《结构化软件设计》PPT课件

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1、第四章 结构化软件设计 软件设计的概念 结构化设计方法 过程设计 Jackson方法 4.1 软件 设计的 概念 模块和模块化 工程 上，许多大的系统都是由一些较小的单元组成。例如，建筑工程中的砖瓦和构件，机械工程中 的各种零部件等。这样做的优点是便于加工制造，便于维修，而且有些零部件可以标准化，为多个系统 所用。同样，软件系统也可以根据其功能分解成许多较小的程序单元，它们就是模块。 一般 把用一个名字就可调用的一段程序称为“模块”模块具有如下 3个基本属性。 功能：指该模块要完成的任务。 逻辑：描述模块为了完成任务，模块内部怎么做。 状态：使用该模块时的环境和条件。 对于 一个模块，还应该按

2、模块的外部特性与内部特性分别进行描述。模块的外部特性是指模块的模 块名、模块的输入输出参数，以及它给程序乃至整个系统造成的影响。而模块的内部特性则是指完成 其功能的程序代码和仅供该模块内部使用的数据。对于其他模块来说，只需了解被调用模块的外部特性 就足够了，不必了解它的内部特性。在软件设计时，通常是先确定模块的外部特性，然后再确定它的内 部特性。前者是软件总体设计的任务，后者是详细设计的任务。 模块化 是把整个系统划分成若干个模块，每个模块完成一个子功能，将多个模块组织起来实现整个 系统的功能。模块化设计方法强调清楚地定义每个模块的功能和它的输入输出参数，而模块的实现细 节隐藏在各自的模块之中

3、，与其他模块之间的关系可以是调用关系，因此模块化程序易于调试和修改。 随着模块规模的减小，模块的开发成本减少，但是模块之间的接口变得复杂起来，使得模块的集成成本 增加。 那么 模块的规模多大才合适呢？模块之间的关系可能密切到什么程度呢？软件工程用模块独立性来 衡量。 耦合的概念 主程序 子程序 1 子程序 2 模块之间无连接，则无耦合 主程序 子程序 1 子程序 2 模块之间存在连接，则存在耦合 耦合是模块之间的互连程度度量 模块之间的连接有：调用，返回，进入，跳出 数据耦合 A B 调用，返回，参数传递 数据耦合 开发货单 计算金额 单价 数量 金额 特征 耦合 如果两个模块都与同一个数据结

4、构有关， 则称为特征联结。 计算水费和电费 计算水费 计算电费 住户详情 水费 住户详情 电费 模块之间的特征联结 控制耦合 PROC A( ) . B(x, y, 1) /调用 B，使用其功能 1 . B(x, y, 2) /调用 B，使用其功能 2 PROC B(a, b, flag) do case case flag=1 功能 1 case flag=2 功能 2 . endcase 控制耦合 公共环境耦合 图 3.3 公共环境耦合例图 C A B 公共环境耦合 内容耦合 内容耦合 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内部； 两个模块有一部分程序

5、代码重叠； 一个模块有多个入口； 耦合与模块独立性 耦合性 模块独立性 公共环境耦合 内容耦合 控制耦合 数据耦合 图 3.2 耦合性与模块独立性 建议：尽量使用数据耦合，少用控制耦合，限制公共耦合的范围，不用内容耦合 内聚的概念 内聚标志一个模块内部各元素彼此结合的 紧密程度。 理想内聚的模块只做一件事。 在进程概要设计时，要尽量采取高内聚， 避免使用低内聚。 内聚与耦合呈反比关系，模块内的内聚度 越高，模块间的耦合度越低。 内聚与模块独立性的关系 图 3.5 内聚性 内聚性 模块独立性 功能内聚 过程内聚 时间内聚 通信内聚 逻辑内聚 偶然内聚 信息内聚 A B A B C 图 3.6 偶

