结构化设计概念和原理.ppt

第 7 讲 设计概念与原理,内容提要,软件设计的重要性、过程及其基本原则 设计的相关概念 模块化设计 模块设计的启发规则,概述,软件设计：应用各种技术和原理，对一个软件系统做出足够详细的决策，使之有可能在物理上得以实现的过程。软件设计是一个迭代的过程。 设计目标：将需求分析的结果（分析模型与需求分析规约）转化为实际软件系统的一个模型或软件表达式，即用于构造软件的“蓝图”。 最终产品：设计规约，包括描述体系结构、数据、过程和界面设计模型。 评审：清晰性、正确性、完整性。 软件设计与程序设计不同。,开发阶段的信息流,翻译需求模型到软件设计,需求分析模型,设计模型,数据对象描述,处理规格说明,控制规格说明,E-R,DFD,STD,DD,过程设计,接口设计,体系结构设计,数据设计,翻译分析模型到软件设计,数据设计将分析时创建的信息域模型变换为软件所需的数据结构，侧重于数据结构的定义。 体系结构设计定义软件系统各主要结构构件之间的关系。 过程设计则是把结构构件转换成软件的过程性描述。在编码步骤，根据这种过程性描述，生成源程序代码，然后通过测试最终得到完整有效的软件。 接口设计是建立软件内部的关系以及软件人机之间的交互机制。 软件设计的重要性可以用“质量”表达。,1.软件设计的重要性,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。,设计和软件质量,指导性原则 设计应该展示一种层次性结构。 设计应该模块化。 设计应该包括数据、体系结构、接口和模块（构件）的清楚的表示。 设计应有性质不同的可区分的数据结构和过程。 设计应该具有独立功能特征的模块。 设计应该降低模块和外部环境之间接口的复杂性。 设计应该利用需求分析中获得的信息和可重复的方法。,2.设计过程,从项目管理的角度来看，软件设计分两步完成。 概要设计，将软件需求转化为数据结构和软件体系结构。 详细设计，即过程设计。通过对体系结构表示进行细化，得到软件的详细的数据结构和算法。,总体设计,从回答“做什么”到回答“怎样做” 划分出组成系统的物理元素程序、文件、数据库、过程和文档等等 每个元素还是黑盒子 -“全局高度，抽象层次”,3.设计基本原理,1.模块化：Modularity 模块是数据说明、可执行语句等程序对象的集合，是单独命名的并且可以通过名字来访问，例如过程、函数、子程序、宏、modula等。 软件被划分成独立命名和可独立访问的被称作模块的构件，每个构件完成一个子功能，它们集成到一起满足问题需求。,模块化,模块化论据： C(x)定义为问题x的复杂性 E(x)定义为解决问题x所需要的工作量 对p1和p2两个问题， 若 C(p1) C(p2)，则 E(p1) E(p2) C(p1 + p2) C(p1) + C(p2) E(p1 + p2) E(p1) + E(p2) 不要过度模块化！每个模块的简单性将被集成的复杂性所掩盖。,模块化,模块化和软件成本 如何确定地预测最小成本区？,模块化,如何确定模块的大小： 模块可分解性 模块可组装性 模块可理解性 模块的连续性 模块的可保护性,设计基本原理,2.抽象 Abstraction： 忽略细节，分层理解问题，自顶向下层层细化，包括对过程、数据和控制的抽象。 过程抽象：一个命名的指令序列，具有特定和有限的功能。 数据抽象是命名的数据集合，描述一个数据对象。 控制抽象隐含了不必说明的内部细节的程序控制机制。 是实现模块化的手段之一。,过程抽象,在这个抽象层次上，给出了初步的过程表示，所用的术语都已面向软件，而且模块化的工作已经开始显露。 逐步细化和模块化的概念与抽象紧密相连。,数据抽象,定义“绘图 drawing”数据对象作为一种抽象数据类型。 TYPE drawing IS STRUCTURE DEFINED number IS STRING LENGTH (12) geometry DEFINED notes IS STRING LENGTH (256) ENF drawing TYPE; Blueprint IS INSTANCE OF drawing; Schematic IS INSTANCE OF drawing;,设计基本原理,3.求精Refinement 自顶向下的设计策略。,walk to door; reach for knob; Switch the knob; open door; walk through; close door.,求精,设计的求精过程与需求分析的划分类似，只是考虑的细节层次不同。 求精实际是一个详细描述的过程。 抽象与求精是互补的概念。,设计基本原理,4.信息隐藏 information hiding 信息隐藏：在设计和确定模块时，使得一个模块内包含的信息（过程和数据）对于不需要这些信息的模块来说，是不可访问的。 每个客户只能通过接口来了解该模块，而所有的实现都隐藏起来。 隐藏就是有效的模块化可以通过定义一组独立模块来实现。,信息隐藏,“信息隐藏”，更准确地描述应是“细节隐藏”，因为隐藏的不是信息，而是实现的细节。,4、模块化设计,模块独立性 度量标准：内聚 cohesion 和耦合 coupling 内聚是一个模块内部的交互程度；耦合是模块之间交互的程度。 好处：更有利于开发、设计/编码修改的副作用减小、模块的复用可能。 功能独立性是良好设计的关键，设计又是软件质量的关键。,耦合(couple)是度量系统中模块之间的交互程度。 Goal: 模块之间尽可能独立 耦合从低到高依次为：非直接耦合（最好），数据耦合，标记耦合，控制耦合，外部耦合，公共耦合和内容耦合（最差）。,耦合,耦合,内容耦合 content coupling 如果两个模块中的一个直接引用了另一个模块的内容，则它们之间是内容耦合。 One module modifies another.,例1：A访问C的内 部数据或不通过正常入口而转入C的内部。,例2：部分代码重叠（常出现在汇编程序中）,例3：一个模块有多个入口（功能）,耦合,公共耦合 common coupling 如果两个模块都可以存取相同的全局数据，则它们之间是公共耦合。 a common data store.,耦合,公共耦合存在的问题： 公共部分的改动将影响所有调用它的模块； 公共部分的数据存取无法控制； 复杂程度随耦合模块的个数增加而增加。 解决方法: 通过使用信息隐藏来避免公共耦合。,耦合,控制耦合 control coupling 如果两个模块中的一个模块给另一个模块传递控制信息，则它们具有控制耦合。 One module passes parameters to control the activity of another module.,特点：接口单一，但仍然影响被控模块的内部逻辑。,耦合,标记耦合 stamp coupling 如果两个模块都要使用同一数据结构的一部分，不是采用全局公共数据区共享，而是通过模块结构传递数据结构的一部分，则它们之间为标记耦合。 数据耦合 data coupling 被调用模块的输入与输出是简单的参数或者是数据结构（该数据结构中的所有元素为被调用的模块使用），则它们之间为数据耦合。 非直接耦合 no direct coupling 两个模块之间没有联系，则它们之间为非直接耦合。, The most desirable.,耦合,实现低耦合，采取下列措施： 耦合方式 采用非直接耦合，不采用内容耦合。 传递信息类型 尽量使用数据耦合，少采用控制耦合，外部耦合和公共耦合限制使用。 耦合数量 模块间相互调用时，传递参数最好只有一个。 原则：尽量使用数据耦合，少用控制耦合，限制公共耦合的范围，完全不用内容耦合。,耦合,内聚,内聚：cohesion. Goal: 尽可能高内聚. 内聚级别： 偶然内聚 逻辑内聚 时间内聚 过程内聚 通信内聚 顺序内聚 功能内聚,最差,最好,低内聚,偶然内聚(Coincidental cohesion): 指一个模块内的各处理元素之间没有任何联系。 例：read disk file; calculate current values; produce user output; 严重的缺点：产品的可维护性退化；模块是不可复用的，增加软件成本。 解决途径：将模块分成更小的模块，每个小模块执行一个操作。,低内聚,逻辑内聚（Logical cohesion）：逻辑上相关的功能或数据放在一个模块中。 问题：接口难于理解；完成多个操作的代码互相纠缠在一起，导致严重的维护问题。,低内聚,时间内聚(Temporal cohesion): 如果一个模块包含的任务必须在同一段时间内执行。 例如：系统的初始化 open old master file; new master file, transaction file and print file; initialize sales region table; read first transaction record and first old master file record; 问题：不同的功能混在一个模块中，有时共用部分编码，使局部功能的修改牵动全局。,中内聚,过程内聚 (Procedural cohesion): Functions are grouped together in a module to ensure a certain order of performance. 例子： Read part number from database and update repair record on maintenance file.,中内聚,通信内聚（Communicational cohesion）：All the functions in a module operate on or produce the same data set. 例如：从数据库的操作 可能破坏独立性。,高内聚,顺序内聚 (Sequential cohesion)：一个处理元素的输出数据作为下一个处理元素的输入数据。 功能内聚 (Functional cohesion)：模块内的所有处理元素属于一个整体，完成一个单一的功能。 原则：在实际工作中，确定内聚的精确级别是不必要的，重要的是力争高内聚和识别低内聚，可以使得设计的软件具有较高的功能独立性。,1. 争取低耦合、高内聚（增加内聚 减少耦合） 2.模块规模适中：过大分解不充分不易理解；太小则开销过大、接口复杂。注意分解后不应降低模块的独立性。 3.适当控制 深度 = 分层的层数。过大表示分工过细。 宽度 = 同一层上模块数的最大值。过大表示系统复杂度大。,启发性规则,控制层次,M,c,b,a,l,k,e,d,m,f,g,i,h,j,n,o,p,q,r,Width,Depth,Fan-out,Fan-in, 扇出 = 一个模块直接调用控制的模块数。 3 fan-out 9, 扇入 = 直接调用该模块的模块数 在不破坏独立性的前提下，fan-in 大的比较好。,启发性规则,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。 一般来说，顶层扇出高，中间扇出少，低层高扇入。,启发性规则, 控制域,M的控制域为 M，A，B，C, 作用域：M中的一个判定所影响的模块。,作用域是指该模块中一个判断所影响的所有其它模块； 控制域指该模块本身以及所有直接或间接从属于它的模块。,4. 模块的作用范围保持在该模块的控制范围内,启发性规则,例：,上例中A的作用超出了控制域。 改进方法