1、軟件工程導論 天津市大學軟件園天津市大學軟件園第4章 總體設計 理解總體設計的目的與任務 掌握總體設計的設計原理 掌握總體設計的啟發式規則 熟練掌握結構化設計方法第4章 總體設計 4.1 總體設計的目標及任務 4.2 軟件結構設計原理 4.3 軟件結構設計工具 4.4 軟件結構設計啟發式規則 4.5 結構化設計方法第4章 總體設計 4.1 總體設計的目標及任務 4.2 軟件結構設計原理 4.3 軟件結構設計工具 4.4 軟件結構設計啟發式規則 4.5 結構化設計方法 總體設計：總體設計： 應用各種技術和原理，對設備、過程或系統做應用各種技術和原理，對設備、過程或系統做出足夠詳細的定義，使之能夠

2、在物理上得以實現。出足夠詳細的定義，使之能夠在物理上得以實現。 過程：過程： 將將“做什么做什么”的邏輯模型轉變為的邏輯模型轉變為“怎么做怎么做”的的物理模型，即將前期工程中的軟件需求轉換為軟件物理模型，即將前期工程中的軟件需求轉換為軟件表示的過程。表示的過程。4.1 總體設計的目標及任務 總體設計的基本目的：總體設計的基本目的： 解決“系統應該如何實現”的問題 總體設計的兩個階段：總體設計的兩個階段： 系統設計階段：確定系統的具體實現方案 結構設計階段：確定系統的軟件結構4.1總體設計的目標及任務1 1、設計軟件結構、設計軟件結構（1）通過需求分析階段得到的數據流圖設想各種可能方案。將一個復

3、雜的系統按功能劃分為若干模塊；（2）確定每個模塊的功能；（3）確定模塊之間的調用關系；（4）確定模塊之間的接口，即模塊之間傳遞的消息；（5）評價模塊結構的質量。4.1 總體設計的目標及任務2 2數據結構及數據庫設計數據結構及數據庫設計 數據結構的設計采用逐步細化的方法。在需求分析階段可通過數據字典對數據的組成、操作約束和數據之間的關系等方面進行描述，確定數據的結構特性。在總體設計階段要加以細化，詳細設計階段則規定具體的實現細節。4.1 總體設計的目標及任務3 3確定測試要求并制定測試計劃確定測試要求并制定測試計劃 軟件開發早期階段考慮測試問題，能促使軟件設計人員在設計時注意提高軟件的可測試性。

4、4 4、編寫總體設計文檔、編寫總體設計文檔概要設計說明概要設計說明書書4.1 總體設計的目標及任務5 5、評審、評審 對設計部分是否完整地實現需求中規定的功能、性能等要求，設計方案的可行性、關鍵的處理及內外部接口定義正確性、有效性，及各部分之間的一致性等進行評審。4.1 總體設計的目標及任務第4章 總體設計 4.1 總體設計的目標及任務 4.2 軟件結構設計原理 4.3 軟件結構設計工具 4.4 軟件結構設計啟發式規則 4.5 結構化設計方法4.2 軟件結構設計原理軟件結構設計（結構化方法）：軟件結構設計（結構化方法）： 在系統設計中分析信息流程，繪制數據流程圖； 根據數據的規范，編制數據字典

5、； 根據概念結構的設計，確定數據文件的邏輯結構； 選擇系統執行的結構化語言，以及采用控制結構作為軟件的設計工具。4.2 軟件結構設計原理4.2.1 模塊化“由大化小，各個擊破由大化小，各個擊破” 優點： 提高可靠性、可修改性 錯誤一般出現在模塊或接口中成 本 （ 工 作 量 ）模 塊 數 目軟 件 總 成 本接 口 成 本成 本 / 模 塊4.2 軟件結構設計原理4.2.1 模塊化模塊模塊: : 數據說明、可執行語句等程序對象的集合，或者是單獨命名和編址的元素（如函數、子程序）等。模塊化模塊化: : 解決一個復雜問題時自頂向下逐層把軟件系統劃分成若干模塊的過程。每個模塊完成一個特定的子功能，所