6、然内聚例子 偶然内聚 偶然内聚 逻辑内聚 如果一个模块内部的各组成部分的处理动 作在逻辑上相似，但功能都彼此不同或无 关，则称为逻辑聚合。 一个逻辑聚合模块往往包括若干个逻辑相 似的动作，使用时可以选用一个或几个功 能。 例如：把编辑各种输入数据的功能放在一 个模块中。 图示：逻辑内聚 功能1 开关 功能3功能2 图 3.7 逻辑内聚例子 逻辑内聚 时间内聚 如果将需要同时执行的部分放在同一模块 中，如初始化或结束模块等，则称为时间 内聚。 例如：程序设计中的初始化模块。 顺序内聚 如果模块内的处理是相关的，必须以 特定顺序执行，前一个处理动作所产 生的输出数据是后一个处理动作的输 入数据，则

7、称为过程内聚。 过程聚合维护起来不如功能聚合方便， 要修改模块中的一个功能，会影响到 同一个模块中的其他功能。 图示：顺序内聚 A B C 功能 1 功能 2 模块 过程内聚 如果一个模块内部的各个组成部分的处理动作各 不相同，彼此也没有联系，但他们都受同一个控 制流支配，决定他们的执行次序，称为过程聚合。 在使用流程图进程程序设计，并通过对流程图的 划分组成模块时，就会得到过程内聚模块。 循环体 计算累积 事务记录 累积销售额 累积订货量 通过循环体，计算 两种累积数。 通信内聚 打印报 告A 打印报 告C 打印报 告B 计算 A 计算 B 保存 图 3.8 通信内聚例子 如果一个模块内各组

8、成部分的处理动作都使用相 同的输入数据或相同的输出数据，称为通讯聚合。 案例：通信内聚 获得配件单 价和库存量 配件编号 库存量 单价 两个工作： 1.按配件编号查询“数 据存储”，获得单价。 2.按配件编号查询“数 据存储”，获得库存量。 这两个处理动作都使用相同的输入数据，称为通讯聚合。 功能内聚 功能内聚 如果一个模块的各个成分都是完成某个具体任 务必不可少的成分，这些成分协同工作，紧密 联系，不可分割，则称为功能内聚。 功能内聚的内聚度最高，概要设计中要追求的 目标。 满足功能内聚的模块只执行一个功能，这是一 个判断模块是否是功能内聚的方法。 将分析模型转换为软件设计 数据 字典 数据

9、 流图 E-R图 状态变迁图 加 工 规 约 控制规约 数 据 对 描 述 象 数 据 设 计 体系结构设计 接口设计 过程设计 分析模型 设计模型 4.2 结构化设计方法 结构设计 也称概要设计 体系结构设计 SC（结构）图 接口设计 SC图 过程设计 也称详细设计 模块的处理过程 N-S图， PAD（问题分析图）， IPO图， PDL等 概要设计的任务 把系统的功能需求分配给软 件结构，形成软件的模块结构 图。 简要的讲，就是把流程图中 的加工（处理）转化成模块， 形成模块结构图。 软件的模块结构图 概要设计的表示形式 层次（ hierarchy） 图 HIPO图 SC图 正文加工系统的层

10、次图 带编号的层次图（ HIPO ） 与层次图（ H ）中每个方框相对应（按编号），都有一 张 IPO图描述该框代表的模块的处理过程，称为 HIPO图。 IPO图的一个例子 SC图 结构图是精确表达程序结构的图形表 示方法。它作为软件文档的一部分， 清楚地反映出程序中模块之间的层次 调用关系和联系：它不仅严格地定义 了各个模块的名字、功能和接口，而 且还集中地反映了设计思想。换句话 说它以特定的符号表示模块、模块 间的调用关系和模块间信息的传递。 SC图允许使用的六种模块 一般地，在系统结构图中有 6种类型的模块； （ 1）传入模块 从下属模块取得数据，经过某些 处理，再将其结果传送给上级模块

11、。它传送的数据流叫逻辑输入数据流。 （ 2）传出模块 从上级模块获得数据，进行某些 处理，再将其结果传送给下属模块。它传送的数据流叫作逻辑输出数据流。 （ 3）变换模块 也叫加工模块。它从上级模块取 得数据，进行特定的处理，转换成其它形式，再传送回 上级模块。它加工的数据流叫作变换数据流。大多数计算模块 (原子模块 )属于这 类。 （ 4）源模块 （ 5）漏模块 （ 6）控制模块 在实际系统中有些模块属于上述某 类型，有些模块 是上述各种类型的组合。 SC图的组成符号 （ a）传入 （ b）传出 （ c）变换 （ d）源 （ f）控制 X Y Y X X Y 图 5.2 SC图使用的模块符号

