第4章总体设计

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模块独立 – 耦合
数据耦合 ：如果两个模块彼此间通过参数交 换信息，而且交换的信息仅仅是数据，那么这种 耦合称为数据耦合。
控制耦合：如果传递的信息中有控制信息，则 这种耦合称为控制耦合。 数据耦合是低耦合。系统必须存在这种耦合， 因为只有当某些模块的输出数据作为另一些模块 的输入数据时，系统才能完成有价值的功能。
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描绘软件结构的图形工具--层次图和HIPO图
层次图：描述软件的层次结构（H图）。
层次图中每个矩形框代表一个模块，矩形框之间的 连线表示模块调用关系。
层次图适合用来描绘软件的层次结构。
HIPO图：层次图+IPO图 对H图的每个方框，都有一张IPO图与之对应，来描 述方框所代表的模块的处理过程。并且对每个IPO图都对 应H图中方框相同的标记和编号，便于追踪。
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软件设计原理
主 要 内 容
抽象 求精 模块化 信息隐蔽（和局部化） 模块独立
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抽
象
在现实世界中，一定事物、状态或过程之间 总存在着某些相似的方面（共性)。把这些相似 的方面集中和概括起来，暂时忽略它们之间的差 异，这就是抽象。抽出事物的本质特征而暂不考 虑它们的细节。 解决复杂问题的唯一有效的方法就是运用抽 象的思维方式，首先用一些高级的抽象概念构造 和理解它；这些高级概念又可以用一些较低级的 概念构造和理解，如此进行下去，直到最低层次 的具体元素。
1、将系统划分成相互联系的逻辑单元--总体上应该怎样 做---总体设计、概要设计、初步设计。
2、逻辑单元实现的设计--具体应该怎样做--详细设计。
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总体设计过程
一、系统体系结构设计 二、软件结构设计 三、数据库设计 四、制定测试计划 五、书写文档 六、审核和复审
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软件结构设计
软件结构：以模块为单位的层次结构。即： 上层模块调用它的下层模块以实现程序的完整功能； 每个下层模块再调用更下层模块完成程序的一个子功能； 最下层的模块完成最具体的功能。 方法：根据数据流图的层次关系导出软件结构。 任务： 划分程序模块 确定模块间的逻辑关系及接口参数 如果数据流图设计得好，数据流图和软件结构具有极 强的对应关系。
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模块独立 – 内聚
过程内聚：模块内的处理元素是相关的，并 且需要按特定顺序执行。 通信内聚： 模块中所有元素都使用同一个 输入数据或产生同一个输出数据。
顺序内聚： 一个模块中多个处理元素均与 同一功能相关，且必须顺序执行（一个处理单元 的输出是另一个处理单元的输入）。
功能内聚： 模块中所有处理元素属于一个 整体，共同完成同一功能。
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模块化
模块：一组有序操作的总称，它可以单独的名字存在， 单独编译，可以通过名字来访问。一个函数、一个过程就 是一个模块。 模块基本属性： （1）功能：模块做什么； （2）逻辑：描述模块内部怎么做； （3）状态：模块使用时的环境和条件。 模块的外部属性： 模块名 功能 参数(输入参数和输出参数)。 模块的内部特性：完成模块功能的代码和局部数据。
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启发式规则
主 要 内 容
改进软件结构提高模块独立性 模块规模应该适中 深度、宽度、扇出和扇入应适当 模块的作用域应在控制域之内 尽量降低模块接口的复杂程度 设计单入口出口的模块 模块功能应该可以预测
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改进软件结构提高模块独立性
模块独立性主要体现在低耦合、高内聚。可 以通过分解或合并来提高模块独立性。 分解：把几个模块中相同部分（相同的子功 能）分解出来建立一个新的模块。 合并：把几个模块合并成一个模块，减少对 控制信息的传递，以及对全程数据的引用，降低 接口的复杂程度，降低块间耦合度。
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模块规模应该适中
在保证模块功能独立性的前提下，尽可能使模 块中的语句数少。 50～100行。 美国空军部：5～500行 目的：可理解性、可读性好。 为了保证模块独立性，少数模块可以大一些。 模块过小，系统开销大于有效操作。 对大模块的分解不应降低独立性。 面向对象技术，模块的大小无实际意义。