6、有的模塊按某種方法組裝起來，成為一個整體，完成整個系統所要求的功能。4.2 軟件結構設計原理4.2.1 模塊化模塊的基本屬性：模塊的基本屬性： 接口：接口：模塊的輸入與輸出。 功能：功能：模塊實現什么功能。 邏輯：邏輯：描述內部如何實現要求的功能及所需的數據。 狀態：狀態：指該模塊的運行環境，是模塊的調用與被調用的關系。 功能、狀態、接口反映模塊的外部特性，邏輯反映它的內部特性。4.2 軟件結構設計原理4.2.2 抽象 抽出事物本質特性而不考慮細節抽出事物本質特性而不考慮細節軟件設計：從抽象概括到具體實現的過程軟件設計：從抽象概括到具體實現的過程具體具體 抽象抽象 具體具體（系統功能）（系統功

7、能） （建模）（建模） （程序代碼）（程序代碼）問題定義階段問題定義階段： （具體）（具體） 用戶給出對目標系統的實際需求。 系統定義階段：（抽象）系統定義階段：（抽象） 軟件可作為整個計算機系統的一個元素來看待。 軟件需求分析階段：（抽象）軟件需求分析階段：（抽象） 軟件的解決方案是使用問題環境中的術語來描述。 總體設計總體設計詳細設計階段：（抽象詳細設計階段：（抽象具體）具體） 將面向問題的術語與面向實現的術語結合起來來描述解決方法，直到產生源程序時到達最低抽象層次。4.2 軟件結構設計原理4.2 軟件結構設計原理4.2.2 逐步求精為了能集中精力解決主要問題而盡為了能集中精力解決主要問題

8、而盡量推遲對問題細節的考慮。量推遲對問題細節的考慮。MillerMiller法則：法則：一個人在任何時候都只能把注一個人在任何時候都只能把注意力集中在意力集中在(7(72)2)個知識塊上。個知識塊上。4.2 軟件結構設計原理4.2.3 信息隱藏和局部化信息隱藏原理：信息隱藏原理：設計和確定模塊時，使得一個設計和確定模塊時，使得一個模塊內包含的信息對于不需要這些信息的模塊來模塊內包含的信息對于不需要這些信息的模塊來說，是不能訪問的。說，是不能訪問的。局部化：局部化：把一些關系密切的軟件元素物理地放把一些關系密切的軟件元素物理地放得彼此靠近。得彼此靠近。優點優點：防止錯誤的擴大與傳播。防止錯誤的擴

9、大與傳播。4.2 軟件結構設計原理4.2.4 模塊獨立性 模塊獨立是模塊化、抽象、信息隱藏和局部化概念的直接結果。 模塊獨立：模塊獨立：每個模塊完成一個相對獨立的特定子功能，并且和其他模塊之間的關系很簡單。4.2 軟件結構設計原理4.2.4 模塊獨立性良好的模塊獨立性的重要性：良好的模塊獨立性的重要性： 能使開發的軟件具有較高的質量。 設計的模塊可理解性、可維護性及可測試性好，必然導致軟件的可靠性高。 接口簡單、功能獨立的模塊易開發，且可并行工作，有效地提高了軟件的生產率。4.2 軟件結構設計原理4.2.4 模塊獨立性4.2 軟件結構設計原理4.2.4 模塊獨立性4.2 軟件結構設計原理4.2

