软件工程(完整教程)

软件工程,(SoftwareEngineering),第1章：软件工程学概述,1.1软件危机60年代中期以前：通用硬件相当普遍，软件却是为某个具体的应用而编写的。60年代中到70年代中：软件作坊。,软件危机：计算机软件的开发和维护过程中所遇到的一系列严重问题。（正常、不正常运行软件都具有这种问题）,1.1.1软件危机的介绍,1）对软件开发成本和进度的估计常常很不准确；2）用户对完成的软件系统不满意的现象经常发生；3）软件产品的质量往往靠不住；,软件危机的典型表现：,4）软件常常是不可维护的；5）软件通常没有适当的文档资料；6）软件成本在计算机系统总成本中所占的比例逐年上升；7）软件开发生产率提高的速度跟不上计算机应用的发展趋势。,1.1.2产生软件危机的原因,1）软件本身特点造成；2）软件开发与维护的方法不正确。,主要表现：（a）忽视软件需求分析；（b）认为软件开发就是写程序并使之运行；（c）轻视软件维护；,在软件开发的不同阶段进行修改需要付出的代价很不相同：,1）推广使用在实践中总结出来的开发软件的成功技术和方法，并研究探索更有效的技术和方法；2）开发和使用更好的软件工具；3）良好的组织管理措施。,1.1.3解决软件危机的途径,为了解决软件危机产生的问题，软件工程与方法学逐渐形成，然后出现了两个相互相承又各有侧重的学科：1）软件工程学：主要应用工程的方法和技术研究软件开发与维护的方法、工具和管理的一门交叉学科。2）程序设计方法学：主要应用数学的方法研究程序的性质以及程序设计的理论和方法的学科。,1.2软件工程,1.2.1软件工程的介绍,1968年NATO会议：软件工程就是为了经济地获得可靠的且能在实际机器上有效地运行的软件，而建立和使用完善的工程原理。,1993年IEEE：软件工程是（1）把系统的、规范的、可度量的途径应用于软件开发、运行和维护过程；（2）研究（1）中提到的途径。,1.软件工程关注于大型程序的构造；2.软件工程的中心课题是控制复杂性；3.软件经常变化；4.开发软件的效率非常重要；5.和谐地合作是软件开发的关键；6.软件必须有效地支持它的用户；7.在软件工程领域中是由具有一种文化背景的人替具有另一种文化背景的人创造产品。,软件工程的本质特性：,1.2.2软件工程的基本原理,1.用分阶段的生命周期计划严格管理；2.坚持进行阶段评审；3.实行严格的产品控制；4.采用现代程序设计技术；5.结果能清楚地审查；6.开发小组的人员应该少而精；7.承认不断改进软件工程实践的必要性。,1.2.3软件工程方法学通常把在软件生命周期全过程中使用的一整套技术方法的集合称为方法学（Methodology），也称为范型（Paradigm）。软件工程方法学的3要素：方法、工具和过程,1.传统方法学也称为生命周期方法学或结构化范型。结构化方法（StructureMethod）有：1）结构化设计方法（SD）；2）结构化分析方法（SA）；3）结构化分析与设计技术（SADT）4）JACKSON方法5）WARNIER方法,2.面向对象方法学把数据和对数据的操作紧密结合起来的方法，模拟人类认识世界解决问题的方法和过程。面向对象的方法=对象（属性与服务的封装）+分类+继承+通过消息的通讯,1）适用于实时事物处理系统的有限状态机方法（FSM）；2）适用于并发软件系统的PETRI网方法；3）以数学概念和理论为基础的形式化方法，如SDC公司的形式化开发方法FDM：（FormalDevelopmentMethodology）IBM公司的维也纳开发方法VDM：（ViennaDevelopmentMethod）,3.其他开发方法,1.3软件生命周期,软件生命周期：指软件从提出到最终被淘汰的这个存在期。,软件生命周期组成：1）软件定义；A.问题定义B.可行性研究C.需求分析2）软件开发；D.总体设计E.详细设计F.编码和单元测试G.综合测试3）运行维护。,1.问题定义；2.可行性研究；3.需求分析；4.总体设计（概要设计）；5.详细设计；6.编码与单元测试；7.综合测试；8.维护。,软件生命周期各个阶段：,1.4软件过程,软件过程：为了获得高质量软件所需要完成的一系列任务的框架，它规定了完成各项任务的工作步骤。软件过程（ISO9000）：使用资源将输入转化为输出的活动所构成的系统。输入：如软件需求输出：如软件产品,1.4.1瀑布模型,1.阶段间具有顺序性和依赖性2.推迟实现的观点3.质量保证的观点,优点：采用规范的方法；严格规定每个阶段提交的文档；要求每个阶段交出的产品必须经过验证。,1.4.2快速原型模型优点：不带反馈环，基本上是线性顺序进行。,1.4.3增量模型,优点：能较短时间内提交可完成部分工作的产品；可以使用户有充裕的时间学习和适应新产品。,一种风险更大的增量模型：,1.4.4螺旋模型可把它看作在每个阶段之前都增加风险分析的快速原型模型。,1.4.5喷泉模型,典型的面向对象软件开发过程模型之一。,1.4.6Rational统一过程,1.RUP软件开发经验（1）迭代式开发（2）管理需求（3）使用基于构件的体系结构（4）可视化建模（5）贯穿于开发过程的软件质量验证（6）控制软件变更,1.4.7敏捷过程与极限编程,1.敏捷过程具有高效、快速响应变化的开发过程。