软件工程基础

1 软件工程基本概念

计算机软件是包括程序、数据及相关文档的完整集合。

软件的特点包括：

（1）软件是一种逻辑实体，具有抽象性；
（2）软件的生产与硬件不同，它没有明显的制作过程；
（3）软件在运行、使用期间不存在磨损、老化问题；
（4）软件的开发、运行对计算机系统具有依赖性，受计算机系统的限制，这导致了软件移植的问题；
（5）软件复杂性高，成本昂贵；
（6）软件开发涉及诸多的社会因素。

软件按功能分为应用软件、系统软件、支撑软件(或工具软件)。

软件危机主要表现在成本、质量、生产率等问题。

软件工程是应用于计算机软件的定义、开发和维护的一整套方法、工具、文档、实践标准和工序。简单的说就是使软件走向工程化。软件工程的核心思想是把软件产品看作是一个工程产品来处理。

软件工程包括3个要素：方法、工具和过程。

软件工程过程是把软件转化为输出的一组彼此相关的资源活动，包含4种基本活动：

（1）P(plan)——软件规格说明；

（2）D(do)——软件开发；

（3）C(check)——软件确认；

（4）A(action)——软件演进。

软件生命周期：软件产品从提出、实现、使用维护到停止使用退役的过程。

软件生命周期分三个阶段：软件定义、软件开发、运行维护，

主要活动阶段是：

（1）可行性研究与计划制定；
（2）需求分析；
（3）软件设计（概要设计和详细设计）；
（4）软件实现；
（5）软件测试；
（6）运行和维护。

软件工程的目标：在给定成本、进度的前提下，开发出具有有效性、可靠性、可理解性、可维护性、可重用性、可适应性、可移植性、可追踪性和可互操作性且满足用户需求的产品。

基本目标：付出较低的开发成本；达到要求的软件功能；取得较好的软件性能；开发软件易于移植；需要较低的费用；能按时完成开发，及时交付使用。

软件工程的理论和技术性研究的内容主要包括：软件开发技术和软件工程管理。

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软件开发技术包括：软件开发方法学、开发过程、开发工具和软件工程环境。

软件开发环境或软件工程环境是指全面支持软件开发全过程的软件工具的集合。

软件工程管理包括：软件管理学、软件工程经济学、软件心理学等内容。

软件管理学包括人员组织、进度安排、质量保证、配置管理、项目计划等。

软件工程基本原则：抽象、信息隐蔽、模块化、局部化、确定性、一致性、完备性和可验证性。

2 结构化分析方法

结构化方法的核心和基础是结构化程序设计理论。

软件定义阶段中，可行性研究与计划的制定是确定待开发目标和总的要求，给出它的功能、性能、可靠性以及接口等方面的可能方案，制定完成开发的实施计划。需求分析，对待开发软件提出的需求分析并给出详细的定义。

需求分析阶段的工作：需求获取，需求分析，编写需求规格说明书，需求评审。

需求分析方法有：

（1）      结构化需求分析方法；

①面向数据结构的Jackson方法（ISD）；

②面向数据流的结构化分析方法（SA）；

③面向数据结构的结构化数据系统开发方法（DSSD）；

（2）面向对象的分析的方法（OOA）。

从需求分析建立的模型的特性来分：静态分析和动态分析。

结构化分析方法的实质：着眼于数据流，自顶向下，逐层分解，建立系统的处理流程，以数据流图和数据字典为主要工具，建立系统的逻辑模型。

结构化分析的常用工具：数据流图；数据字典；判定树；判定表。

（1）数据流图（DFD图）：描述数据处理过程的工具，是需求理解的逻辑模型的图形表示，它直接支持系统功能建模。

①加工（转换）——圆框，输入数据经加工变换产生的输出。

②数据流——箭头，沿箭头方向传递数据的通道，一般在旁边标注数据流名。

③存储文件（数据源）——双横线，表示处理过程中存放各种数据的文件。

④源、潭——方框，表示系统和环境的接口，属系统之外的实体。

（2）数据字典：对所有与系统相关的数据元素的一个有组织的列表，以及精确的、严格的定义，使得用户和系统分析员对于输入、输出、存储成分和中间计算结果有共同的理解。

数据字典是结构化分析的核心。

（3）判定树：从问题定义的文字描述中分清哪些是判定的条件，哪些是判定的结论，根据描述材料中的连接词找出判定条件之间的从属关系、并列关系、选择关系，根据它们构造判定树。

（4）判定表：与判定树相似，当数据流图中的加工要依赖于多个逻辑条件的取值，即完成该加工的一组动作是由于某一组条件取值的组合而引发的，使用判定表描述比较适宜。

软件需求规格说明书的特点：①正确性； ②无岐义性； ③完整性； ④可验证性；

⑤一致性； ⑥可理解性； ⑦可修改性； ⑧可追踪性。

3 结构化设计方法

软件设计是确定系统的物理模型。

软件设计是开发阶段最重要的步骤，是将需求准确地转化为完整的软件产品或系统的唯一途径。系统设计人员和程序设计人员应该在反复理解软件需求的基础上，给出软件结构、模块的划分、功能的分配以及处理流程。