10、.4 模塊獨立性 4.2 軟件結構設計原理4.2.4 模塊獨立性 4.2 軟件結構設計原理4.2.4 模塊獨立性4.2 軟件結構設計原理4.2.4 模塊獨立性 內聚：內聚：一個模塊內部各個元素彼此結合的緊密程度一個模塊內部各個元素彼此結合的緊密程度的度量。的度量。4.2 軟件結構設計原理4.2.4 模塊獨立性 偶然內聚：偶然內聚：指一個模塊內的各處理元素之間沒有任何聯系。 邏輯內聚：邏輯內聚：指模塊內執行幾個邏輯上相似的功能，通過參數確定該模塊完成哪一個功能。 時間內聚：時間內聚：把需要同時執行的動作組合在一起形成的模塊為時間內聚模塊。時間內聚模塊中的各部分都要在同一時間內完成。 過程內聚：過

11、程內聚：如果一個模塊內部的處理是相關的，而且這些處理必須以特定的次序執行，則稱過程內聚。 4.2 軟件結構設計原理4.2.4 模塊獨立性 通信內聚：通信內聚：指模塊內所有處理元素都在同一個數據結構上操作，或指各處理使用相同的輸入數據或者產生相同的輸出數據。 順序內聚：順序內聚：指一個模塊中各個處理元素都密切相關于同一功能且必須順序執行，前一功能元素的輸出就是下一功能元素的輸入。 功能內聚：功能內聚：最強的內聚形式，指模塊內所有元素共同完成一個功能，缺一不可。模塊不能再分割。4.2 軟件結構設計原理4.2.4 模塊獨立性第4章 總體設計 4.1 總體設計的目標及任務 4.2 軟件結構設計原理 4

12、.3 軟件結構設計工具 4.4 軟件結構設計啟發式規則 4.5 結構化設計方法4.4 軟件結構設計啟發式規則1 1模塊獨立性準則模塊獨立性準則：通過模塊分解或合并，力求做到降低耦合提高內聚，保持模塊相對獨立性。（1）如圖4.13(a)所示，若多個模塊公有的一個子功能（使用陰影部分表示），則可以將這個子功能獨立成一個模塊，由這些模塊調用。4.4 軟件結構設計啟發式規則（2）若有多個功能相關的模塊，如圖4.13(b)所示B、C、D三個模塊耦合度較高，E、F兩個模塊耦合度較高，應考慮對它們進行合并以減少控制信息的傳遞，降低接口的復雜程度。4.4 軟件結構設計啟發式規則2 2模塊的作用域應該在控制域內

13、模塊的作用域應該在控制域內 作用域作用域：指受該模塊內一個判斷影響的所有模塊的集合。控制域控制域：指模塊本身以及其所有直接或者間接從屬于它的模塊集合。4.4 軟件結構設計啟發式規則(a) (b) (c) 圖4.14 模塊的作用域和控制域(a) 差的結構圖 (b) 不理想的結構圖 (c) 理想的結構圖4.4 軟件結構設計啟發式規則改進改進方法：方法：（1）上移判斷點。如圖4.14 (a)所示，將模塊D中的判斷點上移到它的上層模塊B中，或者將整個模塊D合并到模塊B中，使該判斷的層次升高，以擴大它的控制域。（2）下移受判斷影響的模塊。將受判斷影響的模塊下移到判斷所在模塊的控制域內，如圖4.14 (a

14、)所示，將模塊C下移到模塊D的下層。（1）深度指軟件結構中模塊的層次數，它表示控制的層數，一定意義上能粗略地反映系統的規模和復雜程度。 （2）寬度指同一層次中最大的模塊個數，它表示控制的總分布。 （3）扇出指一個模塊直接調用的模塊數目。經驗證明，良好的系統結構平均扇出數一般是3-4，不能超過5-9。 （4）扇入指有多少個上級模塊直接調用它。 4.4 軟件結構設計啟發式規則3 3軟件結構的形態特征準則軟件結構的形態特征準則 （1）深度能粗略地反映系統的規模和復雜程度，寬度也能反映系統的復雜情況。寬度與模塊扇出有關，若一個模塊的扇出太多，說明本模塊過分復雜，缺少中間層。 （2）單一功能模塊的扇入數

