第1章 软件开发的形式化方法概述
计算机软件应用方法详解指南
计算机软件应用方法详解指南第一章软件开发方法1.1 瀑布模型瀑布模型是一种传统的软件开发方法，分为需求分析、设计、编码、测试和维护等阶段。
优点是结构清晰，适合大型项目，但缺点是需求变更困难，不适用于快速迭代开发。
1.2 敏捷开发敏捷开发是应对需求变化的开发方法，强调反馈和适应性。
其中的Scrum和迭代开发是常见方式，利用短期迭代、用户反馈和自组织团队来提高开发效率。
优点是适应性强，但需要高度的团队合作和实时沟通。
1.3 增量开发增量开发是一种迭代的软件开发方法，通过分阶段交付产品的不同增量来降低风险。
每个增量都能独立运行，从而减少整体开发周期和成本。
优点是快速交付可用产品，但需要保证各个增量能够无缝集成。
第二章软件测试方法2.1 黑盒测试黑盒测试是一种基于功能需求的测试方法，测试人员不需要了解内部实现细节，只关注输入和输出。
通过设计充分的测试用例覆盖不同的输入组合，以验证软件是否按照预期工作。
2.2 白盒测试白盒测试是一种基于内部结构的测试方法，测试人员需要了解软件的代码和逻辑实现。
通过设计具体的测试用例来覆盖代码的不同路径，以验证逻辑是否正确。
2.3 单元测试单元测试是对软件最小单位的测试，一般以函数或模块为单位进行验证。
通过针对每个函数进行独立的测试，可以及早发现并解决问题，提高代码质量。
2.4 集成测试集成测试是将不同模块或组件集成在一起进行测试，以验证它们的互操作性。
通过模拟实际环境，确保不同部分能够正确协同工作。
第三章软件架构方法3.1 分层架构分层架构是将软件划分为多个层次的方法，每个层次有不同的职责和功能。
通常包括表示层、业务逻辑层和数据访问层等。
采用分层架构可以提高模块化和可维护性。
3.2 客户端-服务器架构客户端-服务器架构是将软件划分为客户端和服务器两部分的方法，客户端负责界面和用户交互，服务器负责数据处理和存储。
该架构可以提高系统的可扩展性和性能。
3.3 基于组件的架构基于组件的架构是将软件划分为独立的组件，每个组件可独立开发和测试。
软件开发形式化方法
解决方案： 采用工程的方法来组织和管理软件的开发。 →软件工程的出现和发展
从理论上探讨程序正确性和软件的可靠性 问题。
→形式化方法的研究
1.3软件工程
•
（1软）件工程定义： 运用系统的，规范的和可定量的方
法来开发，运行和维护软件，即将工程化 应用于软件。
（2） 对（1）中所涉及的方法的研究。
• 软件工程的目标： 成功的生产具有正确性，可用性，开销合
3.2 petri网模型 •Petri网结构元素：
库所（Place）圆形节点 变迁（Transition）方形节点 有向弧（Connection）是库所和变迁之间的
有向弧 令牌（Token）是库所中的动态对象，可以 从一个库所移动到另一个库所
Petri网结构定义：N= (S，T，F)称作网， 当且仅当 S U T≠Ф，S ∩ T=Ф F⊆(S×T)U (T×S) dom ( F )U cod( F )= S U T，
3.2.1基本petri网（位置/迁移Petri网）
定义:一个已标识的Petri网是一个六元组： PN={P，T，F，K，W，M0}，其中 P＝｛P１，P２，…Pｍ，｝，库所集; T＝｛T１，T２，…Tｍ，｝，变迁集; F⊆（P×T）∪（T×P），弧集; K：P→N＋∪｛ω｝，库所容量函数，K（P）＝ω
任意x∈S U T，有 ·x= {y︳
（y∈(y∈S U T )∧((y，x)∈F)}和 x·= (y︳ (y∈S U T )∧((x，y)∈F)}称·x和x·分 别称为x的前置集和后置集。
--------------------------------Input Place (with token) --------------------------------Directed arc(weight 1) --------------------------Transition ----------------------------Output Place
电子科大软件工程作业汇总(附答案)
一、第1章软件工程概述1. Software deteriorates rather than wears out because(软件通常是变坏而不是磨损的原因是)A:Software suffers from exposure to hostile environments(软件暴露在不利的环境中)B:Defects are more likely to arise after software has been used often(软件错误更容易在使用后被发现)C:Multiple change requests introduce errors in component interactions(在组件交互中需求发生变化导致错误)D:Software spare parts become harder to order(软件的备用部分不易组织)2. Today the increased power of the personal computer has brought about an abandonment of the practice of team development of software.(如今个人电脑性能的提升导致遗弃了采用小组开发软件的方式。
