第1章 軟件工程和軟件設(shè)計

1.內(nèi)容提要1.1 軟件1.1.1 軟件的本質(zhì) 1.1.2 軟件神話 61.2 軟件工程 1.2.1 軟件工程 1.2.2 軟件過程和軟件工程實踐 1.2.3 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境帶來的影響 1.3 軟件設(shè)計 1.3.1 軟件工程中的設(shè)計 1.3.2 設(shè)計過程和設(shè)計質(zhì)量1.3.3 軟件設(shè)計原則1.4 軟件體系結(jié)構(gòu)1.4.1 什么是軟件體系結(jié)構(gòu)1.4.2 軟件體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容1.4.3 設(shè)計階段的軟件體系結(jié)構(gòu)1.5 小結(jié)

2.1.1 軟件1.1.1 軟件的本質(zhì)計算機(jī)軟件，是由專業(yè)人員開發(fā)并長期維護(hù)的軟件產(chǎn)品。軟件科學(xué)成為了今天商業(yè)、科學(xué)、工程必需的技術(shù)，促進(jìn)了新科技的創(chuàng)新和發(fā)展但是，無論國外、國內(nèi)，軟件危機(jī)的達(dá)摩克利斯之劍，一直高懸在軟件從業(yè)者頭頂，至今揮之不去。3.軟件與信息轉(zhuǎn)換軟件不是有形的物理產(chǎn)品，而是人類思維的產(chǎn)物，軟件不是被制造出來，而是思考出來的。

4.軟件的特性軟件是設(shè)計開發(fā)的，而不是傳統(tǒng)意義上生產(chǎn)制造的軟件不會磨損!隨著基于構(gòu)件的構(gòu)造模式發(fā)展，大多數(shù)軟件需要根據(jù)實際的顧客需求定制5.硬件和軟件的失效曲線軟件，不會受引起硬件磨損的環(huán)境問題的影響。6.計算機(jī)軟件分類系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件嵌入式軟件科學(xué)和工程計算軟件產(chǎn)品線軟件人工智能軟件網(wǎng)絡(luò)化軟件計算機(jī)軟件分為七個大類，軟件工程師正面臨著持續(xù)挑戰(zhàn)。7.新的挑戰(zhàn)開放計算網(wǎng)絡(luò)資源開源軟件所有這些新的挑戰(zhàn)，毫無疑問，將對商務(wù)人員、軟件工程師、最終用戶產(chǎn)生無法預(yù)測的結(jié)果。8.軟件的演變和認(rèn)識過程9.程序設(shè)計語言的發(fā)展有三個層面以標(biāo)準(zhǔn)C語言簇為典型代表的面向過程的軟件設(shè)計方法以JAVA語言簇為典型代表的面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計方法以XML語言為典型代表的面向構(gòu)件的軟件設(shè)計方法10.人月神話《人月神話》的內(nèi)容，源于作者布魯克斯在IBM公司SYSTEM/360家族（最長壽的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)之一）和OS/360中的項目管理經(jīng)驗。11.1.2 軟件工程1.2.1 軟件工程美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）給出的：軟件工程是：（1）將系統(tǒng)化的、規(guī)范的、可量化的方法應(yīng)用于軟件的開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)，即將工程化方法應(yīng)用于軟件。（2）在（1）中所述方法的研究。12.軟件工程層次圖包括軟件工程在內(nèi)的任何工程方法，必須構(gòu)建在質(zhì)量的基礎(chǔ)之上。質(zhì)量關(guān)注點(diǎn)（qualityfocus）過程（process）方法（method）工具（tool）軟件工程是一種層次化的技術(shù)!13.軟件工程與計算機(jī)科學(xué)的差別軟件工程計算機(jī)科學(xué)目標(biāo)在時間、資源、人員這3個主要限制條件下構(gòu)建滿足用戶需求的軟件系統(tǒng)探索正確的計算和建模方法，從而改進(jìn)計算方法本身產(chǎn)品軟件（比如辦公包和編譯器）算法（比如希爾排序法）和抽象的問題（比如哲學(xué)家進(jìn)餐問題）進(jìn)度與時間表軟件專案都有特定的進(jìn)度與時間表研究專案一般不具有設(shè)置的進(jìn)度與時間表關(guān)注點(diǎn)軟件工程關(guān)注如何為用戶實現(xiàn)價值軟件理論關(guān)注的是軟件本身運(yùn)行的原理，比如時間復(fù)雜度，空間復(fù)雜度，和算法的正確性變化程度隨著技術(shù)和用戶需求的不斷變化，軟件開發(fā)人員必須時刻調(diào)整自己的開發(fā)以適應(yīng)當(dāng)前的需求。