面向数据的设计方法.ppt

软 件 工 程 11.1 面向数据设计的概念 11.2 Jackson系统开发方法 教学目的：了解概念，掌握Jackson系统开发方 法。 教学重点：JSP技术。 教学难点：JSP技术。 教 具：多媒体教室、电子教案 作 业： 第11章 面向数据的设计方法 软 件 工 程 第11章 面向数据的设计方法 面向数据的设计（data structured-oriented design）方法就是根据问题的数据结构定义一 组映射，把问题的数据结构转换为问题解的程 序结构。 面向数据流的设计来源于程序的模块化和功能 分解的概念； 而面向数据结构的设计，则侧重于问题的数据 结构，把程序结构设计成与问题的数据结构一 致，不强调模块定义。模块只是设计过程的副 产品，对于模块独立性原则也未过分强调。这 种程序结构容易理解，也易于修改。 软 件 工 程 11.1 面向数据设计的概念 在许多应用领域中，信息有着清晰的层次结构 ，输入数据、存储信息（即数据库）及输出数 据都有各自的组织形式。 一般说来，顺序出现的数据可以用顺序控制结 构的程序处理；选择出现的数据用分支控制结 构的程序处理；重复出现的数据用循环控制结 构的程序处理。 因此可以根据数据的组织形式确定使用和处理 这些数据的程序的组织形式。 软 件 工 程 11.1 面向数据设计的概念 面向数据的设计就是根据数据结构的表示获得 软件表示。 本章重点讨论： 1. Jackson系统开发方法 Jackson System Development，简称JSD 2. 基于结构化数据的系统开发方法 Data Structured System Development，简 称DSSD 软 件 工 程 11.1 面向数据设计的概念 JSD方法是Jackson 于1989年对软件设计中广为使 用的Jackson结构程序设计（Jackson Structured Programming，简称JSP）方法的扩展。 DSSD方法，也称为Warnier Orr方法，是对 Warnier程序逻辑构造（Logical Construction of Program，简称LCP）方法的扩充，除了设计能力以 外，还加强了分析能力。 软 件 工 程 11.1 面向数据设计的概念 面向数据设计方法一般都包括下列任务： 1确定数据结构特征； 2用顺序、选择和重复三种基本形式表示 数据； 3把数据结构表示映射为软件的控制结构； 4用与具体方法配套的设计指南进一步精 化控制结构； 5开发软件的过程性描述。 软 件 工 程 11.1 面向数据设计的概念 JSD和DSSD方法的软件总体结构设计与软件过 程性设计的分界并不明显，都能很快地过渡到 过程性描述。这也是易于理解和易于维护的重 要表现之一。 JSD和DSSD也是分析与设计一体化的 ，本章侧 重于讨论与设计有关的技术。面向数据的设计 方法，要求信息结构用层次图表示，在软件需 求规格说明中与信息域的描述相对应。 软 件 工 程 11.1 面向数据设计的概念 面向数据的设计方法的适用场合 具有明显的层次信息结构的应用： 企事业的信息管理系统； 系统软件（如操作系统）； 科学与工程计算； 计算机辅助教学； 组合问题求解等领域。 例如：CAD/CAE/CIM类应用软件。 软 件 工 程 11.2 Jackson系统开发方法 用JSD方法开发一个软件的步骤： 1）标识实体与动作：用与面向对象方法类似的 分析技术识别出系统中的实体（包括人、对象 、产生或使用信息的组织）和动作（客观世界 中影响系统实体的那些事件）； 2）生成实体结构图：针对每一实体，将影响它 的所有动作按发生的时间顺序用Jackson结构 图（Jackson diagrams）表示出来。为了描述 时间约束，同一动作必须出现在多张结构图中 ； 软 件 工 程 用JSD方法开发一个软件的步骤 ： 3）初建系统模型：将实体和动作统一用一个过程模型表示，并 定义该模型中的过程与客观世界中的过程之间的联系。所用 描述工具为系统规格说明图（System Specification Diagram，简称SSD）； 4）扩充功能性过程：在过程模型中扩充交互型功能和信息型功 能，分别产生内部输入信息和系统输出信息； 5）系统定时：确定实现必须满足的时间约束； 6）实现：确定系统中所有软硬件成分，形成一个完整设计方案 。 