（1）个体和交互胜过过程和工具；（2）可以工作的软件胜过面面俱到的文档；（3）客户合作胜过合同谈判；（4）响应变化胜过遵循计划。2.极限编程敏捷过程中最著名的一种，指把好的开发实践运用到极致，多应用于软件需求模糊的场合。,1.4.8微软过程,1.微软过程准则2.微软软件生命周期（1）规划阶段（2）设计阶段（3）开发阶段（4）稳定阶段（5）发布阶段3.微软过程模型,问题定义就是要确定为用户建立什么样的软件系统，软件叫什么样的名称等等。“问题”是指软件最基本的问题，如：软件的总体目标什么？有什么用途？为那些用户设计？,1.5问题定义阶段,问题定义报告的内容包括：1）软件项目标题；2）软件目标；3）软件用户对象；4）软件规模。,问题定义是软件生命周期中时间最短的阶段，一般都比较简单，因此在实际开发中它是最容易被忽视的一个阶段。这一阶段工作主要由系统分析员来完成，系统分析员要尽可能从较高的角度概括软件所要做的工作，而不用写明问题的实现细节。,第2章：可行性研究,可行性研究就是要回答“所定义的问题有可行的解决办法吗？”。可行性研究的目的是：用最小的代价在尽可能短的时间内确定问题是否有解，以及是否值得去解。,2.1可行性研究的任务,可行性研究所需的时间取决于工程的规模，所需要的成本要占工程总成本的5%10%。,可行性研究的内容：1）技术可行性技术可行性要分析各种技术因素，例如：使用现有的技术能否实现这个系统？是否有胜任开发该项目的熟练技术人员？能否按期得到开发该项目所需的软件、硬件资源？,2）经济可行性对经济合理性进行评价，所要考虑的问题是：这个系统的经济效益能否超过它的开发成本？这就需要对项目进行价格/利益分析，即“投入/产出”分析。由于利益分析取决于软件系统的特点，因此在软件开发之前，很难对新系统产生的效益作出精确的定量描述，所以往往采用一些估算方法。,3）操作可行性操作可行性评价系统运行后会引起的各方面变化，如：对组织机构管理模式、用户工作环境等产生的影响。,4）社会可行性社会可行性主要讨论法律方面和使用方面的可行性。例如，被开发软件的权利归属问题、软件所使用的技术是否会造成侵权等问题。,2.2可行性研究的步骤,1）复查系统规模和目标；2）研究目前正在使用的系统；3）导出新系统的高层逻辑模型（数据流图、数据字典）；4）重新定义问题；,5）导出和评价供选择的解法（物理解决方案）；6）推荐行动方案；7）草拟开发计划；8）书写文档提交审查。,2.2可行性研究的步骤,2.3系统流程图（描绘物理系统的工具）,2.3.1符号,2.3.2例子,2.4数据流图（描绘数据在系统中流动的逻辑过程）,2.4.1符号,注意：“处理”可表示：单个程序、一系列程序、程序的一个模块、人工处理过程等等；“数据存储”可表示：一个文件、文件的一部分、数据库记录等等；数据流图忽略出错处理、打开文件、关闭文件。,2.4.2绘制数据流图的例子,2.4.2绘制数据流图的例子,仓库管理员,采购员,定货系统,事务,定货报表,图2.5定货系统的基本系统模型,2.4.2绘制数据流图的例子,库存清单,仓库管理员,采购员,事务,定货报表,图2.6定货系统的功能级数据流图,定货信息,定货信息,组成该例子的数据流图的元素,上述数据流图所描述的功能够详细了吗？,2.4.2绘制数据流图的例子,1）为数据流（或数据存储）命名A名字应该代表整个数据流（或数据存储）的内容；B不要使用空洞的、缺乏具体含义的名字（如“数据”、“输入”）；,2.4.3命名,C如果为某个数据流（或数据存储）起名字时遇到困难，则很可能是因为对数据流图的分解不恰当造成的，应该试试重新分解数据流图；,2）为处理命名A通常先为数据流命名，然后再为与之相关联的处理命名；B名字应该反映整个处理的功能；C应该尽量避免空洞笼统的动词做名字，如“处理”、“加工”；,D通常用一个动词命名，如果必须用两个动词才能描述整个处理的功能，则可能要把这个处理分解成两个处理更恰当；E如果在为某个处理命名时遇到困难，则很可能是发现了分解不当的情况，应考虑重新分解。,通常，为“数据源点/终点”命名时，采用它们在问题域中习惯使用的名字（如“仓库管理员”、“采购员”）。,1）利用它作为交流信息的工具；2）作为软件分析和设计的工具。,2.4.4数据流图的用途,2.4.4数据流图的用途,图2.8对应的物理实现硬件方案,2.4.4数据流图的用途,图2.9对应的物理实现硬件方案,数据字典：对数据流图中包含的所有元素的定义的集合；可行性研究阶段，数据流图与数据字典共同构成系统的逻辑模型。,2.5数据字典,2.5.1数据字典的内容数据字典应该对下列元素进行定义：1）数据流；2）数据元素（数据流分量）；3）数据存储；4）处理。,1）数据元素字典定义其定义的基本内容有：A数据元素编号、名称及其含义；B数据类型和长度；C合理取值；D其他内容，如它与其它数据的逻辑关系等。,2.5.2定义数据的方法,数据元素字典定义实例：,2）数据流字典定义其定义的基本内容有：A数据流编号及名称；B数据流来源；C数据流去处；D数据流的组成；E流通量；F峰值。,数据流字典定义实例：,3）数据存储字典定义其定义的基本内容有：A数据存储编号及名称；B数据存储的组成；C其它要求。,4）数据处理字典定义其定义的基本内容有：A数据处理编号及名称；B简单描述；C输入/输出；D功能描述；E有关数据存储。