第6章软件工程.ppt

6.1程序设计语言概述6.2程序设计风格6.3程序设计方法6.4程序设计工具和环境,第6章程序设计语言与编码,6.1程序设计语言概述,程序设计语言特性,1.心理特性,程序设计语言经常要求程序员改变处理问题的方法，使这种处理方法适合于语言的语法规定。而程序是人设计的，人的因素在设计程序时是至关重要的。语言的心理特性指影响程序员心理的语言性能，许多这类特性是作为程序设计的结果而出现的，虽不能用定量的方法来度量，但可以认识到它在语言中的表现形式如下：,(1)歧义性：指程序设计语言通常是无二义性的，编译程序总是根据语法，按一种固定方法来解释语句的，但有些语法规则容易使人用不同的方式来解释语言，这就产生了心理上的二义性。,如：X=X1/X2X3，编译系统只有一种解释，但人们却有不同的理解，有人理解为X=(X1/X2)X3，而另一个人可能理解为X=X1/(X2X3)。又如FORTRAN语言中变量的类型有显式定义和隐式定义两种，用REALK显式说明K是实型变量，但按隐含类型定义，K是整型变量。在程序较长时，不可能每次都查类型定义，容易产生错误。若程序语言具有这些使人心理上容易产生歧义性的特征，则易使编程出错，而且可读性也差。,(2)简洁性：指人们必须记住的语言成分的数量。人们要掌握一种语言，就要记住语句的种类、各种数据类型、各种运算符、各种内部函数和内部过程，这些成分数量越多，简洁性越差，人们越难以掌握。但特别简洁也不好，有的语言(如APL)为了简洁，提供功能强但形式简明的运算符，允许用最少的代码去实现很多的算术和逻辑运算。可是这样使程序难以理解，一致性差。所以既要简洁又要易读易理解。,(3)局部性和顺序性：指人的记忆特性有两方面即联想方式和顺序方式。人的联想力使人能整体地记住和辨别某件事情，如一下子就能识别一个人的面孔，而不是一部分一部分地看过之后才认得出；顺序记忆提供了回忆序列中下一个元素的手段，如唱歌，依次一句一句地唱出，而不必思索。,人的记忆特性对使用语言的方式有很大的影响。局部性指语言的联想性，在编码过程中，由语句组合成模块，由模块组装成系统结构，并在组装过程中实现模块的高内聚，低耦合，使局部性得到加强，提供异常处理的语言特性，则消弱了局部性。若在程序中多采用顺序序列，则使人易理解，如果存在大量分支或循环，则不利于人们的理解。,(4)传统性：指人们习惯于已掌握的语种，而传统性容易影响人们学习新语种的积极性，若新语种的结构、形式与原来的类似，还容易接受，若风格根本不同，则难以接受，如习惯用Pascal或C的编程人员，用Lisp和Prolog编程，就要用更多的时间来学习。,2.工程特性从软件工程的观点、程序设计语言的特性着重考虑软件开发项目的需要，因此对程序编码有如下要求：,(1)可移植性：指程序从一个计算机环境移植到另一个计算机环境的容易程度，计算机环境是指不同机型、不同的操作系统版本及不同的应用软件包。要增加可移植性，应考虑以下几点：在设计时模块与操作系统特性不应有高度联系；要使用标准的语言，要使用标准的数据库操作，尽量不使用扩充结构；对程序中各种可变信息，均应参数化，以便于修改。,(2)开发工具的可利用性：指有效的软件开发工具可以缩短编码时间，改进源代码的质量。目前，许多编程语言都嵌入到一套完整的软件开发环境里。这些开发工具为：交互式调试器、交叉编译器、屏幕格式定义工具、报表格式定义工具、图形开发环境、菜单系统和宏处理程序等。,(3)软件的可重用性：指编程语言能否提供可重用的软件成分，如模块子程序可通过源代码剪贴、包含和继承等方式实现软件重用。可重用软件在组装时，从接口到算法都可能调整，需考虑额外代价。