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模块独立 – 耦合
公共环境耦合：当两个或多个模块通过一个公 共数据环境（全程变量、数据文件等）相互作用时， 它们之间的耦合称为公共环境耦合。 内容耦合：一个模块直接引用另一个模块内部 的内容。例如：一个模块直接访问另一个模块的内 部数据；一个模块不通过正常入口转到另一个模块 的内部；两个模块有一部分代码重叠。最高程度的 耦合是内容耦合。 原则：尽量使用数据耦合，少用控制耦合，限 制公共环境耦合的范围，完全不用内容耦合 。
软件工程概论
第五章 总体设计
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总体设计
需求分析解决“系统必须做什么(what)”的问题，软件设 计解决“怎样做(how)”，即从技术角度考虑如何实现用户需 求。需求解决“做正确的事”，设计解决“正确地做事”。 软件设计是把软件需求变换成软件表示的过程。最初这 种表示只是描述出软件的总框架，然后进一步细化，在此框 架中填入细节，把它加工成在程序细节上非常接近于源程序 的表示。因此软件设计分两步进行：
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模块化
模块化：以模块作为程序设计的基本单位，把程序
划分成若干个模块，每个模块完成一个子功能，把这些 模块集成起来，并通过模块间的调用关系把它们组成一 个完整的整体，完成指定的功能。
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采用模块化的依据
容易被理解。 使问题复杂度降低，容易被实现。 设函数C（x）定义问题x的复杂程度，函数E（x） 确定解决问题x需要的工作量（时间），对于两个问题 p1和p2，如果 C（p1）> C（p2） 则： E（p1）> E（p2） 规律： C（p1＋p2）> C(P1) + C(p2) 必有： E（p1＋p2）> E（p1）+ E（p2）
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制定测试计划 确定对各模块和系统联调的测试方案。 在软件开发的早期阶段考虑测试问题， 能促使软件设计人员在设计时注意提高 软件的可测试性 。
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书写文档
1.系统说明：概要设计说明书
2.用户手册
3.测试计划 4.详细的实现计划 5.数据库设计结果
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审核和复审 最后应该对总体设计的结果进 行严格的技术审查，通过之后再由 使用部门从管理角度进行复审。
24பைடு நூலகம்
模块独立 – 内聚
低内聚：偶然内聚、逻辑内聚和时间内聚
中内聚：过程内聚、通信内聚
高内聚：顺序内聚、功能内聚 对内聚的参考评价：
功能内聚
顺序内聚 通信内聚
10分
9分 7分
时间内聚
逻辑内聚 偶然内聚
3分
1分 0分
过程内聚
5分
在软件软件中，尽可能构造高内聚的模块，辨认和避免 低内聚的模块，最好不用偶然内聚。
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模块独立
模块独立(Independence)的概念是模块化、抽象、信息 隐蔽和局部化概念的直接结果。开发具有独立功能且与其他 模块之间没有过多的相互作用的模块，就可以做到模块独立。 第一，有效的模块化（即具有独立的模块）的软件比较容 易开发出来。 第二，独立的模块比较容易测试和维护。 模块的独立程度的度量标准:
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数据结构设计
1、文件系统的数据结构设计 确定输入、输出文件的详细的数据结构。 确定算法所需的逻辑数据结构及其操作规则。 确定逻辑数据结构所涉及的程序模块 2、数据库设计 如果目标系统以数据库为基础，则要进行数据库设计。 总体设计阶段的数据库设计包括： 数据库管理系统的选择 模式设计：确定有那些基本表组成和每个表的结构。 子模式设计：具体应用所能看到的数据库内容。 物理模式设计：确定数据的存储结构和存取路径（存 储方式，建立索引）。 数据库完整性和安全性设计。
深度、宽度、扇出和扇入应适当
深度：软件层次结构的层数。 宽度：软件结构内同一层次上模块总数的最大值。 扇入：一个模块被调用的上级模块数量。扇入越大，表 示共享该模块的上级模块越多。 扇出：一个模块直接控制（调用）的模块个数。扇出影 响宽度。 扇出过大意味着模块过分复杂，需要控制和协调过多的 下级模块。 一个好的系统的平均扇出通常是3～4（上限是5～9) (7±2原理—心理学原理） 一个好的软件结构通常顶层扇出较大，中层扇出较低， 底层模块高扇入。软件结构的形状呈椭圆外形.
