结构化软件设计

结构化设计 现实世界 计算机世界 结构化开发方法 结构化分析SA 结构化设计SD 结构化编程SP OOA OOD OOP 面向对象开发方法 软件设计任务 软件设计方法分类 结构化设计方法 StructuredDesign SD 基于模块化 自顶向下逐层细化 结构化程序设计等程序设计技术上发展起来的 结构化设计 结构化设计 StructuredDesign 简称SD 是一种将结构化分析得到的数据流图映射成软件体系结构的设计方法 结构化设计 强调模块化 自顶向下逐步求精 信息隐蔽 高内聚低耦合等设计准则分为概要设计和详细设计两大步骤概要设计是对软件系统的总体设计 采用结构化设计方法 其任务是 将系统分解成模块 确定每个模块的功能 接口 模块间传递的数据 及其调用关系 并用模块及其对模块的调用来构建软件的体系结构详细设计是对模块实现细节的设计 采用结构化程序设计 StructuredProgramming 简称SP 方法SA SD和SP构成完整的结构化方法体系 结构图 SC 用结构图 StructureChert 来描述软件系统的体系结构描述一个软件系统由哪些模块组成 以及模块之间的调用关系结构图的基本成分有 模块 调用和数据 模块 模块 module 指具有一定功能的可以用模块名调用的一组程序语句 如函数 子程序等它们是组成程序的基本单元一个模块具有其外部特征和内部特征外部特征包括 模块的接口 模块名 输入 输出参数 返回值等 和模块的功能内部特征包括 模块的内部数据和完成其功能的程序代码在SD中 我们只关注模块的外部特征 而忽略其内部特征 调用和数据 调用 call 用从一个模块指向另一个模块的箭头来表示 其含义是前者调用了后者为了方便 有时常用直线替代箭头 此时 表示位于上方的模块调用位于下方的模块数据 data 模块调用时需传递的参数可通过在调用箭头旁附加一个小箭头和数据名来表示 结构图的几个概念 深度 程序结构图中控制的层数 例如图中所示的结构图的深度是5宽度 程序结构图中同一层次上模块总数的最大值 例如图中所示的结构图的宽度为7扇出 fanout 该模块直接调用的模块数目 例如 例如图中模块M的扇出是4 模块A的是2 模块B的扇出是1扇入 fanin 能直接调用该模块的模块数目 例如图中模块G的扇入是1 模块I的扇入是2 模块R的扇入是4 相关指标的含义 深度和宽度在一定程序上反映了程序的规模和复杂程度相对而言 如果程序结构图的深度和宽度较大 则说明程序的规模和复杂程度都较大 模块的扇入扇出会影响结构图的深度和宽度 例如减少模块的扇出 可能导致宽度变小而深度增加一个模块的扇出过大通常意味着该模块比较复杂 然而扇出太少 可能导致深度的增加一般情况 一个模块的扇出以3 9为宜一个模块的扇入表示有多少模块可直接调用它 它反映了该模块的复用 reuse 程度 因此模块的扇入越大越好 软件设计中的概念 模块化抽象信息局部化模块独立性耦合内聚 模块化 模块是数据说明 可执行语句等程序对象的集合 模块可以单独被命名 可通过名字访问 例如 过程 函数 子程序 宏等等都可作为模块 模块化就是把程序划分为若干个模块 每个模块具有独立子功能 再把各个模块集成后 实现指定功能 满足问题要求 抽象化 抽象就是抽出事务的本质特性而暂不考虑细节问题 是人类在认识复杂现象中使用的最强有力工具 软件工程过程的每一步都是对问题的软件解法抽象层次的一次精化 逐步求精与抽象是紧密相关的 模块独立性 模块独立性是软件系统中每个模块只涉及软件要求的具体子功能 而和软件系统中其他的模块接口是简单的 模块独立的概念是模块化 抽象 信息隐蔽和局部化概念的直接结果 重要概念 耦合 内聚 模块独立性的度量 模块独立性取决于模块的内部和外部特征 SD方法提出的定性的度量标准 模块之间的耦合性模块自身的内聚性 耦合 耦合是对一个软件结构内各个模块之间互连程度的度量 耦合强弱取决于模块间接口的复杂程度 调用模块的方式 以及通过接口的信息 根据模块间耦合程度的强弱的标准 划分耦合类型 共有七种 无耦合 没有依赖关系 松散耦合 有少量依赖关系 紧密耦合 有很多依赖关系 图示 耦合类型 高 低 内容耦合当一个模块直接修改或操作另一个模块的数据 或者直接转入另一个模块时 就发生了内容耦合 此时 