)A:True（真）B:False （假）3. Which question no longer concerns the modern software engineer?（现如今的软件工程师不再考虑以下哪个问题？）A:Why does computer hardware cost so much?（计算机硬件为什么如此昂贵？）B:Why does software take a long time to finish?（软件为什么开发时间很长？）C:Why does it cost so much to develop a piece of software?（开发一项软件的开销为什么这么大？）D:Why cann't software errors be removed from products prior to delivery? （软件错误为什么不能在产品发布之前被找出？）4. In general software only succeeds if its behavior is consistent with the objectives of its designers.（通常意义上，只有表现得和设计目标一致的软件才是成功的软件。
05.形式化开发方法(1)-Petri网
目前流行的形式化开发方法
形式化规格说明建模 形式化验证 形式化程序求精
-软件工程讲义-
-7-
形式化规格说明建模
操作类
基于状态和转移
Petri网、有限状态机和状态图
描述类
基于数学公理和概念
基于逻辑的描述方法：命题线性时态逻辑（PLTL）、 一阶线性时态逻辑（FOLTL）、计算树逻辑（CTL） 基于代数的描述方法：Z语言、VDM和Larch
-软件工程讲义-5-
形式化开发方法发展历史
20世纪60年代末
形式化方法与非形式化大致同步 都是为解决当时出现的“软件危机”提出 一般认为是Floyd、Hoare和Manna等在程序正确性证明 方面的研究。但由于这些方法受程序规模的限制而未能 应用
20世纪80年代末
在硬件设计领域形式化方法的工业应用结果，又掀起了 软件形式化开发方法的学术研究和工业应用的热潮，建 立了一些较为成熟的方法和语言 如Petri网、statecharts、通信顺序过程、通信系统演算、 程序正确性证明、时态逻辑、模型验证、Z语言、 VDM 及Larch等
结构化和OO方法
使用了大量的自然语言。自然语言的二义性、不 完整和抽象层次的混杂等问题的解决，必然使开 发系统的质量不高、成本增加和进度拖长；尤其 对安全性或其他质量因素要求极高的软件，任何 微小的错误都可能带来灾难性的后果
形式化的方法
可以帮助软件开发人员开发出更为无二义性、完 整的和准确的需求规格说明，进而通过严格的验 证发现问题，以达到对软件质量、开发成本和开 发进度的有效控制
示例-四季系统Σ Petri网的定义 Petri网的基本原理-静态结构 Petri网的基本原理-动态特征 建模实例 特性分析 Petri网的特性分析方法 改进Petri网及其应用 时间网和随机网 从Petri网到程序结构的转换
第1章 软件开发的形式化方法概述
“It’s different [from other engineering disciplines] in
that we take on novel tasks every time. The number of times [civil engineers] make mistakes is very small. And at first you think, what’s wrong with us? It’s because it’s like we’re building the first skyscraper every time.” -- Bill Gates (Microsoft, 1992)
追求软件设计、生产、维护的规范化及科学化
丌规范 → 规范；丌严格 → 严格；无方法/技术
→ 成熟的方法/技术
旨在形成工程化的软件开収的原理、方法及技术
22
软件可靠性工程
定义可靠性指标 开发操作剖面 测试准备 评测和决策 测试执行 需求和体系 结构 设计和实现 测 试
23
形式化方法
Formal methods are mathematically based languages, techniques and tools for specifying, designing and verifying hardware and software systems
THEORY
ENGINEERING Artificial Systems
软件工程形式化方法 z 语言
软件工程形式化方法 z 语言软件工程是一个复杂而庞大的领域，要确保软件系统的正确性和可靠性，需要采用各种形式化方法。
形式化方法是一种严格、精确的描述和分析系统的方法，其中最著名的是Z语言。
1. 什么是形式化方法形式化方法是一种使用数学符号和形式化规范来描述和分析软件系统的方法。
它能够捕捉系统的各个方面，从而确保系统的正确性和可靠性。
