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软件工程模型与方法
Models & Methods of SE
第六章 软件设计肖丁 dxiao@bupt.edu.cn
2? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心本章内容
6.1 软件设计历史及目标
6.2 软件设计的重要性
6.3 软件设计过程
6.4 软件概要设计步骤
6.5 软件详细设计步骤
6.6 软件设计原则
6.7 软件设计基础
6.8 软件体系结构
3? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心引言
相对于分析而言，设计是什么？为什么要进行设计？
软件设计在软件开发过程中出于什么位置？
经过软件需求分析，确定了系统必须“做什么”的功能，然而这些功能是如何实现用户的需求的呢？
为了实现合理分配系统功能并尽可能提高处理用户需求的性能，系统中这些功能之间是什么关系呢？
为了满足用户在处理业务过程中的一些习惯，怎样合理而又灵便的分配系统界面功能呢？
……
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6.1.1 软件设计历史
早期的设计工作集中在模块化程序的开发标准和自顶向下求精软件结构的方法，称为结构化程序设计的理论。
之后提出了将数据流或数据结构转化为设计定义的方法，之后又提出了一种面向对象方法来导出软件设计。
如今，在软件设计方面的着重点已转移到软件体系结构和可用于实现软件体系结构的设计模式。
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6.1.2 软件设计方法的通用特征
各种软件设计方法都具有各自独特的表示符号体系，而这些方法都具有以下共同特征：
一种用于将分析模型变换到设计模型的表示机制；
用于表示功能件构件及其接口的符号体系；
用于求精和划分的启发信息和机制；
质量评价的指导原则。
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6.1.3 （软件）设计的定义
首先，设计通常是开发活动的第一步。
设计定义为：“应用各种技术和原理，对设备、过程或系统做出足够详细的定义，使之能够在物理上得以实现”。
软件设计是软件工程过程中的技术核心，是构造和验证软件所需的三项技术活动之一。软件设计也是后续开发步骤及软件维护工作的基础。
软件设计的最基本目标就是回答“概括地描述系统如何实现用户所提出来的功能和性能等方面的需求？
软件设计的最终目标是要取得最佳方案。
,最佳”是指在所有候选方案中，就节省开发费用，降低资源消耗，缩短开发时间的条件，选择能够赢得较高的生产率、较高的可靠性和可维护性的方案。
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6.2.1 软件设计的重要性
软件设计是开发阶段中最重要的步骤，它提供了软件结构的内外表示，使得软件的质量评价成为可能，也是质量得以保证的关键步骤软件设计是将用户要求准确地转化成为最终的软件产品的唯一途径。也是后续开发步骤及软件维护工作的基础。如果没有设计，
只能建立一个不稳定的系统。
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6.2.2 设计模型与分析模型的关系数据词典数据流图实体关系图状态转换图加工控制规规格格说说明明数据对象描述过程设计接口设计系统结构设计数据设计
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6.3 软件设计过程
从工程管理的角度，软件设计分成：
概要设计：将软件需求转化为数据结构和软件的系统结构，并建立接口
详细设计：即过程设计，通过对软件结构进行细化，得到各功能模块的详细数据结构和算法过 程 设 计系 统 结 构 设 计数 据 设 计概 要 设 计详 细 设 计技术观点管理观点
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6.3 软件设计过程
系统结构设计：定义了软件系统各主要成份之间的关系。
其中包括软件的接口设计，它特指软件内部各成份之间、软件与其它协同系统之间及软件与用户之间的交互机制的设计；
数据设计：将实体关系图中描述的对象和关系，
以及数据词典中描述的详细数据内容转化为数据结构的定义；
过程设计：把系统结构设计转换成软件的过程性描述。
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6.4 软件概要设计步骤
1,制定设计规范
2,软件系统结构的总体设计
3,处理方式设计
4,数据结构设计
5,可靠性设计
6,编写概要设计说明书
7,概要设计评审
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6.4.1 制定软件设计规范
在软件设计阶段，首先应为软件开发组制定在设计时应该共同遵守的标准，以便协调组内各成员的工作。
阅读和理解软件需求说明书，在预算范围内和现有的技术条件下，确认用户的需求能否实现。
若不能实现，则需明确实现的条件，从而确定设计的目标，以及它们的优先顺序。
根据目标确定最合适的设计方法。
规定设计文档的编制标准，包括文档体系、用纸及样式、记述详细的程度、图形的画法等。
规定编码的信息形式（代码体系），与硬件、操作系统的接口规约，命名规则等。
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6.4.2 软件系统结构的总体设计
基于分析阶段的成果（层级数据流图内的功能层次结构），设计并合理分配各功能模块的组成以及功能模块之间的关系，最终形成一个能满足用户需求的系统结构。
采用某种设计方法或模式，将一个复杂的系统按功能划分成模块的层次结构
确定每个模块的功能，建立与已确定的软件需求的对应关系。
确定模块间的调用关系。
确定模块间的接口，即模块间传递的信息。设计接口的信息结构。
评估模块划分的质量及导出模块结构的规则。
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6.4.3 处理方式设计
基于系统结构的设计，还需要确定为各功能需求所必需的算法，评估算法的性能。
其次，还需要确定为满足软件系统的性能需求所必需的算法和模块间的控制方式。
周转时间：系统接收处理的请求后，从第一个输入开始，经过处理直到最后一个输出结果为止的整个时间。
响应时间：系统接收处理的请求后，用户需要多次对计算机进行输入输出，每一次输入输出的时间就是响应时间。
吞吐量：单位时间内能够处理的数据量叫做吞吐量。这是表示系统能力的指标。
精度：在进行科学计算或工程计算时，运算精确度的要求。
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6.4.4 数据结构设计
确定软件涉及的文件系统的结构以及数据库的模式、子模式，进行数据完整性和安全性的设计。它包括：
确定输入、输出文件的详细的数据结构。
结合算法设计，确定算法所必需的逻辑数据结构及其操作。
确定对逻辑数据结构所必需的那些操作的程序模块 (软件包 )。限制和确定各个数据设计决策的影响范围。
若需要与操作系统或调度程序接口所必须的控制表等数据时确定其详细的数据结构和使用规则。
数据的保护性设计
防卫性设计；在软件设计中就插入自动检错，报错和纠错的功能。
一致性设计：其一是保证软件运行过程中所使用的数据的类型和取值范围不变。其二是在并发处理过程中使用封锁和解除封锁机制保持数据不被破坏。
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6.4.5 可靠性设计
可靠性设计也叫做质量设计。
在运行过程中，为了适应软件需求经常变更的情况，就要确定软件的可靠性和其它质量指标，考虑相应措施，以使得软件易于修改和易于维护。
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6.4.6 编写概要设计说明书
概要设计说明书：给出系统目标、总体设计、数据设计、处理方式设计、运行设计
、出错设计等。
数据库设计说明书：给出所使用数据库简介、数据模式设计、物理设计等。
用户手册：对需求分析阶段编写的初步的用户手册进行审订。
制定初步的测试计划：对测试的策略、方法和步骤提出明确的要求。
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6.4.7 概要设计评审
可回溯性：即分析该软件设计是否覆盖了所有已确定的软件需求，
软件每一成分是否可追溯到某一项需求。
接口：即分析软件各部分之间的联系，确认该软件的内部接口与外部接口是否已经明确定义。模块是否满足高内聚和低耦合的要求。
模块作用范围是否在其控制范围之内。
风险：确认该软件设计在现有技术条件下和预算范围内是否能按时实现。
实用性：确认该软件设计对于需求的解决方案是否实用。