,数据处理字典定义实例：,5）组成数据项的表示方法=表示“等价于”或“定义为”+表示“与”与|表示“或”表示重复()表示可选项通讯录=通讯地址通讯地址=姓名+邮编+省|直辖市|自治区+市|县+街道+门牌号+（电话）,1.作为分析阶段的重要工具；2.数据元素的控制信息非常有用；3.有助于开发数据库。,2.5.3数据字典的用途,实现数据字典：1）程序处理；2）卡片式人工书写；,2.5.4数据字典的实现,2.6成本/效益分析,1）代码行技术软件成本=每行代码的平均成本估计的源代码总行数,2.6.1成本估计,2）任务分解技术软件开发项目分解为若干个相对独立的任务，分别估计每个单独任务的成本：单独任务成本=任务所需人力估计值每人每月平均工资；软件开发项目总成本估计=各个单独任务成本估计值之和。,常用的办法是按开发阶段划分任务，典型环境下各个开发阶段需要使用的人力百分比大致如下：,3）自动估计成本技术采用自动估计成本的软件工具估计。,1）Putnam模型1978年Putnam提出的，一种动态多变量模型：,软件开发成本估算的经验模型：,Ck为技术状态常数，它反映“妨碍开发进展的限制”，取值因开发环境而异，见下表：,2）COCOMO模型(constructivecostmodel)这是由TRW公司开发，Boehm提出的结构化成本估算模型，是一种精确的、易于使用的成本估算方法。基本COCOMO模型估算工作量和进度的公式如下：工作量：MM=r(KDSI)c（人月）开发时间：TDKV=a(MM)b（月）DSI：源指令条数，不包括注释，1KDSI=1000DSIMM：开发工作量（以人月计），1MM=19人日=152人时=1/12人年经验常数r,c,a,b取决于项目的总体类型,COCOMO模型中，考虑开发环境，软件开发项目的类型可以分为3种：1）组织型(organic)相对较小、较简单的软件项目。开发人员对开发目标理解比较充分，与软件系统相关的工作经验丰富，对软件的使用环境很熟悉，受硬件的约束较小，程序的规模不是很大（下个状态加入谓词集P，把系统扩展成一个6元组后：当前状态【菜单】事件【所选择的项】谓词下个状态,计算机系统中每个菜单驱动的用户界面都是一个有穷状态机的实现。,定义状态：（1）M(d,e,f)：电梯e正沿d方向移动，即将到达第f层楼。（2）S(d,e,f)：电梯e停在f层楼，将朝d方向移动（未关门）。（3）W(e,f)：电梯e在f层等待（已关门）。（4）DC(e,f)：电梯e在楼层f关上门。（5）ST(e,f)：电梯e靠近f层时触发传感器，电梯控制器决定在当前楼层是否停下。（6）RL：电梯按钮或楼层按钮被按下进入打开状态,4.2.2例子:电梯的状态转换,电梯状态转换规则：S(U,e,f)+DC(e,f)=M(U,e,f+1);S(D,e,f)+DC(e,f)=M(D,e,f-1);S(N,e,f)+DC(e,f)=W(e,f),4.2.3评价有穷状态机描述规格说明：当前状态事件谓词=下个状态易于书写、验证、转变成设计或程序代码。,有穷状态机方法比数据流图技术更精确，一样易于理解。但不能处理定时需求。,4.3Petri网,4.3.1概念,Petri网包含4种元素：1）一组位置P，上例PP1,P2,P3,P42）一组转换T，上例Tt1,t23）输入函数I，上例I（t1）=P2,P4I（t2）=P24）输出函数O，上例O（t1）=P1O（t2）=P3,P3更形式化的Petri网结构，是一个4元组（P，T，I，O）,权标向量（1，2，0，1）,权标向量（2，1，0，0）,权标向量（2，0，2，0）,更形式化地：标记M：P0,1,2,Petri网成为一个5元组（P，T，I，O，M）,对Petri网的一个重要扩充是加入禁止线：,4.3.2例子1.电梯按钮,EBf电梯中楼层f的按钮；Fg楼层g；Ff楼层f。,2.楼层按钮,FBfu第f楼层向上按钮；FBfd第f楼层向下按钮；,小结基于数学的形式化说明技术，目前还没有在软件产业界广泛应用；应该把形式化方法与传统方法有机结合。,第5章：总体设计,5.1设计过程,1.设想供选择的方案,2.选择合理的方案对每个合理的方案要提供：A系统流程图B组成系统的物理元素清单C成本/效益分析D实现这个系统的进度计划,3.推荐最佳方案4.功能分解5.设计软件结构6.数据库设计A模式设计B子模式设计C完整性和安全性设计D优化,7.制定测试计划8.书写文档A系统说明B用户手册C测试计划D详细的实现计划E数据库设计结果9.审查和复审,5.2设计原理,如果一个大型程序仅由一个模块组成，很难被人理解。设函数C(x)定义问题x的复杂程度，函数E(x)定义解决问题x需要的工作量（时间）。对于两个问题P1和P2，如果：C(P1)C(P2)那么E(P1)E(P2)根据解决问题的经验，有一个规律是：C(P1+P2)C(P1)+C(P2)于是有E(P1+P2)E(P1)+E(P2),5.2.1模块化,5.2.2抽象,5.2.3逐步求精,模块的独立性很重要，因为：1）有效的模块化的软件比较容易开发出来;2）独立的模块比较容易测试和维护。,5.2.4信息隐蔽和局部化,5.2.5模块独立,一、耦合,耦合：指软件结构内不同模块彼此之间相互依赖（连接）的紧密程度。,模块独立程度可以由两个定性标准度量：耦合与内聚。