程序員必學之精華----軟件工程

發(fā)布日期： 2025-02-28 閱讀量： 作者： 小編

一、軟件工程的定義

軟件工程學是一門指導軟件開發(fā)和維護的工程學科，是為了經濟地獲得能夠在實際機器上有效運行的可靠軟件而建立和使用的一系列完善的工程化原則。它應用計算機科學、數(shù)學及管理科學等原理，借鑒傳統(tǒng)工程的原則、方法來生產軟件，以達到提高質量、降低成本的目的。

軟件工程包括3個要素：方法、工具和過程

二、軟件工程的目標

軟件工程研究的目標是“以較少的投資獲取高質量的軟件”。

即從技術和管理上采取多項措施以后，組織實施軟件工程項目的最終目的是保證項目成功，即達到以下幾個主要目標：

?付出較低的開發(fā)成本

?達到預期的軟件功能

?取得較好的軟件性能

?使軟件易于移植

?需要較低的維護費用

能按時完成開發(fā)工作，及時交付使用，在項目的實際開發(fā)中，使以上幾個目標都達到理想的程度往往非常困難，而且上述目標很可能是相互沖突的。軟件過程所實現(xiàn)的多目標中，有的是互補的，例如縮短開發(fā)期，顯然可降低成本，維護是需要代價的，易于維護就可降低總成本。高性能與高可靠性是互補的。而有的目標則是互斥的，例如，要獲得高的可靠性，通常要采取一些冗余的措施，往往成本會增加。

以上幾個目標是判斷軟件開發(fā)方法或管理方法優(yōu)劣的衡量尺度。在一種新的開發(fā)方法提出以后，人們關心的是它對滿足哪些目標比現(xiàn)有的方法更為有利。實際上實施軟件項目開發(fā)的過程就是在以上目標的沖突中取得一定程度平衡的過程。為了實現(xiàn)軟件工程的多目標，要對軟件的的各項質量指標進行綜合考慮，以實現(xiàn)軟件開發(fā)的“多！快！好！??！”的總目標。

三、軟件工程的原則

1.分解

分解是人類分析解決復雜問題的重要手段和基本原則，其基本思想是從時間上或是從空間上將一個復雜抽象問題分成若干個較小的、相對獨立的、容易求解的子問題，然后分別求解。軟件瀑布模型，結構化分析方法，結構化設計方法，Jackson方法，模塊化設計都運用了分解的原則

2.抽象和信息隱蔽

盡量將可變因素隱藏在一個模塊內，將怎樣做的細節(jié)隱藏在下層，而將做什么抽象到上一層做簡化，從而保證模塊的獨立性。這就是軟件設計獨立性要遵守的基本原則。模塊化和局部性的設計過程使用了抽象和信息隱蔽的原則。

3.一致性

研究軟件工程方法的目的之一，就是要使開發(fā)過程標準化，使軟件產品設計有共同遵循的原則。要求軟件文件格式一致，工作流程一致，軟件開發(fā)過程要標準化，統(tǒng)一化。

4.確定性

軟件開發(fā)過程要用確定的形式表達需求，表達的軟件功能應該是可預測的，用可測試性，易維護性，易理解性，高效率的指標來具體度量軟件質量。

5.完備性

軟件系統(tǒng)不丟失任何重要成分，可以完全實現(xiàn)系統(tǒng)所要求的功能。為保證系統(tǒng)的完備性，在軟件開發(fā)和運行過程中需要嚴格的技術評審。

6.可驗證性

開發(fā)大型的軟件時需要對系統(tǒng)逐層分解，系統(tǒng)分解應遵循使系統(tǒng)易于檢查、測試、評審的原則，以確保系統(tǒng)的正確性。

四、軟件生存周期

同任何事物一樣，軟件也有一個孕育、誕生、成長、成熟和衰亡的生存過程。軟件生存周期是指一個軟件從提出開發(fā)要求開始直到該軟件報廢為止的整個時期。把整個生存周期劃分為若干階段，使得每個階段有明確的任務，把規(guī)模大、結構復雜和管理復雜的軟件開發(fā)變得容易控制和管理。