,(4)可维护性：指源程序的可维护性对复杂的软件开发项目的重要性，如易于把详细设计翻译为源程序、易于修改需要变化的源程序。因此，源程序的可读性、语言的文档化特性对软件的可维护性具有重大的影响。,3.技术特性,语言的技术特性对软件工程各阶段有一定的影响，特别是确定了软件需求之后，程序设计语言的特性就显得非常重要了，要根据项目的特性选择相应特性的语言，有的要求提供复杂的数据结构，有的要求实时处理能力强，有的要求能方便地进行数据库的操作。软件设计阶段的设计质量一般与语言的技术特性关系不大(面向对象设计例外)，但将软件设计转化为程序代码时，转化的质量往往受语言性能的影响，可能会影响到设计方法。如Ada,Smalltalk,C+等支持抽象类型的概念，Pascal,C等允许用户自定义数据类型，并能提供链表和其他数据结构的类型。,这些语言特性为设计者进行概要设计和详细设计提供了很大的方便。在有些情况下，仅在语言具有某种特性时，设计需求才能满足。如要实现彼此通信和协调的并发分布式处理，要用并发Pascal,Ada,Modula-2等语言才能用于这样的设计。语言的特性对软件的测试与维护也有一定的影响。支持结构化构造的语言有利于减少程序环路的复杂性，使程序易测试、易维护。,程序设计语言的选择,1.项目的应用领域,项目应用领域是选择语言的关键因素，有下列几种类型。,为开发一个特定项目选择程序设计语言时，必须从技术特性、工程特性和心理特性几方面考虑。在选择语言时，从问题入手，确定它的要求是什么，以及这些要求的相对重要性。由于一种语言不可能同时满足它的各种需求，所以要对各种要求进行权衡，比较各种可用语言的适用程度，最后选择认为是最适用的语言。,1)科学工程计算,该计算需要大量的标准库函数，以便处理复杂的数值计算，可供选用的语言有：,FORTRAN语言：是世界上第一个被正式推广应用的计算机语言，产生于1954年，经过FORTRAN0到FORTRAN，又相继扩展为FORTRAN77，FORTRAN90，通过几个版本不断的更新，使它不仅面向科学计算，数据处理能力也极强。,(2)Pascal语言：产生于60年代末，具有很强的数据和过程结构化的能力，它是第一个体现结构化编程思想的语言，由于它语言简明、数据类型丰富、程序结构严谨，许多算法都用类Pascal来概括。用Pascal语言写程序，也有助于培养良好的编程风格。,(3)C语言：产生于70年代初，最初用于描述UNIX操作系统及其上层软件，后来发展成具有很强功能的语言，支持复杂的数据结构，可大量运用指针，具有丰富灵活的操作运算符及数据处理操作符。此外还具有汇编语言的某些特性，使程序运行效率高。,(4)PL/1语言：是一个适用性非常广泛的语言，能够适用于多种不同的应用领域，但由于太庞大，难以推广使用，目前一些PL/1的子集被广泛使用。,2)数据处理与数据库应用数据处理与数据库应用可供选用的语言如下：,(1)Cobol语言：产生于50年代末，是广泛用于商业数据处理的语言，它具有极强的数据定义能力，程序说明与硬件环境说明分开，数据描述与算法描述分开，结构严谨层次分明，说明采用类英语的语法结构，可读性强。,(2)SQL语言：最初是为IBM公司开发的数据库查询语言，目前不同的软件开发公司有了不同的扩充版本，如80年代后期我国引入Informix-SQL,Microsoft-SQL可以方便地对数据库进行存取管理。,(3)4GL语言：称为第4代语言，随着信息系统的飞速发展，原来的第2代语言(如FORTRAN，Cobol)第3代语言(如Pascal,C等)受硬件和操作系统的局限，其开发工具不能满足新技术发展的需求，因此，在70年代末，提出了第4代语言的概念，4GL的主要特征是：,友好的用户界面：指操作简单，使非计算机专业人员也能方便地使用它。