16.1.1. 基本概念 #
计算机软件工程是一类求解的工程。 它应用计算机科学、数学及管理科学等原理，借鉴传统工程的原则、方法，创建软件以达到提高质量， 降低成本的目的。 其中，计算机科学、数学应用于构造模型与算法，工程科学用于制定规范、设计范型，评估成本及确定权衡， 管理科学用于计划、资源、质量、成本等管理。 从学科角度来看，软件工程是一门指导计算机软件开发和维护的工程学科。
软件工程的提出，是为了解决60年代出现的软件危机，当时在大型软件开发中存在着价格高，开发不容易控制， 软件开发工作量估计困难，软件质量低，项目失败率高等许多问题，给软件行业带来了巨大的冲击。 软件工程的研究，提出了一系列理论、原则、方法以及工具，试图解决软件危机。
和其它工程一样，软件工程有其目标、活动和原则，其框架可以概括为图16-1所表示的内容。 图 16.1 软件工程框架[王立福] # 
软件工程的目标可以概括为“生产具有正确性、可用性以及开销合宜的产品”， 其活动包括需求、设计、实现、确认以及支持等活动，围绕工程设计、支持以及管理，有以下的四条基本原则：
选取适宜的开发模型，可以认识需求易变性，并加以控制，以保证软件产品满足用户的需求；
采用合适的设计方法，通常要考虑实现软件的模块化、抽象与信息隐蔽、局部化、一致性以及适应性等特征；
提供高质量的工程支持，在软件工程中，软件工具与环境对软件过程的支持颇为重要；
重视开发过程的管理，软件工程的管理，直接影响可用资源的有效利用、生产满足目标的软件产品，提高软件组织的生产能力等问题。只有当软件过程予以有效管理时，才能实现有效的软件工程。
16.1.2. 软件工程活动 #
软件工程活动包括需求、设计、实现、确认及支持等，它们对应于软件开发活动的不同阶段，一般来说， 软件开发都要经历从分析设计到实现确认的过程。 在每个阶段按照相应的规范进行工作，并得到该阶段的成果，是保证整个开发活动成功的关键。 需求分析阶段处于软件开发的前期，其基本活动是准确定义未来系统的目标，确定为了满足用户的需求必须做什么。 需求分析又划分为两个阶段，即需求获取和需求规约，前者是用自然语言清楚地描述用户的要求， 而需求规约的目的是消除获取需求的二义性和不一致性。 在软件生命周期中，一个错误发现得越晚，修复错误的费用也越高，所以， 高质量的需求工程是软件项目得以正确、高效完成的前提。 对于系统分析人员，建立需求面临着以下三个方面的困难： 问题空间的理解，系统开发人员通常是计算机专业人员，难以深入理解各种业务系统所要解决的问题空间； 人与人之间的通信，对于系统分析人员而言，通信主要包括同用户的通信以及同事之间的通信，由于自然语言的二义性，会给准确刻画需求造成障碍； 需求的不断变化，造成需求变化的原因很多，包括技术，用户方，市场等等，作为分析人员，必须采用一些策略以适应变化。 面向对象的分析方法被认为是解决上述困难较好的技术， 但是完整、准确的刻划问题空间始终是分析人员所面临的挑战。 一般来说，需求分析阶段的主要任务是确定系统“做什么”，而设计阶段则要解决“怎么做”的问题。 通常 [1]_设计阶段又划分为总体设计和详细设计，总体设计确定系统的总体结构框架； 而详细设计要具体地描述如何具体地实现系统，通常可以依据详细设计的结果进行编码。 详细设计包括：详细的算法；数据表示和数据结构；实施的功能和使用数据之间的关系。 详细设计过程中，采用了一些工具，以便对数据、算法等进行描述，包括流程图， PAD(ProblemAnalysis Diagram)，盒图(N-S图)，伪码等等。 在软件实现阶段，要将设计的结果变换成程序设计语言编写的程序。 在实现阶段，首先要确定程序设计语言，其影响因素包括： 开发人员对语言的熟悉程度，语言的可移植性，编译程序的效率，编译工具的支持等等。 目前，C++语言是普遍被采用的构造系统软件的编程语言，而Java则更多地应用于编写网络程序。 