1.問題定義及可行性研究

(1)問題定義

問題定義要回答的關鍵問題是：“要解決的問題是什么?”，系統(tǒng)分析員應提出關于問題的性質、軟件系統(tǒng)的目標和規(guī)模的書面報告。通過對系統(tǒng)的實際用戶和使用部門負責人的訪問調查，分析員要扼要地寫出他對問題的理解，并在用戶和使用部門負責人的會議上認真討論這份書面報告，澄清含糊不清的地方，改正理解不正確的地方，最后得出一份雙方都滿意的文檔。

(2)可行性研究

可行性研究要回答的關鍵問題是：“對于定義的問題有行得通的解決辦法嗎?”。這個階段的任務不是具體解決問題，而是研究問題的范圍，探索這個問題是否值得去解，是否有可行的解決辦法。這一階段，系統(tǒng)分析員需在較短的時間內模擬進行系統(tǒng)分析和設計過程，即在較抽象的層次下進行分析和設計。系統(tǒng)分析員應對用戶的需求和環(huán)境進行深入細致的調查，在此基礎上進行技術上、經濟上、法律上等多方面的可行性論證。

可行性研究的結果是使用部門負責人做出是否繼續(xù)進行這項工程的決定的重要依據(jù)，一般說來，只有投資可能取得較大效益的那些工程項目才值得繼續(xù)進行下去。不值得投資的工程項目要及時中止，避免更大的浪費。

2.需求分析

需求分析階段的任務不是具體地解決問題，而是準確地確定“軟件系統(tǒng)必須做什么”，確定軟件系統(tǒng)必須具備哪些功能。系統(tǒng)分析員在需求分析階段必須和用戶密切配合，充分交流信息，需要對用戶的需求去粗取精、正確理解，然后把它用軟件工程開發(fā)語言表達出來，以得出經過用戶確認的系統(tǒng)邏輯模型。通常用數(shù)據(jù)流圖、數(shù)據(jù)字典和簡要的算法描述表示系統(tǒng)的邏輯模型。該模型必須準確全面地體現(xiàn)用戶的需求，是以后設計系統(tǒng)的基礎。該階段的主要任務是：對用戶提出的要求進行分析并給出詳細的定義；編寫軟件需求說明書及初步的系統(tǒng)用戶手冊，提交管理機構評審。

3.概要設計

概要設計階段要解決的問題是：“應該如何宏觀地實現(xiàn)系統(tǒng)功能？”。把各項功能需求轉換成需要的體系結構，在該體系結構中，每個成分都是意義明確的模塊，即每個模塊都和某些功能需求相對應，以比較抽象概括的方式提出了解決問題的辦法。概要設計的主要任務是選擇合適的設計方案，確定軟件的結構，模塊的功能和模塊間的接口以及全局數(shù)據(jù)結構的設計。

4.詳細設計

詳細設計階段要完成的工作就是對每個模塊要完成的功能進行具體描述，即把解決方法具體化。詳細設計的任務是設計每個模塊的實現(xiàn)細節(jié)和局部數(shù)據(jù)結構。這個階段的任務還不是編寫程序，而是設計出程序的詳細規(guī)格說明。這種規(guī)格說明的作用很類似于其它工程領域中工程師經常使用的工程藍圖，它們應該包含必要的細節(jié)，程序員可以根據(jù)它們寫出實際的程序代碼。

5.編碼

編碼階段就是把每個模塊的控制結構轉換成計算機可接受的程序代碼，即寫成以某特定程序設計語言表示的“源程序清單”。程序員應該根據(jù)目標系統(tǒng)的性質和實際環(huán)境，選取一種適當?shù)某绦蛟O計語言，把詳細設計的結果翻譯成用選定的語言書寫的程序，并且仔細測試編寫出的每一個模塊。具體的工作包括以下兩個方面：把軟件設計轉換成計算機可以接受的程序代碼，即寫成以某一種特定程序設計語言表示的“源程序清單”；寫出的程序應當是結構良好、清晰易讀，且與設計相一致的。