同時軟件工程本身也處于不斷的發(fā)展中對于某一種特定問題的正確解決方法將永遠(yuǎn)不會改變需要的其他知識相關(guān)領(lǐng)域的知識數(shù)學(xué)著名的探索者和教育家BarryBoehm，DavidParnas，布魯克斯EdsgerDijkstra，高德納，RobertTarjan，PeterSlater，艾倫·圖靈，姚期智著名的實踐者JohnBackus，DanBricklin，蒂姆·伯納斯-李林納斯·托瓦茲，理查德·馬修·斯托曼無14.1.2.2 軟件過程和軟件工程實踐一個通用的軟件工程過程框架，通常包含5個活動：溝通：在技術(shù)工作開始之前，和客戶的溝通、協(xié)作極其重要目的是理解利益相關(guān)者的項目目標(biāo)，并收集需求，以定義軟件特性、功能。策劃：軟件項目好比是一個復(fù)雜的旅程，策劃活動，就是創(chuàng)建一個使任何復(fù)雜的旅程都變得簡單的地圖，以指導(dǎo)團(tuán)隊的項目旅程，該地圖稱為軟件。建模：無論是庭園設(shè)計家、橋梁建造者、航空工程師、木匠還是建筑師，每天的工作都離不開模型。他們會畫一張草圖，來輔助理解整個項目大的構(gòu)想，包括體系結(jié)構(gòu)、不同的構(gòu)件如何結(jié)合，以及其它特征。構(gòu)建：包括手寫的、自動生成的編碼和測試，以發(fā)現(xiàn)編碼中的錯誤。部署：軟件以全部、部分增量的形式交付給用戶，用戶對其進(jìn)行評測，并給出反饋意見。15.7條簡單的原則存在價值：軟件系統(tǒng)因能給用戶提供價值，而具有存在價值。所有的決定，都應(yīng)基于該思想。保持簡潔：軟件設(shè)計并不是隨意的過程，軟件設(shè)計中需要考慮很多因素。所有的設(shè)計，都應(yīng)該盡可能簡潔，保持愿景：清晰的愿景，是軟件項目成功的基礎(chǔ)。沒有愿景，項目將會有多種設(shè)計思想而永遠(yuǎn)不能結(jié)束。如果缺乏一致性，關(guān)注使用者：有產(chǎn)業(yè)實力的軟件系統(tǒng)，不是在真空中開發(fā)、使用的。通常，軟件系統(tǒng)必定是由開發(fā)者以外的人員使用、維護(hù)和編制文檔，等等，這就必須要讓別人理解你的系統(tǒng)。因此，在需求說明、設(shè)計和實現(xiàn)過程時面向未來：生命期持久的系統(tǒng)，具有更高的價值。在現(xiàn)在的計算環(huán)境中，需求規(guī)格說明隨時會變計劃復(fù)用：復(fù)用既省時又省力。軟件系統(tǒng)開發(fā)過程中，高水平的復(fù)用，是一個很難實現(xiàn)的目標(biāo)。面向?qū)ο蠹夹g(shù)會給代碼和設(shè)計復(fù)用帶來好處認(rèn)真思考：這最后一條規(guī)則，可能最容易忽略。行動之前，清晰定位、完整思考，通常能產(chǎn)生更好的結(jié)果。仔細(xì)思考，可以提高做好事情的可能性16.10個重要的軟件工程思想17.1.2.3 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境帶來的影響美國南加州大學(xué)的巴里·貝姆（BarryBoehm）教授，總結(jié)了國際上軟件工程的發(fā)展歷程：20世紀(jì)50年代的類似硬件工程60年代的軟件手工生產(chǎn)、70年代的形式化方法和瀑布模型80年代的軟件生產(chǎn)率和可擴(kuò)展性90年代的軟件并發(fā)和順序進(jìn)程21世紀(jì)初的軟件敏捷性和價值18.軟件工程在40年發(fā)展歷程中關(guān)注域轉(zhuǎn)向需求40年來，軟件工程的發(fā)展都是以系統(tǒng)為中心的，基于圖靈計算模式，圖靈計算時代，計算機(jī)軟件是與計算機(jī)系統(tǒng)操作有關(guān)的程序、規(guī)程、規(guī)則及如何與之有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和文檔，即：軟件=程序+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+文檔隨著一個劃時代的轉(zhuǎn)變，人們開始推崇“軟件即服務(wù)”的思想。