软件工程整理

第一章软件工程研究的主要内容：为了在有限的资金、资源和时间条件下开发满足客户要求的高质量软件，需要研究与软件开发和管理相关的模型、方法、技术等。在《计算机科学技术百科全书》中，对计算机软件作出如下定义：计算机软件指计算机系统中的程序及其文档。程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述。任何以计算机为处理工具的任务都是计算任务。处理对象是数据或信息。处理规则一般指处理的动作和步骤。文档是为了便于了解程序所需的阐述性资料。软件工程的定义：⑴IEEE在软件工程术语汇编中的定义：①软件工程是将系统化的的方法用于软件的开发、运行和维护，即将工程化应用于软件；②在①中所述方法的研究⑵软件工程是应用计算机科学等原理，开发软件的工程。软件工程借鉴传统工程的原则、方法，以提高质量、降低成本为目的。其中，计算机科学、数学用于构造模型与算法，工程科学用于制定规范、设计范型、评估成本及确定权衡，管理科学用于计划、资源等管理。软件工程的框架：目标，过程和原则软件工程目标是指生产具有正确性、可用性、和开销合宜的产品。正确性指软件产品达到预期功能的程度。可用性指软件基本结构、实现及文档为用户可用的程度。开销合宜指软件开发、运行的整个开销满足用户要求的程度。软件工程原则包括围绕工程设计、工程支付和工程管理所提出的以下4条基本原则(1)选取适宜的开发模型(2)采用合适的设计方法(3)提供高质量的工程支撑(4)重视软件工程的管理软件生存周期是指软件产品或软件系统从产生、投入使用到被淘汰的全过程。软件生存周期分为6个阶段：计算机系统工程、需求分析、设计、编码、测试、运行和维护软件过程是生产一个最终满足需求且达到工程目标的软件产品所需的步骤。软件过程是软件生存周期中的一系列相关的过程。过程是活动的集合，活动是任务的集合。软件过程有3层含义：一是个体含义，即指软件产品或系统在生存周期中的某一类活动的集合；二是整体含义，即指软件产品或系统在所有上述含义下的软件过程的总体；三是工程含义，即指解决软件过程的工程，应用软件工程的原则、方法来构造软件过程模型、并结合软件产品的具体要求进行实例化，以及在用户环境，并结合软件产品的具体要求进行实例化，以及在用户环境下运作，以此进一步提高软件生产率，降低成本。软件过程模型也称软件开发模型，是软件开发全部过程、活动和任务的结构框架。典型的软件过程模型有：瀑布模型、演化模型(如增量模型、原型模型、螺旋模型)、喷泉模型、基于构件的开发模型和形式方法模型等。瀑布模型是1970年由W.Royce提出的，它给出了软件生存周期活动的固定顺序，上一阶段的活动完成后向下一阶段的活动过渡，最终得到所开发的软件产品。其特征是：接受上一阶段活动的结果作为本阶段活动的输入依据上一阶段活动的结果实施本阶段应完成的活动对本阶段的活动进行评审将本阶段活动的结果作为输出，传递给下一阶段瀑布模型也逐渐暴露出它的不足(1)不少软件的需求存在着不确定性，(2)如果发现不满足客户需求的问题，那么修改软件的代价是巨大的演化模型，是从构造初始的原型出发，逐步将其演化成最终软件产品的过程。演化模型适用于对软件需求缺乏准确认识的情况。典型的演化模型有：增量模型、原型模型、螺旋模型增量模型将软件的开发过程分成若干个日程时间交错的线性序列，每个线性序列产生软件的一个可发布的“增量，，版本，后一个版本是对前一个版本的修改和补充，重复增量发布的过程，直至产生最终的完善产品。增量模型融合了瀑布模型的基本成分和演化模型的迭代特征，强调每一次增量都发布一个可运行的产品。