技术清晰度：确认该软件设计是否以一种易于翻译成代码的形式表达。
可维护性：确认该软件设计是否考虑了方便未来的维护。
质量：确认该软件设计是否表现出良好的质量特征。
各种选择方案：看是否考虑过其他方案，比较各种选择方案的标准是什么。
限制；评估对该软件的限制是否现实，是否与需求一致。
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6.5 软件详细设计步骤
确定软件各个功能模块内的算法以及各功能模块的内部数据组织。
选定某种表达形式来描述各种算法。
进行详细设计的评审。
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6.5.1 软件设计的整体流程检 查 需 求 规 格 说明 书 和 数 据 词 典设 计 数 据 库 设 计 总 体 结 构 分 配 需 求改 编 已有 软 件选 择 数 据库 管 理 系统 D B M S
使 设 计 与
D B M S
相 匹 配估 计 设 计规 模 并 安排 进 度鉴 定已 有软 件设 计接 口检 查数 据流建 立 模块 - 功 能矩 阵进 行分 析修 订数 据 词 典编 写 概 要 设 计说 明 书确 定 改 编 软 件的 需 求设 计 评 审修 订 概 要 设 计说 明 书进 行 详 细设 计编 写 详 细 设 计说 明 书
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6.6 软件设计原则
软件设计既是过程又是模型。
设计过程是一系列的细化过程，使设计人员能够描述目标系统的各个侧面。
设计模型首先描述目标系统的整体架构，然后逐步细化架构得到构造每个细节的指导原则，从而得到系统的一系列不同视图。
良好的设计原则可为设计过程导航。
衡量设计过程的技术原则
衡量设计模型的技术原则
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6.6.1 设计过程的技术原则
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
。
对于开发者和维护者而言，设计必须是可读的、可理解的，使得将来易于编程、易于测试、易于维护。
设计应该给出软件的全貌，包括从实现角度可看到的数据、功能、行为。
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6.6.2 设计模型的技术原则
设计模型应该是一个分层结构，该结构：
使用可识别的设计模式搭建系统结构。
由具备良好设计特征的构件构成。
可以用演化的方式实现。
设计应当模块化。
设计应当包含数据、系统结构、接口和构件的清晰的视图
应根据将要实现的对象和数据模式导出合适的数据结构。
应建立具有独立功能特征的构件。
应建立能够降低模块与外部环境之间复杂连接的接口。
设计模型应当通过使用软件需求信息所驱动的可重复的方法导出。
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6.6.3 抽象化
模型是人类抽象活动的一种表现形式。在软件设计过程中按照自顶向下的设计原则，可通过不同层次的抽象，逐步细化软件的结构。
过程抽象：
软件计划阶段：软件被看作是一个相对宏观的系统元素
软件需求分析阶段：用“问题所处环境的为大家所熟悉的术语”来描述软件的解决方法。
概要设计阶段：使用规定的符号表示软件的轮廓和结构
详细设计阶段：使用面向代码的符号表示软件的内部结构
数据抽象：数据抽象与过程抽象一样，允许设计人员在不同层次上描述数据对象的细节。
控制抽象：可以包含一个程序控制机制而无须规定其内部细节。
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6.6.4 模块化
按照自顶向下的设计原则，需将一个大规模的软件分解成若干相对独立的模块，然后分别对这些规模较小的模块进行处理。
实际上，难点在于合理的划分模块
如果模块是相互独立的，当模块变得越小，每个模块花费的工作量越低
但当模块数增加时，模块间的联系也随之增加，把这些模块联接起来的工作量也随之增加。
降低了系统的复杂性，使得系统容易修改 ;
推动了系统各个部分的并行开发，从而提高了软件的生产效率。
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6.6.4.1 模块的定义
模块 (module)：整个软件可被划分成若干个可单独命名且可编址组成部分，这些部分称之为模块。
模块具有如下三个基本属性：
功能：实现什么功能，做什么事情。
逻辑：描述模块内部怎么做。
状态：该模块使用时的环境和条件。
模块的表示
模块的外部特性：是指模块的模块名、参数表、以及给程序以至整个系统造成的影响。
模块的内部特性：是指完成其功能的程序代码和仅供该模块内部使用的数据。
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6.6.4.2 模块设计的标准
模块可分解性：可将系统按问题／子问题分解的原则分解成系统的模块层次结构 ;
模块可组装性：可利用已有的设计构件组装成新系统，不必一切从头开始。
模块可理解性：一个模块可不参考其他模块而被理解；
模块连续性：对软件需求的一些微小变更只导致对某个模块的修改而整个系统不用大动 ;
模块保护：将模块内出现异常情况的影响范围限制在模块
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6.6.5 信息隐藏
由 Parnas提倡的信息隐藏是指，每个模块的实现细节对于其它模块来说是隐蔽的。
就是说，模块中所包含的信息（包括数据和过程）不允许其它不需要这些信息的模块使用。
其最大的好处就是使得模块的修改和软件的维护所造成的影响可以局限在一个或几个模块范围内。
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6.6.6 模块的独立性
功能独立性是抽象、模块化和信息隐藏的直接产物。
如果一个模块能够独立于其他模块被编程
、测试和修改，而和软件系统中其它的模块的接口是简单的，则该模块具有功能独立性。
1978年 Meyer提出了两个准则度量模块独立性,即模块间的耦合和模块的内聚 。
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6.6.6.1 模块的内聚性
内聚是模块功能强度的度量，一个模块内部各元素之间的联系越紧密，则它的内聚性就越高，相对地，它与其他模块之间的耦合性就会减低，而模块独立性就越强。
巧合 逻辑 时间 过程 通信 信息 功能内聚 内聚 内聚 内聚 内聚 内聚 内聚内聚性功能独立性
31? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的内聚性
巧合内聚当几个模块内凑巧有一些程序段代码相同，又没有明确表现出独立的功能，为了减少存储把这些代码独立出来建立一个新的模块，这个模块就是巧合内聚模块。 它是内聚程度最低的模块 。
逻辑内聚这种模块把几种相关的功能组合在一起，每次被调用时，由传送给模块的判定参数来确定该模块应执行哪一种功能。
32? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的内聚性
时间内聚
时间内聚又称为经典内聚。这种模块一般为多功能模块，但模块的各个功能的执行与时间有关，通常要求所有功能必须在同一时间段内执行。
例如初始化模块和终止模块。
过程内聚
使用流程图做为工具设计程序时，把流程图中的某一部分划出组成模块，就得到过程内聚模块。
例如，把流程图中的循环部分、判定部分、计算部分分成三个模块，这三个模块就是过程内聚模块。
33? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的内聚性
通信内聚
如果一个模块内各功能部分都使用了相同的输入数据
，或产生了相同的输出数据，则称之为通信内聚模块
。通常，通信内聚模块是通过数据流图来定义的。
34? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的内聚性
信息内聚
这种模块完成多个功能，各个功能都在同一数据结构上操作，每一项功能有一个唯一的入口点。
这个模块将根据不同的要求，确定该执行哪一个功能。由于这个模块的所有功能都是基于同一个数据结构（符号表），因此，它是一个信息内聚的模块。
信息内聚模块可以看成是多个功能内聚模块的组合，并且达到信息的隐蔽。
功能内聚
一个模块中各个部分都是完成某一具体功能必不可少的组成部分
，或者说该模块中所有部分都是为了完成一项具体功能而协同工作，紧密联系，不可分割的。则称该模块为功能内聚模块。
35? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.6.6.2 模块的耦合性
耦合是模块之间互相连接的紧密程度的度量。模块之间的连接越紧密，联系越多，
耦合性就越高，而其模块独立性就越弱。