软件设计的基本目标是用比较抽象概括的方式确定目标系统如何完成预定的任务。

从技术观点来看，软件设计包括软件结构设计、数据设计、接口设计、过程设计。

①结构设计：定义软件系统各主要部件之间的关系。

②数据设计：将分析时创建的模型转化为数据结构的定义。

③接口设计：描述软件内部、软件和协作系统之间以及软件与人之间如何通信。

④过程设计：把系统结构部件转换成软件的过程描述。

从工程管理角度来看，软件设计分两步：概要设计和详细设计。

软件设计的一般过程：软件设计是一个迭代的过程；先进行高层次的结构设计；后进行低层次的过程设计；穿插进行数据设计和接口设计。

软件设计的基本原理是：（1）抽象； （2）模块化； （3）信息隐蔽； （4）模块独立性。

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衡量软件模块独立性使用耦合性和内聚性两个定性的度量标准。

耦合性是模块见相互连接的紧密程度的度量。耦合程度取决于各个模块之间接口的复杂程度、调用方式以及哪些信息通过接口。

内聚性是一个模块内部各个元素间彼此结合的紧密程度的度量。

在程序结构中各模块的内聚性越强，则耦合性越弱。优秀软件应高内聚，低耦合，有利于提高模块的独立性。

软件概要设计的基本任务是：

（1）设计软件系统结构；（2）数据结构及数据库设计；（3）编写概要设计文档；（4）概要设计文档评审。

在结构图中，模块用一个矩形表示，箭头表示模块间的调用关系。

可以用带注释的箭头表示模块调用过程中来回传递的信息。

还可用带实心圆的箭头表示传递的是控制信息，空心圆箭心表示传递的是数据。

结构图的基本形式：基本形式、顺序形式、重复形式、选择形式。

结构图有四种模块类型：传入模块、传出模块、变换模块和协调模块。

典型的数据流类型有两种：变换型和事务型。

变换型系统结构图由输入、中心变换、输出三部分组成。

事务型数据流的特点是：接受一项事务，根据事务处理的特点和性质，选择分派一个适当的处理单元，然后给出结果。

详细设计：是为软件结构图中的每一个模块确定实现算法和局部数据结构，用某种选定的表达工具表示算法和数据结构的细节。

常见的过程设计工具有：

图形工具（程序流程图(PFD)、N-S图、 PAD图、），表格工具（判定表），语言工具（PDL）。

程序流程图中：箭头为控制流、方框为加工步骤、菱形为逻辑条件。

4 软件测试

软件测试定义：使用人工或自动手段来运行或测定某个系统的过程，其目的在于检验它是否满足规定的需求或是弄清预期结果与实际结果之间的差别。

软件测试的目的：发现错误而执行程序的过程。

软件测试方法：静态测试和动态测试。

静态测试包括代码检查、静态结构分析、代码质量度量。不实际运行软件，主要通过人工进行。

动态测试：是基本计算机的测试，主要包括白盒测试方法和黑盒测试方法。

白盒测试：也称结构测试或逻辑测试。在程序内部进行，主要用于完成软件内部操作的验证。白盒测试主要考虑内部的逻辑结构。主要方法有逻辑覆盖、基本路径测试。

黑盒测试：也称功能测试或数据驱动测试。是在软件接口处进行，完成功能验证。黑盒测试完全不考虑程序内部的逻辑结构和内部特性，只依据程序的需求和功能规格说明，检查程序的功能是否符合它的设计要求。主要诊断功能不对或遗漏、界面错误、数据结构或外部数据库访问错误、性能错误、初始化和终止条件错，用于软件确认测试。主要方法有等价类划分法、边界值分析法、错误推测法、因果图等。

驱动测试相当于被测模块的主程序，它接收测试数据，并传给被测模块，输出实际测试结果。

软件测试过程一般按4个步骤进行：

单元测试、集成测试、验收测试（确认测试）和系统测试。

单元测试是对模块（程序单元）进行，静态动态均有，动态时以白盒为主辅之以黑盒。

集成测试是测试、组装软件。

确认测试的任务是验证软件的功能和性能及其他特性是否满足了需求规格说明中的各项需求以及软件配置是否完全正确，先用黑盒。

5 程序的调试

程序调试的任务是诊断和改正程序中的错误，主要在开发阶段进行。

程序调试的基本步骤：

（1）错误定位；
（2）修改设计和代码，以排除错误；
（3）进行回归测试，防止引进新的错误。

软件调试可分为静态调试和动态调试。静态调试主要是指通过人的思维来分析源程序代码和排错，是主要的设计手段，而动态调试是辅助静态调试。

主要调试方法有：

（1）强行排错法；　
（2）回溯法；　
（3）原因排除法。