特征：(1)适用于需求经常发生变化的软件开发(2)在市场急需而开发人员和资金不能在设定的市场期限之前实现一个完善的产品，此时也适宜用增量模型进行开发(3)能有计划的管理技术风险原型方法的目的是定义软件的总体目标，标识需求，然后快速制定原型开发的计划，确定原型的目标和范围，采用快速设计的方式对其建模并构建原型根据原型使用的目的不同，可以分为：探索型、实验型、演化型原型使用策略：废弃策略、追加策略螺旋模型将原型实现的迭代特征与瀑布模型中控制的和系统化的方面结合起来，不仅体现了这两种模型的优点，而且还增加了风险分析其有四个方面的任务：制定计划、风险分析、工程实施、客户评估一种基于构件的开发模型包括两个部分：领域工程和应用系统工程领域工程的目的：构建领域模型、领域基准体系结构和可复用构件库应用系统工程的目的：使用可复用构件组装应用系统基于构件的开发模型的作用（优点）：提高软件生产率、提高软件质量、降低成本、提早上市时间敏捷（Agile）开发的4个价值观：（1）个人和交互高于过程和工具（2）可运行软件高于详尽的文档（3）与客户协作高于合同谈判（4）对变更及时做出反应高于遵循计划计算机辅助软件工程（computeraidedsofrwareengineering,CASE）是指使用计算机及相关的软件工具辅助软件开发、维护、管理等过程中各项活动的实施，以确保这些活动能高效率、高质量地进行CASE研究和实践的重点集中在CASE工具和软件开发两个方面软件开发环境（softwaredevelopmentenvironment）是支持软件产品开发的软件系统第-二*早业务过程工程的目标是：定义一个能有效地利用信息进行业务活动的体系结构。语境中分析和设计3种体系结构：数据体系结构、应用体系结构和技术基础设施。产品工程的目标：将客户期望的一组已定义的能力转换成工作产品。体系结构包含4种不同的系统元素：软件、硬件、数据（和数据库）和人员。计算机系统工程目的是分析基于计算机的系统的功能、性能等要求，并把它们分配到基于计算机系统的各个系统元素中，确定它们的约束条件和接口。可行性研究分析主要从经济、技术、法律等方面分析所给出的解决方案是否可行，能否在规定的资源和时间的约束下完成。可行性分析包括：机会选择、初步可研究性分析、详细可研究性分析第三章需求工程是应用已证实有效的技术、方法进行需求分析，确定客户需求，帮助分析人员理解问题，评估可行性，协商合理的解决方案、无歧义地规约方案、确认规约以及将规约转换到可运行的系统时的管理要求，需求工程通过合适的工具和符号系统地描述待开发系统及其行为特征和相关约束，形成需求文档，并对用户不断变化的需求演进给予支持可将需求工程分为6个阶段：需求获取、需求分析与协商、系统建模、需求规约、需求验证以及需求管理在需求获取阶段出现的问题：（1）用户提出的要求超出的要求软件系统可以实现的范围或实现能力（2）不同的用户提出了相互冲突的需求软件需求是指用户对目标软件系统在功能、行为、性能、设计约束等方面的期望创建用况模型的主要步骤如下：（1）确定谁会直接使用该系统，即执行者（2）选取其中一个执行者（3）定义该执行者希望系统做什么，执行者希望系统所做的第件事将成为一个用况（4）对每件事来说，何时执行者会使用系统，通常会发生什么，这就是腹部的基本过程（5）描述该用况的基本过程需求分析原则：必须能够表示和理解问题的信息域必须能够定义软件将完成的功能必须能够表示软件的行为（作为外部事件的结果）必须划分描述数据、功能和行为的模型，从而可以分层次地揭示细节分析过程应该从要素信息转向细节信息问题分析的目的是要能心层次化的方式对问题进行分解和不断细化常用的分析方法有以下几种：面向数据流的结构化分析方法（SA）面向数据结构的分析方法面向对象的分析方法（OOA）软件需求规约是分析任务的最终产物，通过建立完整的信息描述、详细的功能和行为描述、性能需求和设计约束的说明、合适的验收标准，给出对目标软件的各种需求需求验证的目的是要检验需求是否能够反映用户的意愿第四章软件需求分析解决“做什么”的问题，软件设计过程则解决“怎么做”的问题。软件设计主要包含两个阶段：软件体系结构设计阶段和部件级设计阶段软件体系结构设计将软件需求转化为数据结构和软件的系统结构。部件级设计将软件体系结构中的结构性元素转化为软件部件的过程性描述，得到软件详细的数据结构和算法。体系结构设计定义了软件的整体结构，由软件部件、外部可见的属性和它们之间的关系组成。