非直接 数据 标记 控制 外部 公共 内容耦合 耦合 耦合 耦合 耦合 耦合 耦合耦合性功能独立性
36? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的耦合性
内容耦合
一个模块直接访问另一个模块的内部数据 ;
一个模块不通过正常入口转到另一模块内部 ;
两个模块有一部分程序代码重迭 (只可能出现在汇编语言中 );
一个模块有多个入口。
37? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的耦合性
公共耦合（ Common Coupling）
若一组模块都访问同一个公共数据环境，则它们之间的耦合就称为公共耦合。公共的数据环境可以是全局数据结构
、共享的通信区、内存的公共覆盖区等。
公共耦合的复杂程度随耦合模块的个数增加而显著增加。
若只是两模块间有公共数据环境，则公共耦合有两种情况
。松散公共耦合和紧密公共耦合。
公共耦合会引起下列问题：
所有公共耦合模块都与某一个公共数据环境内部各项的物理安排有关，若修改某个数据的大小，将会影响到所有的模块。
无法控制各个模块对公共数据的存取，严重影响软件模块的可靠性和适应性。
公共数据名的使用，明显降低了程序的可读性。
38? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的耦合性
外部耦合一组模块都访问同一全局简单变量而不是同一全局数据结构，而且不是通过参数表传递该全局变量的信息，则称之为外部耦合。
控制耦合如果一个模块通过传送开关、标志、
名字等控制信息，明显地控制选择另一模块的功能，就是控制耦合。
控制耦合的实质是在单一接口上选择多功能某块中的某项功能。
对所控制模块的任何修改，都会影响控制模块
且控制模块必须知道所控制模块内部的一些逻辑关系，降低了模块的独立性。
39? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的耦合性
标记耦合
如果一组模块通过参数表传递记录信息，就是标记耦合。这个记录是某一数据结构的子结构，而不是简单变量。
要求这一组模块都必须清楚该数据结构，并按结构的要求进行操作。它使在数据结构上的操作复杂化了，
应该把数据结构上的操作全部集中在一个模块中，来消除这种耦合。
p0 (x0,y0) p1 (x1,y1)
标记 耦合 LINE ( p0,p1)
40? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的耦合性
数据耦合
如果一个模块访问另一个模块时，彼此之间是通过简单数据参数 (不是控制参数、公共数据结构或外部变量 ) 来交换输入
、输出信息的，则称这种耦合为数据耦合。
由于限制了只通过参数传递数据，该方式开发的程序简单、
安全可靠，因此它是一种松散的耦合，模块间独立性强。
非直接耦合
如果两个模块之间没有直接关系，它们之间的联系完全是通过主模块的控制和调用来实现的，这就是非直接耦合。这种耦合的模块独立性最强。
p0 (x0,y0) p1 (x1,y1)
数据耦合 LINE ( x0,y0,x1,y1)
41? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.7 软件设计基础
自顶向下，逐步细化
系统控制结构
结构划分和结构图
数据结构
软件过程
42? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.7.1 自顶向下逐步细化
这是 Niklaus Wirth提出的设计策略。
将软件的体系结构按自顶向下方式，对各个层次的过程细节和数据细节逐层细化，
直到用程序设计语言的语句能够实现为止
，从而最后确立整个的体系结构。
最初的说明只是概念性地描述了系统的功能或信息，但并未提供有关功能的内部实现机制或有关信息的内部结构的任何信息。
对初始说明仔细推敲，进行功能细化或信息细化，给出实现的细节，划分出若干成份。
43? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.7.2 系统控制结构
系统控制结构表明了程序构件（模块）的组织情况。控制层次往往用程序的层次（
树形或网状）结构来表示。
反映了程序结构的规模和复杂程度反映了程序结构的控制规模多扇出意味着需要控制和协调许多下属模块。
而多扇入的模块通常是公用模块
44? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.7.3 结构划分
程序结构可以按水平方向或垂直方向进行划分。
水平划分：水平划分按主要的程序功能来定义模块结构的各个分支。
优点是：由于主要的功能相互分离，易于修改、易于扩充，
且没有副作用。
缺点是：需要通过模块接口传递更多的数据，使程序流的整体控制复杂化。
垂直划分：也叫做因子划分，主要用在程序的体系结构中。
优点是：对低层模块的修改不太可能引起副作用的传播
45? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心结构图
在结构图中，模块用矩形框表示，并用模块的名字标记它。
模块的调用关系和接口模块间的信息传递,当一个模块调用另一个模块时，调用模块把数据和控制信息传送给所调用模块，以使所调用模块能够运行。
而在执行所调用模块的过程中又把它产生的数据或控制信息回送给调用模块。
46? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.7.4 数据结构
数据结构是数据的各个元素之间的逻辑关系的一种表示。数据结构设计应确定数据的组织、存取方式、相关程度、以及信息的不同处理方法。
47? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.7.5 软件过程
软件过程必须提供精确的处理说明，包括事件的顺序、正确的判定点、重复的操作直至数据的组织和结构等等。
程序结构与软件过程是有关系的。对每个模块的处理必须指明该模块所在的上下级环境。
软件过程遵从程序结构的主从关系，因此它也是层次化的。
48? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.8 软件体系结构简介
对于大规模的复杂软件系统来说，系统的总体结构设计和规格说明比数据结构和算法的选择重要的多。在这种背景下，人们认识到软件体系结构的重要性。
软件体系结构研究的主要内容涉及软件体系结构描述、软件体系结构风格、软件体系结构评价和软件体系结构的形式化方法等。
其根本目的是要解决软件重用、软件质量和软件维护问题。
49? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.8.1 软件体系结构定义
Booch & Rumbaugh & Jacobson 定义
软件体系结构 = {组织，元素，子系统，风格 }
Bass定义
是系统的一个或多个结构，包括
软件构件（ Components）
构件的外部可视属性（ Properties）
构件之间的关系（ Relationships）
50? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心软件体系结构定义
Shaw定义
结构模型：软件体系结构由构件、构件之间的连接和一些其它方面组词组成：
框架模型：其重点在于整个系统的连贯结构，这与重视其组成恰好相反。框架模型常常以某种特定领域或某类问题为目标。
动态模型：动态模型强调系统的行为质量。它可以指整个系统配置的变化，也可以是禁止预先激活了的通信或交互，还可以使计算中表现的动态特性等。
过程模型：过程模型关注系统结构的构建及其步骤和过程。在这一观点下，体系结构是软件开发所进行的一系列过程的结果。
51? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心软件体系结构定义
Garlan & Shaw 模型
软件体系结构 = {构件，连接件，约束 }
构件可是一组代码，也可是一个独立的程序，构件是一组对象集合
，可实现某些计算逻辑。
构件相对独立，仅通过接口与外部进行交互，可作为独立单元嵌入到不同的应用系统中。
连接件可以是过程调用、管道、远程过程调用等，用于表示构件之间的相互作用。
约束一般为对象连接时的规则，或指明构件连接的条件。
他们认为软件体系结构是软件设计过程的一个层次，这一层次超越计算过程中的算法设计和数据结构设计。
体系结构问题包括总体组织和全局控制、通信协议、同步、数据存取，给设计元素分配特定功能，设计元素的组织、规模和性能
，在各设计方案间进行选择等。
52? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.8.2 软件体系结构三要素
软件设计的一个目标是建立软件的体系结构表示
软件体系结构的三要素是：
程序构件（模块）的层次结构
构件之间交互的方式
数据的结构
在软件体系结构设计中应保持的几个性质：
结构
附属功能
可复用
53? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.8.3 软件构件的分类构 件 特 点 和 示 例纯计算构件具有简单的输入 ∕ 输出关系，没有运行状态的变化。例如，数值计算、过滤器（ Filters）、转换器（ Transformers）等。
存储构件存放共享的、永久性的、结构化的数据。例如，数据库、文件、
符号表、超文本等。
管理构件执行的操作与运行状态紧密耦合。例如，抽象数据类型
（ ADT）、面向对象系统中的对象、许多服务器（ Servers）
等。
控制构件 管理其它构件运行的时间、时机及次序。例如，调度器、同步器等。
链接构件 在实体之间传递信息。例如，通信机制、用户界面等。
54? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.8.4 构件的调用方式连 接 特 点 与 示 例过程调用在某一个执行路径中传递执行指针。例如，普通过程调用（同一个命名空间）、远程过程调用（不同的命名空间）。
数据流相互独立的处理通过数据流进行交互，在得到数据的同时被赋予控制权限。例如,UNIX系统中的管道（ pipes）。
间接激活处理是因事件的发生而激活的，在处理之间没有直接的交互。例如，事件驱动系统、自动垃圾回收等。
消息传递相互独立的处理之间有明确的交互，通过显式的离散方式的数据传递。
这种传递可以是同步的，也可以是异步的。例如,TCP∕IP 。
共享数据构件们通过同一个数据空间进行并发的操作。例如，多用户数据库、数据黑板系统。
55? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.8.5 软件体系结构风格
软件体系结构设计的一个核心问题是能否使用重复的体系结构模式。
基于这个目的，学者们开始研究和实践软件体系结构的风格和类型问题。
软件体系结构风格是描述某一特定应用领域中系统组织方式的惯用模式。
56? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.8.5.1 体系结构风格的四要素
体系结构风格具有四个主要元素，即提供 一个词汇表、定义一套配置规则、定义一套语义解释原则和定义对基于这种风格的系统所进行的分析 。
体系结构风格反映了领域中众多系统所 共有的结构和语义特性,并指导如何将各个模块和子系统有效地组织成一个完整的系统。
对软件体系结构风格的研究和实践促进了对设计的重用，一些经过实践证实的解决方案也能可靠地用于解决新的问题。体系结构风格的不变部分使不同的系统可以共享同一个实现代码。
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6.8.5.2 管道和过滤器风格
在管道／过滤器（ pipe and filter）风格最早出现在 Unix
系统中，它适用于对有序数据进行一系列已经定义的独立计算的应用程序。
构件：在管道和过滤器风格中，构件被称为过滤器（ filter）。
它对输入流进行处理、转换，处理后的结果在输出端流出。
而且，这种计算处理方式是递进的，所以可能在全部的输入接受完之前就开始输出。此外，系统中可以并行地使用过滤器。
连接件：连接件位于过滤器之间，起到信息流的导管作用，
被称为管道（ pipe）。
过 滤 器过 滤 器过 滤 器过 滤 器过 滤 器过 滤 器管 道管 道管 道管 道管 道管 道管 道
58? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.8.5.3 调用和返回风格
调用 /返回风格的体系结构在过去的 30年之间占有重要的地位，是大型软件开发中的主流风格的体系结构。
主 /子程序风格的体系结构：
对象风格的体系结构：
分层风格的体系结构：
59? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心主 /子程序风格的体系结构
这种风格的主要目的是将程序划分为若干个小片段，从而使程序的可更改性大大提高。
这种风格有一定的层次性，主程序位于一层，下面可以再划分一级子程序，二级子程序甚至更多。
这种风格是单线程控制的，同一时刻只有一个孩子结点的子程序可以得到父亲结点的控制。该风格的特点：
由于单线程控制，计算的顺序得以保障。
并且有用的计算结果在同一时刻只会产生一个。
单线程的控制可以直接由程序设计语言来支持
分层推理机制：子程序的正确性与它调用的子程序的正确性有关。
60? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心对象风格的体系结构
这种风格建立在数据抽象和面向对象的基础上，数据的表示方法和它们的相应操作封装在一个抽象数据类型或对象中。
对象是一种被称作管理者的构件，由它负责保持资源的完整性。对象是通过函数和过程调用来交互的。
对象抽象使得构件和构件之间的操作以黑箱的方式进行。
封装性使得细节内容对外部环境得以良好的隐藏。对象之间的访问是通过方法调用来实现的。
考虑操作和属性的关联性，封装完成了相关功能和属性的包装，
并由对象来对它们进行管理。
使用某个对象提供的服务并不需要知道服务内部是如何实现的
61? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心分层风格的体系结构
将系统组织成一个层次结构，每一层为上层提供服务，并作为下层的客户端。
这种风格支持基于可增加抽象层的设计。这样，
允许将一个复杂问题分解成一个增量步骤序列的实现。
由于每一层最多只影响两层，同时只要给相邻层提供相同的接口，允许每层用不同的方法实现，
同样为软件复用提供了强大的支持。
62? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.8.5.4 基于事件的风格
在此风格的系统结构中，构件并不直接调用一个过程，
而是声明或广播一个或多个事件。
构件的接口不仅提供一个过程的集合，也提供一个事件的集合。这些过程既可以用一般的方式调用，也可能被注册为与某些事件相关。
构件可以声明或广播一个或多个事件，或者向系统注册用以表明它希望相应一个或多个事件。
这种风格适用于设计低耦合构件集合的应用程序，其中每个构件完成一定的操作，并可能触发其他构件的操作。
广 播 媒 介代 理代 理代 理代 理声 明 事 件监 听 事 件声 明 事 件监 听 事 件
63? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.8.5.5 客户端服务器风格
客户端服务器风格设计的目标是达到可测量性的需求，并适用于应用程序的数据和处理分布在一定范围内的多个构件上，且构件之间通过网络连接。
服 务 器方 法 调 用方 法 调 用方 法 调 用代 理
64? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.8.5.6 解释器 (虚拟机 )风格
该风格通常用于建立一种虚拟机去弥合程序的语义与作为计算引擎的硬件的差异。
由于解释器实际上创建了一个软件虚拟出来的硬件机器，所以被称为虚拟机风格。
这种风格适用于应用程序不能直接运行在最合适的机器上或不能直接以最适合的语言执行
程序设计语言的编译器，如 Java,Smalltalk等。
基于规则的系统，比如专家系统领域的 Prolog等。
脚本语言，比如 Awk,Perl等
65? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.8.5.7 仓库风格
仓库风格的体系结构由两种构件组成：
中央数据结构，表示当前状态；
独立构件的集合，它对中央数据结构进行操作。
传统的数据和状态控制方法
由输入事务选择进行何种处理，并把执行结果作为当前状态存储到中央数据结构中，此时仓库是一个传统的数据库体系结构；
黑板体系结构
由中央数据结构的当前状态决定进行何种处理
66? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.8.5.8 黑板风格
黑板系统通常被用于在信号处理方面进行复杂解释的应用程序，以及松散的构件访问共享数据的应用程序。
知识源：是特定应用程序知识的独立散片。知识元之间的交互只在黑板内部发生。
黑板数据结构：知识源不断地对黑板数据进行修改，
直到得出问题的解答。黑板数据结构起到了知识源之间的通信机制的作用。
控制器：控制是由黑板的状态决定的。一旦黑板数据的改变使得某个知识源成为可用的，知识源就会被控制模块激活。
67? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.8.5.9 MVC风格
模型 -视图 -控制器风格通常简称为 MVC（ Model-
View-Controller）风格，主要用于处理基于 B/S结构的软件用户界面开发中所面临的实际问题。
视图：为用户显示模型信息。视图从模型获取数据，
一个模型可以对应有多个视图。
模型：模型是应用程序的核心，它封装内核数据与状态。对模型的修改将扩散到所有视图中。所有需要从模型中获取数据的对象都必须注册为模型的视图。
控制器：是提供给用户进行操作的接口。每个视图与一个控制器构件相关联。控制器接受用户输入，输入事件转换成服务请求，传送到模型或视图。用户只通过控制其与系统进行交互。
