软件工程导论第4版第5章

软件工程导论第4版第1章概述

第5章 总体设计5.1 设计过程 5.2 设计原理 5.3 启发规则 5.4 描绘软件结构的图形工具 5.5 面向数据流的设计方法 5.6 小结 习题

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总体设计的基本目的就是回答“概括地说， 系统应该如何实现?”这个问题，因此，总体 设计又称为概要设计或初步设计。通过这个阶 段的工作将划分出组成系统的物理元素——程 序、文件、数据库、人工过程和文档等等，但 是每个物理元素仍然处于黑盒子级，这些黑盒 子里的具体内容将在以后仔细设计。总体设计 阶段的另一项重要任务是设计软件的结构，也 就是要确定系统中每个程序是由哪些模块组成 的，以及这些模块相互间的关系。

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总体设计过程首先寻找实现目标系统的各种不同 的方案，需求分析阶段得到的数据流图是设想各种可 能方案的基础。然后分析员从这些供选择的方案中选 取若干个合理的方案，为每个合理的方案都准备一份 系统流程图，列出组成系统的所有物理元素，进行成 本/效益分析，并且制定实现这个方案的进度计划。 分析员应该综合分析比较这些合理的方案，从中 选出一个最佳方案向用户和使用部门负责人推荐。如 果用户和使用部门的负责人接受了推荐的方案，分析 员应该进一步为这个最佳方案设计软件结构，通常， 设计出初步的软件结构后还要多方改进，从而得到更 合理的结构，进行必要的数据库设计，确定测试要求 并且制定测试计划。

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从上面的叙述中不难看出，在详细设 计之前先进行总体设计的必要性：可以站 在全局高度上，花较少成本，从较抽象的 层次上分析对比多种可能的系统实现方案 和软件结构，从中选出最佳方案和最合理 的软件结构，从而用较低成本开发出较高 质量的软件系统。

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5.1 设计过程总体设计过程通常由两个主要阶段组成： 系统设计阶段，确定系统的具体实现方案；结 构设计阶段，确定软件结构。典型的总体设计 过程包括下述9个步骤： 1. 设想供选择的方案 在总体设计阶段分析员应该考虑各种可能 的实现方案，并且力求从中选出最佳方案。在 总体设计阶段开始时只有系统的逻辑模型，分 析员有充分的自由分析比较不同的物理实现方 案，一旦选出了最佳的方案，将能大大提高系 统的性能/价格比。

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需求分析阶段得出的数据流图是总体设计 的极好的出发点。 设想供选择的方案的一种常用的方法是， 设想把数据流图中的处理分组的各种可能的方 法，抛弃在技术上行不通的分组方法(例如，组 内不同处理的执行时间不相容),余下的分组方 法代表可能的实现策略，并且可以启示供选择 的物理系统。

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2. 选取合理的方案应该从前一步得到的

一系列供选择的方案中选取若 干个合理的方案，通常至少选取低成本、中等成本和高 成本的三种方案。在判断哪些方案合理时应该考虑在问 题定义和可行性研究阶段确定的工程规模和目标，有时 可能还需要进一步征求用户的意见。 对每个合理的方案分析员都应该准备下列4份资料： (1) 系统流程图； (2) 组成系统的物理元素清单； (3) 成本/效益分析； (4) 实现这个系统的进度计划。

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3. 推荐最佳方案 分析员应该综合分析对比各种合理方案的利 弊，推荐一个最佳的方案，并且为推荐的方案制 定详细的实现计划。制定详细实现计划的关键技 术是本书第13章中将要介绍的工程网络。 用户和有关的技术专家应该认真审查分析员 所推荐的最佳系统，如果该系统确实符合用户的 需要，并且是在现有条件下完全能够实现的，则 应该提请使用部门负责人进一步审批。在使用部 门的负责人也接受了分析员所推荐的方案之后， 将进入总体设计过程的下一个重要阶段——结构 设计。

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4. 功能分解 为了最终实现目标系统，必须设计出组成 这个系统的所有程序和文件(或数据库)。对程 序(特别是复杂的大型程序)的设计，通常分为 两个阶段完成：首先进行结构设计，然后进行 过程设计。结构设计确定程序由哪些模块组成， 以及这些模块之间的关系；过程设计确定每个 模块的处理过程。结构设计是总体设计阶段的 任务，过程设计是详细设计阶段的任务。

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5. 设计软件结构 通常程序中的一个模块完成一个适当的子功 能。应该把模块组织成良好的层次系统，顶层模 块调用它的下层模块以实现程序的完整功能，每 个下层模块再调用更下层的模块，从而完成程序 的一个子功能，最下层的模块完成最具体的功能。 软件结构(即由模块组成的层次系统)可以用层次 图或结构图来描绘，第5.4节将介绍这些图形工具。 如果数据流图已经细化到适当的层次，则可 以直接从数据流图映射出软件结构，这就是第5.5 节中将要讲述的面向数据流的设计方法。

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6. 设计数据库 对于需要使用数据库的那些应用系统，软 件工程师应该在需求分析阶段所确定的系统数 据需求的基础上，进一步设计数据库。 在数据库课中已经详细讲述了设计数据库 的方法，本书不再赘述。 7. 制定测试计划 在软件开发的早期阶段考虑测试问题，能 促使软件设计人员在设计时注意提高软件的可 测试性。本书第7章将仔细讨论软件测试的目 的和设计测试方案的各种技术方法。

