软件工程学概述

软件工程清华大学出版社张海藩主编主讲：赵赵春霞电电话：mail：springshiner@@163.com课程性质质：考试试课学时：共共72学学时实实验18学时,,分组进进行课程成绩绩构成：：形成性性成绩：：40%%（考勤勤：10分；实实验项目目：20分；实实验报告告：10分）终终结性考考核：60%建议参考考书目1.(美)ShariLawrencePfleeger.SofewareEngineeringTheoryandPractice（SecondEdition）.吴丹，史史争印，，唐忆译译.北京：清清华大学学出版社社，2003，82.((英)IanSommerville.SofewareEngineering((6thEdition)..程成等译译.北京：机机械工业业出版社社，2003，13.郑人杰等等.实用软件件工程(第二版).北京：清清华大学学出版社社，1997，44.周之英.现代软件件工程.北京：科科学出版版社，19995.《敏捷开发发方法—原则、模模式与实实践》RobertC.Martin著清清华大学学出版社社6.《人月神话话》弗雷德里里克·布鲁克斯斯著清清华大大学出版版社学习《软软件工程程》对我我有什么么用？长远看：：……近期：帮帮助你完完成毕业业设计及及毕业论论文的撰撰写。思考：假假如你的的毕业设设计是关关于一个个软件的的设计与与开发，，拿到这这个题目目之后，，你打算算怎么开开展工作作？到底什么么是软件件工程？？第1章软软件件工程学学概述1.1软软件危危机1.2软软件工工程1.3软软件生生命周期期1.4软软件过过程1.5问问题定定义1.1软件危机机软件发展展的历程程：60年代中期期以前：：通用硬硬件相当当普遍，，软件却却是为某某个具体体的应用用而编写写的。采采用“个个体生产产方式””60年代中到到70年代中：：软件作作坊。随随着软件件规模的的扩大，，个体生生产已经经不能够够满足软软件生产产的需要要，一个个软件需需要由几几个人协协同完成成，采用用“生产产作坊方方式”，，随着着软件需需求量、、规模及及复杂度度的增大大，生产产作坊的的方式已已经不能能够适应应软件生生产的需需要，出出现所谓谓“软件件危机””。软件工程程时代：：为了克克服软件件危机，，适应软软件发展展的需要要，而采采用“工工程化的的生产””方式式。将工工程学的的某些原原理和方方法应用用在软件件的设计计和开发发中来，，最终出出现软件件工程。。软件危机机的最突突出的爆爆发：60年代代美国IBM公公司开发发IBM360机的操操作系统统，化了了5000人年年的工作作量，完完成时间间一再推推迟，结结果却不不理想。。项目负责责人Brook后来对对整个过过程反思思，总结结经验和和教训，，写成了了《人月月神话》》，被称称为程序序员的““圣经””。1968年北大大西洋公公约组织织的计算算机科学学家在联联邦德国国召开国国际会议议，讨论论软件危危机问题题，在这这次会议议上正式式提出并并使用了了“软件件工程””一词，，软件工工程学由由此开始始研究。。软件危机机：计算机机软件的的开发和和维护过过程中所所遇到的的一系列列严重问问题。（（正常、、不正常常运行软软件都具具有这种种问题））1.1..1软件危机机的介绍绍1）对软件件开发成成本和进进度的估估计常常常很不准准确：实际成本本比估计计成本高高出几倍倍甚至十十几倍，，实际进进度比预预期进度度拖延几几个月甚甚至几年年的现象象并不罕罕见。2）用户对对完成的的软件系系统不满满意的现现象经常常发生：：软件开发发人员与与用户的的信息交交流不充充分。3）软件产产品的质质量往往往靠不住住：软件质量量保证技技术的不不完善和和未全面面推广。。软件危机机的典型型表现：：4）软件常常常是不不可维护护的：很多程序序中的错错误都非非常难以以改正。。“可重重用的软软件”的的目标很很难实现现。