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1、第二、三章,程序设计及软件工程基础,本章主要内容,程序设计方法和风格 结构化程序设计 面向对象程序设计 软件工程基本概念 结构化分析方法 软件测试 程序的调试,2.1 程序设计方法和风格,什么是程序,指令的集合。（解释指令）,通过硬件控制系统自动完成某一功能。,通过一系列代码实现。,程序设计语言,计算机本身仅能识别二进制代码“0”、“1”。,编译程序和解释程序,编程最直接、最低级的就是机器语言。,汇编语言。,程序设计风格,基本概念：编写程序时所表现出来的特点、习惯和逻辑思路。一般从以下四部分加以规范：,源程序中的内部文档：选择标示符的名字、注释（序言性和功能性注释）、程序的视觉组织。,数据说明
2、：显式地说明一切变量、数据说明的次序应该规范化、便于查找变量（按顺序排列）、对复杂数据结构应注释说明,语句的结构：每条语句简单明了、尽量不用或少用GOTO语句、尽量只采用3种基本控制结构编程,输入和输出：对所有输入数据进行校验和合理性检查、输入输出格式保持一致、设计良好的输出报表,程序设计三种方法,结构化设计法,模块内部程序各部分要按照自顶向下的结构划分,各程序部分应按功能组合,快速原型法（软件工程法）,利用现有的工具和原型方法快速地开发所要的程序,面向对象程序设计法,以对象为核心，与人类习惯的思维方法一致,2.2 结构化程序设计,基本思想,对大型的程序设计，使用一些基本的结构来设计程序，无论
3、多复杂的程序，都可以使用这些基本结构按一定的顺序组合起来。这些基本结构的特点都是只有一个入口、一个出口。由这些基本结构组成的程序就避免了任意转移、阅读起来需要来回寻找的问题。,设计原则,自顶向下,逐步求精,模块化,限制使用goto语句,基本结构：顺序、选择、循环,2.3 面向对象程序设计,基本思想 客观世界中任何一个事物都可以被看成是一个对象，面向对象方法的本质就是主张从客观世界固有的事物出发来构造系统，系统中的对象及对象之间的关系能够如实地反映问题域中固有的事物及其关系。结构化与面向对象方法比较 结构化的分解突出过程，即如何做(How to do)?它强调代码的功能是如何实现的；面向对象的分
4、解突出现实世界和抽象的对象，即做什么(What to do)?,主要优点,与人类习惯的思维方法一致,稳定性好,可重用性好,易于开发大型软件产品,可维护性好,面向对象程序设计主要考虑的是提高软件的可重用性！,面向对象的基本概念,对象(Object),对象是基本的运行时认得实体，它既包括数据（属性），也包括作用于数据的操作（行为）。,一个对象把属性和行为封装为一个整体,一个对象通常可由对象名、属性和操作3部分组成,面向对象(Object Oriented,OO),从该问题所涉及的对象入手来研究问题。,消息(Message),对象之间进行通信的一种数据构造，消息包括：接受消息对象名、消息标识符、零个
5、或多个参数。,面向对象的基本概念,类(Class),一个类定义了一组大体上相似的对象。,一个类所包含的方法和数据描述一组对象的共同行为和属性。,类是在对象之上的抽象，对象是类的具体化，是类的实例,封装(Encapsulation),将数据和操作数据的函数衔接在一起，构成一个具有类类型的对象的描述。,对象的内部实现受保护，外界不能访问,封装简化了程序员对对象的使用,面向对象的基本概念,继承(Inheritance),继承是父类和子类之间共享数据的方法的机制,一个子类可以继承它的父类（或祖先类）中的属性和操作,子类中可以定义自己的属性和操作,单重继承、多重继承,多态性(Polymorphism),
6、不同的对象收到同一消息可以产生完全不同的结构，这一现象叫做多态性,多态的实现受到继承的支持,软件的定义,软件(software)是计算机系统中与硬件(hardware)相互依存的另一部分。软件包括三个部分：程序(program)、相关数据(data)、说明文档(document)。,软件的特点,软件是一种逻辑实体，不是物理实体，具有抽象性。,软件没有明显的制造过程。,软件在使用过程中，没有磨损、老化问题,软件依赖与硬件和环境，导致了移植问题,软件是复杂的，而且以后会更复杂,软件的成本相当昂贵,软件工作牵涉到很多社会因素,2.4 软件工程基本概念,软件危机,早期的软件主要指程序，采用个体工作方式