,模块的偶合分四类：1）数据耦合两个模块之间只是通过参数交换信息，而且交换的信息仅仅是数据。数据耦合是最低程度的耦合。,2）控制耦合两个模块之间所交换的信息包含控制信息。控制耦合是中等程度的耦合。,图中模块A的内部处理程序判断是执行C还是执行D，要取决于模块B传来的信息状态（Status）。,3）公用耦合两个或多个模块通过一个公共区相互作用时的耦合。公共区可以是：全程数据区、共享通信区、内存公共覆盖区、任何介质上的文件、物理设备等。软件结构中存在大量的公用耦合时会给诊断错误带来困难。,图中存在公用耦合，假设模块A、C、E都存取全程数据区（如公用一个磁盘文件）中的一个数据项。如果A模块读取该项数据，然后调用C模块对该项重新计算，并进行数据更新。,如果此时C模块错误地更新了该项数据，在往下的处理中模块E读该数据项时出现错误。表面上看，问题由模块E产生，实际上由模块C引起。,4）内容耦合一个模块与另一个模块的内容直接发生联系。内容耦合对维护会带来严重的困难。,程序中如果一个模块直接把程序转移到另一个模块中，或一个模块使用另一个模块内部的数据，都会产生内容耦合。内容耦合是最高程度的耦合，应该避免采用。,软件设计应追求尽可能松散耦合，避免强耦合，这样模块间的联系就越小，模块的独立性就越强，对模块的测试、维护就越容易。因此建议：尽量使用数据耦合，少用控制耦合，限制公用耦合，完全不用内容偶合。,二、内聚,内聚：一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程度。它是衡量一个模块内部组成部分间整体统一性的度量。常见的内聚有七类。,1）功能内聚（FunctionalCohesion）如果一个模块内所有处理元素完成一个，而且仅完成一个功能，则称为功能内聚。功能内聚是最高程度的内聚。但在软件结构中，并不是每个模块都能设计成一个功能内聚模块。,2）顺序内聚（SequentialCohesion）如果一个模块内处理元素和同一个功能密切相关，而且这些处理元素必须顺序执行，则称为顺序内聚。,如图，一个求一元二次方程根的模块由三个处理元素组成，该模块中存在顺序内聚。通常，顺序内聚中一个处理元素的输出是另一个处理元素的输入。,3）通信内聚（CommunicationalCohesion）如果一个模块中所有处理元素都使用同一个输入数据和（或）产生同一个输出数据，称为通信内聚。,如图，模块A的处理单元将根据同一个数据文件FILE的数据产生不同的表格，因此它存在通信内聚。通信内聚有时也称为数据内聚。,4）过程内聚（ProceduralCohesion）如果一个模块内的处理元素是相关的，而且必须以特定的次序执行，称为过程内聚。过程内聚与顺序内聚的区别是：顺序内聚中是数据流从一个处理单元流到另一个处理单元，而过程内聚是控制流从一个动作流向另一个动作。,5）时间内聚（TemporalCohesion）如果一个模块包含的任务必须在同一段时间内执行，称为时间内聚。也称为瞬时内聚。,例如，完成各种初始化工作的模块，或者处理故障的模块都存在时间内聚。如图，在“紧急故障处理模块”中，“关闭文件”、“报警”、“保留现场”等任务都必须无中断地同时处理。,6）逻辑内聚（LogicalCohesion）如果模块完成的任务在逻辑上属于相同或相似的一类，称为逻辑内聚。,如图，A、B、C模块合并成ABC模块之后，ABC模块就是逻辑内聚模块。,对逻辑内聚模块的调用，常常需要有一个功能开关，由上层调用模块向它发出一个控制信号，在多个关联性功能中选择执行某一个功能。这种内聚较差，增加了模块之间的联系，不易修改。,7）偶然内聚（CoincidentalCohesion）如果一个模块由完成若干毫无关系的功能处理元素偶然组合在一起的，就叫偶然内聚。,偶然内聚是最差的一种内聚。常犯这种错误的一种情况是：有时在写完程序后，发现一组语句在多处出现，于是为了节省空间而将这些语句作为一个模块设计，就出现偶然内聚。,如图，模块A、B、C出现公共代码段W，于是将W独立成一个模块，而W中这些语句并没有任何联系。如果在测试中发现模块A不需要做“X=Y+Z”，而应该做“X=Y*Z”，此时对W的维护就很困难了。,软件设计中应该：力求做到高内聚，尽量少用中内聚，不用低内聚。,5.3启发式规则,1.改进软件结构提高模块独立性2.模块规模应该适中,3.深度、宽度、扇出和扇入都应适当深度：软件结构中控制的层数；宽度：软件结构内同一个层次上的模块总数的最大值；扇出：一个模块直接控制（调用）其它模块的数目；扇入：一个模块被其它模块调用的数目。,对扇出、扇入过大的改进：,4.模块的作用域应该在控制域之内,作用域：受该模块内一个判定影响的所有模块的集合。控制域：模块本身以及所有从属于它的模块的集合。,如：QUAD-ROOT（TBL,X）求一元二次方程的根的模块，其中TBL，X都为数组，分别代表方程的系数和方程的根。应该使接口更简单，如：QUAD-ROOT（A,B,C,ROOT1,ROOT2）A、B、C是方程的系数，ROOT1，ROOT2是方程的根。,5.力争降低模块接口的复杂度,6.设计单入口、单出口的模块,7.模块功能应该可以预测,5.4图形工具5.4.1层次图和HIPO图,HIPO图是：“层次图输入/处理/输出图”,5.4.2结构图,5.5面向数据流的设计方法,面向数据流设计（DataFlow-OrientedDesign，DFOD）是与数据流分析（DFA）对应的结构化软件设计技术。