5）软件通通常没有有适当的的文档资资料：缺乏必要要的文档档资料或或者文档档资料不不合格，，必然给给软件开开发和维维护带来来许多严严重的困困难和问问题。6）软件成成本在计计算机系系统总成成本中所所占的比比例逐年年上升；；7）软件开开发生产产率提高高的速度度，远远远跟不上上计算机机应用迅迅速普及及深入的的发展趋趋势：软件产品品“供不不应求””。1.1..2产产生软软件危机机的原因因1）软件本本身特点点造成；；2）软件开开发与维维护的方方法不正正确。主要表现现：（a）忽视软软件需求求分析；；（b）开发过过程没有有统一、、规范的的方法论论的指导导，文档档资料不不齐全，，认为软软件开发发就是写写程序并并使之运运行；（c）轻视软软件维护护。在软件开开发的不不同阶段段进行修修改需要要付出的的代价很很不相同同：高中低早期中期后期软件开发时期代价引入同一修改的代价随时间变化的趋势关于软件件开发，，常见的的一些观观点，我我们看看看是否正正确：“有一个个对目标标的概括括描述就就足以着着手编写写程序了了，许多多细节可可以在以以后再补补充。””“所谓软软件开发发就是编编写程序序并设法法使它运运行。””“用户对对软件的的要求不不断变化化，然而而软件是是柔软而而灵活的的，可以以轻易地地改动。。”“软件投投入生产产性运行行以后需需要的维维护工作作并不多多，而且且维护是是一种很很容易做做的简单单工作。。”软件维护护的费用用占软件件总费用用的55％－70％不完善的的系统定定义往往往是导致致软件项项目失败败的主要要原因。。只有质量量差的软软件产品品才需要要维护。。在软件开开发的过过程中，，若能推推迟暴露露其中的的错误，，则为修修复和改改正错误误所花费费的代价价就会降降低。只要我们们写出了了程序并并使其正正常运行行，我们们的工作作就结束束了。我们拥有有一套讲讲述如何何开发软软件的书书籍，书书中充满满了标准准与示例例，可以以帮助我我们解决决软件开开发中遇遇到的任任何问题题。在项目计计划发生生延迟的的情况下下，增加加更多的的程序员员一定会会加快进进度。文档是软软件产品品的一部部分，没没有文档档的软件件就不称称其为软软件。一个成功功的项目目唯一提提交的就就是运行行程序。。1）正确确认识软软件的概概念。2）充分分认识到到软件开开发不是是某种个个体劳动动的神秘秘技巧，，而应该该是一种种组织良良好、管管理严密密、各类类人员协协同配合合共同完完成的工工程项目目。3）充分分吸取和和借鉴人人类长期期以来从从事各种种工程项项目所积积累的行行之有效效的原理理、概念念、技术术和方法法，特别别要吸取取几十年年来人类类从事计计算机软软硬件研研究和开开发的经经验教训训。4）推广广使用在在实践中中总结出出来的开开发软件件的成功功技术和和方法，，并研究究探索更更有效的的技术和和方法；；5）开发发和使用用更好的的软件工工具；6）良好好的组织织管理措措施。1.1..3解决软件件危机的的途径软件是计算机机系统中中与硬件件相互依依存的另另一部分分，它是包括括程序，，数据及及其相关关文档的的完整集集合。程序是按事先先设计的的功能和和性能要要求执行行的指令令序列。。数据是使程序序能正常常操纵信信息的数数据结构构。文档是与程序序开发，，维护和和使用有有关的图图文材料料。软件=程序+数据+文档什么是软软件？开发软件件不等于于编写程程序！！！！总之，为为了消除除软件危危机，既既要有技术措施（方方法和工工具），，又要有有必要的的组织管理理措施。软软件工程程正是从从管理和和技术两两方面研研究如何何更好地地开发和和维护计计算机软软件的一一门新兴兴学科。。1.2软件工程程1.2..1软件工程程的介绍绍1968年NATO（北大西西洋公约约组织）会议：：软件工工程就是是为了经经济地获获得可靠靠的且能能在实际际机器上上有效地地运行的的软件，，而建立立和使用用完善的的工程原原理。1993年IEEE（美国电电气和电电子工程程师协会会）：软软件工程程是（1）把系统统的、规规范的、、可度量量的途径径应用于于软件开开发、运运行和维维护过程程；（2）研究（（1）中提到到的途径径。