6.測試

軟件分析、設計、程序編寫過程中難免有各種各樣的錯誤，需要通過測試來查找和修改，以保證軟件的質量。軟件測試階段的主要任務是：

單元測試：查找各模塊在功能和結構上存在的問題并加以糾正；

組裝測試：將已測試過的模塊按一定順序組裝起來；

有效性測試：按規(guī)定的各項需求，逐項進行測試，決定已開發(fā)的軟件是否合格，能否交付用戶使用。

7.維護

軟件項目開發(fā)成功后，要投入運行。軟件系統(tǒng)在運行過程中，受系統(tǒng)內、外環(huán)境變化及各種人為的、技術的、設備的影響，要求軟件能夠適應這種變化，不斷地完善，這就要進行軟件維護，以保證正常而可靠地運行，并能使軟件不斷地得到改善和提高，充分發(fā)揮其作用。

軟件維護有四種類型，它們分別完成以下各自的任務：

改正性維護：運行中發(fā)現(xiàn)了軟件中的錯誤而進行的修正工作；

適應性維護：為了適應變化了的軟件工作環(huán)境，而做出適當?shù)淖兏?/span>

完善性維護：為了增強軟件的功能而做出的變更；

預防性維護：為未來的修改與調整奠定更好的基礎而進行的工作。

在軟件工程中的每一個步驟完成后，為了確保活動的質量，必須進行評審。為了保證系統(tǒng)信息的完整性和軟件使用的方便，還要有相應的詳細文檔。

在大部分文獻中將生存周期劃分為5個階段，即要求定義、設計、編碼、測試及維護。其中，要求定義階段包括可行性研究和項目開發(fā)計劃、需求分析，設計階段包括概要設計和詳細設計。

為了描述軟件生存期的活動，提出了多種生存期模型。例如：瀑布模型、快速原型模型、增量模型、噴泉模型、螺旋模型等。

五、軟件開發(fā)模型

為了反映軟件生存周期內各種工作應如何組織及周期各個階段應如何銜接，需要用軟件開發(fā)模型給出直觀的圖示表達。軟件開發(fā)模型是軟件工程思想的具體化，是實施于過程模型中的軟件開發(fā)方法和工具，是在軟件開發(fā)實踐中總結出來的軟件開發(fā)方法和步驟?？偟恼f來，軟件開發(fā)模型是跨越整個軟件生存周期的系統(tǒng)開發(fā)、運作、維護所實施的全部工作和任務的結構框架。

->瀑布模型

瀑布模型也稱為“傳統(tǒng)生命周期”或“線性順序模型”。瀑布模型是將軟件開發(fā)活動中的各項活動規(guī)定為依線性順序聯(lián)接的若干階段工作，形如瀑布流水，最終得到軟件系統(tǒng)或軟件產品。瀑布模型提出了軟件開發(fā)的系統(tǒng)化、結構化的方法，它是按照分析、設計、編碼、測試和維護順序進行的，借鑒了傳統(tǒng)的工程周期。換句話說，它將軟件開發(fā)過程劃分成若干個互相區(qū)別而又彼此聯(lián)系的階段，每個階段中的工作都以上一個階段工作的結果為依據(jù)，同時作為下一個階段的工作基礎。

瀑布模型如圖所示，從圖中可以看出每項開發(fā)活動均應具有下述特征：

瀑布模型得到了廣泛的應用，它在消除非結構化軟件、降低軟件的復雜性、促進軟件開發(fā)工程化方面起了很大的作用。但在大量的仍然機軟件開發(fā)實踐中也逐漸暴露出它的缺點。由于瀑布模型是一種理想的線性開發(fā)模式，缺乏靈活性，也無法解決軟件需求不準確或者不明確的問題。這些缺點對軟件開發(fā)帶來了嚴重影響，由于需求不明確，會導致開發(fā)的軟件不符合用戶的需求而夭折。另外，由于軟件開發(fā)需要人們合作完成，因此人員之間的通訊和軟件工具之間的聯(lián)系以及開發(fā)工作之間的并行和串行等都是必要的，但瀑布模型中并沒有體現(xiàn)出這一點。

->快速原型模型

快速原型模型如圖所示，從需求分析開始。軟件開發(fā)者和用戶在一起定義軟件的總目標，說明需求，并規(guī)劃出定義的區(qū)域。然后快速設計軟件中對用戶/客戶可見部分的表示。快速設計導致了原形的建造，原形由用戶/客戶評估，并進一步求精待開發(fā)軟件的需求。逐步調整原形使之滿足用戶需，這個過程是迭代的。原型模型的優(yōu)點和缺點如下所述。