12、X （ e）漏 X X Y SC图的模块调用 简单调用 图 5.3 简单调用的两种表示法 B （ a） X， Y Z A C Z B （ b） 1 A C 2 入 出 X， Y Z Z 选择调用 A B C D 注意：图中必须画出红线的数据流 循环调用 A B C 注意：图中必须画出红线的数据流 产生最佳解的一般结构图 产生最隹解 得到最好输入 计算最隹解 输出结果 读输入 编辑输入 结果格式化 显示结果 好输入 原始输入 编辑结果 格式化解 解 解 原始输入 解 格式化解 数据 数据流图的类型 在软件设计之前首先要分清数据流图 的特征，才能更加有利于设计。 在系统分析模型中的数据流图，均可

13、纳入两种典型的形式，即 变换型结构 处理系统和事务型结构处理系统。 变换型结构的 DFD 变换 中心 传入 传出 信 息 传入流 传出流 变换流 时间 变换型结构也叫变换流 信息通常 以 “ 外部世 界 ” 的形式 进入软件系 统，经过处 理后再以 “ 外部世界 ” 的形式离开 系统，所以 变换性结构 也可以用右 图表达： 事务型结构（事务流） DFD 同时存在两类结构 T 传入 变换 传出 事务中心 接收 部分 发送 部分 结构化设计方法的设计 由数据流模型导出系统（ 模块 ）结构图 1、变换分析与变换设计 计算最佳解 获得好的输入 输出结果 输入流 变换中心 输出流 变换型数据流 由 变

14、换 型 数 据 流 映 射 得 到 的 程 序 结 构 问题求解 计算最佳解 输出结果 显示结果 格式化结果 获得好的输入 读数据 编辑数据 数据输入 数据输出 数据变换 变换型的程序结构 结构化设计方法的设计 2、事务分析与事务设计 T 数 据 输 入 流 事务中心 一组处理 事务型数据流 事务型程序结构 事务处理 事务 1 事务 2 事务 4 操作 1 操作 2 操作 3 操作 4 细节 1 细节 2 细节 3 细节 4 事务 3 事务层 操作层 细节层 由 事 务 型 数 据 流 映 射 得 到 的 程 序 结 构 结 构 化 设 计 方 法 的 设 计 步 骤 精化数据流 流类型 区分

15、事务中心和数据接受选路 区分输入和输出分支 映射成事务结构 映射成变换结构 用启发式设计规则精化软件 导出接口描述和全局数据结 复查 详细设计 事务分析 变换分析 事 务 型 变 换 型 变换分析 第一步： 划分 DFD图的边界 第二步： 建立初始 SC图的框架 顶层都只含一个用于控制的主模块 第一层包括传入、传出和中心变换 三个模块 第三步： 分解 SC图的各个分支 分解实质上是 “ 映射 ” 最后可组成初始 SC图 在形成的 SC图下应有模块的简要说明 每个模块的简要说明应有： 进出该模块的信息（接口描述）； 模块内部的信息（功能、数据） ； 过程陈述，包括主要判定点及任务等； 对约束、限

16、制的说明。 例子 划分 DFD P E D C B A W R U V Q a b c d e p r w u v 传入部分 变换中心 传出部分 图 5.8 在 DFD图上划分传入、传出和中心加工部分 第一步： 第一级分解 ME MT MC MA c,e c,e u,w u,w 图 5.9 第一级分解后的 SC图 第二步： 第一级分解后的 SC(另一种画法 ) MC MA1 c e u,w c,p Q P R e p r r w,u w 传入分 支模块 中心加工 分支模块 传出分 支模块 MA2 ME1 ME2 传 入 分 支 的 分 解 (1) MA C B A b a c E D d e

17、c,e 第三步： 传入分支的分解（ 2） Get E A to B Read D D to E Read A B to C Get B Get C MA c,e c e b b c a a b d d b 图 5.12 传入分支的分解之二 第三步： 传 出 分 支 的 分 解 ME W Write V u u w,u v v v Put U U to V ME U Write W w w u w,u V (1) (2) 变换中心的分解 MT R P Q e p c,p r r w,u 图 5.15 中心加工分支的分解 组成初始 SC图 MC MT Q P R ME Write W Put U