1.软软件工程程关注于于大型程程序的构构造；2.软软件工程程的中心心课题是是控制复复杂性；；3.软软件经常常变化；；4.开开发软件件的效率率非常重重要；5.和和谐地合合作是软软件开发发的关键键；6.软软件必须须有效地地支持它它的用户户；7.在在软件工工程领域域中是由由具有一一种文化化背景的的人替具具有另一一种文化化背景的的人创造造产品。。软件工程程的本质质特性：：软件工程程的定义义概括地说说，软件件工程是是指导计计算机软软件开发发与维护护的工程程学科。。它采用用工程的的概念、、原理、、技术和和方法来来开发与与维护软软件，把把经过时时间考验验而证明明是正确确的管理技术和目目前能够够得到的的最有效效的技术与方方法结合起来来，以经经济地开开发出高高质量的的软件并并有效地地维护它它，这就就是软件件工程。。目标：软件工程程研究的的目标是是“以较较少的投投资获取取较高质质量的软软件”。。（1）付付出较低低的开发发成本（2）实实现要求求的软件件功能（3）取取得较好好的软件件性能（4）开开发的软软件易于于维护（5）需需要的维维护费用用较低（6）能能按时完完成开发发工作，，及时交交付使用用

1.2..2软软件工工程的基基本原理理1.用分分阶段的的生命周周期计划划严格管管理把软件生生命周期期划分成成若干个个阶段，，并相应应地制定定出切实可行行的计划，，然后严严格地按按照计划划对软件件的开发发与维护护工作进进行管理理。2.坚坚持进行行阶段评评审软件的质质量保证证工作不不能等到到编码阶阶段结束束之后再再进行。。原因：：第一，大大部分错错误是在在编码之之前造成成的，例例如，根根据Boehm等人的统统计，设设计错误误占软件件错误的的63%，而编码码错误仅仅占37%；第二，错错误发现现与改正正得越晚晚，改正正错误所所需付出出的代价价也越高高。3.实实行严格格的产品品控制基线配置置管理（（变动控控制）4.采采用现代代程序设设计技术术结构化分分析(SA))技术、结结构化设设计(SD))技术、结结构化程程序设计计（SP）技术,面向对象象分析和和设计技技术。实践表明明，采用用先进的的技术不不仅可以以提高软软件开发发和维护护的效率率，而且且可以提提高软件件产品的的质量。。5.结结果应该该能够清清楚地审审查依据开发发项目的的总目标标和完成成期限，，规定开开发小组组的责任任、产品品标准及及完成日日期，使使结果能能够清楚楚地审查查。6.开开发小组组的人员员应该少少而精素质高的的人员的的开发效效率比素素质低的的人员的的开发效效率可能能高几倍倍至几十十倍，而而且素质质高的人人员所开开发的软软件中的的错误明明显少于于素质低低的人员员所开发发的软件件中的错错误。随着开发发小组人人员数目目的增加加，为了了交流信信息、讨讨论问题题而造成成的通信信开销也也急剧增增加。当当开发小小组人数数为N时，可能能的通信信路径有有N（N－1）/2条。7.承承认不断断改进软软件工程程实践的的必要性性软件工程程随着技技术的进进步而不不断的发发展。1.2..3软软件工程程方法学学软件工程程包括技技术和管管理两方方面的内内容，是是技术与与管理紧紧密结合合形成的的工程学学科。管理是通通过计划划、组织织和控制制等一系系列活动动，合理理配置和和使用资资源，以以达到既既定目标标的过程程。通常把在在软件生生命周期期全过程程中使用用的一整整套技术方法法的集合合称为方方法学（Methodology），也称称为范型型（Paradigm）。软件工程程方法学学的3要要素：方方法、工工具和过过程。方法是完完成软件件开发的的各项任任务的技技术方法法，回答答“怎样样做”的的问题；；工具是为为运用方方法而提提供的自自动或半半自动的的软件工工程支撑撑环境；；过程是为为了获得得高质量量的软件件所需完完成的一一系列任任务的框框架，它它规定了了完成各各项任务务的工作作步骤。。