1.優(yōu)點

快速原型模型法在得到良好的需求定義上比傳統(tǒng)生存周期法好得多，不僅可以處理模糊需求，而且開發(fā)者和用戶可充分通信。

快速原型模型系統(tǒng)可作為培訓環(huán)境，有利于用戶培訓和開發(fā)同步，開發(fā)過程也是學習過程。

快速原型模型給用戶以機會更改心中原先設想的、不盡合理的最終系統(tǒng)。

快速原型模型可以低風險開發(fā)柔性較大的計算機系統(tǒng)。

快速原型模型使系統(tǒng)更易維護、對用戶更友好的機會。

快速原型模型使總的開發(fā)費用降低，時間縮短。

2.缺點

“模型效應”或“管中窺豹”。對于開發(fā)者不熟悉的領域把次要部分當作主要框架，做出不切題的原型。

原型迭代不收斂于開發(fā)者預先的目標。為了消除錯誤，每次更改，次要部分越來越大，“淹沒”了主要部分。

原型過快收斂于需求集合，而忽略了一些基本點。

資源規(guī)劃和管理較為困難，隨時更新文檔也帶來麻煩。

長期在原型環(huán)境上開發(fā)，只注意得到滿意的原型，容易“遺忘”用戶環(huán)境和原型環(huán)境的差異

3.適用范圍

?特別適用需求分析與定義規(guī)格說明

?設計人機界面

?充作同步培訓工具

?“一次性”的應用

?低風險引入新技術

4.不適用范圍

?嵌入式軟件

?實時控制軟件

?科技數(shù)值計算軟件

->增量模型

增量模型是一種非整體開發(fā)的模型。根據(jù)增量的方式和形式的不同，分為基于瀑布模型的漸增模型和基于原型的快速原型模型。

該模型具有較大的靈活性，適合于軟件需求不明確、設計方案有一定風險的軟件項目。增量模型和瀑布模型之間的本質區(qū)別是：瀑布模型屬于整體開發(fā)模型，它規(guī)定在開始下一個階段的工作之前，必須完成前一階段的所有細節(jié)。而增量模型屬于非整體開發(fā)模型，它推遲某些階段或所有階段中的細節(jié)，從而較早地產生工作軟件

噴泉模型是由B.H.Sollers和J.M.Edwards于1990年提出的一種新的開發(fā)模型。主要用于采用對象技術的軟件開發(fā)項目。它克服了瀑布模型不支持軟件重用和多項開發(fā)活動集成的局限性。噴泉模型使開發(fā)過程具有迭代性和無間隙性。軟件的某個部分常常被重復工作多次，相關對象在每次迭代中隨之加入漸進的軟件成分，即為迭代的特性；而分析和設計活動等各項活動之間沒有明顯的邊界，即為無間隙的特性。噴泉模型與傳統(tǒng)的結構化生存期比較，具有更多的增量和迭代性質，生存期的各個階段可以相互重疊和多次反復，而且在項目的整個生存期中還可以嵌入子生存期。就像水噴上去又可以落下來，可以落在中間，也可以落在最底部。

噴泉模型是以面向對象的軟件開發(fā)方法為基礎，以用戶需求作為噴泉模型的源泉。從圖中可以看出其特點如下：

(1)噴泉模型規(guī)定軟件開發(fā)過程有4個階段，即分析、系統(tǒng)設計、軟件設計和實現(xiàn)。

(2)噴泉模型的各階段相互重疊，它反映了軟件過程并行性的特點。

(3)噴泉模型以分析為基礎，資源消耗成塔型，在分析階段消耗的資源最多。

(4)噴泉模型反映了軟件過程迭代性的自然特性，從高層返回低層無資源消耗。

(5)噴泉模型強調增量開發(fā)，它依據(jù)分析一點，設計一點的原則，并不要求一個階段的徹底完成，整個過程是一個迭代的逐步提煉的過程

(6)噴泉模型是對象驅動的過程，對象是所有活動作用的實體，也是項目管理的基本內容。

(7)噴泉模型在實現(xiàn)時，由于活動不同，可分為系統(tǒng)實現(xiàn)和對象實現(xiàn)，這既反映了全系統(tǒng)的開發(fā)過程，也反映了對象族的開發(fā)和重用過程。