,兼有过程性和非过程性双重特性：非过程性指语言的抽象层次又提高到一个新的高度，只需告诉计算机“做什么”，而不必描述“怎么做”，“怎么做”的工作由语言系统运用它的专门领域的知识来填充过程细节。,高效的程序代码：指能缩短开发周期，并减少维护的代价。,完备的数据库：指在4GL中实现数据库功能，不再把DBMS(数据库管理系统)看成是语言以外的成分。,应用程序生成器：能提供一些常用的程序来完成文件维护、屏幕管理、报表生成和查询等任务，从而有效提高软件生产率。,目前流行的Fox公司的FoxPro,Uniface公司的Uniface,Powersoft公司的PowerBuilder,Informix公司的Informix-4GL以及各种扩充版本的SQL等都不同程度地具有上述特征。,3)实时处理,实时处理软件一般对性能的要求很高，可选用的语言有：,(1)汇编语言：是面向机器的，它可以完成高级语言无法满足要求的特殊功能，如与外部设备之间的一些接口操作。,(2)Ada语言：是美国国防部出资开发的，主要用于适时、并发和嵌入系统的语言。Ada语言是在Pascal基础上开发出来的，但其功能更强、更复杂。它提供了一组丰富的实时特性，包括多任务处理、中断处理、任务间同步与通信等，它还提供了许多程序包供程序员选择。通过修订，已成为安全、高效和灵活的面向对象的编程语言。,5)人工智能,4)系统软件,如果编写操作系统、编译系统等系统软件时，可选用汇编语言、C语言、Pascal语言和Ada语言。,如果要完成知识库系统、专家系统、决策支持系统、推理工程、语言识别、模式识别、机器人视角及自然语言处理等人工智能领域内的系统，应选择的语言如下：,(1)Lisp:是一种函数型语言，产生于60年代初，它特别适用于组合问题中的符号运算和表处理，因此用于定理证明、树的搜索和其他问题的求解。近年来Lisp广泛应用于专家系统的开发，对于定义知识库系统中的事实、规则和相应的推理相对要容易一些。,(2)Prolog:是一种逻辑型语言，产生于70年代初，它提供了支持知识表示的特性，每一个程序由一组表示事实、规则和推理的子句组成，比较接近于自然语言，符合人的思维方式。,以上讨论的语言，一般适用于相应的应用领域，但要根据具体情况灵活掌握。有的语言功能强，适用的范围较广，但比较庞大。,2软件开发的方法,有时编程语言的选择依赖于开发的方法，如果要用快速原型模型来开发，要求能快速实现原型，因此宜采用4GL。如果是面向对象方法，宜采用面向对象的语言编程。近年来，推出了许多面向对象的语言，这里主要介绍以下几种：,(1)C+：是由美国AT&T公司的Bell实验室最先设计和实现的语言，它提供了面向对象类的定义、继承、封装和消息传递等概念实现的手段，又与C语言兼容，保留了C语言的许多特性，维护了大量已开发的C库、C工具以及C源程序的完整性，使编程人员不必放弃自己熟悉的C语言，只需补充学习C+提供的那些面向对象的概念，因而从C过渡到C+比较容易，加之它的运行性能较高，成为当今最受欢迎的对象语言之一。目前，除了常用的AT&TC+,TurboC+,BorlandC+及MicrosoftC+等版本外，又推出了MicrosoftVisualC+,充分发挥Windows和Web的功能。,(2)Java:是由Sun公司开发的一种面向对象的、分布式的、安全的、高效的及易移植的语言，它的基本功能类似于C+，但做了重大修改，不再支持运算符重载、多继承及许多易于混淆和较少使用的特性，增加了内存空间自动垃圾收集的功能，使程序员不必考虑内存管理问题。