判断设计好坏的3条特征，也就是软件设计过程的目标：设计必须实现分析模型中描述的所有显式需求，必须满足用户希望的所有隐式需求。设计必须是可读、可理解的，使得将来易于编程、易于测试、易于维护。设计应从实现角度出发，给出与数据、功能、行为相关的软件全貌。软件设计的过程:制定规范、体系结构和接口设计、数据/类设计、部件级（过程）设计、编写设计文档软件的设计人员通常采用的原则：抽象与逐步求精、模块化和信息隐藏抽象是在软件设计的规模逐渐增大的情况下，控制复杂性的基本策略。软件设计中的主要抽象手段有：过程抽象和数据抽象。过程抽象（功能抽象）：任何一个完成明确定义功能的操作都可被使用者当作单个实体对待，尽管这个操作实际上由一系列更低级的操作来完成的。数据抽象：定义数据类型和施加于该类型对象的操作，并限定了对象的取值范围，只能通过这些操作修改和观察数据。模块化：把软件按照规定原则，划分为一个个较小的，相互独立的但又相互关联的部件。模块化实际上是系统分解和抽象的过程。模块：数据说明、可执行语句等程序对象的集合，是单独命名的，并且是可以通过名字来访问。模块化的理论依据：把复杂问题分解成许多容易解决的小问题，则原来复杂的问题也就容易解决了。采用模块化原理使程序错误通常局限在有关的模块及它们之间的接口中，模块化使软件容易调试和测试，有助于提高软件的可靠性，同时变动往往只涉及少数几个模块，从而模块化能够提高软件的可修改性；使软件结构清晰。这样每个模块的内容不仅容易设计也容易阅读/和理解。模块独立：模块完成独立的功能并且与其他模块的接口简单，符合信息隐蔽，模块间关联和依赖程度尽可能小。模块的独立性：第一，功能被划分，并且接口被简化，所以具有有效模块化的软件更易于开发。第二，由于因设计和编码修改引起的副作用受到局限，错误传播被减小，并且模块复用成为可能，所以独立的模块更易于维护和测试。内聚cohesion是一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程度的度量。耦合coupling是模块之间的相对独立性（互相连接的紧密程度）的度量。高内聚性低功能内聚顺序内聚通信内聚过程内聚时间内聚逻辑内聚巧合内聚强模块独立性弱功能单一功能分散低耦合性高非直接耦合数据耦合标记耦合控制耦合外部耦合公共耦合内容耦合强模块独立性弱软件体系结构关注系统的一个或多个结构，包含软件部件、这些部件的对外可见的性质以及它们之间的关系。Bass提出体系结构重要的3个关键理由：方便利益相关人员的交流；有利于系统设计的前期决策；建立了一个系统的可传递的抽象常见的软件体系结构：单主机结构、客户/服务器（C/S）结构、浏览器/服务器（B/S）结构。软件体系结构的风格：一些实现系统所需的功能部件、一组用来连接部件“通信、协调和合作”的“连接件”、定义部件之间怎样整合的系统约束、使设计者能够理解整个系统属性并分析已知属性的语义模型。判断结构好坏的主要标准是模块的内聚度和耦合度在部件级设计阶段，主要完成如下工作：为每个部件确定采用的算法，选择某种适当的工具表达算法的过程，编写部件的详细过程性描述。确定第一部件内部使用的数据结构。在部件级设计结束时，应该把上述结果写入部件级设计说明书，并且通过复审形成正式文档，作为下一阶段的工作依据。评审分正式评审和非正式评审（走察式评审）。为使用流程图描述结构化程序，必须限制流程图只能使用5种基本控制结构：（a）顺序型 （b）选择型（c）先判定型循环 （d）后判定型循环 （e）多情况选择型第五章处理复杂问题的两个基本手段：抽象和分解结构化分析的过程可以分为如下4个步骤：理解当前的现实环境，获得当前系统的具体模型从当前系统的具体模型抽象出当前系统的逻辑模型分析目标系统与当前系统逻辑上的差别，建立目标系统的逻辑模型为目标系统的逻辑模型作补充数据流图中的基本图形元素包括：数据流、加工、文件、源或宿。其中，数据流、加工、文件用于构建软件系统内部的数据处理模型；源或宿表示存在于系统之外的对象，以帮助我们理解系统数据的来源和去向。