那么，計算機(jī)軟件是與滿足需求的信息及與之有關(guān)的服務(wù)工具，即：軟件=滿足需求的信息+服務(wù)工具Google的成功，就是一個現(xiàn)實的例子。19.傳統(tǒng)的與互聯(lián)網(wǎng)時代的軟件工程觀比較傳統(tǒng)軟件工程觀互聯(lián)網(wǎng)時代軟件工程觀基礎(chǔ)理論基于系統(tǒng)，以中央處理器為核心；基于圖靈計算理論和馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。基于網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)是圖靈機(jī)或智能體等主體對象，主體間相互作用；網(wǎng)絡(luò)化軟件具有小世界、無標(biāo)度和高集聚的特性，研究網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)行為。研究方法操作系統(tǒng)屏蔽硬件的異構(gòu)性，中間件屏蔽操作系統(tǒng)的異構(gòu)性；用層次結(jié)構(gòu)描述軟件單元間的相互關(guān)系；自頂向下分解、逐步求精的開發(fā)；軟件生命周期、軟件評測和軟件成熟度。網(wǎng)絡(luò)成為一個虛擬資源環(huán)境；重視在不同時間段、不同軟件規(guī)模上的軟件間的相互關(guān)系和協(xié)同；軟件按偏好依附生長，逐步演化。工程方法軟件業(yè)是制造業(yè)；面向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；要求用戶提供確定的需求、明確的系統(tǒng)邊界。軟件即服務(wù)，軟件業(yè)是服務(wù)業(yè)；面向服務(wù)的架構(gòu)；用戶主導(dǎo)，隨需即取，規(guī)模定制，敏捷開發(fā)。20.1.3 軟件設(shè)計朗曼字典里，對“設(shè)計”的解釋包括：描述某個事物如何被制造出來的圖樣或模式。形成上述圖樣或模式的藝術(shù)。對人造產(chǎn)品中組成部分的一種安排，將對產(chǎn)品在實踐中的可用性具有影響。人的頭腦中的一種規(guī)則，等等。由上述定義可見，設(shè)計是一種“圖樣、模式或規(guī)劃”，其目標(biāo)，就是要描述一個產(chǎn)品如何被制造出來。因此，軟件設(shè)計可以被看作是“對軟件將如何開發(fā)出來的一種描述”。如果把設(shè)計當(dāng)作一個動詞，那么軟件設(shè)計就是“得到這種描述的活動或過程”。21.1.3.1 軟件工程中的設(shè)計分析模型數(shù)據(jù)/類設(shè)計體系結(jié)構(gòu)設(shè)計接口設(shè)計構(gòu)件級設(shè)計對軟件需求進(jìn)行分析和建模開始后，軟件設(shè)計是建模活動的最后一個軟件工程活動，接著便要進(jìn)入構(gòu)造階段，并生成代碼和測試。22.1.3.2 設(shè)計過程和設(shè)計質(zhì)量在整個設(shè)計過程中，要使用一系列正式技術(shù)評審或設(shè)計走查，來評估設(shè)計演化的質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)如下：設(shè)計必須實現(xiàn)所有分析模型中的明確需求，而且滿足客戶期望的所有隱性需求。對于生成代碼的人、進(jìn)行測試的人、維護(hù)軟件的人，設(shè)計必須是可讀的、可理解的指南。設(shè)計必須提供軟件的全貌，并從實現(xiàn)的角度說明數(shù)據(jù)域、功能域、行為域。23.1.3.3 軟件設(shè)計原則抽象體系結(jié)構(gòu)模式模塊化信息隱蔽功能獨(dú)立求精重構(gòu)設(shè)計類24.模塊化和軟件成本模塊化時，位置需要保持在M附近，來避免過少、過多的模塊化。至于如何知道M的附近位置？如何將軟件劃分成模塊？則需要理解后面的設(shè)計概念。25.1.4 軟件體系結(jié)構(gòu)1.4.1 什么是軟件體系結(jié)構(gòu)牛津字典中，“體系結(jié)構(gòu)”一詞定義為：建筑的藝術(shù)或科學(xué)，特別是在考慮美感和實用因素的情況下，設(shè)計人類使用的大型建筑物所需的技巧和實際。建筑風(fēng)格，建筑物，組織機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的一種樣式、規(guī)矩或風(fēng)格。