软件工程 第七版 Chapter_07设计概念

第7章 设计概念设计： Mitch Kapor,Lotus 1-2-3的创始人,在 《Dr. Dobbs》杂志上发表了“软件设计宣言”,他说：

良好的软件设计应该展示： 坚固：程序应该展示不含任何妨碍其功能的缺陷。 适用：程序应该符合开发的目标。 愉悦：使用程序的体验应是愉快的。

设计的任务

分析模型 设计模型 设计文档 回答How to do? 可以分为概要设计、详细设计 把分析阶段产生的软件需求分析说明转换为用适 当手段表示的软件设计文档。过程设计

用户 需求

需求 分析

需求分析 规格说明

接口设计

设计

体系结构 数据设计

设计模型

数据设计

信息模型

软件数据结构

体系结构设计

定义软件部件间的关系软件内部、外部及与人之间的通信 软件组件的过程性描述

接口设计

构建级(过程)设计

分析模型-> 设计模型面向流的元素 数据流图 控制流图 处理叙述 基于场景的元素 用例文本 use-cases - text 用例图 use-case diagrams 活动图 activity diagrams 泳道图 swim lane diagramssc e na r i o- ba se d e l e me nt s f l ow- or i e nt e d e l e me nt sdata flow diagrams control-flow diagrams processing narratives

Co m p o n e n t L e v e l D e sig n

构件级设计

In t e rf a c e D e sig n

接口设计

Analysis Model分析模型 基于类的元素 类图 分析包 CRC模型 协作图c l a ss- ba se d e l e me nt sclass diagrams analysis packages CRC models collaboration diagrams

be ha v i or a l e l e me nt sstate diagrams sequence diagrams

A rc h it e c t u ra l D e sig n

体系结构设计

D a t a / Cla ss D e sig n

数据/类设计 行为元素 状态图 顺序图

Design Model设计模型

设计和质量

设计必须实现所有包含在需求模型中的明确需求， 而且必须满足利益相关者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。 设计必须提软件的全貌，从实现的角度说明数据 域、功能域和行为域。

质量指导原则

设计应该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)由展示良好设计特征的构建构成； (c)能够以演化的方式实现。 对于更小的系统，设计有时可以线性开发。 设计应该模块化；也就是说，应将软件逻辑地划分为元素或子 系统。 设计应该包含数据、体系结构、接口和构件的清晰表示。 设计应导出数据结构，这些数据结构适用于要实现的类，并从 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重复 的方法进行。 应该用能够有效传达其意义的表示法来表达设计。6

设计原则

设计过程中不要有“井蛙之见”。 设计应起源于分析模型。 设计不要白费力气做重复工作。 在软件和真实世界的问题之间，设计应能“最小化知识距离” [DAV95] 。 设计应表现出一致性和集成性。 设计结构应适应变化。 即使遇到数据、事件或操作条件异常时，设计结构应能温和处理。 设计不是编码，编码不是设计。 创建设计时就应对其质量进行评估，而不是创建之后。 评审设计以最小化概念上的(语义的)错误。

来自 Davis [DAV95]

基本概念

抽象——数据、过程、控制 体系结构——软件的整个结构 模式——已证实的解决方案的“精髓” 关注点分离——任何复杂问题如果被分解为若干块，该 复杂问题更容易地被处理。 模块化——数据和功能的划分 信息隐蔽——控制接口 功能独立——专一的功能和低耦合 求精——所有抽象精化的细节 方面——一种理解全部需求如何影响设计的机制 重构——一种简化设计的重新组织的技术 面向对象设计概念——附录II 设计类——提供设计细节，使分析类得以实现8

数据抽象doormanufacturer 制造商 model number 模块数 type 类型 swing direction 转动方向 inserts 插入 lights 灯 类型 type number 数量 重量 weight opening mechanism 打开机制

implemented as a data structure实现为一个数据结构9

过程抽象opendetails of enter algorithm 进门细节 算法

implemented with a "knowledge" of the object that is associated with enter实现为一个“知识”对象，与进门有关10