1、传统方方法学（（生命周周期方法法学或结结构化范范型）——强调自顶顶向下采用结构构化技术术来完成成软件；；划分为若若干个阶阶段，然然后顺序序地完成成每个阶阶段的任任务；每每个阶段段的任务务相对独独立，而而且比较较简单，，降低了了整个软软件开发发工程的的困难程程度；前一个阶阶段是后后一个阶阶段的前前提和基基础，而而后一阶阶段提出出的解法法更具体体，细节节更多；；每个阶段段结束前前必须从从技术和和管理两两方面对对这个阶阶段的开开发成果果进行严严格的检检查，通通过之后后这个阶阶段才算算结束；；保证质质量，提提高可维维护性；；当软件规规模庞大大，或者者的需求求模糊或或随时间间而变化化时，传传统方法法学往往往不成功功；维护护起来仍仍然很困困难。2、面向对对象方法法学——强调主动动地多次次反复迭迭代面向对象象方法：：把数据和和行为看看成同等等重要，，它是一一种以数数据为主主线，把把数据和和对数据据的操作作紧密地地结合起起来的方方法。面向对象象方法学学4个要点：：对象(object)：融合了了数据及及在数据据上的操操作行为为。类(class))：类是对对具有相相同数据据和相同同操作的的一组相相似对象象的定义义。继承：按按照父类类与子类类的关系系，把若若干个相相关类组组成一个个层次结结构的系系统。消息：对对象彼此此间仅能能通过发发送消息息互相联联系。面向对象象方法学学的优点点：面向对象象方法学学的尽量量模拟人人类习惯惯的思维维方式，，使开发发软件的的方法与与过程尽尽可能接接近人类类认识世世界解决决问题的的方法与与过程。。面向对象象方法学学开发软软件的过过程，是是一个主主动地多多次反复复迭代的的演化过过程，保保证了在在各项开开发活动动之间的的平滑过过渡。促进了软软件重用用。最终终的软件件产品由由许多较较小的、、基本上上独立的的对象组组成，每每个对象象相当于于一个微微型程序序，而且且大多数数对象都都与现实实世界中中的实体体相对应应，降低低了复杂杂性，提提高了可可理解性性，简化化了开发发和维护护工作。。软件发展展趋势：：以面向对对象技术术为手段段，以可可重用软软件构件件化和体体系架构构为基础础，以工工业化生生产方式式和管理理支撑体体系为核核心的软软件新变变革。1.3软件生命命周期软件生命命周期：：指软件件从提出出到最终终被淘汰汰的存在在期。三个时期期八个阶阶段：软件生命命周期由由软件定定义、软软件开发发和运行行维护（（也称为为软件维维护）三三个时期期组成，，每个时时期又进进一步划划分成若若干个阶阶段。三个时期：八个阶段：软件生命周期软件定义软件开发软件维护问题定义可行性研究需求分析概要设计详细设计编码和单元测试综合测试运行维护系统设计系统实现1.问题定义义（系统统定义））任务：问问题是什什么通过对客客户的访访问调查查，系统统分析员员扼要地地写出关关于问题题性质、、工程目目标和工工程规模模的书面面报告。。经过讨论论和必要要的修改改之后这这份报告告应该得得到客户户的确认认。结果：关于系统统规模和和目标的的报告书书2.可行性研研究任务：有有可行的的解吗系统分析析员需要要进行一一次大大大压缩和和简化了了的系统统分析和和设计过过程。研究问题题的范围围，探索索这个问问题是否否值得去去解，是是否有可可行的解解决办法法。结果：系统的高高层逻辑辑模型（（数据流流图、成成本效益益分析））可行性论论证报告告（立即即进行/推迟进行行/不能或不不值得进进行）3.需求分析析任务：必必须做什什么主要是确确定目标标系统必必须具备备哪些功功能。系统分析析员必须须和用户户密切配配合，充充分交流流信息，，以得出出经过用用户确认认的系统统逻辑模模型。结果：系统的逻逻辑模型型（数据据流图、、数据字字典、简简要的算算法描述述）用规格说说明书准准确地记记录对目目标系统统的需求求4.总体设计计任务：如如何解决决已提出出的问题题设计出实实现目标标系统的的几种可可能的方方案（低低、中、、高成本本）。