18、U to V Write V A to B Read A Get B D to E Read D B to C Get C Get E MA 图 5.16 从图 5.8导出的初始 SC图 事务分析 第一步： 在 DFD图上确定边界 事务中心 接收部分（包括接收路径） 发送部分（包括全部动作路径） 第二步： 画出 SC图框架 DFD图的三个部分分别映射为事务控制模 块，接受模块和动作发送模块 第三步： 分解和细化接收分支和发送分支 例子 划分 DFD 传入 T 变换 传出 接收部分 事务 中心 动 作 发 送 部 分 + + 事务型 SC图的顶层分解 动作发送 事务控制 接收 顶层 第一层 事务

19、分析的映射方法 总控 调度 C路径 B路径 A路径 A路径 B路径 C路径 接收 路径 混合结构 C 1 A C 3 B C 2 D L F G E K J a b b1 b2 b3 c1 c2 c3 d e f g h j k l m 数字仪表板系统需求分析 通过模 -数转换实现传感器和微处理器的 接口； 在发光二级管面板上显示数据； 指示每小时英里数 (mph)，行驶的里程， 每加仑油行驶的英里数 (mpg)等等； 指示加速或减速； 超速警告：如果车速超过 55公里 /小时， 则发出超速警报铃声。 数字仪表板 数据流图 加仑 /小时 英里 /小时 英里 /加仑 转 /分 划分数据流 图的边

20、界 数字仪表板的第一级分解 未经细化的输入结构 数 字 仪 表 板 的 第 二 级 分 解 未经细化的变换结构 未经细化的输出结构 数字仪表板控制 数据转换控制 计算 mph 计算 mpg 计算 里程 驱动仪表板 转换成 rpm 计算 gph 接收传感器信号 精化后的数字仪表板系统的软件结构 显示 mpg 显示 里程 发出 铃声 显示 mph 读旋转 信号 确定 加速 /减速 读燃 料流 加速 /减速 显示 发光二极 管显示 归纳 如果数据流不具有显著的事务特点， 最好使用变换设计 如果具有明显的事务中心，应该采用 事务设计方法 不要机械遵循规则，根据实际情况将 模块进行合并或分解 事务型结构

21、例子 课本上的 “ 教材 购销系统 ” 5.2.5 优化结构设计的指导规则 对模块分割、合并和变动调用关系的指导规则 提高模块独立性（按四项基本原则调整） 模块大小合适 （可脱离 DFD图进行调整） 保持高扇入 /低扇出 （ 3-5不超过 9） 的原则 提高公共（共享）模块的使用率！ 作用域 /控制域规则 作用域不要超出控制域的范围 位置离受它控制的模块越近越好 扇入和扇出 M M M的扇入 M的扇出 例子：扇出 计算 实发工资 取得 工资数据 编外人员 扣 款 编外人员 工 资 编外人员 税 收 薪金制 工资额 计时制 工资额 常规 扣款 税收 扣款 煎饼形结构 不可取！ 例子：扇出 常规

22、扣款 编外人员 实发工资 计 算 实发工资 取 得 工资数据 计时工人 实发工资 计薪工人 实发工资 编外人员 扣 款 编外人员 税 收 编外人员 工 资 税收 扣款 计时制 工资额 薪金制 工资额 把煎饼形结构转 换成 塔型结构 有效模块化设计的启发式原则： 1.评估软件结构的初始模型以降低耦合并提高内聚。 2.高层高扇出使结构最小化；当深度增加时（特别是 底层）争取提高扇入。（图） 3.将模块的作用范围限制在模块的控制范围内。 作用范围：受模块内一个判定影响的所有模块的集合。 控制范围：模块本身及其所有下属模块的集合。 4.评估模块接口以降低复杂度和冗余并提高一致性。 5.定义功能可以预测