被修改的模块完全依赖于修改它的模块 公共耦合两个以上的模块共同引用一个全局数据项就称为公共耦合 控制耦合一个模块在界面上传递一个信号 如开关值 标志量等 控制另一个模块 接收信号的模块动作根据信号值进行调整 称为控制耦合 耦合类型 标记耦合模块间通过参数传递复杂的内部数据结构 称为标记耦合 此数据结构的变化将使相关的模块发生变化 数据耦合模块间通过参数传递基本类型的数据 称为数据耦合 非直接耦合模块间没有信息传递时 属于非直接耦合 内容耦合举例 一模块直接访问另一模块的内部信息 程序代码或数据 最不好的耦合形式 A B A B 模块代码重叠 Entry1 Entry1 多入口模块 公共耦合举例 公共数据区 C B 模块A B C间存在错综复杂的联系 控制耦合举例 A 计算平均分或最高分 B 平均 最高 控制信号 成绩 读入分数 输出结果 计算平均分 计算最高分 平均 最高 B 数据耦合举例 开发票 计算水费 单价数量 金额 标记耦合举例 计算水电费 计算水费 计算电费 住户情况 水费 电费 住户情况 住户情况 是一个数据结构 图中模块都与此数据结构有关 计算水费 和 计算电费 本无关 由于引用了此数据结构产生依赖关系 它们之间也是标记偶合 耦合强弱排序 原则 如果模块间必须存在耦合 尽量使用数据耦合 少用控制耦合 限制公共环境耦合的范围 完全不用内容耦合 内聚 内聚标志一个模块内各个元素彼此结合的紧密程度 它是信息隐蔽和局部化概念的自然扩展 简单地说 理想内聚的模块只做一件事情 根据各个模块之间的内聚程度不同 分为七个类型的内聚 内聚类型 偶然内聚如果一个模块的各成分之间毫无关系 则称为偶然内聚 逻辑内聚几个逻辑上相关的功能被放在同一模块中 则称为逻辑内聚 如一个模块读取各种不同类型外设的输入 尽管逻辑内聚比偶然内聚合理一些 但逻辑内聚的模块各成分在功能上并无关系 即使局部功能的修改有时也会影响全局 因此这类模块的修改也比较困难 内聚类型 时间内聚如果一个模块完成的功能必须在同一时间内执行 如系统初始化 但这些功能只是因为时间因素关联在一起 则称为时间内聚 过程内聚如果一个模块内部的处理成分相关 必须以特定的次序执行 则称为过程内聚 通信内聚如果一个模块的所有成分操作同一数据集或生成同一数据集 则称为通信内聚 内聚类型 顺序内聚如果一个模块的各个成分和同一个功能密切相关 而且一个成分的输出作为另一个成分的输入 则称为顺序内聚 功能内聚模块的所有成分对于完成单一的功能都是必须的 则称为功能内聚 偶然内聚 巧合内聚 模块内各部分间无联系 A B C M MOVEOTORREADFILEFMOVESTOT 模块M中的三个语句没有任何联系缺点 可理解性差 可修改性差 例 逻辑内聚模块 A B C E F G A B C EFG A1 B1 C1 EFG模块内部逻辑 E F G逻辑功能相似 组成新模块EFG 缺点 增强了耦合程度 控制耦合 不易修改 效率低 公用代码段 公用代码段 过程内聚模块 读入成绩单 审查成绩单 统计成绩 打印成绩 读入并审查成绩单 统计并打印成绩单 通信内聚模块例 产生工资报表 计算平均工资 职工工资记录 职工工资报表 平均工资 产生职工工资报表并计算平均工资模块 内聚强弱排序 设计时力争做到高内聚 耦合和内聚的关系 聚和耦合是密切相关的 与其它模块存在强耦合的模块通常意味着弱内聚 而强内聚的模块通常意味着与其它模块之间存在弱耦合 模块设计追求强内聚 弱耦合 片面明确耦合程度和内聚程度是没有任何实际意义的 我们重要的是借助耦合和内聚的概念帮助我们设计模块 设计策略 1 按照模块化设计原则 相应的启发式设计策略如下 改造程序结构图 降低耦合度 提高内聚度避免高扇出 并随着深度的增加 力求高扇入避免如图a那样的 平铺 形态 较好的结构图形态是如图b那样的 椭圆 型 设计策略 2 模块的影响范围应限制在该模块的控制范围内 例如下图中图a中 模块B2的影响范围 模块A 不在其控制范围 模块B2 内图b中 决策控制是在顶层模块 其影响范围 A B2 在控制范围内 但是从决策控制模块到被控模块之间相差多个层次图c和d较合适 图d为最好 设计策略 3 降低模块接口的复杂程度和冗余程度 提高一致性模块接口上应尽可能传递简单数据 而且传递的数据应保持与模块的功能相一致 