第6章软件工程

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1、第6章软件工程6.1 程序设计语言概述程序设计语言特性 1. 心理特性 程序设计语言经常要求程序员改变处理问题的方法，使这种处理方法适合于语言的语法规定。而程序是人设计的，人的因素在设计程序时是至关重要的。语言的心理特性指影响程序员心理的语言性能，许多这类特性是作为程序设计的结果而出现的，虽不能用定量的方法来度量，但可以认识到它在语言中的表现形式如下： (1) 歧义性： 指程序设计语言通常是无二义性的， 编译程序总是根据语法，按一种固定方法来解释语句的，但有些语法规则容易使人用不同的方式来解释语言， 这就产生了心理上的二义性。 如：X=X1/X2X3，编译系统只有一种解释， 但人们却有不同的理

2、解，有人理解为X=(X1/X2)X3，而另一个人可能理解为X=X1/(X2X3)。 又如 FORTRAN语言中变量的类型有显式定义和隐式定义两种，用REAL K显式说明K是实型变量， 但按隐含类型定义，K是整型变量。在程序较长时，不可能每次都查类型定义，容易产生错误。若程序语言具有这些使人心理上容易产生歧义性的特征，则易使编程出错，而且可读性也差。 (2) 简洁性：指人们必须记住的语言成分的数量。 人们要掌握一种语言，就要记住语句的种类、各种数据类型、各种运算符、 各种内部函数和内部过程，这些成分数量越多，简洁性越差，人们越难以掌握。但特别简洁也不好，有的语言(如APL)为了简洁，提供功能强但

3、形式简明的运算符，允许用最少的代码去实现很多的算术和逻辑运算。可是这样使程序难以理解，一致性差。所以既要简洁又要易读易理解。 (3) 局部性和顺序性：指人的记忆特性有两方面即联想方式和顺序方式。人的联想力使人能整体地记住和辨别某件事情， 如一下子就能识别一个人的面孔，而不是一部分一部分地看过之后才认得出；顺序记忆提供了回忆序列中下一个元素的手段，如唱歌，依次一句一句地唱出， 而不必思索。 人的记忆特性对使用语言的方式有很大的影响。局部性指语言的联想性，在编码过程中， 由语句组合成模块，由模块组装成系统结构，并在组装过程中实现模块的高内聚，低耦合， 使局部性得到加强，提供异常处理的语言特性，则消

4、弱了局部性。若在程序中多采用顺序序列， 则使人易理解，如果存在大量分支或循环， 则不利于人们的理解。 (4) 传统性：指人们习惯于已掌握的语种，而传统性容易影响人们学习新语种的积极性，若新语种的结构、形式与原来的类似，还容易接受，若风格根本不同，则难以接受，如习惯用Pascal或C的编程人员，用Lisp和Prolog编程， 就要用更多的时间来学习。 2. 工程特性 从软件工程的观点、程序设计语言的特性着重考虑软件开发项目的需要，因此对程序编码有如下要求： (1) 可移植性：指程序从一个计算机环境移植到另一个计算机环境的容易程度，计算机环境是指不同机型、不同的操作系统版本及不同的应用软件包。要增

5、加可移植性，应考虑以下几点：在设计时模块与操作系统特性不应有高度联系； 要使用标准的语言，要使用标准的数据库操作，尽量不使用扩充结构； 对程序中各种可变信息，均应参数化，以便于修改。 (2) 开发工具的可利用性：指有效的软件开发工具可以缩短编码时间，改进源代码的质量。目前，许多编程语言都嵌入到一套完整的软件开发环境里。这些开发工具为：交互式调试器、交叉编译器、屏幕格式定义工具、报表格式定义工具、图形开发环境、菜单系统和宏处理程序等。 (3) 软件的可重用性：指编程语言能否提供可重用的软件成分，如模块子程序可通过源代码剪贴、包含和继承等方式实现软件重用。可重用软件在组装时，从接口到算法都可能调整