7、，缺少相关文档，质量低，维护困难，这些问题称为“软件危机”，软件工程概念的出现源自于软件危机。,软件工程,软件工程是指应用计算机科学、数学及管理科学等原理，以工程化的原则和方法来解决软件问题的工程。其目的是提高软件生产率、提高软件质量、降低软件成本。,软件工程基本目标,在给定成本、进度的前提下，开发出具有有效性、可靠性、可理解性、可维护性、可重用性、可适应性、可移植性、可追踪性和可互操作性且满足用户需求的产品。,软件工程原则：抽象、信息隐蔽、模块化、局部化、确定性、一致性、完备性和可验证性。,1)抽象：抽象是事物最基本的特性和行为，忽略非本质细节，采用分层次抽象，自顶向下，逐层细化来控制软件开
8、发过程的复杂性。,2）信息隐蔽：采用封装技术，将程序模块的实现细节隐蔽起来，使模块接口尽量简单。,3）模块化：模块是程序中相对独立的成分，一个独立的编程单位。模块的大小要适中，过大模块内部复杂性增加，太小整个系统过于复杂。,4）局部化：保证模块间具有松耦合性，模块内部有高内聚性。,5）确定性：软件中所有概念的表达应是确定、无歧义且规范的。,6）一致性：内外部接口保持一致，系统规格说明与行为保持一致。,7）完备性：软件系统不丢失任何重要成分，完全实现系统所需功能。,8）可验证性：遵循容易检查、测评、评审原则，确保系统正确性,软件工程三要素,方法：完成软件工程项目的技术手段,工具：支持软件的开发、
9、管理、文档生成,过程：支持软件开发的各个环节的控制、管理,软件工具和软件开发环境,软件工具(CASE)：用来辅助软件开、运行、维护、管理、支持等过程中的活动的软件,软件开发环境：支持软件产品开发的软件系统，它由软件工具集和环境集成机制构成,软件生命周期,软件产品从提出、实现、使用维护到停止使用退役的过程称为软件生命周期。分为软件定义、软件开发及软件运行维护3个阶段。,1）软件定义阶段：包括制定计划和需求分析。,制定计划：确定总目标；可行性研究；探讨解决方案；制定开发计划。,需求分析：对待开发软件提出的需求进行分析并给出详细的定义。,2）软件开发阶段：,软件设计：分为概要设计和详细设计两个部分。
10、软件实现：把软件设计转换成计算机可以接受的程序代码。,软件测试：在设计测试用例的基础上检验软件的各个组成部分。,3）软件运行维护阶段（生命周期中花费最多的阶段）：软件投入运行，并在使用中不断地维护，进行必要的扩充和删改。,需求分析,用户对目标软件系统在功能、行为、性能、设计约束等方面的期望。需求分析的任务是发现需求、求精、建模和定义需求的过程。需求分析将创建所需的数据模型、功能模型和控制模型。,需求分析的四步骤,需求获取、需求分析、编写需求规格说明书和需求评审,需求分析的方法,结构化分析方法、面向对象分析方法,2.5 结构化分析方法,结构化分析方法,结构化程序设计理论在软件需求分析阶段的运用，
11、其目的是帮助弄清用户对软件的需求。,常用工具,数据流图、数据字典、判定树、判定表,开发策略,自顶向下，逐层分解,数据流图(DFD)：以图形的方式描绘数据在系统中流动和处理的过程，它反映了系统必须完成的逻辑功能，是结构化分析方法中用于表示系统逻辑模型的一种工具。,加工（转换）：输入数据经加工变换产生输出。数据流：沿箭头方向传送数据的通道，旁边标注数据流名。存储文件（数据源）：表示处理过程中存放各种数据的文件。源、潭：表示系统和环境的接口，属系统之外的实体。,画数据流图的基本步骤,自外向内，自顶向下，逐层细化，完善求精,数据流图的示例,数据字典(DD)：对所有与系统相关的数据元素的一个有组织的列表