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8. 书写文档 应该用正式的文档记录总体设计的结果，在 这个阶段应该完成的文档通常有下述几种： (1) 系统说明书：主要内容包括

用系统流程图描 绘的系统构成方案，组成系统的物理元素清单， 成本/效益分析，对最佳方案的概括描述，精化 的数据流图，用层次图或结构图描绘的软件结构， 用IPO图或其他工具简要描述的各个模块的算法， 模块间的接口关系等。 (2) 用户手册：根据总体设计阶段的结果，修改 更正在需求分析阶段产生的初步的用户手册。

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(3) 测试计划：包括测试策略，测试方案， 预期的测试结果，测试进度计划等等。 (4) 详细的实现计划 (5) 数据库设计结果 9. 审查和复审 最后应该对总体设计的结果进行严格的技 术审查，在技术审查通过之后再由使用部门的 负责人从管理角度进行复审。

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5.2 设计原理5.2.1 模块化模块是由边界元素限定的相邻程序元素(例如， 数据说明，可执行的语句)的序列，而且有一个总体标 识符代表它。按照模块的定义，过程、函数、子程序和 宏等，都可作为模块。面向对象方法学中的对象是模块， 对象内的方法(或称为服务)也是模块。模块是构成程 序的基本构件。 模块化就是把程序划分成独立命名且可独立访问的 模块，每个模块完成一个子功能，把这些模块集成起来 构成一个整体，可以完成指定的功能满足用户的需求。

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有人说，模块化是为了使一个复杂的大型 程序能被人的智力所管理，软件应该具备的惟 一属性。如果一个大型程序仅由一个模块组成， 它将很难被人所理解。也就是说，如果一个问 题由P1和P2两个问题组合而成，那么它的复杂 程度大于分别考虑每个问题时的复杂程度之和。 由此得到下面的不等式 E(P1+P2)>E(P1)+E(P2) 这个不等式导致“各个击破”的结论—— 把复杂的问题分解成许多容易解决的小问题， 原来的问题也就容易解决了。这就是模块化的 根据。

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由上面的不等式似乎还能得出下述结论： 如果无限地分割软件，最后为了开发软件而需 要的工作量也就小得可以忽略了。事实上，还 有另一个因素在起作用，从而使得上述结论不 能成立。参看图5.1,当模块数目增加时每个 模块的规模将减小，开发单个模块需要的成本 (工作量)确实减少了；但是，随着模块数目增 加，设计模块间接口所需要的工作量也将增加。 根据这两个因素，得出了图中的总成本曲线。 每个程序都相应地有一个最适当的模块数目M, 使得系统的开发成本最小。

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图5.1 模块化和软件成本

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虽然目前还不能精确地决定M的数值，但是 在考虑模块化的时候总成本曲线确实是有用的指 南。 采用模块化原理可以使软件结构清晰，不仅 容易设计也容易阅读和理解。因为程序错误通常 局限在有关的模块及它们之间的接口中，所以模 块

化使软件容易测试和调试，因而有助于提高软 件的可靠性。因为变动往往只涉及少数几个模块， 所以模块化能够提高软件的可修改性。模块化也 有助于软件开发工程的组织管理，一个复杂的大 型程序可以由许多程序员分工编写不同的模块， 并且可以进一步分配技术熟练的程序员编写困难 的模块。

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5.2.2 抽象人类在认识复杂现象的过程中使用的最强 有力的思维工具是抽象。人们在实践中认识到， 在现实世界中一定事物、状态或过程之间总存 在着某些相似的方面(共性)。把这些相似的方 面集中和概括起来，暂时忽略它们之间的差异， 这就是抽象。或者说抽象就是抽出事物的本质 特性而暂时不考虑它们的细节。

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由于人类思维能力的限制，如果每次面临 的因素太多，是不可能做出精确思维的。处理 复杂系统的惟一有效的方法是用层次的方式构 造和分析它。一个复杂的动态系统首先可以用 一些高级的抽象概念构造和理解，这些高级概 念又可以用一些较低级的概念构造和理解，如 此进行下去，直至最低层次的具体元素。 这种层次的思维和解题方式必须反映在定 义动态系统的程序结构之中，每级的一个概念 将以某种方式对应于程序的一组成分。

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考虑对任何问题的模块化解法时，可以提出许多抽 象的层次。在抽象的最高层次使用问题环境的语言，以 概括的方式叙述问题的解法；在较低抽象层次采用更过 程化的方法，把面向问题的术语和面向实现的术语结合 起来叙述问题的解法；最后在最低的抽象层次用可直接 实现的方式叙述问题的解法。 软件工程过程的每一步都是对软件解法的抽象层次 的一次精化。在可行性研究阶段，软件作为系统的一个 完整部件；在需求分析期间，软件解法是使用在问题环 境内熟悉的方式描述的；当由总体设计向详细设计过渡 时，抽象的程度也就随之减少了；最后，当源程序写出 来以后，也就达到了抽象的最低层。