6、， 需考虑额外代价。 (4) 可维护性：指源程序的可维护性对复杂的软件开发项目的重要性，如易于把详细设计翻译为源程序、易于修改需要变化的源程序。因此，源程序的可读性、语言的文档化特性对软件的可维护性具有重大的影响。 3. 技术特性 语言的技术特性对软件工程各阶段有一定的影响， 特别是确定了软件需求之后，程序设计语言的特性就显得非常重要了， 要根据项目的特性选择相应特性的语言，有的要求提供复杂的数据结构，有的要求实时处理能力强，有的要求能方便地进行数据库的操作。软件设计阶段的设计质量一般与语言的技术特性关系不大(面向对象设计例外)，但将软件设计转化为程序代码时， 转化的质量往往受语言性能的影响，

7、可能会影响到设计方法。如Ada, Smalltalk, C+等支持抽象类型的概念，Pascal, C等允许用户自定义数据类型，并能提供链表和其他数据结构的类型。 这些语言特性为设计者进行概要设计和详细设计提供了很大的方便。在有些情况下，仅在语言具有某种特性时， 设计需求才能满足。如要实现彼此通信和协调的并发分布式处理， 要用并发Pascal, Ada, Modula-2等语言才能用于这样的设计。 语言的特性对软件的测试与维护也有一定的影响。支持结构化构造的语言有利于减少程序环路的复杂性，使程序易测试、 易维护。程序设计语言的选择 1. 项目的应用领域项目应用领域是选择语言的关键因素， 有下列几

8、种类型。 为开发一个特定项目选择程序设计语言时，必须从技术特性、工程特性和心理特性几方面考虑。在选择语言时，从问题入手，确定它的要求是什么，以及这些要求的相对重要性。由于一种语言不可能同时满足它的各种需求，所以要对各种要求进行权衡，比较各种可用语言的适用程度，最后选择认为是最适用的语言。1) 科学工程计算 该计算需要大量的标准库函数， 以便处理复杂的数值计算， 可供选用的语言有：(1) FORTRAN语言： 是世界上第一个被正式推广应用的计算机语言，产生于1954年，经过FORTRAN 0到FORTRAN ， 又相继扩展为FORTRAN 77，FORTRAN 90，通过几个版本不断的更新，使它

9、不仅面向科学计算，数据处理能力也极强。(2) Pascal语言： 产生于60年代末， 具有很强的数据和过程结构化的能力，它是第一个体现结构化编程思想的语言， 由于它语言简明、数据类型丰富、程序结构严谨，许多算法都用类Pascal来概括。用Pascal语言写程序，也有助于培养良好的编程风格。 (3) C语言：产生于70年代初，最初用于描述UNIX操作系统及其上层软件，后来发展成具有很强功能的语言，支持复杂的数据结构， 可大量运用指针，具有丰富灵活的操作运算符及数据处理操作符。此外还具有汇编语言的某些特性，使程序运行效率高。 (4) PL/1语言： 是一个适用性非常广泛的语言， 能够适用于多种不同

10、的应用领域，但由于太庞大，难以推广使用，目前一些PL/1的子集被广泛使用。 2) 数据处理与数据库应用 数据处理与数据库应用可供选用的语言如下： (1) Cobol语言： 产生于 50 年代末， 是广泛用于商业数据处理的语言，它具有极强的数据定义能力，程序说明与硬件环境说明分开， 数据描述与算法描述分开，结构严谨层次分明， 说明采用类英语的语法结构，可读性强。 (2) SQL语言： 最初是为IBM公司开发的数据库查询语言， 目前不同的软件开发公司有了不同的扩充版本， 如 80 年代后期我国引入Informix-SQL, Microsoft-SQL可以方便地对数据库进行存取管理。 (3) 4GL

11、语言： 称为第4代语言，随着信息系统的飞速发展， 原来的第2代语言(如FORTRAN，Cobol)第3代语言(如Pascal, C等)受硬件和操作系统的局限，其开发工具不能满足新技术发展的需求，因此，在70年代末，提出了第4代语言的概念， 4GL的主要特征是： 友好的用户界面： 指操作简单， 使非计算机专业人员也能方便地使用它。 兼有过程性和非过程性双重特性：非过程性指语言的抽象层次又提高到一个新的高度，只需告诉计算机“做什么”， 而不必描述“怎么做”，“怎么做”的工作由语言系统运用它的专门领域的知识来填充过程细节。 高效的程序代码： 指能缩短开发周期， 并减少维护的代价。 完备的数据库： 指