12、，其作用是对数据流图中出现的被命名的图形元素的确切解释。,数据字典常包括5个部分：数据项、数据结构、数据流、数据存储、数据处理。,数据字典是结构化分析方法的核心,软件需求规格说明书（SRS）：需求分析阶段的最后成果，通过建立完整的信息描述、详细的功能和行为描述、性能需求和设计约束的说明、合适的验收标准，给出对目标软件的各种需求。,需求分析主要解决“做什么”的问题，而软件设计主要解决“怎么做”的问题。,从技术观点来看，软件设计包括软件结构设计、数据设计、接口设计、过程设计。,结构设计：定义软件系统各主要部件之间的关系。,数据设计：将分析时创建的模型转化为数据结构的定义。,接口设计：描述软件内部、
13、软件和协作系统之间以及软件与人之间如何通信。,过程设计：把系统结构部件转换成软件的过程性描述,从工程角度来看，软件设计分两步完成，即概要设计和详细设计。,概要设计：又称结构设计，将软件需求转化为软件体系结构；确定系统级接口、全局数据结构或数据库模式；编写概要设计文档、概要设计文档评审。,详细设计：确定每个模块的实现算法和局部数据结构，用适当方法表示算法和数据结构的细节。,软件设计基本原理：抽象、模块化、信息隐蔽和模块独立性。,抽象：抽象是一种思维工具，就是把事物本质的共同特性提取出来而不考虑其他细节。,模块化：解决一个复杂问题时自顶向下逐步把软件系统划分成较小的、相对独立但又不相互关联的模块的
14、过程。,信息隐蔽：模块的实施细节对于其他模块来说是隐蔽的。,模块独立性：软件系统中每个模块只涉及软件要求的具体的子功能，和软件系统中其他模块的接口是简单的。,模块独立性指标：耦合性和内聚性,模块划分原则是：高内聚度，低耦合度,总体设计（概要设计）基本任务,1）设计软件系统结构,2）数据结构及数据库设计,3）编写概要设计文档,4）概要设计文档评审,软件结构设计工具结构图(程序结构图),程序结构图的基本图符,矩形表示模块，箭头表示模块间的调用关系,用带注释的箭头表示模块调用过程中来回传递的信息,实心圆箭头表示控制信息，空心圆箭头表示数据信息,软件结构设计工具结构图(程序结构图),常用结构图的四种模
15、块类型,传入模块：从下属模块取得数据，经处理再将其传送给上级模块。,传出模块：从上级模块取得数据，经处理再将其传送给下属模块。,变换模块：从上级模块取得数据，进行特定的处理，转换成其他形式，再传送给上级模块。,协调模块：对所有下属模块进行协调和管理的模块。,软件结构设计工具结构图(程序结构图),结构图例及术语,深度：表示控制的层数。宽度：整体控制跨度 扇入：调用一个给定模块的模块个数。扇出：一个模块直接调用的其他模块数。,上级模块、从属模块：上、下两层模块a和b，且有a调用b，则a是上级模块，b是从属模块。原子模块：树中位于叶子结点的模块。,软件结构设计工具结构图(程序结构图),面向数据流的设
16、计方法定义了一些不同的映射方法，利用这些方法可以把数据流图变换成结构图表示软件的结构。,数据流类型：变换型和事务型,变换型：变换型数据处理问题的工作过程大致分为三步，即取得数据、变换数据和输出数据。变换型系统结构图由输入、中心变换、输出三部分组成。,事务型：事务型数据处理问题的工作机理是接受一项事务，根据事务处理的特点和性质，选择分派一个适当的处理单元，然后给出结果。,详细设计基本任务,为软件结构图中的每个模块确定实现算法和局部数据结构，用某种选定的表达工具表示算法和数据结构的细节,常用设计工具,图形工具：程序流程图、N-S（方盒图）、PAD（问题分析图）和HIPO（层次图+输入/处理/输出图
17、）。,表格工具：判定表。,语言工具：PDL（伪码）,2.7 软件测试,目的、意义、人员 通过合理的设计测试用例以最少的人力和时间发现潜在的各种错误和缺陷 保证系统质量（满足需求规格）和可靠性 由开发人员、用户一起完成 测试基本方法 人工测试（静态测试）：评审软件文档或程序，包括代码检查、静态结构分析、代码质量度量。不实际运行软件，主要通过人工进行。机器测试（动态测试）：通过运行软件，来检验结果的正确性。主要包括白盒测试方法和黑盒测试方法。,白盒测试（结构测试、逻辑驱动测试）,将软件看成透明的白盒，根据程序的内部结构和逻辑结构来设计测试例子，对程序的路径和过程进行测试，检查是否满足设计的要求,白