面向数据流的设计将得到以数据流图为基础的软件模块结构图。,数据流可以分为两种类型：1）变换型数据流2）事务型数据流,5.5.1变换流与事务流,一、变换流具有较明确的输入、变换（或称主加工）和输出界面的数据流图称为变换型数据流图。如图所示，该变换中心可以理解为数据的加工和处理程序。,事务型数据流图中存在一个事务中心（也就是数据处理、加工中心），它将输入分离成若干个发散的数据流，形成许多活动路径，并根据输入值选择其中一条路径。,二、事务流,通常，一个实际系统的数据流图是变换型和事务型两种类型的混合体。如图所示，中间的子块属事务型数据流，如果把中间子块视为一个处理整体的话，整个程序属变换型程序。,面向数据流设计软件结构的基本步骤有七步：1）复审并精化数据流图；2）确定数据处理流图的类型；3）确定变换中心或事务中心；,5.5.2面向数据流设计的步骤,4）将数据流图映射成软件模块结构图，设计出该数据流图对应的第一层模块结构；5）基于数据流图逐步分解，设计下层模块；6）运用模块设计和优化准则优化软件结构；7）描述模块的接口。,变换设计就是从变换型数据流图映射出软件模块结构的过程，也称以变换为中心的设计。,5.5.3变换设计,变换设计的基本方法有两步：1）分解第一层模块结构就是把整个变换分解成输入控制模块Ci、输出控制模块Co和变换中心控制模块Ct，由主控模块控制。,2）分别设计输入、输出和处理的下层模块结构方法是：从变换中心边界向两侧移动，分别把输入通路和输出通路的每个处理映射成输入控制模块Ci和输出控制模块Co的下属模块。变换中心的下层模块，是把每个处理映射成变换中心控制模块Ct的一个直接下属模块。,事务设计就是从事务型数据流图映射出软件模块结构的过程，也称为以事务为中心的设计。,5.5.4事务设计,事务设计的基本方法有两步：1）建立主控模块、接收输入类型分析模块和事务调度模块；,2）分别设计输入类型分析模块和调度模块的下层模块结构。方法是：将输出的每条通路作为调度模块的一个判断分支，而输入类型分析模块的下层模块与变换设计类似。,第5章小结,概要设计说明书该说明书是概要实际阶段的工作成果，它应说明功能分配、模块划分、程序的总体结构、输入输出以及接口设计、运行设计、数据结构设计和出错处理设计等，为详细设计提供基础。,第6章：详细设计,目标：确定如何具体实现所要求的系统。不是具体编写程序，而是设计程序的“蓝图”。详细设计的结果决定最终程序代码的质量。,E.W.Dijkstra最早提出结构程序设计：程序质量与程序中包含的Goto语句的数量成反比（1965）。1966，Bohm,Jacopini，证明了只用“顺序”、“选择”、“循环”控制结构就能实现任何单入口单出口程序。,6.1结构程序设计,理论上，最基本的控制结构只有两种：顺序、循环结构（选择结构可由其两者构造）。学界认识到，不是简单去掉Goto语句的问题，而是要创立一种新的程序设计方法。结构化程序设计（IBM率先成功运用）。,结构程序设计：一种设计程序的技术，它采用自顶向下逐步求精的设计方法和单入口单出口的控制结构。,使用结构程序设计技术的好处：1）提高软件开发工程的成功率和生产率；2）系统有清晰的层次结构，容易阅读理解；3）单入口单出口的控制结构，容易诊断纠正；4）模块化可以使得软件可以重用；5）程序逻辑结构清晰，有利于程序正确性证明。,经典的结构程序设计：只允许使用顺序、IF_THEN_ELSE选择和DO_WHILE循环；,扩展的结构程序设计：除了三种基本控制结构，还使用DO_CASE和DO_UNTIL循环；,修正的结构程序设计：除了三种基本控制结构和两种扩充结构，还使用BREAK等结构。,流程图通常由三种结点组成：1）函数结点如果一个结点有一个入口线和一个出口线，则称为函数结点。,由于函数结点一般对应于赋值语句，所以F也表示了这一个结点对应的函数关系。,6.1.1结构化程序6.1.1.1控制结构,2）谓词结点如果一个结点有一个入口线和两个出口线，而且它不改变程序的数据项的值，则称为谓词结点。,P是一个谓词，根据P的逻辑值（T或F），结点有不同的出口。,3）汇点如果一个结点有两个或多个入口线和一个出口线，而且它不执行任何运算，则称为汇点。,1）顺序结构：相当于“A、B”,2.三种基本控制结构,2）选择结构相当于“IfexpthenAelseBendif”,3）循环结构：相当于“WhileexpdoA”,1）多分支结构相当于“CaseIofI=1:C1;I=2:C2;I=3:C3;I=n:Cn”,3.扩充两种控制结构,2）UNTIL循环结构相当于“RepeatAUntilexp”,6.1.1.2正规程序定义1：一个流程图程序如果满足下面两个条件，称为正规程序：1）具有一个入口线和一个出口线；2）对每一个结点，都有一条从入口线到出口线的通路通过该结点。,由于正规程序有一个入口线和一个出口线，因而一个正规程序总可以抽象为一个函数结点。,定义2：如果一个正规程序的某个部分仍然是正规程序，那么称它为该正规程序的正规子程序。,先给出一个概念：封闭结构定义3：流程图中，两个结点之间所有没有重复结点的通路组成的结构称为封闭结构。