對于大型軟件，只開發(fā)一個原型往往達不到要求。螺旋模型將瀑布模型和增量模型結合起來，并加入了風險分析。它是由TRW公司的B.Boehm于1988年提出的。

軟件風險是普遍存在于任何軟件開發(fā)項目中的實際問題。對于不同的項目，其差別只是風險有大有小而已，在制定軟件開發(fā)計劃時，系統(tǒng)分析員必須回答：項目的需求是什么，需要投入多少資源以及如何安排開發(fā)進度等一系列問題。然而，要他們當即給出準確無誤的回答是不容易的，甚至幾乎是不可能的。但系統(tǒng)分析員又不可能完全回避這一問題，憑借經驗的估計出發(fā)給出初步的設想便難免帶來一定風險。實踐表明，項目規(guī)模越大，問題越復雜。資源、成本、進度等因素的不確定性越大，承擔項目所冒的風險也越大?？傊?，風險是軟件開發(fā)不可忽視的潛在不利因素，它可能在不同程度上損害到軟件開發(fā)過程或軟件產品的質量。軟件風險駕馭的目標是在造成危害之前及時對風險進行識別、分析，采取對策，進而消除或減少風險的損害。

模型將開發(fā)劃分為制定計劃、風險分析、實施工程和客戶評估四類活動。沿著螺旋線每轉一圈，表示開發(fā)出一個更完善的新的軟件版本。如果開發(fā)風險過大，開發(fā)機構和客戶無法接受，項目有可能就此終止；多數(shù)情況下，會沿著螺旋線繼續(xù)下去，自內向外逐步延伸，最終得到滿意的軟件產品。螺旋模型沿著螺線旋轉，將開發(fā)過程分為幾個螺旋周期，如圖所示，每個螺旋周期可分為4個工作步驟：

第一步，制定計劃：確定目標、方案和限制條件；

第二步，風險分析：評估方案、標識風險和解決風險；

第三步，實施工程：開發(fā)確認產品；

第四步，客戶評估：計劃下一周期工作。

沿螺線自內向外每旋轉一圈便開發(fā)出更為完善的一個新的軟件版本。例如，在第一圈，確定了初步的目標、方案和限制條件以后，轉入右上象限，對風險進行識別和分析。如果風險分析表明，需求有不確定性，那么在右下的工程象限內，所建的原型會幫助開發(fā)人員和客戶，考慮其他開發(fā)模型，并對需求做進一步修正?？蛻魧こ坛晒龀鲈u價之后，給出修正建議。在此基礎上需再次計劃，并進行風險分析。在每一圈螺線上，做出風險分析的終點是否繼續(xù)下去的判斷。假如風險過大，開發(fā)者和用戶無法承受，項目有可能終止。多數(shù)情況下沿螺線的活動會繼續(xù)下去，自內向外，逐步延伸，最終得到所期望的系統(tǒng)。

如果軟件開發(fā)人員對所開發(fā)項目的需求已有了較好的理解或較大的把握，則無需開發(fā)原型可采用普通的瀑布模型，這在螺旋模型中可認為是單圈螺線。與此相反，如果對所開發(fā)項目需求理解較差，則需要開發(fā)原型，甚至需要不止一個原型的幫助，那就需要經歷多圈螺線。在種情況下，外圈的開發(fā)包含了更多的活動。也可能某些開發(fā)采用了不同的模型。

螺旋模型適合于大型軟件的開發(fā)，應該說它是最為實際的方法，它吸收了軟件工程“演化”既念，使得開發(fā)人員和客戶對每個演化層出現(xiàn)的風險有所了解，繼而做出應有的反映。螺旋模型的優(yōu)越性比起其他模型來說是明顯的，但并不是絕對的。要求許多客戶接受和使用該模型并不容易。這個模型的使用需要具有相當豐富的風險評估經驗和專門知識，如果項目風險較大，又未能及時發(fā)現(xiàn)，勢必造成重大損失。此外，螺旋模型是出現(xiàn)較晚的新模型，遠不及瀑布模型普及，要讓廣大軟件人員和用戶充分肯定它，還有待于更多的實踐。

謝謝友們能夠看到這里，證明你們有一種對知識的渴望和求知的欲望，相信通過我們不斷的學習，不管是理論知識還是實際開發(fā)技術，都會得到一個好的提升，重在堅持哦！加油！

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