前三个步骤主要在需求分析阶段完成，后三步是软件设计的 任务。 软 件 工 程 11.2.1 JSD分析技术回顾 我们曾以大学校园内直达交通车系统USS为例进行需求 分析，结果得出“交通车”和“按钮”两实体及其动 作对应的实体结构图如下图所示。 Shuttle Shuttle* body Station(i) Arrive(i)Leave(i) Arrive(1)Button Push* Leave(1) 软 件 工 程 11.2.1 JSD分析技术回顾 初建系统模型后，得到USS的系统规格说明图（图724 ）。其中后缀为“_0”的过程表示客观世界中的过程（或 外部过程），后缀为“_1”的过程表示系统模型内的过程 （或模型过程）。 Button1DS Shuttle0 Shuttle1SV 数据流联系 Button0 状态向量联系 图7-2-4 USS的系统规格说明图 Button1DS Shuttle0 Shuttle1SV 数据流联系 Button0 状态向量联系 软 件 工 程 11.2.1 JSD分析技术回顾 将实体结构图与初建系统模型（系统规格说明 图）综合起来，可导出目标软件系统中每个过 程内部细节的结构正文表示，如6.2.3节过程 BUTTON_1和SHUTTLE_1所描述。 上述结构正文也可对应地用Jackson结构图表 示。图6 2 5是与模型过程SHUTTLE_1的结构 正文对应的Jackson结构图。 软 件 工 程 图6 2 5 对应于结构正文的结构图 Shuttle 1 Station(i)* Arrive(1)Leave(1) Shuttle body1 TRANSit body1 wait body1 Transit(i)* Transit(1)* Arrive(i)Leave(i) Wait(1)* TRANSit body wait body Wait(i)* 软 件 工 程 11.2.2 扩充功能性过程 这一步骤以初建系统模型为基础，通过数据流 和状态向量两种方式将新定义的功能性过程与 原有的模型过程联系起来。具体考虑两类功能 ： 1信息型功能（information function）：从模 型过程产生的数据流和状态向量中提取信息并 生成输出信息。嵌入型功能只需在原有模型过 程的结构正文中插入一些操作； 2交互型功能（interactive function）：监视模 型过程的状态向量，在输出结果的同时产生内 部输入信息，反过来影响模型化过程的动作。 软 件 工 程 图10 2 1 两类功能性过程与系统模型的关 系 外部过程 系统模型 信息型 功能过程 交互型 功能过程 客观世界 系统 软 件 工 程 11.2.2 扩充功能性过程 假设在交通车上有一块发光板，专门显示车到 站的信息，发光板“亮”说明车到站，“暗”说明 车离开。此板或亮或暗受LON（i）、LOFF（ i）两命令的控制。在过程SHUTTLE_1中可嵌 入一个新功能：当交通车到达站（i）时，发出 命令LON（i）；离开站（i）时，发出命令 LOFF（i）。交通车在两站之间往返运行过程 中，输出“开关发光板”的命令数据流，图 1022为增加这一功能后的SSD，结构正文修 改为： 软 件 工 程 11.2.2 扩充功能性过程 图1022 修改后的SSD LAMPCMDSLamp commands Button0 BD SV Button1 Shuttle0Shuttle1 LAMP CMDS 软 件 工 程 SHUTTLE_1 seq LON(1) /* 控制发光板“亮”，说 明交通车正停在站1上 */ read 状态向量 WAIT_BODY1 itr while Wait(1) read 状态向量 WAIT_BODY1 end LOFF(1) /* 交通车即将离站；控 制发光板“暗” */ LEAVE(1) TRANSIT_BODY1 itr while Transit(1) read 状态向量 TRANSIT_BODY1 end 软 件 工 程 SHUTTLE_BODY1 itr