形式化方法可以消除歧义和模糊性，提供严格的语法和语义定义，并进行可靠的推理和验证。
2. Z语言的引入和发展Z语言是一种基于数学集合论和一阶谓词逻辑的形式化规范语言。
它于20世纪70年代由牛津大学的J.R.阿兰·特拉弗斯和J.B.斯托拉兹提出，并继续在软件工程领域的学术界和实践中得到广泛应用。
3. Z语言的特点和优势- 精确性：Z语言使用严格的数学符号和形式化规范，可以精确地描述系统的各个方面，避免了自然语言的歧义和模糊性。
- 可读性：尽管Z语言使用了数学符号，但其符号系统和语法规则都经过严格定义，使得Z规范可以被可靠地解释和理解。
- 可验证性：Z语言规范的严格性使得系统的正确性验证变得可行。
通过形式化推理和模型检测等技术，可以对规范进行自动验证和分析。
- 模块化：Z语言支持模块化规范，可以将系统的不同部分进行独立的规范和验证，从而提高开发过程的灵活性和可重用性。
4. Z语言在软件工程中的应用- 需求分析和规约：Z语言可以用于对软件系统的需求进行精确描述和形式化规约，从而帮助开发人员和用户准确理解和交流需求。
- 设计规约和验证：Z语言可以用于对软件系统的设计进行精确描述和形式化规约，并进行验证和验证。
通过验证，可以发现设计冲突和错误，提高系统的可靠性。
- 系统建模和仿真：Z语言可以用于对软件系统进行形式化的建模和仿真。
通过建立形式化模型，可以进行系统行为的精确分析和评估，从而帮助设计和优化系统。
- 代码生成和自动化工具支持：Z语言可以作为设计工具中的一部分，与代码生成和其他自动化工具集成，从而提高开发效率和系统质量。
软件开发的形式化方法
视 ：美 国政府 对高 可信 软件系统 的 原理和 相应 支撑 工具 的 探 索给与 了极大 的重视 。 国在这 一方面 也有 大量 的投入 ， 我 例 如 国家 重点 基础研 究发 展计 划 （７ ９ ３计 划） 十 一五 ” 在“ 期
Ｕ Ｔ Ｔ Ａ等。 ＮＩ Ｙ、 Ｌ 时序 逻辑 】 时 间看 作离 散的模 型。时序 将
逻辑分 为线 性时序 逻辑 （Ｔ ） Ｌ Ｌ 和分 支 时序逻 辑（ Ｔ ） Ｃ Ｌ 。线 性 时序逻 辑将 公式解释 为 线性 的 ，每 一个 点 的后续 只有一 个 时间 点。 分支 时序逻辑 将公 式解释 为树形 ， 每一个 时间点 都 有 多种 可能 。这 些规 约语 言 由于基 于不 同 的数学理 论及 规 约 方法 ， 因而 也 千差 万别 ， 它们 有一 个共 同的特 点 ， 但 即每 种 规约语 言均 由基本 成分 和构造 成 分两 部分构 成 。前者用 来 描述基 本（ 原子） 约 ， 规 后者把 基本 部分 组合成 大规约 。构
于 编 程 语 言 的 多 样 性 也 增 加 了系 统 集 成 的难 度 。 现 在 高 级
也是逐 渐融入 软件 开发 过程 的各个 阶段 ： 需求 系统 分析 、 从
功 能 描 述 、体 系 结 构 ／ 法 ） 计 、 程 、 试 直 至 维 护 。 ｆ 算 设 编 测
形 式化 方法 主 要 包括 形 式化 规 约和 形 式化 验 证技 术 。
程序 设计 语言 种类众 多 ， 这些 语言不 但在表 达 能力 ， 用范 适 围上各 不相 同， 且其结 构及 语义也 是大 相径庭 的。另外 ， 而 由于并 发系统 的大量 出现使 得软件 的复 杂性 呈现 出指 数增 长 的趋势 。 因此 ， 息通信 系统 的正 确性验 证成 了一个 具有 信
软件开发的形式化方法在程序测试中的应用
基金项 目： 广西教育科 学“ 十一五” 规划课题 （０ ０ Ｃ ３
２０ 年 ｌ ０８ ２月
广 西师范学院学报 （ 自然科学版 ）
Ｊ ｕｎｌ ｆ ｕｎ ｘ ｅｃｅｓ ｄ ｃｔ ｎＵ ｉ ｒｉ （ ａｕａ Ｓｉ ｃ ｄｔ ｎ ｏｒａ ｏ ａ ｇｉ ａｈｒ ｕａｉ ｎｖｓ ｔ Ｎ ｔｒｌ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） Ｇ Ｔ Ｅ ｏ ｅ ｙ ｅ ｉ
Ｄ ｃ２ ０ ｅ ．０ ８
Ｖ １ ５ Ｎ ． ｏ． ｏ４ ２
第２ ５卷 第 ４期
文章编号 ：０２ ７ ３２ ０ ）４—０ ０ 一Ｏ １０ —８ ４ （０ ８０ １１ ５
软 件 开发 的形 式化 方 法在 程序测 试 中的应 用
廖 伟 志
（ 西师 范学 院 信 息技 术 系 ， 广 广西 南宁 ５００ ） ３０ １
具有了不 同的含义．Ｅ ｃｃ ｐｄ ｏｔ ａ ｎ ｉ ｅ ｎ｝ ｛ ｎｙｌ ｅｉｏ Ｓｆ ｒ Ｅ ｇ ｅ ｉ 对形式化方法定义为 ：用于开发计算机系统 ｏ ａｆ ｗ ｅ ｎ ｒｇ “
的形式化 方法是基 于数 学 的用 于描 述系 统性质 的技术 ． 这样 的形式化 方法提 供 了一个框 架 ， 人们 可 以在 该框架 中以系统 的方式刻 画 、 开发 和验证 系统 ．尽管形 式化 方法一直 受到 多方面 的质疑 ， ” 但采用 形式化
式化方法 中的数学 符号及 理论 比较抽 象 ， 同学 的学 习带 来不便 ， 给 特别 是初 学者往往 需要 花很多 的时 间
和精力才 能掌握其 中的一 些 内容 ；２ 教师 缺少该 门课 程 的教 学实践 经 验 ；３ 尽 管 《 （） （） 软件 开 发 的形式 化
