软件工程讲义_第七章 设计概念

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1、软件工程 第 7章 设计概念 主要内容 软件工程中的设计 设计过程 设计概念 设计模型 小结 设计工程 设计创建了软件的表达或模型，但与分析模型（关注于说明必需的数据、功能和行为）不同，设计模型提供了 软件体系结构 、 数据结构 、 接口和 构件 的细节，而这些都是实现系统必需的。 设计要让软件工程师为将要构建的系统或产品建立模型。在生成代码、进行测试以及在涉及大量最终用户使用之前，可能要评估该模型的质量并进行改进。设计是确立 软件质量 的关键步骤。 设计工程 设计可以采用很多不同的方法描绘软件。首先，设计必须体现系统或产品的 体系结构 ；其次，为各类 接口建模 ，这些接口在软件和最终用户、软

2、件和其他系统及设备以及软件和自身组成的构件之间起到联系作用；最后，设计用于构建系统的 软件构件 。每个视图表现了不同的设计活动，但是都要遵循一组 基本的设计概念 ，这些设计概念指导着所有的软件设计工作。 设计工程 在软件设计过程中，包含 体系结构 、 接口 、 构件 和 部署 表示的设计模型是主要的工作产品。 可以从以下诸方面来评估设计模型：确定设计模型是否 存在错误 、 不一致或遗漏 ，是否 存在更好的方案 可供选择，设计模型是否可以在 已经设定的限制 、 时间进度 和花费 下实现。 设计工程 设计工程包括一套 原理 、 概念 和 实践 ，可以指导高质量的系统或产品开发。设计原理建立了最重要

3、的原则，用以指导设计师工作。在运用设计实践的技术和方法之前，必须先理解设计概念，而且设计实践本身会导致产生各种软件设计表示，这些表示将指导随后的 构建活动 。 设计工程 设计是一项核心的工程活动。 Lotus 1-2-3的发明人在 Dr.Dobbs杂志 上发表了 “ 软件设计宣言 ” ：设计是你身处两个世界 技术世界和人类的目标世界 而你尝试将这两个世界结合在一起 设计良好的建筑应该展示出坚固、适用和令人赏心悦目的特点。对好的软件来说也是如此。所谓坚固，是指程序应该不含任何妨碍其功能的缺陷。适用是要程序符合开发的目标。赏心悦目则是要求使用程序的体验应是愉快的。 设计工程 设计工程的目标是创作出

4、坚固、适用和赏心悦目的模型或设计表示。 为此，设计师的做法必须先实现多样化再行聚合。多样化是指要获取多种方案和设计的原始资料，包括目录、教科书和头脑中的构件、构件方案和知识。在各种信息汇聚在一起之后，设计师应从其中挑选能够满足需求工程和分析模型所定义的需求的元素。此时，设计工程师在经取舍后，进行聚合，使之成为构件的某种特定的配置，于是便得到最终的产品。 多样化和聚合需要直觉和判断力，其质量取决于构造类似实体的经验、一系列指导模型演化方式的原则和 (或 )启发、一系列质量评价的标准以及导出最终设计表示的迭代过程。 设计工程 在本章将探讨可以应用于所有软件设计的基本概念和原则、设计模型的元素以及模

5、式对设计过程的影响。在随后的章节中，将考察应用于体系结构、接口和构件级设计的各种各样的设计方法。 软件工程中的设计 软件设计在软件工程过程中处于技术核心，并且它的应用与所使用的软件过程模型无关。对软件需求进行分析和建模开始之后，软件设计是建模活动的最后一个软件工程动作，接着便要进入构造阶段。 需求模型的每个元素都提供了创建四种设计模型所必需的信息，这四种设计模型是完成完整的设计规格说明所必需的。软件设计过程中的信息流如图 7-1所示。由基于场景的元素、基于类的元素和行为元素所表明的分析模型是设计任务的输入。使用相应的设计表示法和设计方法，将得到数据或类的设计、体系结构设计、接口设计和构件设计。