源和宿通常是指存在于软件系统之外的人员或组织，因此也称为源点和终点加工描述了输入数据流到输出数据流的变换，即将输入数据加工成输出数据流数据流由一组固定成分的数据组成区分数据流和控制流的方法：看流中包含的信息是数据还是控制信号或控制条件文件用于存放数据分层数据流图的顶层只有一张图，其中只有一个加工，代表整个软件系统，该加工描述了软件系统与外界（源或宿）之间的数据流，称为顶层分层数据流图的步骤：画出系统的输入和输出画出系统内部画出加工内部重复第三步，直至每个尚未分解的加工都足够简单（即不必再分解）分层数据流图的完整性：有关分层DFD完整性的检查主要包括以下4个方面：每个加工至少有一个输入数据流和一个输出数据流在整套分层数据流中，每个文件应至少有一个加工读该文件，有另一个加工写该文件分层数据流图中的每个数据流和文件都必须命名(除了流入或流出文件的数据流)，并保持与数据字典一致分层DFD中的每个基本加工(即不再分解子图的加工)都应有一个加工规约结构化设计(structureddesign,SD)是将结构化分析得到的数据流图映射成软件体系结构的一种设计方法，SD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、接口及其调用关系，并用模块及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,SP)方法。SA、SD和SP构成完整的结构化方法体系结构图的基本成分有：模块、调用和数据在SD中，模块是指具有一定功能并可以用模块名调用的一组程序语句，它们是组成程序的基本程序结构图中模块之间的调用关系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。结构图相关的几个概念：深度：是指程序结构图中控制的层数宽度：是指程序结构图中同一层次上模块总数的最大值扇出：一个模块的扇出是指该模块直接调用的模块数目扇入：一个模块的扇入是指能直接调用该模块的模块数目为了实现有效的模块化，给出以下启发式设计策略：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，力求高扇入模块的影响范围应限制在该模块的控制范围内降低模块接口的复杂程序和冗余程度，提高一致性模块的功能应是可预测的，避免对模块施加过多的限制尽可能设计单入口和单出口的模块结构化设计的步骤：建立初始结构图、对结构图的改进、书写设计文档、设计评审第七章面向对象方法为何发展快的原因：1从认知学的角度来看，面向对象方法符合人们对客观世界的认识规律2面向对象方法开发的软件系统易于维护，其体系结构易于理解、扩充和修改3面向对象方法中的继承机制有力支持软件的复用类(class)是一组具有相同属性和相同操作的对象的集合。一个类中的每个对象都是这个类的一个实例(instance)。继承是类间的一种基本关系，是基于层次关系的不同类共享数据和操作的一种机制。消息(message)传递是对象间通信的手段，一个对象通过向另一个对象发送消息来请求其服务。多态性(polymorphism):同一个操作作用于不同的对象上可以有不同的解释，并产生不同的执行结果。动态绑定(dynamicbinding):在程序运行时才将消息所请求的操作与实现该操作的方法进行连接。面向对象分析的任务：1在客户和软件工程师之间沟通基本的用户需求2标识类（包括定义其属性和操作）3刻画类的层次结构4表示类（对象）之间的关系5为对象行为建模6递进地重复任务1至5,直至完成建模其中2~4刻画了待建系统的静态结构，任务5刻画了系统的动态行为面向对象分析的步骤1获取客户对系统的需求，包括标识场景和用况，以及建造需求模型2用基本的需求为指南来选择类和对象（包括属性和操作）3定义类的结构和层次4建造对象--关系模型5建造对象--行为模型6利用用况/场景来复审分析模型一个设计模式（designpatterns）通常可用4个信息来描述：模式名、模式的环境和条件、设计模式的特征、应用设计模式的结果视图有4个主题域：结构化、动态的，物理的和模型管理结构化域：描述了系统中的结构成员及其相互关系，包括静态视图、设计视图、用况视图。