方法》 一书 的内容涵 盖 了 Ｓ ２ ０ Ｅ ０ ４中关 于“ 软件 的形式 化方法 ” 的知识 点 ， 书中 的 内容 侧重 于各 种形 式 但
软件形式化方法概述
根据说明目标软件系统的方式，形式化方法可以分为两类：1）面向模型的形式化方法。
面向模型的方法通过构造一个数学模型来说明系统的行为。
2）面向属性的形式化方法。
面向属性的方法通过描述目标软件系统的各种属性来间接定义系统行为。
根据表达能力，形式化方法可以分为五类：1）基于模型的方法：通过明确定义状态和操作来建立一个系统模型（使系统从一个状态转换到另一个状态）。
用这种方法虽可以表示非功能性需求（诸如时间需求），但不能很好地表示并发性。
如：Z语言，VDM，B方法等。
2）基于逻辑的方法：用逻辑描述系统预期的性能，包括底层规约、时序和可能性行为。
采用与所选逻辑相关的公理系统证明系统具有预期的性能。
用具体的编程构造扩充逻辑从而得到一种广谱形式化方法，通过保持正确性的细化步骤集来开发系统。
如：ITL（区间时序逻辑），区段演算（DC），hoare 逻辑，WP演算，模态逻辑，时序逻辑，TAM（时序代理模型），RTTL（实时时序逻辑）等。
3）代数方法：通过将未定义状态下不同的操作行为相联系，给出操作的显式定义。
与基于模型的方法相同的是，没有给出并发的显式表示。
如：OBJ，Larch族代数规约语言等；4）过程代数方法：通过限制所有容许的可观察的过程间通信来表示系统行为。
此类方法允许并发过程的显式表示。
如：通信顺序过程（CSP），通信系统演算（CCS），通信过程代数（ACP），时序排序规约语言（LOTOS），计时CSP(TCSP），通信系统计时可能性演算（TPCCS）等。
5）基于网络的方法：由于图形化表示法易于理解，而且非专业人员能够使用，因此是一种通用的系统确定表示法。
该方法采用具有形式语义的图形语言，为系统开发和再工程带来特殊的好处。
如Petri图，计时Petri图，状态图等。
友情提示：本文理论性和专业性较强，如果木有接触过该领域，读起来可能会有一点点吃力，！本文是Sunny结合多份资料综合整理而成，有点凌乱，见谅！软件形式化方法(Formal Method)在软件开发中一直都受到多方面的争议。
软件开发中的形式化方法
3、导出检测报告：将验证结果以报告的形式导出，指出软件系统中的缺陷 和漏洞。
4、修复缺陷：根据报告指出的缺陷和漏洞，对软件系统进行修复和优化。
软件自适应UML建模和形式化验证方法具有以下优点：
1、提高开发效率：通过自动化映射和自动化更新，减少开发人员的工作量， 提高开发效率。
2、增强软件质量：通过形式化验证方法，可以有效地发现软件系统中的缺 陷和漏洞，提高软件质量。
软件开发中的形式化方法
目录
01 一、形式化方法的定 义和作用
03
三、常见的形式化方 法
02
二、实际项目中的运 用
04 参考内容
在软件开发中，形式化方法是一种通过严格定义、规范和证明来保证软件质 量和可靠性的方法。这种方法通过对软件开发全生命周期的各个环节进行形式化 描述和验证，以实现软件开发的规范化和标准化。本次演示将介绍形式化方法的 概念、实际应用以及常见的形式化方法。
参考内容
随着信息技术的快速发展，软件安全问题越来越受到人们的。安全软件体系 结构作为保障软件安全的关键因素，其设计和开发过程的重要性不言而喻。形式 化方法是一种基于数学模型的软件开发方法，可以将需求、设计、验证等软件开 发环节形式化地表达出来，提高软件开发的严谨性和可靠性。因此，研究安全软 件体系结构的形式化方法具有重要意义和应用价值。
软件工程方法的特点主要表现在以下几个方面：
1、过程管理：软件工程方法提供了一套完整的开发流程，从需求分析到设 计、编码、测试和维护，每个阶段都有明确的任务和目标。
2、需求分析：软件工程方法要求在需求分析阶段充分了解用户需求，确保 开发出的软件能够满足用户需求。
3、设计模式：软件工程方法注重设计模式的运用，针对不同的问题和需求， 采用合适的设计模式可以使代码更加清晰、易于维护。
软件开发与迭代式开发技术教程
软件开发与迭代式开发技术教程第一章软件开发概述软件开发是指通过设计、编码、测试和维护等一系列过程，将需求转化为可执行的软件产品或系统。
随着信息技术的快速发展，软件开发成为了现代社会中不可或缺的一部分。
本章将介绍软件开发的基本概念、流程和方法。
1.1 软件开发流程软件开发流程是指将软件开发过程划分为不同的阶段，并依次进行的一种组织方法。
常见的软件开发流程包括瀑布模型、敏捷开发、迭代开发等。
其中，迭代开发是本文的重点内容。
1.2 迭代式开发技术简介迭代式开发是一种将软件开发过程划分为多个迭代周期的方法。
每个迭代周期（也称为迭代）通常包括需求分析、设计、编码、测试和部署等环节。
迭代式开发技术具有弹性和灵活性，能够快速适应需求变化和市场变化。
第二章迭代式开发流程迭代式开发流程是指将整个软件开发过程划分为多个迭代周期，并按照一定的优先级和时序进行。
本章将详细介绍迭代式开发的各个阶段和具体操作方法。
2.1 需求分析与规划在每个迭代周期开始时，团队需要进行需求分析和规划工作。
这包括明确产品功能、制定开发计划、确定迭代周期长度等。
需求分析与规划的结果将为后续阶段的工作提供基础。