15、大比較好，說明本模塊為上層幾個模塊共享的公用模塊，重用率高。 （3）不能把彼此無關的功能湊在一起形成一個通用的超級模塊，雖然它扇入高，但內聚低。因此非單一功能的模塊扇入高時應考慮重新分解，以消除控制耦合的情況。4.4 軟件結構設計啟發式規則4.3 軟件結構設計工具如圖所示，結構圖的深度為5；寬度為8；模塊M的扇出為3；模塊T的扇入為4。4.4 軟件結構設計啟發式規則4 4模塊大小準則模塊大小準則 在考慮模塊的獨立性時，為了增加可理解性，模塊的大小最好在50-150條語句左右，可以用1-2頁紙打印，便于人們閱讀與研究。5 5模塊的接口準則模塊的接口準則（1）模塊接口設計要簡單，以降低復雜程度和冗

16、余度。 （2）設計功能可預測并能得到驗證的模塊。 （3）適當劃分模塊規模，以保持其獨立性。第4章 總體設計 4.1 總體設計的目標及任務 4.2 軟件結構設計原理 4.3 軟件結構設計工具 4.4 軟件結構設計啟發式規則 4.5 結構化設計方法4.3.14.3.1層次圖層次圖4.3 軟件結構設計工具 左圖中，左圖中， 矩形框矩形框：模塊：模塊 連線連線：調用關系：調用關系層次圖：適于在自頂向下設計軟件的過程中使用。層次圖：適于在自頂向下設計軟件的過程中使用。4.3.2 HIPO4.3.2 HIPO圖圖=H=H圖圖+ +每個模塊的每個模塊的IPOIPO圖圖（H H圖：帶編號的層次圖）圖：帶編號的

17、層次圖）4.3 軟件結構設計工具Note: 和和H圖中每個圖中每個方框相對應，應都有方框相對應，應都有一張一張IPO圖來描繪其圖來描繪其代表的模塊處理過程代表的模塊處理過程。4.3 軟件結構設計工具4.3.3 4.3.3 軟件結構圖軟件結構圖主要內容：主要內容： 模塊方框表示 模塊的調用關系單向箭頭或直線 模塊間的信息傳遞帶注釋的短箭頭 選擇調用菱形 循環調用弧形箭頭4.3 軟件結構設計工具4.3 軟件結構設計工具畫結構圖應注意的事項畫結構圖應注意的事項 ： （1）同一名字的模塊在結構圖中僅出現一次。 （2）調用關系只能從上到下。 （3）不嚴格規定模塊的調用次序，習慣上從左到右。有時為了減少連

18、線的交叉，可適當地調整同一層模塊的左右位置，以保持結構圖的清晰性。 4.5 結構化設計方法 結構化設計方法結構化設計方法（簡稱SD方法），就是基基于數據流于數據流的設計方法。 基于數據流的設計方法 ：將數據流圖數據流圖變換變換成成軟件結構軟件結構。 面向數據流的設計方法定義了一些不同的“映射映射”，利用這些映射可以把數據流圖變換成軟件結構。因為任何軟件系統都可以用數據流圖表示，所以面向數據流的設計方法理論上可以用來設計任何軟件的結構。4.5.1 數據流圖的類型1. 變換型數據流圖變換型數據流圖 變換型的數據流圖是由輸入、變換（或稱處理）和輸出三部分組成 。虛線為標出的流界。變換型數據處理變換型

19、數據處理的工作過程一般分為取得數據、變換數據和輸出數據。的工作過程一般分為取得數據、變換數據和輸出數據。這三步體現了變換型數據流圖的基本思想基本思想。 邏輯輸入變換是系統的主加工，在輸入端傳遞給變換中心中第一個變換的數據流稱為系統輸入端的邏輯輸入，經過變換中心的最后一個變換得到的數據流稱為輸出端的邏輯輸出。直接從外部設備輸入的數據稱為物理輸入，反之稱為物理輸出。外部的輸入數據一般要經過輸入正確性和合理性檢查、編輯及格式轉換等預處理，這部分工作都由邏輯輸入部分完成，它將外部形式的數據變成內部形式，送給變換中心。邏輯輸出部分把主變換產生的數據的內部形式轉換成外部形式然后物理輸出。因此，變換型的數據