即不传递与模块功能无关的数据模块的功能应是可预测的 避免对模块施加过多的限制模块功能可预测是指该模块对相同的输入能产生相同的输出限制一个模块只处理单一的功能 那么 这个模块体现出高内聚尽可能设计单入口和单出口的模块单入口和单出口的模块能有效地避免内容耦合 概要设计 SD方法表达工具 SC图 编辑学生记录 读学生记录 学生数据 无此学生 学号 不加区分的数据 数据信息 控制信息 SC中的四种模块 传入模块 a b A A 传出模块 B B 变换模块 c C D 协调模块 E d E F F SC简单调用 SC选择调用 A C B D A根据内部判断决定是否调用B A按另一判定结果选择调用C或D SC循环调用 A B C A根据内在的循环重复调用B C等模块 结构图 SC 举例 医院管理系统 门诊管理 药房管理 药库管理 病房管理 财务管理 处 方 挂号处理 挂 号 费 总 计 挂号单 挂号费总计 出库处理 进药管理 病历管理 处方管理 常规处理 数据流图类型和SD方法的步骤 在软件设计开始之前 首先要分清DFD图所显示的系统特征 在DFD图所代表的SA模型中 所有系统均可以纳入两种典型的形式 变换型结构事务型结构 变换型结构 信息沿输入通路进入系统 同时由外部形式变换成内部形式 进入系统的信息通过变换中心 经过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 当数据流具有这些特征时 这种信息流称为变换流 事务型结构 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 这种 以事务为中心的 的数据流 成为 事务流 处理T称为事务中心 完成以下任务 接收输入数据 分析每个事务以确定它的类型 根据事务类型选取一条活动通路 SD方法步骤 复审DFD图 必要时可以再次进行修改和细化 鉴别DFD图所表示的软件系统结构特征 确定它所代表的软件结构是属于变换型还是事务型 按照SD方法规定的一组规则 把DFD图转换为初始的SC图 SD方法的两种映射过渡方法 变换型DFD 事务型DFD 初始SC 初始SC 变换分析 事务分析 面向数据流方法的设计过程 如何进行变换分析 1 区分传入 变换中心 传出部分 在DFD上标明分界线 2 第一级分解 建立初始SC框架 设计顶层和第一层模块 3 第二级分解 分解SC各分支 自顶向下分解 设计出每个分支的中 下层模块 传入部分 1 第一级分解的方法 2 第一级分解后的SC 第一层 传入分支的分解 1 MA C B A b a c E D d e c e 传入分支的分解 2 c e DtoE 传出分支的分解 WriteV 中心加工分支的分解 MT P Q R e c p r u w p r 任何情况下都可使用变换分析方法设计软件结构 但如数据流具有明显的事务特点时 有一个明显的事务中心 以采用事务分析方法为宜 如何进行事务变换 事务分析设计方法步骤 1 在DFD上确定事务中心 接收部分和发送部分 2 画出SC框架 把DFD上的三部分分别映射为事务控制模块 接收模块和动作发送模块 3 分解细化接收分支和发送分支 完成初始SC 事务分析的映射方法 C路径 事务流设计举例 I M L N A B C D F E G 事务中心 事务流设计举例 取A 总控 A L M N G D B C F E 动作1 动作n 细节模块1 细节模块2 操作模块 细节模块 混合结构 一个大型系统常常是变换型和事务型的混合结构 为了导出它们的初始SC图 也必须同时采用变换映射和事务映射两种方法 混合流设计举例 AB T1 变换中心 传入 传出 T2 T3 a b b1 b2 b3 c1 c2 c3 d e g f j m 事务流子系统 BC CD DE EH HK FJ KL LM h 混合流设计举例 k 混合流设计举例 输入D XX系统 变换控制 输出K 输入C d c 输出L CD DE FJ EH HK KL c d d k k k L L 输出M LM m m L 事务子系统 汽车数字仪表板主要完成下述功能 通过模 数转换实现传感器和微处理机接口 在发光二极管面板上显示数据指示每小时英里数 mph 行驶的里程 每加仑油行驶的英里数 mpg 等等 指示加速或减速 超速警告 如果车速超过5