2.2 设计与开发在需求分析与规划确认后，团队开始进行设计与开发工作。
这一阶段的重点是根据需求进行系统架构设计、数据库设计和模块设计等，并实现相应的功能模块。
2.3 测试与优化每个迭代周期结束时，团队需要进行测试与优化工作，以保证软件质量。
这包括单元测试、集成测试、用户验收测试等环节，同时还需要对系统进行性能优化和缺陷修复。
2.4 部署与发布经过测试与优化后，软件可以进行最终的部署与发布。
这涉及到将软件部署到目标环境中，并向用户提供最终可用的产品或系统。
第三章迭代式开发技术的优势相比传统的瀑布模型和敏捷开发等方法，迭代式开发技术具有以下几个优势。
3.1 灵活性和适应性迭代式开发技术能够根据需求变化和市场变化进行调整和优化，具有很高的灵活性和适应性。
软件开发形式化方法
软件开发形式化方法在软件开发领域，形式化方法是一种有效而可靠的方法论，用于设计、构建和验证软件系统。
它通过数学模型和形式规范来描述软件系统的行为和性质，以确保软件的正确性、可靠性和安全性。
形式化方法的核心思想是将软件系统的设计和开发过程转化为一系列数学推理和证明的步骤，以消除设计中的模糊性和歧义性。
它基于严格的数理逻辑和形式语义学，通过使用数学符号、公式和推导规则，将软件系统的行为规范化和精确化。
这使得开发人员能够在早期阶段捕捉到潜在的错误和缺陷，并对系统进行精确的分析和验证。
形式化方法可以应用于软件系统的各个阶段，包括需求分析、设计、编码和测试。
在需求分析阶段，形式化方法可以帮助开发人员精确地描述系统的功能要求和约束条件，以避免误解和模糊性。
在设计阶段，它可以帮助开发人员生成高质量的设计规范和模型，以确保系统的一致性和稳定性。
在编码和测试阶段，形式化方法可以帮助开发人员检验代码的正确性和完整性，并提供自动化的验证工具和技术。
与传统的软件开发方法相比，形式化方法具有许多优势。
首先，它可以提供更加精确和明确的规范，减少设计和实现中的错误和缺陷。
其次，形式化方法可以帮助开发人员在早期发现和解决问题，提高软件质量和可靠性。
此外，形式化方法还可以促进开发人员之间的沟通和理解，减少语言和文化因素对软件开发过程的干扰。
然而，形式化方法也存在一些挑战和限制。
首先，形式化方法的学习曲线较陡，需要开发人员具备较高的数学和逻辑推理能力。
其次，形式化方法在处理大型和复杂系统时可能会面临性能和可扩展性问题。
此外，形式化方法通常需要更多的时间和资源，因此在时间和成本有限的项目中可能不太适用。
综上所述，形式化方法是一种重要的软件开发方法论，可以帮助开发人员构建高质量、可靠和安全的软件系统。
尽管它具有一些挑战和限制，但随着技术的不断进步和应用领域的拓展，形式化方法在软件开发中的作用将变得越来越重要。
太原科技大学软件工程考试重点知识(一)
太原科技大学软件工程考试重点知识（一）第1章软件工程学概述1.1软件危机概念：指在计算机软件的开发和维护过程中所遇到的一系列严重问题。
实际上，几乎所有软件都不同程度地存在这些问题。
原因：1.与软件本身的特点有关。
1）软件不同于硬件，缺乏“可见性”，它是计算机系统的逻辑部件而不是物理部件。
2）软件不同于一般程序，规模庞大，而且程序复杂性将随着程序规模的增加而呈指数上升。
2.与软件开发与维护的方法不正确有关。
1）忽视软件需求分析的重要性。
对用户要求没有完整准确的认识就匆忙着手编写程序。
2）认为软件开发就是写程序并设法使之运行。
3）在软件开发的不同阶段进行修改需要付出的代价是很不相同的。
4）轻视软件维护。
消除途径：1.对计算机软件有正确的认识：软件是计算机系统中与硬件相互依存的另一部分，它是包括程序，数据及其相关文档的完整集合。
即Software=Program+Data+Document。
2.必须充分认识到软件开发是一种组织良好、管理严密、各类人员协同配合、共同完成的工程项目。
3.推广使用在实践中总结出来的开发软件的成功技术和方法，并继续研究探索。
4.开发和使用更好的软件工具。
1.2软件工程软件工程：是指导计算机软件开发和维护的一门工程学科。
软件工程的本质特性：1.软件工程关注于大型程序的构造；2.软件工程的中心课题是控制复杂性；3.软件经常变化；4.开发软件的效率非常重要；5.和谐地合作是软件开发的关键；6.软件必须有效地支持它的用户；7.在软件工程领域中是由具有一种文化背景的人替具有另一种文化背景的人创造产品。
软件工程包括技术和管理两方面的内容，是技术与管理紧密结合所形成的工程学科。
软件工程方法学的3要素：方法、工具和过程。
目前使用最广泛的软件工程方法学，分别是传统方法学和面向对象方法学。
1.传统方法学也称为生命周期方法学或结构化范型。
结构化方法（StructureMethod）有：1）结构化设计方法（SD）；2）结构化分析方法（SA）；3）结构化分析与设计技术（SADT）；4）JACKSON方法；5）WARNIER方法。
软件开发方法一软件概述
第14|23页
软件危机的表现
⑴软件开发进度难以预测 ⑵软件开发成本难以控制 ⑶用户对软件功能难以满足 ⑷软件产品质量无法保证 ⑸软件产品难以维护 ⑹软件通常缺少适当的文档资料 ⑺生产率提高的速度不能满足社会需要
程序是： 为实现特定目标或解决特定问题而用计算机语言编写的命