体系结构“软件的整体结构和这种结构为系统提供概念完整性的方式 ”[SHA95a]结构特性。体系结构设计表示定义了系统的构件(如模块 、对象、过滤器)、构件被封装的方式以及构件之间相互 作用的方式。例如，对象封装了数据和过程，过程操纵数 据并通过方法调用进行交互。 外部功能特性。体系结构设计描述应当指出设计体系结构 如何满足需求，这些需求包括：性能需求、能力需求、可 靠性需求、安全性需求、可适应性需求以及其他系统特征 需求。 相关系统族。 体系结构应当能抽取出在一类相似系统开 发中经常遇到的重复性模式。本质上，设计应当能够重用 体系结构构件。11

模式设计模式模版 模式名——以简短但富于表现力的名字描述模式的本质 目的——描述模式及其做什么 也称为——列出任何模式的别名 动机——提供问题的实例 适用性——

指出模式适用的具体设计解决方案 结构——描述要求实现模式的类 参与者——描述要求实现模式的类的职责 协作——描述参与者如何协作，以完成他们的职责 结构——描述了影响模式的“设计力量”和在实现模式 时，必须考虑的潜在权衡 相关模式——相关设计模式的交叉索引

关注点分离

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。 C (P1+P2)>C (P1)+C (P2) E (P1+P2)>E (P1)+E (P2) C为问题的复杂度，E为解题需要的工作量

模块化

“模块化是软件的单一属性，它使程序能被智能化地管 理”[Mye78]。 软件工程师难以掌握单块软件(即由一个单独模块构成的 大程序) 。

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。

几乎所有的情况下，为了理解更容易，都应当将设计划分 成许多模块，这样做的结果，构建软件所需要的成本将会 随之降低。

模块化： 权衡What is the "right" number of modules for a specific software design?module development cost模块开发成本 对特定的软件设计， 什么是 “正确”的模块数量？

cost of software软件成本

module integration cost模块集成成本

optimal number模块的最优数量

number of modules模块数15

模块化： 权衡软 件 开 发 工 作 量 总成本 最小成本区 M 接口成本

模块成本 模块数

信息隐藏模块

modulecontrolled interface控制接口

algorithm 算法 data structure 数据结构 details of external interface resource allocation policy资源分配策略 外部接口信息

clients客户

"secret" “秘密”

a specific design decision 具体的设计决策17

为什么要信息隐藏？

减少“负效应”的可能性 限制全局影响局部的设计决策 强调通过控制接口通信 不提倡使用全局数据 导致封装——高质量设计的属性 导致高质量软件

功能独立通过开发具有“专一”功能和“避免”与其他模块过多的 交互的模块，可以实现功能独立。 模块的独立性有两条定性标准进行评估： 内聚性显示了某个模块相关功能的强度。

一个内聚的模块执行一个独立的任务，与程序的其他部分构 件只需要很少的交互。简单地说，一个内聚的模块应该(理 想情况下)只完成一件事情。 耦合性依赖于模块之间的接口复杂性、引用或进入模块所在 的点以及什么数据通过接口进行传递。 块

内联系强 块间联系弱

耦合性显示了模块间的相互依赖性。

模块的独立性高

内聚弱1 2 3 4 5 6 7

强

低内聚

中内聚

高内聚

七种内聚

偶然内聚——模块内各元素间无实质性联系，功能无关；一 如：“读A”和“写B”等操作，就是被整合在 个模块中，供其他模块调用。 如：两个逻辑上相似的两个功能放在同一个 模块中，可以省去其中重复的部分。

逻辑内聚——模块内各元素在逻辑上相似功能；

时间内聚——模块内各元素在同一时间段内执行； 如：变量初始化等，在同一时间内执行

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