6、 软件工程中的设计 图 7-1从需求模型到设计模型的转化 软件工程中的设计 数据 /类设计将分析类模型转化为设计类的实现以及软件实现所要求的数据结构。 CRC索引卡定义的类和关系、类属性和其他表示法刻画的详细数据内容为数据设计活动提供了基础。在和软件体系结构设计连接中可能会有部分的类设计，更详细的类设计在设计每个软件构件时进行。 体系结构设计定义了软件的主要结构元素之间的关系、可用于达到系统所定义需求的体系结构风格和设计模式以及影响体系结构实现方式的约束。体系结构设计表示 基于计算机系统的框架 可以从需求模型导出。 软件工程中的设计 接口设计描述了软件和协作系统之间、软件和使用人员之间是如何通

7、信的。接口就意味着信息流和特定的行为类型。因此，使用场景和行为模型为接口设计提供了所需的大量信息。 构件级设计将软件体系结构的结构元素变换为对软件构件的过程性描述。从基于类的模型、流模型和行为模型获得的信息将作为构件设计的基础。 软件工程中的设计 软件设计的重要性可以用一个词来表达 质量。设计是软件工程中形成质量的地方，设计为我们提供了可以用于质量评估的软件表示，设计是我们能够将用户需求准确地转化为软件产品或系统的唯一方法。软件设计是所有软件工程活动和随后的软件支持活动的基础。没有设计，我们冒构造不稳定系统的风险，这样的系统稍做改动就无法运行，而且难以测试，直到软件工程过程的后期才能评估其质量

8、。 设计过程和设计质量 软件设计是一个迭代的过程，通过设计过程，需求被变换为用于构建软件的“蓝图”。初始时，蓝图描述了软件的整体视图，也就是说，设计是在高抽象层次上的表达 在该层次上可以直接跟踪到特定的系统目标和更详细的数据、功能和行为需求。随着设计迭代的开始，后续的精化导致更低抽象层次的设计表示。这些表示仍然能够跟踪到需求，但是连接更加错综复杂了。 设计过程和设计质量 MCG91提出了可以指导评价良好设计演化的三个特征： 设计必须实现所有包含在分析模型中的明确需求，而且必须满足客户期望的所有隐含需求。 对于那些生成代码的人和那些进行测试以及随后维护软件的人而言，设计必须是可读的、可理解的指南

9、。 设计必须提供软件的全貌，从实现的角度说明数据域、功能域和行为域。 质量指导原则 设计应展示出这样一种结构： (a)已经使用可识别的体系结构风格或模式创建； (b)由展示出良好设计特征的构件构成； (c)能够以演化的方式实现，从而便于实现和测试。 设计应该模块化；即软件应按照逻辑划分为元素或子系统。 设计应该包含数据、体系结构、接口和构件的清楚表示。 质量指导原则 设计应导出数据结构，这些数据结构适于要实现的类，并由可识别的数据模式提取。 设计应导出显示独立功能特征的构件。 设计应导出接口，这些接口降低了构件之间以及与外部环境连接的复杂性。 设计的导出应根据软件需求分析过程中获取的信息采用可

10、重复使用的方法进行。 应使用能够有效传达其意义的表示法来表达设计。 质量属性 HP开发了一系列软件质量属性，称为 FURPS，分别代表功能性、易用性、可靠性、性能、可支持性。 FURPS质量属性体现了所有软件设计的目标。 功能性：评估程序的特征集和能力、所提交功能的普遍性以及整个系统的安全性。 易用性：通过考虑人为因素、整体美感、一致性和文档来评估。 可靠性：通过测量故障的频率和严重性、输出结果的精确性、故障平均时间 MTTF、故障恢复能力和程序的可预见性来评估。 性能：度量处理速度、响应时间、资源消耗、吞吐量和效率。 可支持性：综合了扩展程序、适应性和耐用性三方面的能力，此外还包括可测试性、