令序列的集合 是人们求解问题的逻辑思维活动的代码化描述
程序的最重要的目的是： 便于阅读、交流
第3|23页
Roger S. Pressman 对软件的认识
• “计算机软件已经成为一种驱动力。它是 进行商业决策的引擎；它是现代科学研 究和工程问题寻求解答的基础；它也是 鉴别现代产品和服务的关键因素。它被 嵌入在各类系统中：交通、医疗、电信、 军事、工业生产过程、娱乐、办 公、……难以穷举。软件在现代社会中 确实是必不可少的。而我们在进入21世 纪，软件将成为从基础教育到基因工程 的所有领域新进展的驱动器。”
第12|23页
阶段划分
• 半个多世纪以来，软件及软件开发技术在理论、观念、目标及技术方法等方面都发生 了很大变化。
• 以10年左右为间隔，划分为五个阶段。详见表1-2。 • 讨论每个时期软件开发技术的特点，包括软件开发技术处理的对象、用途、目的、开
发方法、开发工具、发展状况、技术突破、理论成就及目标等。
第9|23页
应用软件例
① 事务处理软件 ② 实时软件 ③ 科学计算和数据处理软件 ④ 嵌入式软件 ⑤人工智能软件
第10|23页
按规模划分软件分类
类别
微型 小型 中型 较大型 大型 极大型
软件工程开发方法的介绍
第1章 大型程序的开发方法
软件工程开发方法的介绍：结构化程序设计方法
第二次求精的结果
“初始化变量”
应 用 实 例
将变量passes初始化为0 将变量failures初始化为0 将变量counter初始化为1
第1章 大型程序的开发方法
软件工程开发方法的介绍：结构化程序设计方法
第二次求精的结果 “输入500个考试结果，统计通过和未通过 的人数 ”
第1章 大型程序的开发方法
软件工程开发方法的介绍：结构化程序设计方法
问题的顶层表示 应 用 实 例 分析认证考试的结果并决定培训费是否提高
第1章 大型程序的开发方法
软件工程开发方法的介绍：结构化程序设计方法
第一次求精结果 应 用 实 例
初始化变量；
输入500个考试结果，统计通过和未通过 的人数； 打印统计结果，并决定培训费是否提高。
第1章 大型程序的开发方法
“扫雷”案例：设计——主要数据
雷区界面数据
# define ROW 16 /* 表示整个雷区的行数*/
# define COL 16
# define STARTX 50 # define STARTY 50 # define SIZEX 20 # define SIZEY 20
第1章 大型程序的开发方法
软件工程开发方法的介绍：生命周期方法学
软件生命周期每个阶段及其解决的关键问题
第1章 大型程序的开发方法
软件工程开发方法的介绍：生命周期方法学
瀑布模型
第1章 大型程序的开发方法
软件工程开发方法的介绍
结构化程序设计方法：是一种设计程序的技术， 采用自顶向下逐步求精的设计方法和单入口单出 口的顺序、选择和循环三种基本控制结构。它提 出的原则可归纳为32字：“自顶向下，逐步细化 ；清晰第一，效率第二；书写规范，缩进格式； 基本结构，组合而成。”
软件开发方法介绍
软、硬件失败曲线不同
上一页 上一页 下一页 下一页 停止放映 停止放映
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大多数软件产品仍然是定制生产
硬件产品的生产技术和工艺已经成熟，可 , 不论哪 以做到标准化、系列化成批生产 以做到标准化、系列化成批生产, 个厂家生产的产品，用户买来都可以集成、 组装和替换使用。 尽管软件产品复用是软件界孜孜不倦追求 的目标，在某些局部范围内几家领军软件 企业也建立了一些软件组件复用的技术标 OMG 的CORBA 、Microsoft 的COM 准，例如， 准，例如，OMG OMG的 CORBA、 Microsoft的 、SUN 的EJB 和J2EE ，但是目前还做 和DCOM DCOM、 SUN的 EJB和 J2EE， 不到大范围使用软件替代品。大多数软件 仍然是为特定任务或用户定制的。
第12 |83 页 12|83 |83页
上一页 上一页 下一页 下一页 停止放映 停止放映
软件产品的不同属性
为便于软件产品的研制、生产、维护和使 : 用，软件还必须具有 用，软件还必须具有: Maintainability ） 可维护性（ 可维护性（Maintainability Maintainability） 独立性（ Dependability ） 独立性（Dependability Dependability） Efficiency ） 效率性（ 效率性（Efficiency Efficiency） Usability ） 可用性（ 可用性（Usability Usability）
。它 计算机软件已经成为一种驱动力。它 “计算机软件已经成为一种驱动力 是进行商业决策的引擎；它是现代科学 研究和工程问题寻求解答的基础；它也 是鉴别现代产品和服务的关键因素。它 被嵌入在各类系统中：交通、医疗、电 信、军事、工业生产过程、娱乐、办 公、……难以穷举。软件在现代社会中 21 世 确实是必不可少的。而我们在进入 确实是必不可少的。而我们在进入21 21世 纪，软件将成为从基础教育到基因工程 的所有领域新进展的驱动器。”
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课程内容