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的軟件工程研究所在網(wǎng)站上公開征集軟件體系結(jié)構(gòu)的定義，至今已有百余種。其中，較有影響力的定義包括：軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包含軟件元素、軟件元素外部可見的屬性以及這些軟件元素之間的關(guān)系；軟件系統(tǒng)的基本組織，包含構(gòu)件、構(gòu)件之間、構(gòu)件與環(huán)境之間的關(guān)系，以及相關(guān)的設(shè)計與演化原則等。26.狗窩、房子和高樓開發(fā)一個具有一定規(guī)模和復(fù)雜性的軟件系統(tǒng)和編寫一個簡單的程序，是不一樣的，借用《設(shè)計模式》的作者G.Booch的比喻，其中的區(qū)別如同建造一座大廈和搭建一個狗窩的差別。27.房子的建模建筑師準(zhǔn)備建筑最初的草圖，展示外觀和內(nèi)部布局，與客戶討論這些草圖，直至所有相關(guān)方都達(dá)成一致意見，認(rèn)為展示的就是想要的。28.建筑師的角色和溝通依據(jù)建筑師也充當(dāng)建造者和客戶之間的協(xié)調(diào)人!29.體系結(jié)構(gòu)的需要：溫切斯特神秘屋這個大廈沒有制作過建筑藍(lán)圖!30.軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展史2001年到2012年間的重要方法、語言、論文、數(shù)據(jù)和會議31.軟件生命周期中軟件體系結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用需求面向軟件體系結(jié)構(gòu)的需求工程，從需求到軟件體系結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換設(shè)計軟件體系結(jié)構(gòu)的描述，設(shè)計方法，以及設(shè)計經(jīng)驗的記錄和重用實踐支持軟件體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)過程，從設(shè)計模型到系統(tǒng)實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換；基于軟件體系結(jié)構(gòu)的測試部署基于軟件體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用部署開發(fā)后動態(tài)軟件體系結(jié)構(gòu)，軟件體系結(jié)構(gòu)恢復(fù)和重建整個軟件生命周期中，各階段軟件體系結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)32.1.4.2 軟件體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容下面將當(dāng)前軟件體系結(jié)構(gòu)分為4個研究領(lǐng)域：（1）通過提供一種新的體系結(jié)構(gòu)描述語言（ArchitecturalDescriptionLanguage，ADL）解決體系結(jié)構(gòu)描述問題。這種語言的目標(biāo)，是給實踐者提供設(shè)計體系結(jié)構(gòu)更好的方法，以便設(shè)計人員相互交流，并可以使用支持體系結(jié)構(gòu)描述語言的工具來分析案例。（2）體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域知識的總結(jié)性研究。這一領(lǐng)域關(guān)心的，是工程師通過軟件實踐，總結(jié)各種體系結(jié)構(gòu)原則和模式的分類和闡釋。（3）針對特定領(lǐng)域的框架的研究。這類研究產(chǎn)生了針對一類特殊軟件的體系結(jié)構(gòu)框架，比如，航空電子控制系統(tǒng)、移動機(jī)器人、用戶界面。這類研究一旦成功，這樣的框架便可以被毫不費(fèi)力實例化來生產(chǎn)這一領(lǐng)域新的產(chǎn)品。（4）軟件體系結(jié)構(gòu)形式化支持的研究。隨著新的符號的產(chǎn)生，以及人們對體系結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐的理解逐步深入，需要用一種嚴(yán)格的形式化方法刻畫軟件體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)性質(zhì)。