20、流圖是一個順序結構。 4.5.1 數據流圖的類型2 2事務事務型數據流圖型數據流圖 若某個變換將它的輸入流分離成許多發散的數據流，形成許多平行的變換路徑，并根據輸入的值選擇其中一個路徑來執行，這種特征的數據流圖則稱為事務型數據流圖，這個變換稱為事務處理中心。4.5.1 數據流圖的類型1復查并精化數據流圖復查并精化數據流圖2確定數據流圖類型確定數據流圖類型一般情況下，系統中的所有信息流都可以認為是變換流。但是，當遇到有明顯事務特性的信息流時，建議采用事務型分析方法進行設計。設計人員應該根據數據流圖中占優勢的屬性，確定數據流的全局特性。此外還應該把具有和全局特性不同的特點的局部區域孤立出來，以后可

21、以按照這些子數據流的特點來精化根據全局特點得出的軟件結構。4.5.2 結構化設計方法過程3確定數據流的邊界確定數據流的邊界 對于變換流，分析確定輸入流和輸出流的邊界，從而孤立出變換中心；對于事務流，分析確定輸入流的邊界，從而孤立出事務中心。4完成完成“第一級分解第一級分解” 軟件結構代表對控制的自頂向下的分配，所謂分解就是分配控制的過程，而“第一級分解”就是分配頂層控制。4.5.2 結構化設計方法過程4.5.2 結構化設計方法過程（1）對于變換流，）對于變換流，位于軟件結構最頂層的控制模塊協調下述3個從屬模塊的控制功能： 輸入信息處理控制模塊：協調輸入信息的產生過程； 變換中心控制模塊：管理對

22、內部形式的數據的所有操作； 輸出信息處理控制模塊：協調輸出信息的產生過程。（2）對于事務流，）對于事務流，位于軟件結構最頂層的總控制模塊管理下屬的接收分支和發送分支的工作。接收分支由輸入流映射而成；發送分支的頂層是一個調度模塊，它根據輸入數據的類型調用相應的活動分支。4.5.2 結構化設計方法過程5完成完成“第二級分解第二級分解” 所謂“第二級分解”就是把數據流圖中的每個處理映射成軟件結構中一個適當的模塊。6優化優化 對于第一次分割得到的軟件結構，為了產生合理的分解，得到盡可能高的內聚，盡可能松散的耦合，總可以根據模塊獨立原理和啟發式設計規則進行優化。最重要的是為了得到一個易于實現、易于測試和

23、易于維護的軟件結構，應該對初步分割得到的模塊進行再分解或合并。4.5.3 變換型分析設計1. 1. 確定確定DFDDFD中的變換中心、邏輯輸入和邏輯輸出中的變換中心、邏輯輸入和邏輯輸出（1）邏輯輸入端的確定：）邏輯輸入端的確定：從物理輸入端開始，沿著數據流方向向系統中心尋找，直到有這樣的數據流，它不能再被看作是系統的輸入，則它的前一個數據流就是系統的邏輯輸入。（2）邏輯輸出端的確定：）邏輯輸出端的確定：從物理輸出端開始，逆數據流方向向中間移動，可以確定系統的邏輯輸出。介于邏輯輸入和邏輯輸出之間的加工就是變換中心。用虛線劃分出流界，DFD的三部分就可以被確定了。4.5.3 變換型分析設計2. 2