M
A B D C E F
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G
尽量降低模块接口的复杂程度
模块接口设计原则：易理解，传递信息简单且与模块 功能一致。 例：求一元二次方程的根： Quad_Root(Tal,x); Tal--系数数组；
x--根数组
Quad_Root(a,b,c,Root1,Root2); 接口复杂或不一致，是紧耦合或低内聚的征兆。
内聚:衡量一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程度；
耦合:衡量不同模块彼此间互相依赖（连接）的紧密程度。
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模块独立 – 耦合
耦合是对一个软件结构内不同模块之间互联程度的度量。 耦合强弱取决于模块之间接口的复杂程度，调用模块的方式， 以及通过接口的数据。实际上，耦合是接口数据对模块独立 性的影响。
如果两个模块中的每一个都能独立地工作而不需要另一 个模块地存在，那么它们彼此完全独立，这意味着模块间无 任何连接，耦合程度最低。但一个软件系统中的模块之间是 彼此协同工作的，不可能所有模块间没有连结。
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模块的作用域应在控制域之内
控制范围：指包含模块本身的所有下属模块。 作用域：模块内一个条件判断可能引起的的被执行模块。 设计得好的系统，模块的作用域应在模块的控制范围内。 例: A的控制范围为：A、B、C、D、E、F 若A的作用域也是A、B、C、D、E 、 F，则是合理的。 若A的判断要影响到G的执行过程，则应调整软件结构。
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抽
象
软件工程过程的每一步都是对软件解法的抽象层次 的一次求精。 软件开发的三种抽象形式： 1、过程抽象：对过程的任务采用逐步求精的解法； 2、数据抽象：通过层次结构来描述数据对象。 3、控制抽象：描述程序控制机制而无须规定内部细 节。 模块化就是一种程序设计的抽象机制。 抽象和求精是一对互补的概念。求精则是帮助设计者 逐步揭示出低层细节。这两个概念都有助于帮助设计者 在设计演化过程中构造出完整的设计模型。
尽可能不用全局变量是降低接口复杂性的一个方面。
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设计单入口出口的模块
对模块的执行，通过模块调用语句 进入模块，模块执行完后应返回到模块
调用语句的下一个语句位臵。
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模块功能应该可以预测
模块作为一个黑箱，只要输入数据相同就产生同样的 输出，这个模块的功能就是可预测的。 带有内部“存储器”（如某个标志状态）的模块的功 能是不可预测的，因为它的输出不仅取决于输入，而且还 取决于内部“存储器”的状态。这样的模块难理解、难测 试、难维护。全程变量使用不当或数组初始化不当会导致 这种情况。 以面向对象的类为模块，不能保证输入数据相同就能 产生相同的输出。
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模块独立 – 内聚
内聚是一个模块内各个元素彼此结合的紧 密程度的度量。内聚是信息隐蔽功能的自然扩 展，是模块内部功能独立性的表现，理想内聚 的模块只做一件事情。 按程度分类：低内聚 中内聚 高内聚。
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模块独立 – 内聚
偶然内聚 ：模块中元素之间没有实质的联系。 模块内的语句难以定义其功能，它是把多个模块 共同的语句抽出来组成一个模块 逻辑内聚：模块完成的任务逻辑相关（如产 生各种类型的全部输出）。不同功能混在一起， 合用部分程序代码，局部修改会影响全局，导致 修改困难。 时间内聚：模块包含的任务必须在同一时间 内执行。
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模块化与软件成本
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模块化结论
1 、采用模块化，是使软件设计从 难到易的基本方法。 2 、模块分解应适度。模块规模太 小，完成每个模块的工作量很小，但 设计和调试模块间的接口工作量随之 增加。
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信息的隐蔽和局部化
信息隐蔽：模块内部的信息（处理过程和数据），应对 不需要了解这些信息的模块隐蔽起来，使它们不能访问。 信息隐蔽是模块设计的基本原则。意味着在进行模块划 分时，应保证模块的独立性，使组成程序的模块之间只需交 换完成软件功能所必需的信息。 将信息隐蔽作为模块化设计标准，为软件测试和维护对 模块的修改带来了极大的方便，使得修改时无意引入的错误 不会被扩散到被修改模块以外的其它位臵。 局部化：指关系密切的软件元素物理地彼此靠近。局部 化是实现信息隐蔽的重要方法。如模块内使用的局部数据元 素，当模块被调用执行时发挥作用，退出后便失去意义。