STATION seq ARRIVE(i) LON(i) /* 交通车已停靠站（i） */ WAIT_BODY itr while Wait(i) read 状态向量 WAIT_BODY end LOFF(i) /* 交通车将离开站（i） */ LEAVE(i) TRANSIT_BODY itr while Transit(i) read 状态向量 TRANSIT_BODY end STATION end SHUTTL_BODY1 end ARRIVE(1) SHUTTL_1 end 软 件 工 程 11.2.2 扩充功能性过程 第二个功能是产生关于启动（START）和关闭（STOP） 发动机的命令，以此控制交通车的运行。下达STOP命 令的条件是，传感器显示车已到站，而下达START 命 令的条件是乘客压下按钮招呼交通车并恰好交通车在 某个站上等待。为此引入一个功能性过程mcontrol， 它从SHUTTLE_1和BUTTON_2两过程接收数据，适时地发 出START和STOP两种命令。 过程SHUTTLE_1与过程mcontrol之间用数据流“S1D” 连接。因此SHUTTLE_1的结构正文进一步修改为： 软 件 工 程 SHUTTLE_1 seq LON(1) read 状态向量 WAIT_BODY1 itr while Wait(1) read 状态向量 WAIT_BODY1 end LOFF(1) LEAVE(1) TRANSIT_BODY1 itr while Transit(1) read 状态向量 TRANSIT_BODY1 end 软 件 工 程 SHUTTLE_BODY1 itr STATION seq ARRIVE(i) write arrive to S1D /* 向mcontrol发送数据流， 说明车已到站（i）*/ LON(i) WAIT_BODY itr while Wait(i) read 状态向量 WAIT_BODY end LOFF(i) LEAVE(i) TRANSIT_BODY itr while Transit(i) read 状态向量 TRANSIT_BODY end STATION end SHUTTLE_BODY1 end ARRIVE(1) write arrive to S1D /* 发送数据流，说明车已到站1 */ SHUTTLE_1 end 软 件 工 程 11.2.2 扩充功能性过程 过程SHUTTLE_1执行“read状态向量”操作和 过程mcontrol对“S1D”的访问都必须有足够 快的频率，否则交通车将不能及时停下来。 为完成USS实例，还需进一步考虑实体BUTTON 模型。过程BUTTON_1是对按钮动作的精确描述 （即每次压下都对应过程push的一次调用）， 实际上系统应把第一次压下按钮招呼交通车的 动作与一次运行未开始之前乘客压下按钮招呼 交通车的请求区分开来。用已有实体无法描述 和区分动作之间的时间约束，常常引入额外的 实体为此设计过程BUTTON_2，结构图如图 10 2 3所示 软 件 工 程 图10 2 3 button 2的结构图 Button2 Push group* Extra Arrival body Extra push body Request push Arrival Extra Arrival*Extra push* 软 件 工 程 11.2.2 扩充功能性过程 功能性过程mcontrol既负责检查BUTTON_2的 状态向量“B2V”，确定是否有未满足的请求， 又负责把从SHUTTLE_1处（S1D）获取的信 息（即交通车已到达发出请求的车站）传递给 BUTTON_2（MBD流）。在此定义了一个交 互型功能。 