33.創(chuàng)建軟件體系結(jié)構(gòu)典型的利益相關(guān)人及其關(guān)注點(diǎn)包括：投資人：想知道項目是否能夠在給定的資源和進(jìn)度約束下完成。架構(gòu)師、開發(fā)人員、測試人員：首先考慮的是，最初的構(gòu)建和以后的維護(hù)與演進(jìn)。項目經(jīng)理：需要組織團(tuán)隊，制定迭代計劃。市場人員：想通過品質(zhì)特點(diǎn)實現(xiàn)與競爭者的差異化。用戶：包括最終用戶、系統(tǒng)管理員，以及安裝、部署、準(zhǔn)備、配置人員。技術(shù)支持人員：關(guān)注幫助平臺電話呼入的數(shù)目和復(fù)雜性。34.創(chuàng)建軟件體系結(jié)構(gòu)具體系統(tǒng)，會有其它關(guān)鍵的關(guān)注點(diǎn)。功能性：產(chǎn)品向用戶提供哪些功能？可變性：軟件可能需要哪些改變？哪些改變不太可能發(fā)生，不需要特別容易進(jìn)行這些改變？性能：產(chǎn)品達(dá)到怎樣的性能？容量：多少用戶并發(fā)使用該系統(tǒng)？該系統(tǒng)為用戶保存多少數(shù)據(jù)？生態(tài)系統(tǒng)：在部署的生態(tài)環(huán)境中，該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)進(jìn)行哪些交互？模塊化：如何將編寫軟件的任務(wù)分解為工作指派（模塊），特別是這些模塊可以獨(dú)立地開發(fā)，并能夠準(zhǔn)確、容易地滿足彼此的需要？可構(gòu)建性：如何將軟件構(gòu)建為一組組件，并能夠獨(dú)立實現(xiàn)和驗證這些組件？哪些組件應(yīng)該復(fù)用其它產(chǎn)品，哪些應(yīng)該從外部供應(yīng)商處獲得？產(chǎn)品化：如果產(chǎn)品以幾種變體的形式存在，如何開發(fā)一個產(chǎn)品線，并利用這些變體的共性？產(chǎn)品線中的產(chǎn)品以怎樣的步驟開發(fā)？在創(chuàng)建一條軟件產(chǎn)品線時，要進(jìn)行哪些投資？安全性：產(chǎn)品是否需要用戶認(rèn)證，或者必須限制對數(shù)據(jù)的訪問？數(shù)據(jù)的安全性如何得到保證？如何抵擋“拒絕服務(wù)”攻擊或其他攻擊？35.1.4.3 設(shè)計階段的軟件體系結(jié)構(gòu)根據(jù)在設(shè)計過程中，對FR和NFR考慮的階段不同，可以將軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法分為3類：FR驅(qū)動的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)FR得到初步的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計模型，然后，通過一定的手段，精化設(shè)計結(jié)果以逐步達(dá)到NFR的目標(biāo)，典型的方法，包括評估與轉(zhuǎn)化、自頂向下組裝）等。NFR驅(qū)動的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計將NFR作為首要考慮因素，將NFR直接映射成為體系結(jié)構(gòu)的建模元素，典型的，包括屬性驅(qū)動的設(shè)計ADD等。集成FR和NFR的方法，將FR和NFR視為同等重要的設(shè)計輸入，在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，同時兼顧FR和NFR，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)體系結(jié)構(gòu)的建模元素這類方法，往往與面向Aspect的方法相結(jié)合，典型的，包括UseCase和目標(biāo)驅(qū)動、形式化設(shè)計分析框架FDAF、Aspect構(gòu)件等。36.體系結(jié)構(gòu)的復(fù)用圣索菲亞大教堂，是拜占庭建筑之美的代表。1100年后，ChristopherWren使用了同樣的設(shè)計，來建造圣保羅大教堂的穹頂，并成為倫敦的地標(biāo)性建筑。37.系統(tǒng)的構(gòu)架結(jié)構(gòu)軟件結(jié)構(gòu)關(guān)系適用于分解是一個子模塊；與之共享秘密資源分配、項目結(jié)構(gòu)化和規(guī)劃；信息隱藏、封裝；配置控制使