24、. 設計軟件結構的頂層和第一層設計軟件結構的頂層和第一層變換結構變換結構主模塊確定之后，開始設計軟件結構的第一層。第一層至少要有輸入、輸出和變換三種功能的模塊。為每個邏輯輸入設計一個輸入模塊，其功能為向頂層為每個邏輯輸入設計一個輸入模塊，其功能為向頂層模塊提供相應的數據模塊提供相應的數據 。為每個邏輯輸出設計一個輸出模塊，其功能為輸出頂為每個邏輯輸出設計一個輸出模塊，其功能為輸出頂層模塊的信息層模塊的信息 。為變換中心設計一個變換模塊，它的功能是將邏輯輸為變換中心設計一個變換模塊，它的功能是將邏輯輸入進行變換加工，然后邏輯輸出。入進行變換加工，然后邏輯輸出。f3f7f7f3主模塊主模塊get

25、f3將將f3變換成變換成f7put f74.5.3 變換型分析設計從上圖導出的初始結構圖從上圖導出的初始結構圖f2f3f8f7f5f6f4輸入輸入f1ABEDCF變換中心變換中心輸出輸出4.5.3 變換型分析設計3. 3. 設計中、下層模塊設計中、下層模塊(1) 輸入模塊的下屬模塊的設計：輸入模塊的功能是向它的調用模塊提供數據，所以必須要有數據來源。這樣輸輸入模塊應由接收數據和轉換成調用模塊所需的信息兩部入模塊應由接收數據和轉換成調用模塊所需的信息兩部分組成分組成。(2) 輸出模塊的下屬模塊的設計：輸出模塊的功能是將它的調用模塊產生的結果送出。它由將數據轉換成下屬將數據轉換成下屬模塊所需的形式

26、和發送數據兩部分組成模塊所需的形式和發送數據兩部分組成。 (3) 變換模塊的下屬模塊的設計：根據DFD中變換中心的組成情況，按照模塊獨立性的原則來組織其結構，一般對DFD中每個基本加工建立一個功能模塊每個基本加工建立一個功能模塊。 4.5.3 變換型分析設計4.5.3 變換型分析設計4設計的優化 根據設計準則對初始結構進行精細和改進，以下為常用的求精方法。(1) 輸入部分的求精：對每個物理輸入設置專門模塊，以體現系統的外部接口；其他輸入模塊并非真正輸入，當它與轉換數據的模塊都很簡單時，可將它們合并成一個模塊。 (2) 輸出部分的求精：為每個物理輸出設置專門模塊，同時注意把相同或類似的物理輸出模

27、塊合并在一起，以減低耦合度。(3) 變換部分的求精：根據設計準則，對模塊進行合并或調整。4.5.4 事務型分析設計1 1確定確定DFDDFD中的事務中心和加工路徑中的事務中心和加工路徑 當DFD中的某個加工明顯地將一個輸入數據流分解成多個發散的輸出數據流時， 該加工就是事務中心。從事務中心輻射出去的數據流則為各個加工路徑。 2 2設計軟件結構的頂層和第一層設計軟件結構的頂層和第一層事務結構事務結構 設計一個頂層模塊，它是一個主模塊，有兩個功能，一是接收數據，二是根據事務類型調度相應的處理模塊。事務型軟件結構應包括接收分支和發送分支接收分支和發送分支兩部分。 （1）接收分支：負責接收數據，它的設

28、計與變換型DFD的輸入部分設計方法相同。 （2）發送分支：通常包含一個調度模塊，它控制管理所有下層的事務處理模塊。當事務類型不多時，調度模塊可與主模塊合并。4.5.4 事務型分析設計3.設計事務結構的中下層設計事務結構的中下層 為每一種事務處理設計一個事務處理模塊。 為事務處理設計操作模塊。 為操作模塊設計細節模塊。 某些操作模塊和細節模塊可以被它們的調用模塊共享。4.4.對初始的事務結構優化工作同變換結構。對初始的事務結構優化工作同變換結構。4.5.4 事務型分析設計4.5.4 事務型分析設計4.5.5 綜合型數據流圖 一個大型系統DFD中，既有變換流，又有事務流，屬于綜合的數據流圖。1確定確定DFD整體上的類型整體上的類型 事務型通常用于對高