,6.1.1.3基本程序,如图：封闭结构为a-b1-b2-b3;c1-c2;d1-d2-d3;e-f,1）不包括多于一个结点的正规子程序，即它是一种不可再分解的正规程序；（程序自身不可视为正规子程序）2）如果存在封闭结构，封闭结构都是正规程序。,6.1.1.3基本程序,定义4：一个正规程序，如果满足以下两个条件，则称之为基本程序：,基本程序形式有多种，前面提到的三种基本控制结构（顺序结构、选择结构、循环结构）和两个扩充控制结构（多分支结构、UNTIL循环结构）都是基本程序。,定义5：用以构造程序的基本程序的集合称为基集合。如：顺序，if-then-else，whiledo顺序，if-then-else，repeat-until都是基集合。,定义6：如果一个基本程序的函数结点用另一个基本函数程序替换，产生的新的正规程序称为复合程序。,循环结构的A函数结点用另一循环结构代替，即嵌套循环，就产生了复合程序。,由于复合程序是由一些基本程序组成，因此，无论从总体上看或是从每个组成部分看，都满足“一个入口，一个出口”的原则，这样的程序就是通常说的好结构程序，或者结构化程序。,定义7：由基本程序的一个固定的基集合构造出的复合程序，称为结构化程序。,结构化定理：任一正规程序都可以函数等价于一个由基集合顺序，If-else-then，While-do产生的结构化程序。实际上，只要能证明可以将任一正规程序转换成等价的结构化程序就可以证明这个结构化定理。,6.1.2结构化定理,证明：（分三步进行结构化程序的转换）步骤一：从程序入口处开始给程序的函数结点和谓词结点编号：1，2，3，n，同时，将每个函数和谓词结点的出口线用它后面的结点的号码进行编号，如果出口线后面没有结点，也就是说该结点的出口线与程序的出口线相连时，出口线编号为0。,步骤二：对原程序中每一个编号为i,出口线编号为j的函数结点H，构造一个新的序列程序Gi，如图：,类似地，对于每个编号为i，出口线分别为j和k的谓词结点，构造一个新的选择程序Gi，如图：,步骤三：利用已经得到的一些Gi程序（i=1,2,3,n），按下图的形式构造一个While-do循环。,图中的循环体是一个对L从1到n的嵌套选择（if-then-else）程序，转换后的程序与原程序是等价的，是由基集合顺序、选择、循环所复合成的结构化程序。,这种方法并不是唯一的把程序转变为结构化程序的方法，所得的程序也不一定是最好的。它的目的是为了证明结构化定理。,例1：把图示的非结构化程序转换成结构化程序（用结构化定理证明过程提供的方法转换）,6.1.3非结构化程序到结构化程序的转换,1）进行结点及其出口线的编号；,2）将图中的四个结点构造新的程序G1、G2、G3、G4；,3）利用得到的G1、G2、G3、G4按介绍的方法构造一个While-do循环，最终结果如图：,6.2人机界面设计,6.2.1设计问题1.系统响应时间；2.用户帮助；3.出错信息处理；4.命令交互,6.2.2设计过程6.2.3人机界面设计指南1.一般交互指南；2.信息显示指南；3.数据输入指南。,6.3过程设计的工具,6.3.1程序流程图,程序流程图：是一种描述程序的控制结构流程和指令执行情况的有向图。历史悠久、使用广泛、直观描绘控制流程、便于初学者掌握。,ASP检索程序流程图：,2）程序流程图中用箭头代表控制流，因此程序员不受任何约束，可以完全不顾结构程序设计的精神，随意转移控制。3）程序流程图不易表示数据结构。,程序流程图的缺点：1）程序流程图本质上不是逐步求精的好工具，它诱使程序员过早地考虑程序的控制流程，而不去考虑程序的全局结构。,6.3.2盒图（N-S图）,盒图的特点有：1）功能域明确，可以从盒图上一眼就看出来；2）不可能任意转移控制；3）很容易确定局部和全程数据的作用域；4）很容易表现嵌套关系，也可以表示模块的层次结构。,盒图例子,PAD（ProblemAnalysisDiagram）是问题分析图。日立公司发明和推广（1973）。,6.3.3PAD图,例子：,PAD图的优点：1）使用表示结构化控制结构的PAD符号所设计出来的程序必然是结构化程序；2）PAD图所描绘的程序结构十分清晰。图中最左面的竖线是程序的主线，即第一层结构。随着程序层次的增加，PAD图逐渐向右延伸，每增加一个层次，图形向右扩展一条竖线。PAD图中竖线的总条数就是程序的层次数；,3）用PAD图表现程序，通俗易懂，程序从图中最左竖线上端的结点开始执行，自上而下，从左向右顺序执行，遍历所有结点；,4）容易将PAD图转换成高级语言源程序，这种转换可以用软件工具自动完成；5）可用于表示程序逻辑，也可用于描绘数据结构；6）PAD图的符号支持自顶向下、逐步求精的方法。,判定表由四部分组成：左上部列出所有条件左下部是所有可能做的动作右上部表示各种条件组合右下部是和每种条件组合相对应的动作,6.3.4判定表,6.3.5判定树判定树是判定表的变种。,PDL也称为伪码。如：ifI0then执行订单数据输入模块else报告出错信息endif,6.3.6过程设计语言（PDL）,PDL的优点：1）可以作为注释直接插在源程序中间；2）可以使用普通的正文编辑程序或文字处理系统来完成PDL的书写和编辑工作；3）现在已经有一些自动处理程序可以自动地把PDL生成程序代码。,PDL的缺点：不如图形工具形象直观。