23、的模块，（如对于相同的输入， 输出是恒定的），但要避免过分限制模块（如数据 结构的大小、控制流的选择、外部接口的模式等限 制）。 作用域和控制域 作用域和控制域 TOP C D E F A B TOP C D E F A B TOP C D E F A B 模块 D的作用域超出控制域 模块 TOP的作用域在控制 域内但距离太远，使模块 B、 D的接口有冗余的信息 D的作用域在控制域内 S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 软 件 解 待 解 问 题 P 1 P 2 P 3 P 4 结构变化 S 4 S 1 S 2 S 3 S 5 S 1 S 4 S 5 S 2 S 3S 3 S 4 S 5

24、S 2S 1 问 题 结 构 1 结 构 2 结 构 3 解 同 一 个 问 题 的 各 种 软 件 结 构 优化后的数字仪表板系统设计 总体（概要）设计阶段值得注意的问题 “一个不能工作的 最佳设计 的价 值是值得怀疑的 应该在设计的早期阶段对软件结构进 行精化 结构简单通常既表示设计风格优雅有 表明效率高 过程（详细）设计与概要设计的不同 在总体（概要）设计阶段，数据项和 数据结构的描述比较抽象，主要是： 形成 SC（模块结构）图 详细设计要提供关于算法的更多细节 总体（概要）设计说明书规范 看 Word文件 概要设计说明书大纲 5.3 过程设计 目的 确定模块采用的算法和块内数据结 构

25、任务：编写软件的 过程设计说明书 为每个模块确定采用的算法 确定每一模块使用的数据结构 确定模块接口的细节 结构化程序设计的概念 理论的提出 最早是 60年代中期提出的 Bohm和 Jacopini在数学上证明了：只用 三种基本的控制结构就能实现单入口单 出口的程序 实践的发展 1971年， IBM公司的纽约时报信息库管 理系统 三种基本控制结构 A B A B exp T F 顺序结构 选择结构 循环结构 A exp T F 结构化程序设计技术的定义 结构化程序设计技术是一种程序设 计技术，它采用自顶向下逐步求精 的设计方法和单入口单出口的控制 结构，并且只包含顺序、选择和循 环三种结构 结

26、构化程序设计的目标 是程序的控制流程线性化，即程序的动态 执行顺序符合静态书写结构。 关于 GOTO语句的建议： 当出现算法的自然结构被破坏的异常情况时， 应保留 GOTO语句。 一个好的原则是避免使用跳转表达正常的循环 和条件语句 常用的算法表示形式 图形、表格和语言 基本要求：提供对设计的无歧义的描 述，即能指明控制流程、处理功能、 数据组织以及其它方面的实现细节 过程设计的原则和方法 清晰第一的设计风格 结构第一，效率第二 结构化的控制结构 所有的模块只使用单入口、单出口的 3种 基本控制结构 逐步细化的实现方法 把给定的模块功能转换成详细过程性描述 过程（详细）设计常用工具 流程图 N

27、-S图 伪代码和 PDL语言 PAD图 程序流程图 历史最悠久、使用最广泛的描述软 件设计的方法 优点 对控制流程的描绘很直观 缺点 本质上不是逐步求精的好工具 可以随意转移控制 不易表示数据结构 练习画程序流程图 课堂练习： 某模块有两个输入 a和 b，一个 输出 c，当满足条件 (a0)and(b0)and(b2)时， c=a+b，否 则 c=a-b。用所学知识画出该模块的 N-S图。 2、某模块有三个输入 a、 b和 c，一个输 出 s，当 a=1时， s=b+2c，当 a=2时， s=2b-c， 当 a=3时， s=b。用所学知识画出该模块的 N-S图。 伪代码和语言 (PDL) 在第

28、三章讲分析模型的加工说明时已经用过！ 用正文形式表示数据结构和处理过程 PDL是一种 混合 语言 具有严格的关键字外部语法 使用自然语言表示实际操作和判定条 件 PDL的优点 可以作为注释直接插在源程序中间 可以使用普通的正文编辑程序或文字处理 系统完成 PDL的书写和编辑 已经有自动处理程序存在，可以自动由 PDL 生成程序代码 PDL的缺点 不如图形工具形象直观 描述复杂的条件组合与动作间的对 应关系时，不如判定表或判定树清 晰简单 过程设计语言 PDL(Procedure design language) 又称为 结构化的语言 或 伪代码 ，它采用一种结 构化编程语言与另一种语言词汇的混