BUTTON_2的结构正文描述如下： 软 件 工 程 BUTTON_2 seq request:=no /* 置初值 */ read MBD and B1D /* 检查是否有未满足请求和交 通车是否停在站上 */ BUTTON_BODY itr PUSH_GROUP seq EXTRA_AR_BODY itr while (ARRIVAL) /* 交通车已靠站但尚无请求， 或既无请求交通车也未靠站 */ read MBD and B1D EXTRA_AR_BODY end RQ_PUSH seq /* 首次请求到达，置请求标志 */ request:=yes read MBD and B1D RQ_PUSH end 软 件 工 程 EXTRA_RQ_PUSH itr while (REQUEST) /* 因交通车尚未靠站，请求 暂不满足，循环等待 */ read MBD and B1D EXTRA_RQ_PUSH end ARRIVAL seq/* 请求满足，清请求标志 */ request:=no read MBD and B1D ARRIVAL end PUSH GROUP end BUTTON_BODY end BUTTON_2 end 软 件 工 程 11.2.2 扩充功能性过程 图10 2 4给出的系统规格说明图反映了在此 步骤完成的所有工作。我们在SHUTTLE_1中嵌 入了一个功能，产生开、关发光板的命令，增 加了一个功能性过程mcontrol，它除了负责完 成BUTTON_2上的交互型功能外，还产生启动、 关闭发动机的命令。至于mcontrol过程的内部 结构可采用传统的JSP技术导出，关于JSP技术 我们将在10.2.4和10.2.5节讨论。 软 件 工 程 图10 2 4扩充功能1和2后的系统规格说明 图 Button0BD SV Button1 Shuttle0Shuttle1 LAMP CMDS B1DButton2 S1D MBD Mcontrol B2V MOTOR CMDS 软 件 工 程 11.2.3 施加时间约束 经过前几个步骤，获得一个由若干顺序过程组成的系统，它 们通过数据流或状态向量进行通信，但对这些处理过程的执 行速度尚未考虑。所以，对于输出流，定义输出速度和更新 频率；对于输入流，要求子系统保证及时收集所有输入信息 并保持它们的到达顺序不变。 在USS实例中，关于时间方面的约束包括： 1停车命令允许的最大延迟时间； 2开、关发光板命令的响应时间。 目前在JSD方法中，时间约束的描述仍采用非形式化的方式 。一种解决办法是引入时间标志流（time marker stream） 作为模型过程的输入，时间标志流由特定的时钟过程产生。 软 件 工 程 11.2.4 实现与JSP技术 实现是JSD方法的最后一个步骤，它将系统功 能说明配置到给定的软硬件环境上，并满足性 能方面的约束。 这一步骤主要考虑：过程在多处理机上的调度 （scheduling）、根据SSD和Jackson结构图进 行过程变换（transformation）、过程状态向 量的存储和访问（storage and access of state vectors）以及借助JSP技术描述功能性 过程。因篇幅所限，本节及下节仅讨论最后一 个问题。 软 件 工 程 11.2.4 实现与JSP技术 JSP技术是一种详细设计技术，它由问题所固有的 数据结构导出过程的内部结构。所用的基本工具称 为数据结构图，是Jackson结构图的变种，专门用 于描述数据元素之间的逻辑关系。例如在图 10 2 5中，数据集合A由若干个B结构（“*”表 示重复）组成，而每个B由若干个C结构后跟一个D 结构组成（同级分叉表示顺序），D结构或为数据 项E或为F（“”表示选择），这种层次信息结构 的表示方法同样适用于输入、输出和数据库中的数 据。 软 件 工 程 图1025 数据结构图 A B* C*D EF 软 件 工 程 图1026 信用卡记帐系统 Outstanding bal CNO主文件 YYYY 1749.30 CNODATEAMT XXXX 10.17 25.30 XXXX 10.27 108.20 XXXX 10.30 65.40 YYYY 10.13 158.00 YYYY 10.28 307.90 支付文件 支付记录* CNO分组* CNO CNO主文件 顾客记录* 余款额 支付文件 XXXX 2373.50 软 件 工 程 简化的信用卡付帐系统 如图10 2 6所示。系统的输入是支付文件和 顾客主文件。 支付文件的每个记录由顾客号（CNO）、支付 日期（DATE）和支付金额（AMT）三个数据项 组成，并假定已按顾客号预先分组。 