Java应用程序可利用语言提供的例程库，能够自由地打开和访问网络上的对象。,3.软件执行的环境,良好的编程环境不但有效提高软件生产率，同时能减少错误，有效提高软件质量。近几年推出了许多可视化的软件开发环境，如VisualBASIC,VisualC,VisualFoxPro及Delphi(面向对象的Pascal)等，都提供了强有力的调试工具，帮助你快速形成高质量的软件。,4.算法和数据结构的复杂性,科学计算、实时处理和人工智能领域中的问题算法较复杂，而数据处理、数据库应用和系统软件领域内的问题，数据结构比较复杂，因此选择语言时可考虑是否有完成复杂算法的能力，或者有构造复杂数据结构的能力。,5.软件开发人员的知识,有时编程语言的选择与软件开发人员的知识水平及心理因素有关，新的语言虽然有吸引力，但软件开发人员若熟悉某种语言，而且有类似项目的开发经验，往往愿选择原有的语言。开发人员应仔细地分析软件项目的类型，敢于学习新知识，掌握新技术。,6.2程序设计风格,随着计算机技术的发展，软件的规模增大了，软件的复杂性也增强了。为了保证软件的质量，要加强软件测试。为了延长软件的生存期，就要经常进行软件维护。不论测试与维护，都必须要阅读程序。因此，读程序是软件维护和开发过程中的一个重要组成部分。有时读程序的时间比写程序的时间还要多。同样一个题目，为什么有人编的程序容易读懂，而有人编的程序不易读懂呢？这就存在一个程序设计的风格问题。程序设计风格指一个人编制程序时所表现出来的特点、习惯及逻辑思路等。良好的编程风格可以减少编码的错误，减少读程序的时间，从而提高软件的开发效率。因此本节主要讨论与编程风格有关的因素。,1.源程序文档化,编写源程序文档化的原则为：,(1)标识符应按意取名。若是几个单词组成的标识符，每个单词第一个字母用大写，或者之间用下划线分开，这便于理解。如某个标识符取名为rowofscreen,若写成RowOfScreen或row-of-screen就容易理解了。但名字也不是越长越好，太长了，书写与输入都易出错，必要时用缩写名字，但缩写规则要一致。,(2)程序应加注释。注释是程序员与读者之间通信的重要工具，用自然语言或伪码描述。它说明了程序的功能，特别在维护阶段，对理解程序提供了明确指导。注释分序言性注释和功能性注释。,序言性注释应置于每个模块的起始部分，主要内容有：,说明每个模块的用途、功能。,说明模块的接口即调用形式、参数描述及从属模块的清单。,数据描述：指重要数据的名称、用途、限制、约束及其他信息。,开发历史：指设计者、审阅者姓名及日期，修改说明及日期。,功能性注释嵌入在源程序内部，说明程序段或语句的功能以及数据的状态。注意以下几点：,注释用来说明程序段，而不是每一行程序都要加注释。,使用空行或缩进或括号，以便很容易区分注释和程序。,修改程序也应修改注释。,2.数据说明,为了使数据定义更易于理解和维护，有以下指导原则：,(1)数据说明顺序应规范，使数据的属性更易于查找，从而有利于测试、纠错与维护。例如按常量说明、类型说明、全程量说明及局部量说明顺序。,(2)一个语句说明多个变量时，各变量名按字典序排列。,(3)对于复杂的数据结构，要加注释，说明在程序实现时的特点。,3.语句构造,语句构造的原则为：简单直接，不能为了追求效率而使代码复杂化。为了便于阅读和理解，不要一行多个语句。不同层次的语句采用缩进形式，使程序的逻辑结构和功能特征更加清晰。要避免复杂的判定条件，避免多重的循环嵌套。表达式中使用括号以提高运算次序的清晰度等。,4.输入和输出,在编写输入和输出程序时考虑以下原则：,(1)输入操作步骤和输入格式尽量简单。