软件工程模型与方法
Models & Methods of SE
第六章 软件设计肖丁 dxiao@bupt.edu.cn
2? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心本章内容
6.1 软件设计历史及目标
6.2 软件设计的重要性
6.3 软件设计过程
6.4 软件概要设计步骤
6.5 软件详细设计步骤
6.6 软件设计原则
6.7 软件设计基础
6.8 软件体系结构
3? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心引言
相对于分析而言，设计是什么？为什么要进行设计？
软件设计在软件开发过程中出于什么位置？
经过软件需求分析，确定了系统必须“做什么”的功能，然而这些功能是如何实现用户的需求的呢？
为了实现合理分配系统功能并尽可能提高处理用户需求的性能，系统中这些功能之间是什么关系呢？
为了满足用户在处理业务过程中的一些习惯，怎样合理而又灵便的分配系统界面功能呢？
……
4? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.1.1 软件设计历史
早期的设计工作集中在模块化程序的开发标准和自顶向下求精软件结构的方法，称为结构化程序设计的理论。
之后提出了将数据流或数据结构转化为设计定义的方法，之后又提出了一种面向对象方法来导出软件设计。
如今，在软件设计方面的着重点已转移到软件体系结构和可用于实现软件体系结构的设计模式。
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6.1.2 软件设计方法的通用特征
各种软件设计方法都具有各自独特的表示符号体系，而这些方法都具有以下共同特征：
一种用于将分析模型变换到设计模型的表示机制；
用于表示功能件构件及其接口的符号体系；
用于求精和划分的启发信息和机制；
质量评价的指导原则。
6? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.1.3 （软件）设计的定义
首先，设计通常是开发活动的第一步。
设计定义为：“应用各种技术和原理，对设备、过程或系统做出足够详细的定义，使之能够在物理上得以实现”。
软件设计是软件工程过程中的技术核心，是构造和验证软件所需的三项技术活动之一。软件设计也是后续开发步骤及软件维护工作的基础。
软件设计的最基本目标就是回答“概括地描述系统如何实现用户所提出来的功能和性能等方面的需求？
软件设计的最终目标是要取得最佳方案。
,最佳”是指在所有候选方案中，就节省开发费用，降低资源消耗，缩短开发时间的条件，选择能够赢得较高的生产率、较高的可靠性和可维护性的方案。
7? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.2.1 软件设计的重要性
软件设计是开发阶段中最重要的步骤，它提供了软件结构的内外表示，使得软件的质量评价成为可能，也是质量得以保证的关键步骤软件设计是将用户要求准确地转化成为最终的软件产品的唯一途径。也是后续开发步骤及软件维护工作的基础。如果没有设计，
只能建立一个不稳定的系统。
8? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.2.2 设计模型与分析模型的关系数据词典数据流图实体关系图状态转换图加工控制规规格格说说明明数据对象描述过程设计接口设计系统结构设计数据设计
9? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.3 软件设计过程
从工程管理的角度，软件设计分成：
概要设计：将软件需求转化为数据结构和软件的系统结构，并建立接口
详细设计：即过程设计，通过对软件结构进行细化，得到各功能模块的详细数据结构和算法过 程 设 计系 统 结 构 设 计数 据 设 计概 要 设 计详 细 设 计技术观点管理观点
10? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.3 软件设计过程
系统结构设计：定义了软件系统各主要成份之间的关系。
其中包括软件的接口设计，它特指软件内部各成份之间、软件与其它协同系统之间及软件与用户之间的交互机制的设计；
数据设计：将实体关系图中描述的对象和关系，
以及数据词典中描述的详细数据内容转化为数据结构的定义；
过程设计：把系统结构设计转换成软件的过程性描述。
11? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.4 软件概要设计步骤
1,制定设计规范
2,软件系统结构的总体设计
3,处理方式设计
4,数据结构设计
5,可靠性设计
6,编写概要设计说明书
7,概要设计评审
12? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.4.1 制定软件设计规范
在软件设计阶段，首先应为软件开发组制定在设计时应该共同遵守的标准，以便协调组内各成员的工作。
阅读和理解软件需求说明书，在预算范围内和现有的技术条件下，确认用户的需求能否实现。
若不能实现，则需明确实现的条件，从而确定设计的目标，以及它们的优先顺序。
根据目标确定最合适的设计方法。
规定设计文档的编制标准，包括文档体系、用纸及样式、记述详细的程度、图形的画法等。
规定编码的信息形式（代码体系），与硬件、操作系统的接口规约，命名规则等。
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6.4.2 软件系统结构的总体设计
基于分析阶段的成果（层级数据流图内的功能层次结构），设计并合理分配各功能模块的组成以及功能模块之间的关系，最终形成一个能满足用户需求的系统结构。
采用某种设计方法或模式，将一个复杂的系统按功能划分成模块的层次结构
确定每个模块的功能，建立与已确定的软件需求的对应关系。
确定模块间的调用关系。
确定模块间的接口，即模块间传递的信息。设计接口的信息结构。
评估模块划分的质量及导出模块结构的规则。
14? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.4.3 处理方式设计
基于系统结构的设计，还需要确定为各功能需求所必需的算法，评估算法的性能。
其次，还需要确定为满足软件系统的性能需求所必需的算法和模块间的控制方式。
周转时间：系统接收处理的请求后，从第一个输入开始，经过处理直到最后一个输出结果为止的整个时间。
响应时间：系统接收处理的请求后，用户需要多次对计算机进行输入输出，每一次输入输出的时间就是响应时间。
吞吐量：单位时间内能够处理的数据量叫做吞吐量。这是表示系统能力的指标。
精度：在进行科学计算或工程计算时，运算精确度的要求。
15? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.4.4 数据结构设计
确定软件涉及的文件系统的结构以及数据库的模式、子模式，进行数据完整性和安全性的设计。它包括：
确定输入、输出文件的详细的数据结构。
结合算法设计，确定算法所必需的逻辑数据结构及其操作。
确定对逻辑数据结构所必需的那些操作的程序模块 (软件包 )。限制和确定各个数据设计决策的影响范围。
若需要与操作系统或调度程序接口所必须的控制表等数据时确定其详细的数据结构和使用规则。
数据的保护性设计
防卫性设计；在软件设计中就插入自动检错，报错和纠错的功能。
一致性设计：其一是保证软件运行过程中所使用的数据的类型和取值范围不变。其二是在并发处理过程中使用封锁和解除封锁机制保持数据不被破坏。
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6.4.5 可靠性设计
可靠性设计也叫做质量设计。
在运行过程中，为了适应软件需求经常变更的情况，就要确定软件的可靠性和其它质量指标，考虑相应措施，以使得软件易于修改和易于维护。
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6.4.6 编写概要设计说明书
概要设计说明书：给出系统目标、总体设计、数据设计、处理方式设计、运行设计
、出错设计等。
数据库设计说明书：给出所使用数据库简介、数据模式设计、物理设计等。
用户手册：对需求分析阶段编写的初步的用户手册进行审订。
制定初步的测试计划：对测试的策略、方法和步骤提出明确的要求。
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6.4.7 概要设计评审
可回溯性：即分析该软件设计是否覆盖了所有已确定的软件需求，
软件每一成分是否可追溯到某一项需求。
接口：即分析软件各部分之间的联系，确认该软件的内部接口与外部接口是否已经明确定义。模块是否满足高内聚和低耦合的要求。
模块作用范围是否在其控制范围之内。
风险：确认该软件设计在现有技术条件下和预算范围内是否能按时实现。
实用性：确认该软件设计对于需求的解决方案是否实用。
