【北京大学 软件工程】五、结构化设计方法-1

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一、结构化设计概念

1、设计的定义

一种软件开发活动，定义实现需求规约所需的软件结构。
设计目标：依据需求规约，在一个抽象层上建立系统软件模型，包括软件体系结构（数据和程序结构），以及详细的处理算法，产生设计规格说明书。
即：要回答如何解决问题一给出软件解决方案
结构化设计分为
（1）总体设计：确定系统的整体模块结构，即系统实现所需要的软件模块以及这些模块之间的调用关系。
（2）详细设计：详细描述模块。

2、整体框架

3、对设计方法的需求

实现软件设计的目标对结构化设计方法的需求：
（1）提供可体现“原理/原则”的一组术语(符号)，形成一个特定的抽象层，用于表达设计中所使用的部件
（2）依据术语所形成的“空间”，给出表达软件模型工具。
（3）给出设计的过程指导。

4、总体设计层概述

（1）引入了两个术语/符号

模块：一种可独立标识的软件成分。

调用：模块间的一种关系，模块A为了完成其任务必须依赖其他模块。

（2）引入了模块结构图 (MSD)

用于表达软件系统的静态结构。

（3）过程指导

为了实现设计目标，总体设计的具体任务是：将DFD转化为MSD
分二步实现：
第一步：如何将DFD转化为初始的MSD
分类：

变换型数据流图

事务型数据流图

变换设计

事务设计

第二步：如何将初始的MSD转化为最终可供详细设计使用的MSD

总体设计分为三个阶段：
第一阶段：初始设计。在对给定的数据流图进行复审和精化的基础上，将其转化为初始的模块结构图。根据穿越系统边界的数据流初步确定系统与外部的接口。
第二阶段：精化设计。依据模块“高内聚低耦合”的原则精化初始的模块结构图，并设计其中的全局数据结构和每一模块的接口。
第三阶段：设计复审阶段，对前两个阶段得到的高层软件结构进行复审，必要时还可能需要对软件结构做一些精化工作。

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二、初始模块结构图的设计

总体设计第一步：DFD -> 初始的MSD

1、数据流图分类

（1）变换型数据流图

具有较明显的输入部分和变换部分之间的界面、变换部分和输出部分之间界面的数据流图。

• 逻辑输入：离物理输入最远、仍被看成系统输入的数据流。
• 逻辑输出：离物理输出最远、仍被看成系统输出的数据流。

（2）事务型数据流图

数据到达一个加工 （例如下图1） ，该加工根据输入数据的值，在其后的若干动作序列（称为一个事务）中选出一个来执行，这类数据流图称为事务型数据流图。

事务型DFD完成下述任务

1. 接受输入数据
2. 分析并确定对应的事务
3. 选取与该事务对应的一条活动路径

事务型DFD和变换型DFD的区别

原则上所有DFD都可以看成是变换型DFD
一般而言，接受1个输入数据，分成多条路径

2、变化设计的基本步骤

第1步：设计准备——复审并精化系统模型

• 为了确保系统的输入数据和输出数据符合实际情况而复审其语境
• 为了确保是否需要进一步精化系统的DFD图而复审其语境

第2步：确定输入、变换、输出这三部分之间的边界

• 根据加工的语义和相关的数据流，确定系统的逻辑输入和逻辑输出

第3步：第一级分解——系统模块结构图顶层和第一层的设计
主模块：位于最顶层，一般以所建系统的名字命名，其任务是协调控制第一层模块。
输入模块部分：为主模块提供加工数据，有几个逻辑输入就设计几个输入模块。
变换模块部分：接受输入模块部分的数据，并对内部形式的数据加工，产生系统所有的内部输出数据。
输出模块部分：将变换模块产生的输出数据，以用户可见的形式输出。有几个逻辑输出，就设计几个输出模块。

第4步：第二级分解——自顶向下，逐步求精

• 对每一个输入模块设计其下层模块
  • 接收数据模块(即输入模块)
  • 把接收的数据变换成它的上级模块所需的数据（即变换模块）
  • 直到输入模块为物理输入，则细化停止
• 对每一个输出模块设计其下层模块
  • 将得到的数据向输出形式进行转换
  • 将转换后的数据进行输出
  • 直到输出模块是物理输出，则细化停止
• 对变化模块进行分解（无通用法则）