,(2)应检查输入数据的合法性、有效性，报告必要的输入状态信息及错误信息。,(3)输入一批数据时，使用数据或文件结束标志，而不要用计数来控制。,(4)交互式输入时，提供可用的选择和边界值。,(5)当程序设计语言有严格的格式要求时，应保持输入格式的一致性。,(6)输出数据表格化、图形化。,输入、输出风格还受其他因素的影响，如输入、输出设备，用户经验及通信环境等。,5.效率,效率指处理机时间和存储空间的使用，对效率的追求明确以下几点：,(1)效率是一个性能要求，目标在需求分析给出。,(2)追求效率建立在不损害程序可读性或可靠性基础之上，要先使程序正确，再提高程序效率；先使程序清晰，再提高程序效率。,(3)提高程序效率的根本途径在于选择良好的设计方法、良好的数据结构与算法，而不是靠编程时对程序语句做调整。,总之，在编码阶段，要善于积累编程经验，培养和学习良好的编程风格，使编出的程序清晰易懂，易于测试与维护，从而提高软件的质量。,6.3程序设计方法,6.3.1关于GOTO语句的争论,早在1963年，针对当时流行的ALGOL语言，PeterNaur指出，在程序中大量地、没有节制地使用GOTO语句，会使程序结构变得非常混乱。但是很多人还不太注意这一问题，以至于许多人写出来的程序仍然是纷乱如麻的。1965年，E.W.Dijkstra在一次会议上提出，应当把GOTO语句从高级语言中取消，并提出，程序的质量于程序中包含的GOTO语句的数量成反比。在这种思想的影响下，当时新开发的几种高级程序设计语言都取消了GOTO语句。1966年，Bohm与Jacopini证明了任何单入口单出口的没有“死循环”的程序都能由三种最基本的控制结构构造出来。,1968年，Dijkstra在写给杂志编辑部的信中再次建议从一切高级语言中取消GOTO语句，只使用三种基本控制结构编写程序。他的建议引起了激烈争论。争论集中在如何看待GOTO语句的问题上。赞成取消GOTO语句的一方认为，GOTO语句对程序清晰性有很大破坏作用，凡是使用GOTO语句多的程序，其控制流时而GOTO向前，时而GOTO向后，常常使程序变得很难理解，从而增加差错和维护的困难，降低程序的可维护性。但另一方认为，GOTO语句虽然存在着破坏程序清晰性的问题，但不应完全禁止。因为GOTO语句概念简单，使用方便，在某些情况下，保留GOTO语句反能使写出的程序更加简洁，并且GOTO语句可直接得到硬件指令的支持。,经过争论，人们认识到，不是简单的去掉GOTO语句的问题，而是要创立一种新的程序设计思想、方法和风格，以显著提高软件生产率和软件质量，降低软件维护的成本。,6.3.2结构化程序设计的原则,综合在围绕GOTO语句的争论中众多学者的意见，对结构化程序设计的概念逐渐清晰起来。其主要的原则有：,使用语言中的顺序、选择、重复等有限的基本控制结构表示程序逻辑。选用的控制结构只准许有一个入口和一个出口。程序语句组成容易识别的块（Block），每块只有一个入口和一个出口。复杂结构应该用基本控制结构进行组合嵌套来实现。语言中没有的控制结构，可用一段等价的程序段模拟，但要求该程序段在整个系统中应前后一致。严格控制GOTO语句，仅在下列情形才可使用：用一个非结构化的程序设计语言去实现一个结构化的构造。在某种可以改善而不是损害程序可读性的情况下。,例：设在闭区间a.b上函数F（X）有唯一的一个零点，如图所示。下面给出一个用C语言写出的程序段，用二分法求方程F（X）0在区间a.b中的根。程序段中X0、X1是当前求根区间X0.X1的下上界，Xm是该区间的中点，eps是一个给定的很小正数，用于迭代收敛的判断。在程序上采取了用goto语句和标号finish控制在循环中途转出循环。