技术清晰度：确认该软件设计是否以一种易于翻译成代码的形式表达。
可维护性：确认该软件设计是否考虑了方便未来的维护。
质量：确认该软件设计是否表现出良好的质量特征。
各种选择方案：看是否考虑过其他方案，比较各种选择方案的标准是什么。
限制；评估对该软件的限制是否现实，是否与需求一致。
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6.5 软件详细设计步骤
确定软件各个功能模块内的算法以及各功能模块的内部数据组织。
选定某种表达形式来描述各种算法。
进行详细设计的评审。
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6.5.1 软件设计的整体流程检 查 需 求 规 格 说明 书 和 数 据 词 典设 计 数 据 库 设 计 总 体 结 构 分 配 需 求改 编 已有 软 件选 择 数 据库 管 理 系统 D B M S
使 设 计 与
D B M S
相 匹 配估 计 设 计规 模 并 安排 进 度鉴 定已 有软 件设 计接 口检 查数 据流建 立 模块 - 功 能矩 阵进 行分 析修 订数 据 词 典编 写 概 要 设 计说 明 书确 定 改 编 软 件的 需 求设 计 评 审修 订 概 要 设 计说 明 书进 行 详 细设 计编 写 详 细 设 计说 明 书
21? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.6 软件设计原则
软件设计既是过程又是模型。
设计过程是一系列的细化过程，使设计人员能够描述目标系统的各个侧面。
设计模型首先描述目标系统的整体架构，然后逐步细化架构得到构造每个细节的指导原则，从而得到系统的一系列不同视图。
良好的设计原则可为设计过程导航。
衡量设计过程的技术原则
衡量设计模型的技术原则
22? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.6.1 设计过程的技术原则
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
。
对于开发者和维护者而言，设计必须是可读的、可理解的，使得将来易于编程、易于测试、易于维护。
设计应该给出软件的全貌，包括从实现角度可看到的数据、功能、行为。
23? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.6.2 设计模型的技术原则
设计模型应该是一个分层结构，该结构：
使用可识别的设计模式搭建系统结构。
由具备良好设计特征的构件构成。
可以用演化的方式实现。
设计应当模块化。
设计应当包含数据、系统结构、接口和构件的清晰的视图
应根据将要实现的对象和数据模式导出合适的数据结构。
应建立具有独立功能特征的构件。
应建立能够降低模块与外部环境之间复杂连接的接口。
设计模型应当通过使用软件需求信息所驱动的可重复的方法导出。
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6.6.3 抽象化
模型是人类抽象活动的一种表现形式。在软件设计过程中按照自顶向下的设计原则，可通过不同层次的抽象，逐步细化软件的结构。
过程抽象：
软件计划阶段：软件被看作是一个相对宏观的系统元素
软件需求分析阶段：用“问题所处环境的为大家所熟悉的术语”来描述软件的解决方法。
概要设计阶段：使用规定的符号表示软件的轮廓和结构
详细设计阶段：使用面向代码的符号表示软件的内部结构
数据抽象：数据抽象与过程抽象一样，允许设计人员在不同层次上描述数据对象的细节。
控制抽象：可以包含一个程序控制机制而无须规定其内部细节。
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6.6.4 模块化
按照自顶向下的设计原则，需将一个大规模的软件分解成若干相对独立的模块，然后分别对这些规模较小的模块进行处理。
实际上，难点在于合理的划分模块
如果模块是相互独立的，当模块变得越小，每个模块花费的工作量越低
但当模块数增加时，模块间的联系也随之增加，把这些模块联接起来的工作量也随之增加。
降低了系统的复杂性，使得系统容易修改 ;
推动了系统各个部分的并行开发，从而提高了软件的生产效率。
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6.6.4.1 模块的定义
模块 (module)：整个软件可被划分成若干个可单独命名且可编址组成部分，这些部分称之为模块。
模块具有如下三个基本属性：
功能：实现什么功能，做什么事情。
逻辑：描述模块内部怎么做。
状态：该模块使用时的环境和条件。
模块的表示
模块的外部特性：是指模块的模块名、参数表、以及给程序以至整个系统造成的影响。
模块的内部特性：是指完成其功能的程序代码和仅供该模块内部使用的数据。
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6.6.4.2 模块设计的标准
模块可分解性：可将系统按问题／子问题分解的原则分解成系统的模块层次结构 ;
模块可组装性：可利用已有的设计构件组装成新系统，不必一切从头开始。
模块可理解性：一个模块可不参考其他模块而被理解；
模块连续性：对软件需求的一些微小变更只导致对某个模块的修改而整个系统不用大动 ;
模块保护：将模块内出现异常情况的影响范围限制在模块
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6.6.5 信息隐藏
由 Parnas提倡的信息隐藏是指，每个模块的实现细节对于其它模块来说是隐蔽的。
就是说，模块中所包含的信息（包括数据和过程）不允许其它不需要这些信息的模块使用。
其最大的好处就是使得模块的修改和软件的维护所造成的影响可以局限在一个或几个模块范围内。
29? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.6.6 模块的独立性
功能独立性是抽象、模块化和信息隐藏的直接产物。
如果一个模块能够独立于其他模块被编程
、测试和修改，而和软件系统中其它的模块的接口是简单的，则该模块具有功能独立性。
1978年 Meyer提出了两个准则度量模块独立性,即模块间的耦合和模块的内聚 。
30? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.6.6.1 模块的内聚性
内聚是模块功能强度的度量，一个模块内部各元素之间的联系越紧密，则它的内聚性就越高，相对地，它与其他模块之间的耦合性就会减低，而模块独立性就越强。
巧合 逻辑 时间 过程 通信 信息 功能内聚 内聚 内聚 内聚 内聚 内聚 内聚内聚性功能独立性
31? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的内聚性
巧合内聚当几个模块内凑巧有一些程序段代码相同，又没有明确表现出独立的功能，为了减少存储把这些代码独立出来建立一个新的模块，这个模块就是巧合内聚模块。 它是内聚程度最低的模块 。
逻辑内聚这种模块把几种相关的功能组合在一起，每次被调用时，由传送给模块的判定参数来确定该模块应执行哪一种功能。
32? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的内聚性
时间内聚
时间内聚又称为经典内聚。这种模块一般为多功能模块，但模块的各个功能的执行与时间有关，通常要求所有功能必须在同一时间段内执行。
例如初始化模块和终止模块。
过程内聚
使用流程图做为工具设计程序时，把流程图中的某一部分划出组成模块，就得到过程内聚模块。
例如，把流程图中的循环部分、判定部分、计算部分分成三个模块，这三个模块就是过程内聚模块。
33? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的内聚性
通信内聚
如果一个模块内各功能部分都使用了相同的输入数据
，或产生了相同的输出数据，则称之为通信内聚模块
。通常，通信内聚模块是通过数据流图来定义的。
34? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的内聚性
信息内聚
这种模块完成多个功能，各个功能都在同一数据结构上操作，每一项功能有一个唯一的入口点。
这个模块将根据不同的要求，确定该执行哪一个功能。由于这个模块的所有功能都是基于同一个数据结构（符号表），因此，它是一个信息内聚的模块。
信息内聚模块可以看成是多个功能内聚模块的组合，并且达到信息的隐蔽。
功能内聚
一个模块中各个部分都是完成某一具体功能必不可少的组成部分
，或者说该模块中所有部分都是为了完成一项具体功能而协同工作，紧密联系，不可分割的。则称该模块为功能内聚模块。
35? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.6.6.2 模块的耦合性
耦合是模块之间互相连接的紧密程度的度量。模块之间的连接越紧密，联系越多，
耦合性就越高，而其模块独立性就越弱。