12、在4GL中实现数据库功能， 不再把DBMS(数据库管理系统)看成是语言以外的成分。 应用程序生成器：能提供一些常用的程序来完成文件维护、屏幕管理、报表生成和查询等任务， 从而有效提高软件生产率。 目前流行的Fox公司的FoxPro, Uniface公司的Uniface, Powersoft公司的Power Builder, Informix公司的Informix-4GL以及各种扩充版本的SQL等都不同程度地具有上述特征。 3) 实时处理 实时处理软件一般对性能的要求很高， 可选用的语言有： (1) 汇编语言：是面向机器的，它可以完成高级语言无法满足要求的特殊功能，如与外部设备之间的一些接口操作

13、。 (2) Ada语言：是美国国防部出资开发的，主要用于适时、 并发和嵌入系统的语言。Ada语言是在Pascal基础上开发出来的，但其功能更强、更复杂。它提供了一组丰富的实时特性， 包括多任务处理、中断处理、任务间同步与通信等， 它还提供了许多程序包供程序员选择。通过修订，已成为安全、高效和灵活的面向对象的编程语言。5) 人工智能4) 系统软件 如果编写操作系统、编译系统等系统软件时，可选用汇编语言、C语言、Pascal语言和Ada语言。 如果要完成知识库系统、专家系统、决策支持系统、推理工程、语言识别、模式识别、机器人视角及自然语言处理等人工智能领域内的系统， 应选择的语言如下： (1) L

14、isp: 是一种函数型语言，产生于60年代初，它特别适用于组合问题中的符号运算和表处理，因此用于定理证明、树的搜索和其他问题的求解。近年来Lisp广泛应用于专家系统的开发， 对于定义知识库系统中的事实、规则和相应的推理相对要容易一些。 (2) Prolog: 是一种逻辑型语言，产生于70年代初，它提供了支持知识表示的特性，每一个程序由一组表示事实、规则和推理的子句组成， 比较接近于自然语言，符合人的思维方式。 以上讨论的语言，一般适用于相应的应用领域，但要根据具体情况灵活掌握。有的语言功能强，适用的范围较广，但比较庞大。2 软件开发的方法 有时编程语言的选择依赖于开发的方法，如果要用快速原型模

15、型来开发，要求能快速实现原型，因此宜采用4GL。如果是面向对象方法，宜采用面向对象的语言编程。近年来，推出了许多面向对象的语言，这里主要介绍以下几种： (1) C+：是由美国AT&T公司的Bell实验室最先设计和实现的语言，它提供了面向对象类的定义、继承、封装和消息传递等概念实现的手段，又与C语言兼容，保留了C语言的许多特性， 维护了大量已开发的C库、C工具以及C源程序的完整性，使编程人员不必放弃自己熟悉的C语言，只需补充学习C+提供的那些面向对象的概念，因而从C过渡到C+比较容易，加之它的运行性能较高， 成为当今最受欢迎的对象语言之一。 目前， 除了常用的AT&T C+, Turbo C+,

16、 Borland C+及Microsoft C+等版本外，又推出了Microsoft Visual C+, 充分发挥Windows和Web的功能。 (2) Java: 是由Sun公司开发的一种面向对象的、分布式的、 安全的、 高效的及易移植的语言，它的基本功能类似于C+， 但做了重大修改， 不再支持运算符重载、多继承及许多易于混淆和较少使用的特性，增加了内存空间自动垃圾收集的功能， 使程序员不必考虑内存管理问题。Java应用程序可利用语言提供的例程库，能够自由地打开和访问网络上的对象。 3. 软件执行的环境 良好的编程环境不但有效提高软件生产率， 同时能减少错误，有效提高软件质量。近几年推出了许多可视化的软件开发环境， 如Visual BASIC, Visual C, Visual FoxPro及Delphi(面向对象的Pascal)等，都提供了强有力的调试工具， 帮助你快速形成高质量的软件。4. 算法和数据结构的复杂性 科学计算、实时处理和人工智能领域中的问题算法较复杂， 而数据处理、数据库应用和系统软件领域内的问题，数据结构比较复杂，因此选择语言时可考虑是否有完成复杂算法的能力，