顾客主文件由顾客号（CNO）和余款额（ Outstanding bal）两项组成。两个文件分别 对应图10-2-6中所示数据结构图。 软 件 工 程 假设该系统输出报表如下图所示 Accounting Report CNO Date Amt Old bal New bal XXXX YYYY Grand tot 软 件 工 程 图1027 系统输出报表所对应的数据结构图 记帐报表 情况汇总 顾客数据 总付款额 总余额CNO组* CNO 支付记录*付款总数平帐数据 原余额现余额 软 件 工 程 11.2.5 产生过程表示 JSP方法通过综合、对照过程的输入/输出数据结构的层次关 系导出对应的过程性表示程序。具体步骤如下： 1找出输入与输出数据结构中有对应关系的数据元素，即有直 接因果关系者，它们在程序中可一并处理。 2依据下述三条规则从数据结构图导出Jackson结构图。 1）在Jackson结构图中，为有对应关系的每对数据元素 画一个处理框，该框所处层次取这两个数据元素在 各自数据结构图中层次较低者。 2）参照输入数据结构图中剩余的每个数据元素所处层 次，在Jackson结构图的相应层次上画一个处理框。 3）参照输出数据结构图中剩余的每个数据元素所处层 次，在Jackson结构图的相应层次上画一个处理框。 软 件 工 程 11.2.5 产生过程表示 3列出所有操作和条件（包括分支和循环条件）， 并把它们分配到Jackson结构图中。 4根据Jackson结构图，产生结构正文描述。 将上述第1步骤用于信用卡付帐系统发现，输入数 据结构“支付文件”中的“CNO组”、“支付记录 ”分别与输出数据结构中的“CNO组”、“支付记 录”对应，输入数据结构“顾客主文件”中的“顾 客记录”与输出数据结构中的“CNO组”对应。参 照上述第2步骤得到该系统的结构图（图10 2 8 ）。 软 件 工 程 图1028 导出Jackson结构图（程序结构） 信用卡 付帐系统 情况汇总 处理 顾客数据 总付款额 总余额 处理 CNO组* 处理CNO 处理 支付记录* 计算顾客 支付总额 平帐数据 原余额现余额 软 件 工 程 执行完3、4两步骤后，该结构图中 “处理顾客数据”一框对应的结构正文应为 ： PROCESS_CUST_DATA seq open PAY_FILE; open CNO_MASTER_FILE; PROCESS CNO_GROUP itr until eof:PAY_FILE; read PAY_FILE; PROCESS_CNO; /* 读顾客总文件，找出原余额 */ 软 件 工 程 PROCESS_PAY_REC itr until end:CNO_GROUP; write report line; computer total payments; read PAY_FILE; end PROCESS_PAY_REC COMPUTE_CUST_TOTAL; COMPUTE_BALANCE seq PROCESS_OLD_BAL; COMPUTE_NEW_BAL; write report line; end COMPUTE_BALANCE end PROCESS_CNO_GROUP end PROCESS_CUST_DATA 软 件 工 程 教学目的：掌握DSSD方法，了解复杂过程逻辑 的描述。 教学重点： DSSD方法。 教学难点： DSSD方法。 教 具：多媒体教室、电子教案 作 业：习题4 11.3 DSSD方法 软 件 工 程 11.3 基于结构化数据的系统开发（DSSD）方法 DSSD需求分析阶段产生的需求规格说明，将作为 设计过程的输入信息。设计过程的输出为设计规格 说明，具体包括输出数据结构、过程描述和设计约 束三方面内容。 DSSD设计分为逻辑设计和物理设计两个步骤，逻 辑设计着重考虑软件的输出、界面及过程性表示， 物理设计则在逻辑设计的基础上考虑如何满足性能 、可维护性和其他一些设计约束。 基本工具：WarnierOrr图，既可描述程序结构， 又可描述数据结构。这里介绍一种简化的DSSD方 法。 