非直接 数据 标记 控制 外部 公共 内容耦合 耦合 耦合 耦合 耦合 耦合 耦合耦合性功能独立性
36? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的耦合性
内容耦合
一个模块直接访问另一个模块的内部数据 ;
一个模块不通过正常入口转到另一模块内部 ;
两个模块有一部分程序代码重迭 (只可能出现在汇编语言中 );
一个模块有多个入口。
37? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的耦合性
公共耦合（ Common Coupling）
若一组模块都访问同一个公共数据环境，则它们之间的耦合就称为公共耦合。公共的数据环境可以是全局数据结构
、共享的通信区、内存的公共覆盖区等。
公共耦合的复杂程度随耦合模块的个数增加而显著增加。
若只是两模块间有公共数据环境，则公共耦合有两种情况
。松散公共耦合和紧密公共耦合。
公共耦合会引起下列问题：
所有公共耦合模块都与某一个公共数据环境内部各项的物理安排有关，若修改某个数据的大小，将会影响到所有的模块。
无法控制各个模块对公共数据的存取，严重影响软件模块的可靠性和适应性。
公共数据名的使用，明显降低了程序的可读性。
38? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的耦合性
外部耦合一组模块都访问同一全局简单变量而不是同一全局数据结构，而且不是通过参数表传递该全局变量的信息，则称之为外部耦合。
控制耦合如果一个模块通过传送开关、标志、
名字等控制信息，明显地控制选择另一模块的功能，就是控制耦合。
控制耦合的实质是在单一接口上选择多功能某块中的某项功能。
对所控制模块的任何修改，都会影响控制模块
且控制模块必须知道所控制模块内部的一些逻辑关系，降低了模块的独立性。
39? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的耦合性
标记耦合
如果一组模块通过参数表传递记录信息，就是标记耦合。这个记录是某一数据结构的子结构，而不是简单变量。
要求这一组模块都必须清楚该数据结构，并按结构的要求进行操作。它使在数据结构上的操作复杂化了，
应该把数据结构上的操作全部集中在一个模块中，来消除这种耦合。
p0 (x0,y0) p1 (x1,y1)
标记 耦合 LINE ( p0,p1)
40? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心模块的耦合性
数据耦合
如果一个模块访问另一个模块时，彼此之间是通过简单数据参数 (不是控制参数、公共数据结构或外部变量 ) 来交换输入
、输出信息的，则称这种耦合为数据耦合。
由于限制了只通过参数传递数据，该方式开发的程序简单、
安全可靠，因此它是一种松散的耦合，模块间独立性强。
非直接耦合
如果两个模块之间没有直接关系，它们之间的联系完全是通过主模块的控制和调用来实现的，这就是非直接耦合。这种耦合的模块独立性最强。
p0 (x0,y0) p1 (x1,y1)
数据耦合 LINE ( x0,y0,x1,y1)
41? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.7 软件设计基础
自顶向下，逐步细化
系统控制结构
结构划分和结构图
数据结构
软件过程
42? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.7.1 自顶向下逐步细化
这是 Niklaus Wirth提出的设计策略。
将软件的体系结构按自顶向下方式，对各个层次的过程细节和数据细节逐层细化，
直到用程序设计语言的语句能够实现为止
，从而最后确立整个的体系结构。
最初的说明只是概念性地描述了系统的功能或信息，但并未提供有关功能的内部实现机制或有关信息的内部结构的任何信息。
对初始说明仔细推敲，进行功能细化或信息细化，给出实现的细节，划分出若干成份。
43? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.7.2 系统控制结构
系统控制结构表明了程序构件（模块）的组织情况。控制层次往往用程序的层次（
树形或网状）结构来表示。
反映了程序结构的规模和复杂程度反映了程序结构的控制规模多扇出意味着需要控制和协调许多下属模块。
而多扇入的模块通常是公用模块
44? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.7.3 结构划分
程序结构可以按水平方向或垂直方向进行划分。
水平划分：水平划分按主要的程序功能来定义模块结构的各个分支。
优点是：由于主要的功能相互分离，易于修改、易于扩充，
且没有副作用。
缺点是：需要通过模块接口传递更多的数据，使程序流的整体控制复杂化。
垂直划分：也叫做因子划分，主要用在程序的体系结构中。
优点是：对低层模块的修改不太可能引起副作用的传播
45? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心结构图
在结构图中，模块用矩形框表示，并用模块的名字标记它。
模块的调用关系和接口模块间的信息传递,当一个模块调用另一个模块时，调用模块把数据和控制信息传送给所调用模块，以使所调用模块能够运行。
而在执行所调用模块的过程中又把它产生的数据或控制信息回送给调用模块。
46? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.7.4 数据结构
数据结构是数据的各个元素之间的逻辑关系的一种表示。数据结构设计应确定数据的组织、存取方式、相关程度、以及信息的不同处理方法。
47? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.7.5 软件过程
软件过程必须提供精确的处理说明，包括事件的顺序、正确的判定点、重复的操作直至数据的组织和结构等等。
程序结构与软件过程是有关系的。对每个模块的处理必须指明该模块所在的上下级环境。
软件过程遵从程序结构的主从关系，因此它也是层次化的。
48? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心
6.8 软件体系结构简介
对于大规模的复杂软件系统来说，系统的总体结构设计和规格说明比数据结构和算法的选择重要的多。在这种背景下，人们认识到软件体系结构的重要性。
软件体系结构研究的主要内容涉及软件体系结构描述、软件体系结构风格、软件体系结构评价和软件体系结构的形式化方法等。
其根本目的是要解决软件重用、软件质量和软件维护问题。
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6.8.1 软件体系结构定义
Booch & Rumbaugh & Jacobson 定义
软件体系结构 = {组织，元素，子系统，风格 }
Bass定义
是系统的一个或多个结构，包括
软件构件（ Components）
构件的外部可视属性（ Properties）
构件之间的关系（ Relationships）
50? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心软件体系结构定义
Shaw定义
结构模型：软件体系结构由构件、构件之间的连接和一些其它方面组词组成：
框架模型：其重点在于整个系统的连贯结构，这与重视其组成恰好相反。框架模型常常以某种特定领域或某类问题为目标。
动态模型：动态模型强调系统的行为质量。它可以指整个系统配置的变化，也可以是禁止预先激活了的通信或交互，还可以使计算中表现的动态特性等。
过程模型：过程模型关注系统结构的构建及其步骤和过程。在这一观点下，体系结构是软件开发所进行的一系列过程的结果。
51? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心软件体系结构定义
Garlan & Shaw 模型
软件体系结构 = {构件，连接件，约束 }
构件可是一组代码，也可是一个独立的程序，构件是一组对象集合
，可实现某些计算逻辑。
构件相对独立，仅通过接口与外部进行交互，可作为独立单元嵌入到不同的应用系统中。
连接件可以是过程调用、管道、远程过程调用等，用于表示构件之间的相互作用。
约束一般为对象连接时的规则，或指明构件连接的条件。
他们认为软件体系结构是软件设计过程的一个层次，这一层次超越计算过程中的算法设计和数据结构设计。
体系结构问题包括总体组织和全局控制、通信协议、同步、数据存取，给设计元素分配特定功能，设计元素的组织、规模和性能
，在各设计方案间进行选择等。
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6.8.2 软件体系结构三要素
软件设计的一个目标是建立软件的体系结构表示
软件体系结构的三要素是：
程序构件（模块）的层次结构
构件之间交互的方式
数据的结构
在软件体系结构设计中应保持的几个性质：
结构
附属功能
可复用
