局部相似时，则不能将两者合并为一。一般的处理方法是将相似的部分分离出去。

模块的作用范围和控制范围：

模块的控制范围是指它本身和所有的从属模块。

模块的作用范围是指收模块内一个判定影响的范围。

模块的作用范围应该在模块的控制范围以内。

扇入和扇出：

适当的扇出数为2~5，最好不要超过9。扇出数过小会使结构图的深度增加，扇出数过大会使结构图的宽度增加。

一个好的软件模块设计，通常是：上层扇出较高，中层扇出较少，底层公用模块的扇入较高。

数据库设计：

数据库分为多种，其中关系数据库最成熟。多对多关系的映射需要引入关联表。

结构化程序设计用到的工具：

• 程序流程图
• N-S图（盒图）
• PAD图：采用PAD描述出来的程序一定是结构化程序，多少根竖线对应多少层
• 判定表：多重嵌套的条件选择
• 伪代码

五、面向对象的设计方法OOD(Object-Oriented Design)

 OOA和OOD，分析和设计联系紧密，没有明显界限。

整个设计阶段的核心任务：创建包含操作的设计类图

从分析类到设计类：导出实体类，增加边界类，控制类

在OOD中，类和接口是程序的基本组成单元。

继承（子类对象继承父类的所有特征，又可以覆盖父类的方法）依赖性：

1. 多态继承：
   • 根据为请求服务的对象不同可以得到不同的行为。若在运行时对类进行实例化，称为动态绑定；若方法的调用是在编译时确定的，称为静态绑定。
   • 多态不是伴随着继承产生。如果子类中不覆盖父类中的任何方法，就不会产生多态。
   1. 编译时继承依赖性：一般来说，所有的继承都会引入编译时依赖性。并且，依赖性是可传递的。
   2. 运行时继承依赖性
   3. 交互依赖性：通过消息连接产生的
2. 无多态继承：
   • 子类不覆盖父类的方法。
   • 有时不是十分有用，但便于理解和管理。
3. 扩展继承和约束继承：
   • 扩展继承：子类继承了父类的属性，并提供额外属性来增强类的定义。
   • 约束继承：子类对从父类继承来的方法和功能进行了约束和限制。

面向接口编程，而不是面向实现编程：接口依赖性又分为使用依赖性和实现依赖性。

在包之间增加新包，可以消除循环依赖性。

构件：比类更高级，包含一个或一组类，或者其它部署单元，完成一个或多个功能的特定服务。隐藏了具体的实现，只用接口对外提供服务。

从软件复用的角度，构件是指开发过程中可以复用的软件元素。具有独立性，不可拆分。

构件被实现为大粒度的单元，只能由一个实例。

OOD：系统划分为子系统。

封闭体系结构：每一层只能访问与其相邻的下一层。

开放体系结构：每一层可以访问比其下一层更低的层次。

典型的面向对象系统的分层结构：数据库层，业务逻辑层，用户界面层。

面向对象的设计顺序：业务逻辑层（问题域部分）M——人机交互部分V——C任务管理部分——数据管理部分。

数据管理部分：关联关系的映射：