,6.4面向数据结构的设计方法,1）顺序结构,6.4.1Jackson图,2）选择结构,3）重复结构,6.4.2改进的Jackson图,Jackson方法的目标是：得出对程序处理过程的详细描述。,6.4.3Jackson方法,Jackson结构程序设计方法由五个步骤组成：1）分析并确定输入数据和输出数据的逻辑结构，并用Jackson图描绘这些数据结构；2）找出输入数据结构和输出数据结构中有对应关系的数据单元；,3）用三条规则从描绘数据结构的Jackson图导出描绘程序结构的Jackson图：A为每对有对应关系的数据单元，按照它们在数据结构图中的层次在程序结构图的相应层次画一个处理框；,B根据输入数据结构中剩余的每个数据单元所处的层次，在程序结构图的相应层次分别为它们画上对应的处理框；C根据输出数据结构中剩余的每个数据单元所处的层次，在程序结构图的相应层次分别为它们画上对应的处理框；,4）列出所有操作和条件（包括分支条件和循环结束条件），并且把它们分配到程序结构图的适当位置；5）用伪码表示程序。,顺序结构：AseqBCDAend,与三种基本结构对应的伪码是：,选择结构Aselectcond1BAorcond2CAorcond3DAend,重复结构Aiteruntil(或while)condBAend,例：一个正文文件由若干记录组成，每个记录是一个字符串。如：Record1：Howmanystagesarethereinthetraditionalsoftwaredevelopmentmodel?Record2：Afterenteringtheroom,walktothepersonsittingnearesttoyouandgreethim/herwitha“highfive”.Record3：Whatareencapsulatedintoanobject?Record4：Whatdiagramisthefollowingdiagram?Simplydescribethemeaningofit.,要求：1）设计程序统计每个记录中空格字符的个数，输出数据的格式是，每读入一个记录（字符串）之后，另起一行打印出这个字符串及其空格数；2）最后打印出文件中空格的总个数。,分析输入、输出数据结构，用Jackson图描绘，并找出两者对应的数据单元：,导出描绘程序结构的Jackson图：,（1）停止（2）打开文件（3）关闭文件（4）印出字符串（5）印出空格数目（6）印出空格总数（7）sum:=sum+1（8）totalsum:=totalsum+sum（9）读入字符串（10）sum:=0（11）totalsum:=0（12）pointer:=1（13）pointer:=pointer+1I(1)文件结束I(2)字符串结束S(3)字符是空格,列出所有操作和条件：,6.5程序复杂度的定量度量,定量度量程序复杂度的作用：（1）可估算软件中错误的数量及软件开发工作量；（2）度量的结果可用来比较不同设计或不同算法的优劣；（3）程序的复杂度可作为模块规模的限度。,1.流图“退化”的程序流程图，仅描绘程序的控制流程，不表现对数据的具体操作及循环、选择的条件。,6.5.1McCabe方法,一个圆代表一条或多条语句；一个顺序结构可以合并成一个结点；,汇点也是结点；一个顺序处理框序列和一个判断框可映射成一个结点。,复合条件：包含了一个或多个布尔运算符（OR、AND、NOR等）。应把复合条件分解为简单条件，每个条件对应一个结点。,2.计算环形复杂度的方法1）环形复杂度V（G）等于流图中的区域数；2）环形复杂度V（G）EN+2，其中E是流图中边的条数，N是结点数；3）环形复杂度V（G）P1，其中P为流图中判定结点的数目。,例：计算下列程序图的程序复杂度,解：方法一：程序图把平面分为4个区域，程序复杂度V（G）4；方法二：边的条数E11，结点数N9，程序复杂度V（G）EN24；方法三：判定结点为1、2、4点，数目为P3个，所以V（G）P14。,3.环形复杂度的用途对测试难度的一种定量度量，也能对软件最终的可靠性给出某种预测。实践表明，模块规模以V（G）10为宜。,根据程序中运算符和操作数的总数来度量程序复杂度。N=N1+N2其中：N定义为程序长度；N1为程序中运算符出现的总次数；N2为操作数出现的总次数。,6.5.2Halstead方法,Halstead给出预测程序长度的公式为：H=n1log2n1+n2log2n2其中：H定义为程序预测长度；n1为程序中使用的不同运算符（包括关键字）的个数；n2为程序中使用的不同操作数（变量和常量）的个数。,多次验证都表明，程序的预测长度H和实际程序长度N非常接近。Halstead还给出了预测程序中包含错误的个数的公式：E=Nlog2(n1+n2)/3000,第6章小结,详细设计说明书着重描述每一模块是怎样实现的，包括实现算法、逻辑流程等。,第7章：实现,编码和测试统称为实现。编码：把软件设计结果翻译成程序。测试：检测程序并改正错误的过程。,计算机程序设计语言基本上可以分为两大类：1.汇编语言;2.高级语言。,7.1编码,7.1.1选择程序设计语言,从应用特点看，高级语言可分为：1）基础语言如BASIC、FORTRAN、COBOL、ALGOL等2）结构化语言如ALGOL、PL/1、PASCAL、C、ADA等3）专用语言如APL、BLISS、FORTH、LISP、PROLOG等,选择一种编程语言的理论标准：1）有理想的模块化机制；2）可读性好的控制结构和数据结构；3）便于调试和提高软件可靠性；4）编译程序发现程序错误的能力强；5）有良好的独立编译机制。