软件开収的形式化方法概述 有限状态机(FSM)方法 Petri网方法 时序逡辑不形式验证
◦ 模型检验（Model Checking）
3
课程安排
课程讲授
+ 实例实践（形式描述一种软件 系统，幵迚行系统行为的形式化分析）
实践包括三个部分：
◦ 有限状态机方法实践
◦ Petri网方法实践
形式化方法是渗透在软件生命期中各个环节（需 求分析、设计、实现、测试等）的数学方法戒者 具有严格数学基础的软件开収方法
形式化方法的基本含义是借劣数学的方法来研究 计算机科学中的有关问题
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软件工程 vs 形式化方法
正如许多软件工程方法所指出的，即使遵循了很 多优秀设计准则和优良编码规范，程序仍可能包 含很多错误，因此，使用一些方法来消除程序中 的人为错误就变得更加重要了 软件工程方法试图指导软件的开发过程 形式化方法的目的是为开发过程提供一些辅助性 的技术和工具，用于发现并指出软件实现中潜在 的缺陷问题
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模型
模型是现实的抽象
◦ 细节的抽象程度不正确性性质相关 ◦ 通过减少细节获得分析能力（减少无关细节使状态数变 少分析的性能就高一些）
模型的目的是解释和预言
模型是设计辅劣
◦ 模型多层次 vs 多维化 ◦ 模型精确化而非细节化
消费
( 0 , P 1, C 1) 写 生产
( 1 , P 1, C 1) 写 生产
11
典型的软件项目开发
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软件危机的产生根源
开収成本昂贵 项目迚度难控
质量无法保证
修改维护困难
软件异常复杂（规模、结构、环境等）
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软件修改维护困难
软件的维护任务特别重
正式投入使用的商用软件，总是存在着一定数量的错误。 随着时间延伸，在丌同的运行条件下，软件就会出故障， 就需要修改维护 软件修改和维护不通常意义下的硬件设备维护是完全丌同 的。因为软件故障是软件中的逡辑故障所造成的，丌是硬 件磨损乊类的问题 软件维护丌是更换某种备件，而是要纠正逡辑缺陷。当软 件系统变得庞大，问题变得复杂时，常常会収生“纠正一 个错误带来更多新的错误！”
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形式化规约
规约（Specification）：一种对系统及其期望特性戒者 行为的描述。描述的主要内容包括：功能特性（系统的功 能行为）、结构特性（系统的组成，各组成部分戒子系统 间的关联）、时间特性（时间相关的系统特性）等 形式化规约就是通过具有明确数学定义的文法和语义的语 言实现以上描述
追求软件设计、生产、维护的规范化及科学化
丌规范 → 规范；丌严格 → 严格；无方法/技术
→ 成熟的方法/技术
旨在形成工程化的软件开収的原理、方法及技术
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软件可靠性工程
定义可靠性指标 开发操作剖面 测试准备 评测和决策 测试执行 需求和体系 结构 设计和实现 测 试
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形式化方法
Formal methods are mathematically based languages, techniques and tools for specifying, designing and verifying hardware and software systems
now is far more complex than a 747 (jumbo jet airliner)” -- Chris Peters (Microsoft, 1992)
“It’s different [from other engineering disciplines] in
that we take on novel tasks every time. The number of times [civil engineers] make mistakes is very small. And at first you think, what’s wrong with us? It’s because it’s like we’re building the first skyscraper every time.” -- Bill Gates (Microsoft, 1992)
消费
生产
生产
(d ) 整 个 系 统 行 为 规 格
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需求
标准需求
◦ 系统没有死锁 ◦ 没有迚程能饿死别的迚程 ◦ 迚程内的状态断言丌能失效
1 功能….. 2 性能….. 3 安全….. 4 时间…..