软 件 工 程 11.3.1 DSSD设计步骤 DSSD的逻辑设计步骤主要有两个： 1推导输出数据的逻辑结构（Logical Output Structure，简称LOS）； 2由LOS导出处理过程的逻辑结构 （Logical Process Structure，简称LPS）。 软 件 工 程 11.3.1 DSSD设计步骤 按下述简化方法，LOS可分四步导出： 1）从问题描述本身或其他相关需求信息 中找出所有不同的原子数据项（即不 可再分的数据项）； 2）说明每个原子数据项的出现频率； 3）找出那些可再分的一般数据项； 4）用Warnier-Orr图表示LOS。 软 件 工 程 【例11.1】产生如图11-3-1所示的“机器使用情况日报表”系 统 Daily_Machine_Tool_Usage_Report Date：DATE Tool category Tool ID status NO.parts produced Tool_CAT TID S NO_PARTS CATEGORY TOTAL PARTS: CAT_TOT_PARTS CATEGORY TOTAL PARTS: TOTAL PARTS PRODUCED THIS DATE: MANUF_TOTAL 软 件 工 程 11.3.2 推导输出数据的逻辑结构 输出数据结构表现为数据项的一种层次结构。 按照LOS推导步骤： 1）首先从问题描述（例11.1所给报表原型）中找 出原子数据项； 2）确定每个原子数据项出现的频率（图1132 ）。 软 件 工 程 图1132 原子数据项及出现频率 原子数据项频率细节 HEADING（标题） DATE（日期） COLUME_HEAD（列标题） TOOL_CAT（工具类名称） TID（工具标志） S（状态） NO_PARTS（产品件数） SUB_TOTAL_HEAD（按类汇总小标题 ） CAT_TOT_PARTS（按类汇总） TOTAL_HEAD（按目汇总标题） MANUF_TOTAL（每日产品总计） 1/报表 1/报表 1/报表 1/工具类 1/工具 1/工具 1/工具 1/工具类 1/工具类 1/报表 1/报表 每日机器使用情况报表 若干类，每类有若干项 按类汇总 按日汇总 软 件 工 程 11.3.2 推导输出数据的逻辑结构 3）找出一般数据项，有： 报表（出现一次）、 工具类（每报表出现t次）、 工具（每类出现s次）。 4）用Warnier-Orr图表示LOS 软 件 工 程 11.3.2 推导输出数据的逻辑结构 图11 3 3 LOS的Warnier Orr 图示 标题 日期标题 日期 工具类名称 工具标识 列标题 工具 状态 工具类 (1，s) 产品件数 (1，t) 按类汇总小标题 每日汇总标题 按类汇总 每日产品总计 生产 日报表 软 件 工 程 11.3.3 推导处理过程的逻辑结构 (LPS) LPS是软件的过程性表示，推导步骤如下： 1）从LOS的WarnierOrr图示中去掉所有原子数据项 ； 生产 日报表 图1134 去掉所有原子数据项 工具 工具类 (1，s) (1，t) 软 件 工 程 2）对每个一般数据项加上“.BEGIN、.END”分隔符 ； .BEGIN .BEGIN 工具 工具类 (1，s) (1，t) .END .END 生产 日报表 软 件 工 程 3）定义所有初始、终止的指令或过程； 4）说明所有数值计算和非数值处理； .BEGIN 置MANUF_TOTAL为0 .BEGIN 置CAT_TOTALPARTS为0 工具类 工具 (1，t) (1，s) 把NO_PARTS加到 CAT_TOTAL_PARTS上 .END .END 生产 日报表 把CAT_TOTAL_PARTS加 到MANUF_TOTAL上 软 件 工 程 5）说明所有输出指令或过程 ； 6）说明所有输入指令或过程 。 图1136 完整的LPS 生 产 日 报 表 .BEGIN 工具类 (1，t) .END 输出标题、日期标题、日期、列标题 置MANUF_TOTAL为0 取一条逻辑记录 .BEGIN 工具 (1，s) .END 输出TOOL_CAT 置CAT_TOTAL_PARTS为0 输出TID，S，NO_PARTS 把NO_PARTS加到CAT_TOTAL_CAT上 取一条逻辑记录 输出S