18、盒测试基本原则,保证所测模块中每一独立路径至少执行一次；,保证所测模块所有判断的每一分支至少执行一次；,保证所测模块每一循环都在边界条件和一般条件下至少各执行一次；,验证所有内部数据结构的有效性。,测试用例根据程序内部逻辑设计，主要用于软件的单元测试。,用例主要设计方法有,逻辑覆盖：指一系列以程序内部的逻辑结构为基础的测试用例设计技术。,基本路径测试：根据软件过程性描述中的控制流程确定程序的环路复杂性度量，用此度量定义基本路径集合，并由此导出一组测试用例，对每一条独立执行路径进行测试。,逻辑覆盖设计的基本内容（利用测试用例）,语句覆盖：使得程序每一个语句至少都能被执行一次。,路径覆盖：使程序中
19、所有的可能的路径都至少经历一次。,判定覆盖：保证程序中每个判断的每个取值分支（T或F）至少经历一次。,条件覆盖：保证程序中每个判断的每个条件的可能取值至少执行一次。,判断-条件覆盖：使判断中每个条件的所有可能取值至少执行一次，同时每个判断的所有可能取值分支至少执行一次。,逻辑覆盖强度依次是：语句覆盖路径覆盖判定覆盖条件覆盖判断-条件覆盖,黑盒测试（功能测试）,将软件看成黑盒子，不考虑程序内部细节、结构和实现方式，仅仅测试软件的基本功能是否满足需要。,黑盒测试主要用于软件的确认测试。,根据程序的功能说明来设计测试用例，基本设计方法有,等价类划分法：典型黑盒测试方法，将程序的所有可能的输入数据划分
20、成若干部分（及若干等价类），然后从每个等价类中选取数据作为测试用例。,边界值分析法：它是对各种输入、输出范围的边界情况设计测试用例的方法。,错误推测法：人们可以靠经验和直觉推测程序中可能存在的各种错误，从而有针对性地编写检查这些错误的用例。,软件测试分四个步骤：单元测试、集成测试、确认测试（验收测试）、系统测试。,单元测试：对软件的最小单位模块进行测试，目的是发现各模块内部可能存在的各种错误。,集成测试：将模块组装起来后进行测试，主要目的是发现与接口有关的错误。,确认测试：用户根据合同进行，确认系统功能和性能的可接受性。,系统测试：将软件系统与硬件、外设及其他元素结合在一起，对整个软件系统进行
21、测试，发现软件与系统定义不符合或与之矛盾的地方。,单元测试,测试对象：对软件的最小单位模块进行测试。,目的：发现各模块内部可能存在的各种错误。,测试用例设计：根据程序的内部结构，其依据是详细设计说明书和源程序。,测试技术：通常以白盒测试为主，辅之以黑盒测试,单元测试内容：模块接口测试、局部数据结构测试、错误处理测试和边界测试。,集成测试,测试对象：将模块组装起来后进行测试。,目的：发现与接口有关的错误,测试用例设计：依据概要设计说明书,确认测试,任务：验证软件的有效性，即验证软件的功能和性能及其他特性是否与用户的要求一致。,测试用例设计：软件需求规格说明书,测试方法：主要运用黑盒测试法,系统测
22、试 任务：通过与系统的需求定义进行比较，发现软件与系统定义不符合或与之矛盾的地方。测试用例设计：需求分析规格说明书 基本内容：功能测试、性能测试、操作测试、配置测试、外部接口测试、安全性测试等,基本任务,根据测试时发现的错误，找出其原因和具体的位置，进行相应地更改。,在开放阶段，由开发人员来进行，谁开发的程序就由谁来进行调试。,基本步骤,错误定位、错误纠正、回归测试，防止引入新的错误,软件调试可分为静态调试和动态调试。静态调试主要是指通过人的思维来分析源程序代码和排错，是主要的调试手段，而动态调试是辅助静态调试。,2.8 软件的调试,调试的主要方法,强行排错：通过内存全部打印来排错；在程序特定部位设置打印语句；自动调试工具。,回溯法排错：发现了错误，分析错误征兆，确定发现“症状”的位置。一般用于小程序。,原因排除法（演绎、归纳、二分法),演绎法：根据已有的测试用例，设想及枚举出所有可能出错的原因作为假设；然后再用原始测试数据或新的测试，从中逐个排除不可能正确的假设；最后，再用测试数据验证余下的假设确定出错的原因。,归纳法：从错误征兆着手，通过分析它们之间的关系来找出错误。大致分四步：收集有关的数据；组织数据；提出假设；证明假设。,二分法：在程序的关键点给变量赋正确值，然后运行程序并检查程序的输出。如果输出结果正确，则错误原因在程序的前半部分；反之，错误原因在程序的后半部分。,