用适当的的表达工工具描述述每种方方案，分分析优缺缺点，推推荐一个个最佳方方案，制制定出实实现最佳佳方案的的详细计计划。设设计程序序的体系系结构。。结果：可能的解解法（系系统流程程图、成成本效益益分析））推荐的系系统体系系结构（（层次图图或结构构图）5.详细设计计任务：怎怎样具体体实现该该系统详细地设设计每个个模块，，确定实实现模块块功能所所需要的的算法和和数据结结构。结果：每个模块块的算法法和数据据结构（（程序流流程图、、N-S图、PAD图等）。。6.编码和单单元测试试任务：得得到正确确的程序序模块选取一种种适当的的高级程程序设计计语言(必要时用用汇编语语言)，把详细细设计的的结果翻翻译成用用选定的的语言书书写的程程序；并且仔细细测试编编写出的的每一个个模块。。结果：代码和测测试报告告7.综合测试试任务：得得到符合合要求的的软件通过集成成测试、、验收测测试、现现场测试试、平行行运行等等方法对对目标系系统进一一步测试试检验。。通过对软软件测试试结果的的分析可可以预测测软件的的可靠性性；反之之，根据据对软件件可靠性性的要求求，也可可以决定定测试和和调试过过程什么么时候可可以结束束。结果：测试计划划、详细细测试方方案以及及实际测测试结果果完整一致致的软件件配置8.软件维护护任务：使使系统持持久地满满足用户户的需要要改正性维维护，诊诊断和改改正在使使用过程程中发现现的软件件错误；；适应性维维护，修修改软件件以适应应环境的的变化；；完善性维维护，根根据用户户的要求求改进或或扩充软软件；预防性维维护，修修改软件件为将来来的维护护活动做做准备。。每一项维维护活动动实质上上是经历历了一次次压缩和和简化了了的软件件定义和和开发的的全过程程。结果：完整准确确的维护护记录各类维护工作量所占比例维护工作量在软件生命周期所占比例1.4软软件件过程软件过程程：为了获获得高质质量软件件所需要要完成的的一系列列任务的的框架，，它规定定了完成成各项任任务的工工作步骤骤。软件过程程（ISO9000））：使用资源源将输入入转化为为输出的的活动所所构成的的系统。。输入：如如软件需需求输出：如如软件产产品软件过程程定义了了运用方方法的顺顺序、应应该交付付的文档档资料、、为保证证软件质质量和协协调变化化所需要要采取的的管理措措施，以以及标志志软件开开发各个个阶段任任务完成成的里程程碑。为为获得高高质量的的软件产产品，软软件过程程必须科科学、有有效。传统的瀑瀑布模型型实际的瀑瀑布模型型1.4..1瀑布模型型瀑布模型型的特点点：1.阶段间具具有顺序序性和依依赖性前一阶段段的工作作完成之之后，才才能开始始后一阶阶段的工工作；前一阶段段的输出出文档就就是后一一阶段的的输入文文档。2.推迟实现现的观点点对于规模模较大的的软件项项目来说说，往往往编码开开始得越越早最终终完成开开发工作作所需要要的时间间反而越越长。3.质量保证证的观点点每个阶段段都必须须完成规规定的文文档，是是“文档档驱动””的模型型；每个阶段段结束前前都要对对所完成成的文档档进行评评审，尽尽早发现现问题，，改正错错误。瀑布模型型的优点点：可强迫开开发人员员采用规规范的方方法；严格地规规定了每每个阶段段必须提提交的文文档；要求每个个阶段交交出的所所有产品品都必须须经过质质量保证证小组的的仔细验验证。瀑布模型型的缺点点：只能通过过文档了了解产品品，不经经过实践践的需求求是不切切实际的的。瀑布模型型适用于于：需求是预预知的；；软件实现现方法是是成熟的的；项目周期期较短。。1.4..2快快速原原型模型型快速原型型：是快速建建立起来来的可以以在计算算机上运运行的程程序，它它所能完完成的功功能往往往是最终终产品能能完成的的功能的的一个子子集。快速原型型模型快速原型型模型的的特点：：快速原型型模型不不带反馈馈环，软软件产品品的开发发基本上上是线性性顺序进进行的。。快速原型型的本质质是“快快速”。。