,选择语言时除了考虑理论上的标准，还必须同时考虑主要的实用标准：,（1）系统用户要求（2）可以使用的编译程序（3）可以得到的软件工具（4）工程规模（5）程序员知识（6）软件可移植性要求（7）软件的应用领域,1.程序内部的文档选取含义鲜明的名字，如果使用缩写，缩写规则要一致，并给每个名字加注释；通常在每个模块开始处要有一段注释，描述模块功能、算法、接口特点等；程序清单布局应利用适当的阶梯形式，使程序的层次结构清晰明显。,7.1.2写程序的风格,2.数据说明数据说明的次序应该标准化，如按数据类型确定说明的次序；多个变量名在一个语句中说明时，应该按字母顺序排列这些变量；如果设计时使用了复杂的数据结构，应该用注释说明实现该数据结构的方法和特点。,3.语句构造4.输入/输出5.效率A程序运行时间B存储器效率C输入/输出效率,程序设计工具实例：VisualC,运用VisualC+开发工具需要掌握：C语言特点、语法；Windows编程基础；MFC相关知识；VisualC集成开发工具环境的使用；,一、C语言特点、语法：C+语言是在C语言的基础是扩展而成的，两种语言的基本语法和语义是相同。,C+中加入了面向对象程序设计（OOP）的特征：封装性：通过“类”把属性和函数组合在一起。继承性：派生类可从先前定义的基类中继承函数和属性。多态性：一个函数名，由不同的对象解释执行，可得到不同的执行效果。,二、Windows编程基础：API：API是Windows应用程序编程接口。API是一个程序内（或一组相关程序内）的一组函数调用，程序员用它创建其他程序。程序员不必知道函数内部，只要知道API的函数原型及返回值。API的函数原型及返回值形式可由相关的技术规范资料获得。,现在的Win32API中，核心部分依靠三个主要组件提供Windows的大部分函数，这三个组件分别是：USER32.DLL；GDI32.DLL；KERNEL32.DLL。,Windows消息机制：1）基于消息的事件驱动消息可以是由硬件发来的（存于系统队列）,也可以由Windows系统和应用程序发来（存于程序队列中）；每一个Windows程序在不停的捕捉各种消息,并进行处理；每个窗口都必须有一个窗口函数，来负责消息的判断与处理。,2）窗口函数对消息的处理窗口函数是一个回调函数，可以处理收到的消息，在程序中不需要用户显式调用。该窗口函数的形式通常为：WndProc(),每个窗口类必须在初始化时指定一个窗口函数。,三、MFC：MFC，即Microsoft基本类，该类库封装了SDK（软件开发工具包）结构、功能及应用程序框架内部技术。它提供了许多可以重用的类，使得Windows程序员避免了许多重复性工作。,四、VisualC集成开发工具环境1）开发工具的使用；2）掌握Win32程序开发流程；一个win32程序由两大块组成：程序代码；用户接口资源。,用户接口资源：菜单，对话框，图标，光标等；这些资源的实际内容（二进制代码）由各种工具产生，并以各种扩展名的文件存在；,资源描述文件（*.rc）中对用户接口资源进行描述；RC编辑器（RC.exe）根据该资源描述文件（*.rc）将所有用户接口资源集中构造一个*.RES文件；*.RES文件与程序代码结合起来，构成一个Win32程序。,关于函数库和头文件：动态链接库：应用程序调用的API函数在“执行期间”才链接上的函数库，扩展名可以是.dll，也可以是.exe、.fon、.mod、.drv、.ocx等。静态连接库：.lib头文件：如windows.h，它包含操作系统本身的三大模块gdi32.dll、user32.dll和kernel32.dll中的所有API函数。,有关测试的一些规则：（1）测试是为了发现程序中的错误而执行程序的过程；（2）好的测试方案是极可能发现迄今为止尚未发现的错误的测试方案；（3）成功的测试是发现了至今为止尚未发现的错误的测试。,7.2.1软件测试的目标,7.2软件测试基础,7.2.2软件测试准则,1）所有测试都应该能追溯到用户需求；2）应该远在测试前就制定出测试计划；3）把Pareto原理应用到软件测试中；4）应该从“小规模”测试开始，并逐步进行“大规模”测试；,5）穷举测试是不可能的；,穷尽测试：包含所有可能情况的测试称为穷尽测试。,6）为了达到最佳测试效果，应该由独立的第三方从事测试工作。,黑盒测试：如果已经知道软件应该具有的功能，可以通过测试来检验是否每个功能都能正常使用，这种测试称黑盒测试。也称功能测试。,7.2.3测试方法,白盒测试：也称结构测试。如果知道软件内部工作过程，可以通过测试来检验软件内部动作是否按照规格说明书的规定正常进行，这种测试称为白盒测试。,1.模块测试模块测试又称单元测试，它把每个模块作为单独的实体来测试。2.子系统测试子系统测试是把经过单元测试的模块放在一起形成一个子系统来测试。,7.2.4软件测试的步骤,3.系统测试系统测试是把经过测试的子系统装配成一个完整的系统来测试。4.验收测试验收测试把软件系统作为单一的实体进行测试（利用用户的实际数据测试）。5.平行运行