3、事务设计的基本步骤

第1步：设计准备——复审并精化系统模型

• 为了确保系统的输入数据和输出数据符合实际情况而复审其语境
• 为了确保是否需要进一步精化系统的DFD图而复审其语境

第2步：确定事务处理中心
第3步：第一级分解——系统模块结构图顶层和第一层的设计

• 首先，为事务中心设计一个主模块。
• 然后，为每一条活动路径设计一个事务处理模块。
• 对其输入部分设计一个输入模块。
• 如果一个事务数据流图的活动路径集中于一个加工，则设计一个输出模块，否则第一层不设计输出模块。

第4步：第二级分解——自顶向下，逐步求精

• 对于输入模块、输出模块的细化，如同变化设计的细化过程。
• 对各条路径模块的细化，无设计法则。

DFD -> 初始的MSD

• 一个系统的DFD，通常是变换型数据流图和事务型数据流图的组合
• 自动的变换设计
• 自动的事务设计

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三、初始模块结构图精化的原则

1、精化的概念

总体设计第二步：将初始的MSD转化为最终可供详细设计使用的MSD
概念：模块，模块化
基于模块化原理——高内聚、低耦合
给出设计规则——经验规则——启发式规则
用于精化初始的MSD——体现设计人员的创造

2、模块和模块化

模块：执行一个特殊任务的一组例程和数据结构

• 接口：给出可由其他模块和例程访问的对象
  • 常量，变量，数据类型，函数
• 实现：接口的实现（模块功能的执行机制）
  • 私有量，过程描述，源程序代码

模块化：把系统分解成若干模块的过程

• 50多年的历史
• 软件的单个属性，使得程序能够被理性的管理

3、为什么要模块化

设C(x)是定义问题x复杂性的函数，E(x)是定义解决问题x所需要的工作量，那么，对于两个问题p1和p2，
如果C(p1)>C(p2)，那么E(p1)>E(p2)
解释：解决困难问题需要花费更多的时间

人们又发现了另外一个有趣的特征：
C(p1+p2)>C(p1)+C(p2)
由上页结论：
If C(g1)>C(g2) Then E(g1)>E(g2)
所以：
E(p1+p2)>E(p1)+E(p2)

• 一个理想的情况：如果我们能够无限制地划分软件，那么开发它所需的工作量可以变得非常小，乃至可以忽略!
• 但是，这个结论是错误的。因为随着模块数量的增长，集成模块所需的工作量(成本)也在增长。

4、基本原则

• 基本原则：高内聚，低耦合
• 概念和分类
  • 耦合
  • 内聚
• 启发式规则

5、耦合

定义：不同模块之间相互依赖程度的度量

耦合的强度所依赖的因素：

• 一个模块对另一个模块的引用
• 一个模块向另一个模块传递的数据量
• 一个模块施加到另一个模块的控制的数量
• 模块之间接口的复杂程度：整数，数组，控制信号……

耦合类型：（由强到弱）

• 内容耦合：一个模块直接修改或操作另一个模块的数据
• 公共耦合：两个以上的模块共同引用一个全局数据项。
• 控制耦合：一个模块向另一模块传递一个控制信号，接受信号的模块将依据该信号值进行必要的活动。
• 标记耦合：两个模块至少有一个通过界面传递的公共参数包含内部结构，如数组，字符串等。
• 数据耦合：模块间通过参数传递基本类型的数据。

原则：如果模块间必须存在耦合就尽量使用数据耦合，少用控制耦合，限制公共耦合的范围，坚决避免使用内容耦合。

6、内聚

定义：一个模块之内各成分之间相互依赖程度的度量。
好的设计满足：

• 模块的功能单一
• 模块的各部分都和模块的功能直接相关
• 高内聚

内聚类型：（由低到高）

• 偶然内聚：一个模块之内各成分之间没有任何关系。
• 逻辑内聚：几个逻辑上相关的功能放在同一模块中。
• 时间内聚：一个模块完成的功能必须在同一时间内完成，而这些功能只是因为时间因素关联在一起。
• 过程内聚：处理成分必须以特定的次序执行。
• 通信内聚：各成分都操作在同一数据集或生成同一数据集。
• 顺序内聚：各成分与一个功能相关，且一个成分的输出作为另一成分的输入。
• 功能内聚：模块的所有成分对完成单一功能是最基本的，且该模块对完成这一功能而言是充分必要的。

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四、总体设计案例

1、确定逻辑输入和逻辑输出

确定逻辑输入/逻辑输出的方法：
（1）从物理输入端向前找，从物理输出端向后找。
（2）通过名字，根据经验进行判断。

2、输入部分的进一步精化

3、输出部分的进一步精化