应该尽尽可能快快地建造造出原型型系统，，以加速速软件开开发过程程，节约约成本。。1.4..3增量模型型增量模型型把软件件产品作作为一系系列的增增量构件件来设计计、编码码、集成成和测试试。每个个构件由由多个相相互作用用的模块块构成，，并且能能够完成成特定的的功能。。增量模型型增量模型型的优点点：人员分配配灵活，，刚开始始不用投投入大量量人力资资源。当配备的的人员不不能在设设定的期期限内完完成产品品时，它它提供了了一种先先推出核核心产品品的途径径。逐步增加加产品功功能可以以使用户户有较充充裕的时时间学习习和适应应新产品品。增量模型型的难点点：软件体系系结构必必须是开开放的。。模型本身身是自相相矛盾的的。整体体——独独立构件件。不同的构构件并行行地构建建有可能能加快工工程进度度，但是是冒无法法集成到到一起的的风险。。增量模型型适用于于：适用于需需求经常常改变的的软件开开发过程程。如果在项项目既定定的商业业要求期期限之前前不可能能找到足足够的开开发人员员，在这这种情况况下，增增量模型型显得特特别有用用。一种风险险更大的的增量模模型：1.4..4螺旋模型型螺旋模型型的基本本思想：：使用原型型及其他他方法来来尽量降降低风险险。可以以把它看看作在每每个阶段段之前都都增加了了风险分分析过程程的快速速原型模模型。简化的螺螺旋模型型完整的螺螺旋模型型螺旋模型型的优点点：主要优势势在于它它是风险险驱动的的。对可选方方案和约约束条件件的强调调有利于于已有软软件的重重用，也也有助于于把软件件质量作作为软件件开发的的一个重重要目标标；减少了过过多测试试或测试试不足所所带来的的风险；；维护只是是模型的的另一个个周期，，维护和和开发之之间没有有本质区区别。螺旋模型型的缺点点：采用螺旋旋模型需需要具有有相当丰丰富的风风险评估估经验和和专门知知识，在在风险较较大的项项目开发发中，如如果未能能够及时时标识风风险，势势必造成成重大损损失。过多的迭迭代次数数会增加加开发成成本，延延迟提交交时间。。螺旋模型型适用于于：特别适用用于庞大大、复杂杂并具有有高风险险的系统统。适用于内内部开发发的大规规模软件件项目。。1.4..5喷泉模型型喷泉模型型：是典型的的面向对对象生命命周期模模型。“喷泉””这个词词体现了了面向对对象软件件开发过过程迭代代和无缝缝的特性性。为避避免使用用喷泉模模型开发发软件时时开发过过程过分分无序，，应该把把一个线线性过程程(例如如，快速速原型模模型或图图中的中中心垂线线)作为为总目标标。喷泉模型型的优点点：该模型的的各个阶阶段没有有明显的的界限，，开发人人员可以以同步进进行开发发。多次反复复地增加加或明确确目标系系统，而而不是本本质性的的改动，，降低错错误的可可能性。。喷泉模型型的缺点点：由于喷泉泉模型在在各个开开发阶段段是重叠叠的，因因此在开开发过程程中需要要大量的的开发人人员，不不利于项项目的管管理。要求严格格管理文文档，使使得审核核的难度度加大，，尤其是是面对可可能随时时加入各各种信息息、需求求与资料料的情况况。喷泉模型型适用于于：适用于面面向对象象的软件件开发过过程。1.4..6Rational统一过程程Rational统一过程程(RationalUnifiedProcess,RUP))是由Rational软件公司司推出的的一种完完整而完完美的软软件过程程。RUP是一种迭迭代的，，以架构构为中心心的，用用例驱动动的软件件开发方方法。强调用迭代和渐增的方式开开发软件件。RUP是一种具具有明确确定义和和结构的的软件工工程过程程。RUP被广泛应应用在不不同工业业领域中中的不同同企业中中。RUP总结了6条软件开开发经验验——最佳实践践：迭代式开开发管理需求求：有效效地捕获获需求，，用于设设计和实实现使用基于于构件（（模块或或子系统统）的体体系结构构可视化建建模：采采用图形形形式建建模（UML））验证软件件质量：：贯穿于于整个开开发过程程中控制软件件变更：：描述了了如何控控制、跟跟踪