29、合形式。 IF 一条或数条语句 ELSEIF 一条或数条语句 ELSE 一条或数条语句 ENDIF PAD图 （问题分析图） 问题分析图 PAD(Problem Analysis Diagram) 用二维树形结构来表示程序的控制流。 问题分析图的主要特点是： （ 1）用 PAD构成元素设计出来的程序必然是 结构化程序 ； （ 2）问题分析图所描绘的 程序结构 十分 清晰 ； （ 3）问题分析图表示的程序逻辑 易读、易懂、 易记 ； PAD图 （问题分析图） （ 4） PAD是二维树形结构的图形，程序从图中 最左竖线上端的结点开始执行， 自上而下，从 左向右 按顺序执行，遍历所有结点； （ 5）

30、容易将 PAD转换成高级语言源程序，该转 换可由软件自动完成，有利于 提高软件可靠性 和软件生产 ； （ 6）既可用于表示程序逻辑，也可用于描绘数 据结构； （ 7） PAD的元素支持自顶向下、逐步求精方法 的使用。 PAD图的基本符号 A B P A P A B A1 A2 An . . . 选择结构 until P A 顺序结构 循环结构 while P A 1 2 n PAD图的基本符号 输入框 输出框 处理框 重复框（先判 定，再重复） 重复框（先执行， 后判定，再重复） 选择框 子程序框 或 定义框 使用 PAD图的定义功能实现逐步 细化的例子 练习画 PAD 课堂练习： 1、某模块

31、有两个输入 a和 b，一个输出 c， 当满足条件 (a0)and(b2)时， c=a+b，否则 c=a-b。用所学知识画出该模块的 PAD。 2、某模块有三个输入 a、 b和 c，一个输 出 s，当 a=1时， s=b+2c，当 a=2时， s=2b-c， 当 a=3时， s=b。用所学知识画出该模块的 PAD。 详细设计规格说明与复审 详细设计说明书规范 详细设计说明书是详细设计阶段的文档， 它是程序运行过程的详细描述。 详细设计规格说明与复审 2复审 复审是指对设计文档的复审。 1)复审原则 复审的目的是为了及早程序 中的错误，一般不请用户和其他领域的代 表参加。复审中提出的问题应做详细记

32、录， 但不谋求当场解决。复审结束前，应做出 本次复审能否通过的结论。 2) 复审的主要内容 审查模块的设计是否满足 功能和性能要求，选择的算法和数据结构是否合理、 是否符合编码语言特性，设计描述是否简单清晰等。 3) 复审的方式 复审分正式和非正式两种方式， 非正式复审的特点是参加人员少，均为同行，方便 灵活。 走查 就是一种非正式复审，复审时有一 名设计人员逐行宣读设计资料，由到会同行跟随他 指出的次序一行行的往下审查，发现问题就做好记 录，然后根据多数参加者的意见，决定是否通过该 设计资料。正式复审除软件开发人员外，还邀请用 户代表和领域专家参加，通常采用答辩方式，回答 与会者的问题并记录

33、各种重要的评审意见。 详细设计说明书规范 看 Word文件 详细设计说明书大纲 例 1：看 Word文件 详细设计说明书例 1 例 2：看 Word文件 网络安全监控系统通讯模块详细 设计说明书 5.4 Jackson 方法 实体动作 实体结构 初始建模 系统功能 系统时间 系统实现 Jackson表示法 Jackson图 Jackson伪代码 A B C A B0 C0 A B* 顺序 选择 重复 A seq A select cond1 A iter until 或 while cond B B C or cond2 B end A C end A end A (a) 顺序 (b) 选择 (c) 重复 Jackson方法和 SD方法 Jackson方法 数据结构 映射 程序结构 程序的过程性表示 (Jackson图 ) (Jackson图 ) (Jackson伪代码 ) 程序分析 程序设计 SD 方法 问题结构 映射 软件结构 各模块的过程描述 (DFD图 ) (SC图 ) (PDL等工具 ) 概要设计 过程设计 作业 习 题 P122123 2. 5. 6. 10. 另：将原来各小组的结构化分析模型利用传统 的设计方法进行设计（含概要和详细），并写 出概要设计与详细设计说明书，不提交。 谢谢同学们！ 1