,程序段1,这类循环结构出现了两个循环出口。一个是for循环的正常出口：当循环控制变量i超出了循环终值n时退出循环；另一个是for循环的非正常出口：当某种条件满足时，从循环中间某处转出循环，执行循环后面的语句。它不满足结构化的要求。,作为对照，再看下面的两个程序段：,这段程序仍然不是结构化的程序，利用了C语言中的一个语句break，它的功能是将控制转移到它所在循环的后面第一个后续语句处。它与【程序段1】完成的工作相同，由于将转移语句与转出条件的判断直接联系在一起，可读性较好。,再看【程序段3】，它利用了一个布尔变量finished，该变量的初值为false，当循环中求到了要求的结果时，将此变量的值改变为true，表示循环应结束，while循环测试到finished为true，就自动退出循环，执行后续的语句。,此程序段中各种结构均为单入口与单出口，且没有GOTO语句，可以说它是一个结构化程序。它的结构很简单，只有一重循环，但由于引入一个布尔变量来控制循环结束，可读性比【程序段1】与【程序段2】要差。在只有一重循环的情形，差的程度还不很明显，在多重循环的情形，引入多个布尔变量，可读性就很差了。理解程序的时间差几倍到几十倍不止。因此，对于这种单入口多出口的循环，用GOTO可以得到较好的清晰性。,6.3.3程序设计自顶向下，逐步求精,关于逐步细化的方法，N.Wirth曾做过如下说明：“我们对付一个复杂问题的最重要的方法就是抽象。因此，对于一个复杂的问题，不要基于马上用计算机指令、数字和逻辑符号来表示它，而应当先用较自然的抽象的语句来表示，从而得到抽象的程序。抽象程序对抽象的数据类型进行某些特定的运算，并用一些合适的记号（可以是自然语言）来表示。下一步对抽象程序再做分解，进入下一个抽象的层次。这样的细化过程一直进行下去，直到程序能被计算机接受为止。此时的程序已经用某种高级语言或及其指令书写的了。”,例如，要求用筛选法求100以内的素数。筛选法就是从2到100中去掉2，3，9，10的倍数，剩下的就是100以内的素数。为了解决这个问题，可先按程序功能写出一个框架。,上述框架中每一个加工语句都可进一步细化成一个循环语句。,下一步继续对3.1和4.1细化下去，直到最后每一个语句都能直接用程序设计语言来表示为止。,6.3.3语句结构,在设计阶段确定了软件的逻辑结构，但构造单个语句则是编码阶段的任务。语句构造力求简单，直接，不能为了片面追求效率而使语句复杂化。,（1）在一行内只写一条语句，并采取适当的缩进格式，使程序的逻辑和功能变得更加明确。例如，许多程序设计语言允许在一行内写多条语句，但这种方式会使程序的可读性变得很差。,例如有一段排序程序如下：,上例程序由于一行中包括了多个语句，掩盖了程序的循环结构和选择结构，使其可读性变得很差，这里，将此程序段改成如下形式：,（2）程序编写应首先考虑清晰性，不要可以追求技巧性，使程序编写得过于紧凑。随着硬件技术的发展，软件人员的开发环境越来越优越，在大容量和高速度的条件下，开发人员不必在程序中精心设置技巧。与此相反，软件工程技术要求软件生产工程化、规范化，为了提高程序的可读性，减少出错的可能性，提高测试和维护的效率，要求把程序的清晰性放在首位。因此，写出的程序必须让人很容易读懂。,例如，有一个PASCAL语句片段：,此段程序可能不易看懂，如果给AI赋值3，给AT赋值5，在运算后发现交换了AI和AT中的内容。其目的就是为了节省一个内存单元。如果略微修改，就能一目了然。,（3）除非对效率有特殊的要求，程序编写要做到清晰第一，效率第二。不要为了追求效率而丧失了清晰性。事实上，程序效率的