动态域：描述了系统的行为或其他随时间变化的行为，包括状态机视图、活动视图、交互视图。物理域：描述了系统中的计算资源及其总体结构上的部署，包括部署视图。模型管理域：描述层次结构中模型自身的组织（包是模型通常的组织单元），包括模型管理视图和剖面（profile）0用况建模的主要目标如下：1确定和描述系统的功能要求2给出清晰和一致的关于系统做什么的描述3为验证系统所需的系统测试提供基准4提供从功能需求到系统的实际类和操作的跟踪能力用况图中的关系：关联（association）、扩展（extent）、包含（include）、用况泛化（usecasegeneralization）类之间的关系：关联、依赖、泛化、实现状态机图（statemachinediagram）:对类描述的补充，说明该类的对象所有可能的状态，以及哪些事件将导致状态的改变。活动图可看作一种特殊形式的状态机，用于对计算流程和工作流建模。系统的体系结构用来描述系统各部分的结构、接口以及它们用于通信的机制。第八章构件：类的描述。是某系统中有价值的、几乎独立的并可替换的一个部分，它在良好定义的体系结构语境内满足某种清晰的功能。3C模型：由概念（concept）、内容（content）、周境（context）组成概念：关于“构件做什么”的抽象描述，可以通过概念去理解构件的功能。内容：是概念的具体实现，描述构件如何完成概念所刻画的功能。周境：描述构件和外围环境在概念级和内容级的关系。CBSD过程由领域工程和应用系统工程两个并行的活动组成。领域工程的任务是进行领域分析，产生领域模型和领域基准体系结构，确定领域中潜在的可复用构件，然后进行构件的可变性分析，构建可复用构件，并存入构件库。应用系统工程的任务：进行应用系统分析，设计应用系统的体系结构，然后使用可复用构件开发应用系统，同时，对构件的复用情况进行评价，以补充和改进构件库。第10章程序设计语言是指用书写计算机程序语言，是一种实现性的软件语言。程序设计语言包含3个方面，即语法、语义和语用语法（syntax）用来表示构成语言的各个记号之间的组合规则，是构成语言结构正确成分所需遵循的规则集合语义（semantic）用来表示按照各种表示方式所表示的各个记号的特定含义，但不涉及到使用者语用（pragmatic）用来表示构成语言的各个记号和使用者的关系第11章软件测试的目的：测试是一个为了发现错误而执行程序的过程；一个好的测试用例是指揭示了迄今为止尚未发现的错误的测试用例；一个成功的测试是指揭示了迄今为止尚未发现的错误的测试。软件测试的的基本原则：所有的测试都应可追溯到客户需求；应该在测试工作真正开始前的较长时间就进行测试计划；Pareto原则可应用于软件测试。即测试中发现的80%的错误可能来自于20%的程序代码；测试就从“小规模”开始；为了达到最有效的测试，应由独立的第三方来承担测试。测试用例的设计方法分为两类：白盒测试和黑盒测试，也称为白箱测试和黑箱测试白盒测试又称结构测试，这种方法把测试对象看作一个透明的盒子，测试人员根据程序内部的逻辑结构及有关信息设计测试用例，检查程序中所有逻辑路径是否都按预定的要求正确地工作白盒测试主要用于对程序模块的测试，包括：程序模块中的所有独立路径至少执行一次；对所有逻辑判定的取值（“真”与“假”）都至少测试一次；在上下边界及可操作范围内运行所有循环；测试内部数据结构的有效性等。黑合测试又称为行为测试，这种方法把测试对象看作一个黑合子，测试人员完全不考虑程序内部的逻辑结构和内部，只依据程序的需求规格说明书，检查程序的功能是否符合它的功能需求特性黑合测试可用于各种测试，它试图发现以下类型的错误：不正确或遗漏的功能；接口错误，如输入输出参数的个数、类型等；数据结构错误或外部信息（如外部数据库）访问错误；性能错误；初始化和终止错误。