11、兼容性、可配置性、系统安装的简易性和问题定位的简易性。 设计任务集 检查信息域模型，并为数据对象及其属性设计恰当的数据结构。 使用分析模型，选择一个适于软件的体系结构类型。 将分析模型分割为若干个设计子系统，并在体系结构内分配这些子系统。要确定每个子系统是功能内聚的。设计子系统接口。为每个子系统分配分析类或功能。 创建一系列的设计类或构件。将每个分析类说明转化为设计类。据设计标准检查每个设计类，考虑继承问题。定义与每个设计类相关的方法和消息。评估设计类或子系统并为这些类或子系统选择设计模式。评审设计类，并在需要时修改。 设计外部系统或设备所需要的所有接口。 设计任务集 设计用户接口。评审任务分

12、析的结果。基于用户场景详细说明活动序列。创建接口的行为模型。定义接口对象、控制机制。评审接口设计，并在需要时修改。 进行构件级设计。在相对较低的抽象层次上详细说明所有算法。精化每个构件的接口。定义构件级的数据结构。评审每个构件并修正所有已发现的错误。 开发部署模型。 设计概念 在软件工程的历史进程中发展了一系列基本的软件设计概念。尽管多年来对于每一种概念的关注程度不断变化，但它们都经历了时间的考验。每一种概念都为软件设计者提供了应用更加复杂设计方法的基础。 基础的软件设计概念为“使程序正确”提供了必要的框架。 抽象 当考虑某一问题的模块化解决方案时，可以给出许多抽象级。在最高的抽象级上，使用问

13、题所处环境的语言以概括性的术语描述解决方案。在较低的抽象级上，将提供更详细的解决方案说明。 抽象 在不同的抽象级间移动时，我们力图创建过程抽象和数据抽象。过程抽象是指具有明确和有限功能的指令序列。过程抽象的命名暗示了这些功能，但是隐藏了具体的细节。 数据抽象是描述数据对象的冠名数据集合。 体系结构 软件体系结构意指“软件的整体结构和这种结构为系统提供概念上完整性的方式”。从最简单的形式看，体系结构是程序构件(模块 )的结构或组织、这些构件交互的形式以及这些构件所用数据的结构。 软件设计的目标之一是导出系统的体系结构透视图，该透视图作为一个框架，将指导更详细的设计活动。一系列的体系结构模式使得软

14、件工程师能够复用设计级的概念。 体系结构 体系结构设计可以使用大量的一种或多种模型来表达。结构模型将体系结构表示为程序构件的一个有组织的集合。通过确定类似应用中遇到的可复用的体系结构来设计框架，框架模型可以提高设计抽象级别。动态模型强调程序体系结构的行为方面，指明结构或系统配置作为外部事件的函数将如何变化。过程模型注重系统必须提供的业务设计或技术流程设计。最后，功能模型可以用来表示系统的功能层次结构。 模式 设计模式描述了在某个特定场景与可能影响模式应用和使用方式的“影响力”中解决某个特定的设计问题的设计结构。 每个设计模式的目的都是提供一个描述，以使得设计人员能够确定： (1)模式是否适合当

15、前的工作； (2)模式是否能够复用；(3)模式是否能够用于指导开发一个类似但是功能或结构不同的模式。 关注点分离 关注点分离是一个设计概念，它表明任何复杂问题如果被分解为可以独立解决和(或 )优化的若干块，该复杂问题能够更容易地被处理。一个关注点是一个特征或行为，被指定为软件需求模型的一部分。通过将关注点分割为更小的关注点，使得解决一个问题需要付出更少的工作量和时间。 模块化 软件体系结构和设计模式表现为模块化；即软件被划分为独立命名的、可寻址的构件，有时被称为模块，把这些构件集成到一起可以满足问题的需求。 模块化是软件的单个属性，它使程序能被理性地管理。软件工程师难以掌握单块软件。对于大型程序，其控制路径的数量、引用的跨度、变量的数量和整体的复杂度使得理解这样的软件几乎是不可能的。 模块化 考虑两个问题 p1和 p2，如果 p1的理解复杂度大于 p2的理解复杂度，那么解决 p1所需的工作量大于解决 p2所需的工作量。 另一个结果是两个问题结合时的理解复杂度通常要大于每个问题各自的理解复杂度之和。这引出了“分而治之