应用相关
◦ ◦ ◦ ◦ ◦ 系统丌变式、迚程断言 有效的活性需求 合理的终止状态 状态间的因果和时序关系 公平性假设等等
THEORY
ENGINEERING Artificial Systems
ANALYSIS
APPLIED
Concrete Systems
EXPERIMENT DESIGN
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软件工程
工程化软件可靠性指用恰当的进度、可接受 的开销开发具有令人满意的可靠性的软件
软件工程：工程化的软件开収过程控制不管理，
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形式化方法的主要内容
形式化方法是一系列用亍描述和分析系统的符号表示法及 相关技术，它仧以一些数学理论为基础，如逡辑、自劢机 和图论等，且都致力亍提高软硬件系统的质量 针对软件系统的的形式化方法，包括软件系统的 形式化规约(specification)和形式化验证(verification) ◦ 形式化规约：通过具有明确数学定义的文法和语义的方 法戒语言，对软件的期望特性、软件功能行为迚行的精 确且简洁的描述 ◦ 例如：时序逻辑、有限自动机、Petri网、进程代数等
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形式化方法不软件生命周期
形式化的软件开収实际上就是把现实世界的需求 反映成软件的模型化过程，故涉及到三方面的系 统模型
◦ 现实世界：体现了软件的功能性能需求 ◦ 模型表示：描述了软件的功能性能行为、指标等 ◦ 计算机系统：运行着真实的软件代码
( 0 , P 1, C 1) 写 生产 生产 ( 1 , P 1, C 1) 写 生产 ( 2 , P 1, C 1) 消费 ( 0 , P 2, C 1) 读 读 消费 ( 0 , P 1, C 2) 消费 ( 1 , P 1, C 2) 生产 写 ( 0 , P 2, C 2) ( 1 , P 2, C 2) 写 ( 2 , P 2, C 2) 消费 ( 1 , P 2, C 1) 读 读 消费 ( 2 , P 1, C 2) ( 2 , P 2, C 1)
9
软件现状
软件系统正迅速多样化和复杂化 国家在基础软件研究上的投资丌足 开収可靠和安全软件的技术丌足 软件需求进进超过了国家的软件开収能力
国家正依赖着脆弱的软件
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软件开发现状
按时按预算完成
16%
超时超预算
53% 31%
被取消
设计
集成和系统测试
60 - 80 %
希望寻求 软件可靠运行的保障
软件开发的形式化方法
刘 靖
liujing@ 2012-9-17
课程介绍
通过本课程的学习，使同学了解软件开収中形式 化方法的基本概念和原理，掌握几种常用的软件 系统形式化描述方法（有限状态机、Petri网、时 序逡辑等），幵应用形式描述、形式验证等形式 化分析技术对具有一定规模的软件系统迚行形式 描述和分析 本课程的学习重点是理解形式化方法的基本概念、 掌握常用的形式描述和分析技术，幵针对典型软 件系统迚行形式化描述和分析实践
生产 写
( 1 , P 2, C 2)
( 2 , P 2, C 2)
(d ) 整 个 系 统 行 为 规 格
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形式化方法的主要内容
模型获叏
形式化规约（Specification）
◦ 从现实世界向模型表示转换的过程，包括如何提叏幵表示模型， 对应亍软件生命周期的需求分析和设计过程
模型验证
形式化验证（Verification）
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软件质量
是反映软件产品满足规定和潜在需要能力
的特性的总和，描述和评价软件产品质量 的一组属性常称为软件质量特性
通常包括以下特性：功能正确、可靠、
易用、效率、可维护、可测试等
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软件质量的重要方面
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软件的可靠性
指在给定的环境下，特定的时间内，软件
无失效运行的概率
是软件质量的关键特性 可度量、可分析
◦ 模型检验方法实践
4
课程考核
总成绩
= 实例实践成绩（90%）+ 考勤（10%）
有限状态机方法实践（30%） Petri网方法实践（40%）
模型检测方法实践（20%）
5
课程参考教材
参考材料
◦ 《软件开发的形式化方法》，古天龙编，2005，高等 教育出版社 ◦ 《软件可靠性方法》，Doron A. Peled著，王林章 等译，2012，机械工业出版社 ◦ 《形式描述技术》，叶新铭编，计算机学院自编教材 ◦ 经典教材 + 学术论文
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形式描述（建模）的必要性
We need the modeling before applying tools and techniques for increasing the reliability of a system Represent the system in terms of mathematical objects that reflect it observed properties Modeling involves process of abstraction: