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1、软件工程思想,第五章 系统设计,第五章 系 统 设 计,系统设计是把需求转化为软件系统的最重要的环节。系统设计的优劣在根本上决定了软件系统的质量。就象“一切帝国主义都是纸老虎”那样可以断定“差的系统设计必定产生差的软件系统。”所以我们要努力保证系统设计“根正苗红”，把一切左倾、右倾的设计思潮消灭在萌芽状态。,系统设计的四方面内容：体系结构设计、模块设计、数据结构与算法设计、用户界面设计。如果将软件系统比喻为人体，那么： （1）体系结构就如同人的骨架。如果某个家伙的骨架是猴子，那么无论怎样喂养和美容，这家伙始终都是猴子，不会成为人。 （2）模块就如同人的器官，具有特定的功能。人体中最出色的模块设
2、计之一是手，手只有几种动作，却能做无限多的事情。人体中最糟糕的模块设计之一是嘴巴，嘴巴将最有价值但毫无相干的几种功能如吃饭、说话、亲吻混为一体，使之无法并行处理，真乃人类之不幸。 （3）数据结构与算法就如同人的血脉和神经，它让器官具有生命并能发挥功能。数据结构与算法分布在体系结构和模块中，它将协调系统的各个功能。 （4）用户界面就如同人的外表，最容易让人一见钟情或一见恶心。象人类追求心灵美和外表美那样，软件系统也追求（内在的）功能强大和（外表的）界面友好。但随着生活节奏的加快，人们已少有兴趣去品味深藏不露的内在美。,第五章 系 统 设 计,第五章 系 统 设 计,在进行系统设计时，我们要深情地
3、关注软件的质量因素，如正确性与精确性、性能与效率、易用性、可理解性与简法性、可复用性与可扩充性等等。即使把系统设计做好了，也并不意味着就能产生好的软件系统。在程序设计、测试、维护等环节还要做大量的工作，无论哪个环节出了差错，都会把好事搞砸了。据说上帝把所有的女士都设计成天使，可是天使们在下凡时有些双脚先着地，有些脸先着地。上帝的这一疏忽让很多女孩伤透了心。我们在开发软件时，一定要吸取这个教训。,5.1 体系结构设计,体系结构是软件系统中最本质的东西 （1）体系结构是对复杂事物的一种抽象。良好的体系结构是普遍适用的，它可以高效地处理多种多样的个体需求。“房子”是人们对住宿或办公环境的一种抽象。
4、（2）体系结构在一定的时间内保持稳定。只有在稳定的环境下，人们才能干点事情，社会才能发展。科学告诉我们，宇宙间万物无时无刻不在运动、飞行。由于我们的生活环境在地球上保持相对稳定，以致于我们可以无忧无虑地吃饭和睡觉，压根就意识不到自己是活生生的导弹。软件开发最怕的就是需求变化，但“需求会发生变化”是个无法逃避的现实。人们希望在需求发生变化时，最好只对软件做些皮皮毛毛的修改，可千万别改动软件的体系结构。就如人们对住宿的需求也会变动，你可以经常改变房间的装璜和摆设，但不会在每次变动时都要去折墙、拆柱、挖地基。如果当需求发生变化时，程序员不得不去修改软件的体系结构，那么这个软件的系统设计是失败的 良好
5、的体系结构意味着普适、高效和稳定。本节将论述两种非常通用的软件体系结构：层次结构和客户机/服务器（Client/Server）结构。,体系结构示意图,5.1 体系结构设计,顺序相邻关系的层次结构经典之作是计算机网络的OSI参考模型为了减少设计的复杂性，大多数网络都按层（Layer）或级（Level）的方式组织。每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务，而把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽。一台机器上的第n层与另一台机器上的第n层进行对话。通话的规则就是第n层的协议。数据不是从一台机器的第n层直接传送到另一台机器的第n层。发送方把数据和控制信息逐层向下传递。最低层是物理介质，它进行实际的
6、通讯。接收方则将数据和控制信息逐层向上传递。,5.1.2 客户机/服务器结构,5.1.2 客户机/服务器结构,在Internet/Intranet领域，目前“浏览器Web 服务器数据库服务器” 结构是一种非常流行的客户机/服务器结构，如图5.6所示。这种结构最大的优点是：客户机统一采用浏览器，这不仅让用户使用方便，而且使得客户机端不存在维护的问题。当然，软件开发布和维护的工作不是自动消失了，而是转移到了Web 服务器端。在Web 服务器端，程序员要用脚本语言编写响应页面。例如用Microsoft的ASP语言查询数据库服务器，将结果保存在Web 页面中，再由浏览器显示出来。,5.2 模 块 设
7、计,在设计好软件的体系结构后，就已经在宏观上明确了各个模块应具有什么功能，应放在体系结构的哪个位置。我们习惯地从功能上划分模块，保持“功能独立”是模块化设计的基本原则。因为，“功能独立”的模块可以降低开发、测试、维护等阶段的代价。但是“功能独立”并不意味着模块之间保持绝对的孤立。一个系统要完成某项任务，需要各个模块相互配合才能实现，此时模块之间就要进行信息交流。 模块设计优劣的三个特征因素：“信息隐藏”、“内聚与耦合”和“封闭开放性”,5.2.1 信息隐藏,如果不想让坏事传播开来，就应该把坏事隐藏起来，“家丑不可外扬”就是这个道理。为了尽量避免某个模块的行为去干扰同一系统中的其它模块，在设计模
8、块时就要注意信息隐藏。应该让模块仅仅公开必须要让外界知道的内容，而隐藏其它一切内容。,5.2.2 内聚与耦合,内聚（Cohesion）是一个模块内部各成分之间相关联程度的度量。 耦合（Coupling）是模块之间依赖程度的度量。 内聚和耦合是密切相关的，与其它模块存在强耦合的模块通常意味着弱内聚，而强内聚的模块通常意味着与其它模块之间存在弱耦合。模块设计追求强内聚，弱耦合。,内聚与耦合,一、内聚强度 内聚按强度从低到高有以下几种类型： （1）偶然内聚。如果一个模块的各成分之间毫无关系，则称为偶然内聚。 （2）逻辑内聚。几个逻辑上相关的功能被放在同一模块中，则称为逻辑内聚。如一个模块读取各种不同
9、类型外设的输入。尽管逻辑内聚比偶然内聚合理一些，但逻辑内聚的模块各成分在功能上并无关系，即使局部功能的修改有时也会影响全局，因此这类模块的修改也比较困难。 （3）时间内聚。如果一个模块完成的功能必须在同一时间内执行（如系统初始化），但这些功能只是因为时间因素关联在一起，则称为时间内聚。 （4）过程内聚。如果一个模块内部的处理成分是相关的，而且这些处理必须以特定的次序执行，则称为过程内聚。 （5）通信内聚。如果一个模块的所有成分都操作同一数据集或生成同一数据集，则称为通信内聚。 （6）顺序内聚。如果一个模块的各个成分和同一个功能密切相关，而且一个成分的输出作为另一个成分的输入，则称为顺序内聚。
10、（7）功能内聚。模块的所有成分对于完成单一的功能都是必须的，则称为功能内聚。,内聚与耦合,二、耦合强度 耦合的强度依赖于以下几个因素：（1）一个模块对另一个模块的调用；（2）一个模块向另一个模块传递的数据量；（3）一个模块施加到另一个模块的控制的多少；（4）模块之间接口的复杂程度。 耦合按从强到弱的顺序可分为以下几种类型： （1）内容耦合。当一个模块直接修改或操作另一个模块的数据,或者直接转入另一个模块时，就发生了内容耦合。此时，被修改的模块完全依赖于修改它的模块。 （2）公共耦合。两个以上的模块共同引用一个全局数据项就称为公共耦合。 （3）控制耦合。一个模块在界面上传递一个信号（如开关值、标
11、志量等）控制另一个模块，接收信号的模块的动作根据信号值进行调整，称为控制耦合。 （4）标记耦合。模块间通过参数传递复杂的内部数据结构，称为标记耦合。此数据结构的变化将使相关的模块发生变化。 （5）数据耦合。模块间通过参数传递基本类型的数据，称为数据耦合。 （6）非直接耦合。模块间没有信息传递时，属于非直接耦合。 如果模块间必须存在耦合，就尽量使用数据耦合，少用控制耦合，限制公共耦合的范围，坚决避免使用内容耦合。,5.2.3 封闭开放性,如果一个模块可以作为一个独立体被其它程序引用，则称模块具有封闭性。如果一个模块可以被扩充，则称模块具有开放性。 从字面上看，让模块具有“封闭开放性”是矛盾的，但
12、这种特征在软件开发过程中是客观存在的。当着手一个新问题时，我们很难一次性解决问题。应该先纵观问题的一些重要方面，同时作好以后补充的准备。因此让模块存在“开放性”并不是坏事情。“封闭性”也是需要的，因为我们不能等到完全掌握解决问题的信息后再把程序做成别人能用的模块。,5.3 数据结构与算法设计,（1）每一种数据结构与算法都有其时间、空间的开销和收益。当面临一个新的设计问题时，设计者要彻底地掌握怎样权衡时空开销和算法有效性的方法。这就需要懂得算法分析的原理，而且还需要了解所使用的物理介质的特性（例如，数据存储在磁盘上与存储在内存中，就有不同的考虑）。 （2）与开销和收益有关的是时间空间的权衡。通常可以用更大的时间开销来换取空间的收益，反之亦然。时间空间的权衡普遍地存在于软件开发的各个阶段中。 （3）程序员应该充分地了解一些常用的数据结构与算法，避免不必要的重复设计工作。 （4）数据结构与算法为应用服务。我们必须先了解应用的需求，再寻找或设计与实际应用相匹配的数据结构。,5.4 用 户 界 面 设 计,如果把Unix系统比作是健壮的汉子和妇人，那么Windows系统就象妩媚的小白脸和狐狸精。想不到Windows系统竟然能兴风作浪，占去大半市场。 有鉴于此，我们应该鼓励女士多买化妆品（男士付钱）以获得更好的界面。,