逻辑覆盖测试是一种基本的白盒测试方法，主要考虑使用测试数据运行被测试程序时对程序逻辑的覆盖程度。通常人们希望选择最少的测试用命来满足所需覆盖标准。主要的覆盖标准有：语句覆盖、判定覆盖、条件覆盖、判定/条件覆盖，条件组合覆盖，路径覆盖基本路径测试这种方法首先根据程序或设计图画出控制流图，并计算其区域数，然后确定一组独立的程序执行路径，最后为每一条基本路径设计一个测试用例独立路径是指程序中至少引进一个新的处理语句序列或一个新条件的任一路径，在流图中，独立路径至少包含一条在定义该路径之前未曾用到过的边黑盒测试是依据软件的需求规约，检查程序的功能是否符合需求规约的要求。主要的黑盒测试方法有：等价类划分、边界值分析，比较测试，错误猜测和因果图方法错误猜测是一咱凭直觉和经验推测某些可能存在的错误，从而针对这些可能存在的错误设计测试用例的方法单元测试是针对程序中的模块或构件，主要揭露编码阶段产生的错误，集成测试针对集成的软件系统，主要揭露设计阶段产生的错误。确认测试是根据软件需求规约对集成的软件进行确认，主要揭露不符合需求规约的错误，系统测试以揭露不符合系统工程中对软回归测试：对已经进行过的测试的子集的重新执行，以确保对程序的改变和修改，没有传播非故的副作用a测试：由一个用户开发者的场所进行的，软件在开发者对用户的“指导下”进行测试。经a测试后的软件称为P版的软件P测试：软件在一个开发者不能控制的环境中的“活动”应用，用记录所有在P测试中遇到的(真正的或想象)问题，并定期把这些问题报告给开发者，在接到P测试的问题报告后，开发者对软件进行最后的修改，然后着手准备向所有的用户发布最终的软件产品调试的目的：确定错误的原因和准确集团，并加以纠正测试的目的：发现错误，当测试发现错误后需要进行调试主要的调试方法有3种：蛮力法(bruteforce)、回溯法(backtracking)和原因排除法(causeelimination)第13章软件维护：软件系统交付使用以后，为了改正错误或满足新的需要而修改软件的过程。维护活动包括：建立维护组织、确定维护过程、保管维护刻录、进行维护评价可维护性(maintainability):理解、改正、调整和改进软件的难易程度。对软件可维护性影响的主要因素有：可理解性(understandability)、可测试性(testability)、可修改性(modifiability)、可移植性(portability)可理解性：理解软件的结构、接口、功能和内部过程的难易程度可测试性：测试和诊断软件中错误的难易程度可修改性：修改软件的难易程度可移植性：程序转移到一个新的计算环境的难易程度提高可维护性的方法：确定质量管理目标和优先级、规范化程序设计风格、选择可维护性高的程序设计语言、完善程序文档和进行软件质量保证审查逆向工程(reverseengineering):在软件生存周期中，将软件的某种形式描述转换成更抽象形式的活动。重构(restructuring):在同一抽象级别上转换系统的描述形式。设计恢复(designrecovery)：借助工具从已有程序中抽象出有关数据结构设计、体系结构设计和过程设计的信息。再工程(reengineering):在逆向工程所获信息的基础上修改或重构已有的系统，产生系统的一个新版本。再工程的主要目的：为遗留系统转化为可演化系统提供一条现实可行的途径。通常再工程包含业务过程再工程和软件再工程业务过程再工程BPR(businessprocessreengineering)定义业务目标、标示并评估现有的业务过程以及修订业务过程以更好满足业务目标，软件再工程包含库存目录分析、文档重构、逆向工程、程序和数据重构以及正向工程逆向工程导出的信息可分为4个抽象层次：1实现级，包括程序的抽象语法树、符号表等信息2结构级，包括反映程序成分之间相互依赖关系的信息，如调用图、结构图等3功能级，包括反映程序段功能及程序段之间关系的信息4领域