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6.8.3 软件构件的分类构 件 特 点 和 示 例纯计算构件具有简单的输入 ∕ 输出关系，没有运行状态的变化。例如，数值计算、过滤器（ Filters）、转换器（ Transformers）等。
存储构件存放共享的、永久性的、结构化的数据。例如，数据库、文件、
符号表、超文本等。
管理构件执行的操作与运行状态紧密耦合。例如，抽象数据类型
（ ADT）、面向对象系统中的对象、许多服务器（ Servers）
等。
控制构件 管理其它构件运行的时间、时机及次序。例如，调度器、同步器等。
链接构件 在实体之间传递信息。例如，通信机制、用户界面等。
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6.8.4 构件的调用方式连 接 特 点 与 示 例过程调用在某一个执行路径中传递执行指针。例如，普通过程调用（同一个命名空间）、远程过程调用（不同的命名空间）。
数据流相互独立的处理通过数据流进行交互，在得到数据的同时被赋予控制权限。例如,UNIX系统中的管道（ pipes）。
间接激活处理是因事件的发生而激活的，在处理之间没有直接的交互。例如，事件驱动系统、自动垃圾回收等。
消息传递相互独立的处理之间有明确的交互，通过显式的离散方式的数据传递。
这种传递可以是同步的，也可以是异步的。例如,TCP∕IP 。
共享数据构件们通过同一个数据空间进行并发的操作。例如，多用户数据库、数据黑板系统。
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6.8.5 软件体系结构风格
软件体系结构设计的一个核心问题是能否使用重复的体系结构模式。
基于这个目的，学者们开始研究和实践软件体系结构的风格和类型问题。
软件体系结构风格是描述某一特定应用领域中系统组织方式的惯用模式。
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6.8.5.1 体系结构风格的四要素
体系结构风格具有四个主要元素，即提供 一个词汇表、定义一套配置规则、定义一套语义解释原则和定义对基于这种风格的系统所进行的分析 。
体系结构风格反映了领域中众多系统所 共有的结构和语义特性,并指导如何将各个模块和子系统有效地组织成一个完整的系统。
对软件体系结构风格的研究和实践促进了对设计的重用，一些经过实践证实的解决方案也能可靠地用于解决新的问题。体系结构风格的不变部分使不同的系统可以共享同一个实现代码。
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6.8.5.2 管道和过滤器风格
在管道／过滤器（ pipe and filter）风格最早出现在 Unix
系统中，它适用于对有序数据进行一系列已经定义的独立计算的应用程序。
构件：在管道和过滤器风格中，构件被称为过滤器（ filter）。
它对输入流进行处理、转换，处理后的结果在输出端流出。
而且，这种计算处理方式是递进的，所以可能在全部的输入接受完之前就开始输出。此外，系统中可以并行地使用过滤器。
连接件：连接件位于过滤器之间，起到信息流的导管作用，
被称为管道（ pipe）。
过 滤 器过 滤 器过 滤 器过 滤 器过 滤 器过 滤 器管 道管 道管 道管 道管 道管 道管 道
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6.8.5.3 调用和返回风格
调用 /返回风格的体系结构在过去的 30年之间占有重要的地位，是大型软件开发中的主流风格的体系结构。
主 /子程序风格的体系结构：
对象风格的体系结构：
分层风格的体系结构：
59? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心主 /子程序风格的体系结构
这种风格的主要目的是将程序划分为若干个小片段，从而使程序的可更改性大大提高。
这种风格有一定的层次性，主程序位于一层，下面可以再划分一级子程序，二级子程序甚至更多。
这种风格是单线程控制的，同一时刻只有一个孩子结点的子程序可以得到父亲结点的控制。该风格的特点：
由于单线程控制，计算的顺序得以保障。
并且有用的计算结果在同一时刻只会产生一个。
单线程的控制可以直接由程序设计语言来支持
分层推理机制：子程序的正确性与它调用的子程序的正确性有关。
60? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心对象风格的体系结构
这种风格建立在数据抽象和面向对象的基础上，数据的表示方法和它们的相应操作封装在一个抽象数据类型或对象中。
对象是一种被称作管理者的构件，由它负责保持资源的完整性。对象是通过函数和过程调用来交互的。
对象抽象使得构件和构件之间的操作以黑箱的方式进行。
封装性使得细节内容对外部环境得以良好的隐藏。对象之间的访问是通过方法调用来实现的。
考虑操作和属性的关联性，封装完成了相关功能和属性的包装，
并由对象来对它们进行管理。
使用某个对象提供的服务并不需要知道服务内部是如何实现的
61? 2008 BUPT TSEG 北京邮电大学 通信软件工程中心分层风格的体系结构
将系统组织成一个层次结构，每一层为上层提供服务，并作为下层的客户端。
这种风格支持基于可增加抽象层的设计。这样，
允许将一个复杂问题分解成一个增量步骤序列的实现。
由于每一层最多只影响两层，同时只要给相邻层提供相同的接口，允许每层用不同的方法实现，
同样为软件复用提供了强大的支持。
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6.8.5.4 基于事件的风格
在此风格的系统结构中，构件并不直接调用一个过程，
而是声明或广播一个或多个事件。
构件的接口不仅提供一个过程的集合，也提供一个事件的集合。这些过程既可以用一般的方式调用，也可能被注册为与某些事件相关。
构件可以声明或广播一个或多个事件，或者向系统注册用以表明它希望相应一个或多个事件。
这种风格适用于设计低耦合构件集合的应用程序，其中每个构件完成一定的操作，并可能触发其他构件的操作。
广 播 媒 介代 理代 理代 理代 理声 明 事 件监 听 事 件声 明 事 件监 听 事 件
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6.8.5.5 客户端服务器风格
客户端服务器风格设计的目标是达到可测量性的需求，并适用于应用程序的数据和处理分布在一定范围内的多个构件上，且构件之间通过网络连接。
服 务 器方 法 调 用方 法 调 用方 法 调 用代 理
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6.8.5.6 解释器 (虚拟机 )风格
该风格通常用于建立一种虚拟机去弥合程序的语义与作为计算引擎的硬件的差异。
由于解释器实际上创建了一个软件虚拟出来的硬件机器，所以被称为虚拟机风格。
这种风格适用于应用程序不能直接运行在最合适的机器上或不能直接以最适合的语言执行
程序设计语言的编译器，如 Java,Smalltalk等。
基于规则的系统，比如专家系统领域的 Prolog等。
脚本语言，比如 Awk,Perl等
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6.8.5.7 仓库风格
仓库风格的体系结构由两种构件组成：
中央数据结构，表示当前状态；
独立构件的集合，它对中央数据结构进行操作。
传统的数据和状态控制方法
由输入事务选择进行何种处理，并把执行结果作为当前状态存储到中央数据结构中，此时仓库是一个传统的数据库体系结构；
黑板体系结构
由中央数据结构的当前状态决定进行何种处理
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6.8.5.8 黑板风格
黑板系统通常被用于在信号处理方面进行复杂解释的应用程序，以及松散的构件访问共享数据的应用程序。
知识源：是特定应用程序知识的独立散片。知识元之间的交互只在黑板内部发生。
黑板数据结构：知识源不断地对黑板数据进行修改，
直到得出问题的解答。黑板数据结构起到了知识源之间的通信机制的作用。
控制器：控制是由黑板的状态决定的。一旦黑板数据的改变使得某个知识源成为可用的，知识源就会被控制模块激活。
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6.8.5.9 MVC风格
模型 -视图 -控制器风格通常简称为 MVC（ Model-
View-Controller）风格，主要用于处理基于 B/S结构的软件用户界面开发中所面临的实际问题。
视图：为用户显示模型信息。视图从模型获取数据，
一个模型可以对应有多个视图。
模型：模型是应用程序的核心，它封装内核数据与状态。对模型的修改将扩散到所有视图中。所有需要从模型中获取数据的对象都必须注册为模型的视图。
控制器：是提供给用户进行操作的接口。每个视图与一个控制器构件相关联。控制器接受用户输入，输入事件转换成服务请求，传送到模型或视图。用户只通过控制其与系统进行交互。