无论采用哪一种编程语言，都要求编写高质量的源程序代码， 程序质量通常包含正确性、可读性、可移植性、程序效率等指标。 考虑到系统的维护和演化，提高源程序的可读性是实现阶段的一个重要目标，其途径包括添加注释，规范书写格式， 确定标识符命名原则，采用结构化的程序设计（不用或减少使用goto语句）等等。 尽管确认活动贯穿于软件开发活动的始终，但是系统完成后的软件测试是主要的确认活动。 软件测试是指按照特定规程，发现软件错误的过程。 软件测试的技术大体上可以分为两类，即白盒测试技术和黑盒测试技术，前者依据的是程序逻辑结构， 后者依据的是软件行为描述。 根据测试的步骤，测试活动又可以划分为单元测试，集成测试，确认测试和系统测试， 其中确认测试是为了检验软件的功能和性能是否与用户需求一致， 而系统测试主要是测试软件同硬件、其它支持软件、数据等结合在一起，在实际的运行情况下， 同用户需求的匹配程度。 当软件开发完成并交付用户使用后，就进入运行/维护阶段，在运行/维护阶段仍需要对软件进行修改， 称为软件维护，软件维护活动可以分为以下几类： #. 改正性维护，其目的是为了纠正运行阶段发现的软件错误，性能上的缺陷以及排除实施中的误用。 适应性维护，随着计算机的发展，软件的外部环境或者数据环境发生变化，为了使之适应这种变化而对软件的修改称为适应性维护。 完善性维护，在使用过程中，用户往往会对软件提出新的功能和性能需求，为了满足这些需求，需要修改或再开发软件，称为完善性维护。 预防性维护，预防性维护的目的是为了提高软件的可维护性，可靠性等，为进一步的软件维护打下良好的基础。预防性维护一般由开发单位主动进行。需求分析 #
系统设计 #
实现阶段 #
确认活动 #
软件维护 #
16.1.3. 结构化方法和面向对象方法 #
在进行系统分析设计的过程中，逐渐形成了一些系统化的方法，以便于更好地描述问题域及进行系统设计， 目前经常采用的两种方法是结构化方法和面向对象的方法。 结构化的方法基于模块化的思想，采用“自顶向下，逐步求精”的技术对系统进行划分， 分解和抽象是它的两个基本手段。 结构化分析将软件视为一个数据变换装置，接受各种输入，通过变换产生输出。 数据流图（DFD，Data-FlowDiagram）是一种描述数据变换的工具， 是结构化分析普遍采用的表示手段。 数据流图由五个部分组成，即： 加工，数据流，数据存储，数据源和数据潭，其中数据流表示数据和数据的流向， 而加工是对数据进行处理的单元（图16-2）。 除了数据流图以外，还需要数据字典和说明分别对数据流和加工进行描述。 图 16.2 图16-2：一个典型的数据流图：飞机订票 # 结构化的系统总体设计主要是确定模块结构图，以描述功能模块之间的关系，一些主要的表示形式有： 层次图，HIPO（层次+输入/处理/输出）图，结构图等等。 结构化的设计定义了一些原则和方法，可以将数据流图“映射”成为模块结构图。 面向对象的方法学认为，客观世界是由许多各种各样的类组成的，每种对象都有各自的内部状态和运动规律， 对象之间的作用和联系就构成了各种不同的系统。 面向对象方法学所追求的是使解决问题的方法空间与客观世界的问题空间结构达成一致。 由于面向对象的技术在理解问题空间、控制需求变化、消除从分析设计到编码的“鸿沟”、支持软件复用等各个方面优于其它方法， 使之称为目前软件开发的主流方法。 目前已经提出了多种不同的面向对象的分析、设计方法，如Cord-Yourdon方法，Booch方法， OMT方法，Jacobson的usecase驱动方法等等， 这些方法在侧重点、符号表示和实施策略上有所不同，但是其基本的概念是一致的，这些概念有： 对象，类，属性，服务，消息，继承，封装等等。 近年来， 综合Booch方法、OMT方法以及use case的UML(Unified modeling language， 统一建模语言)逐渐成为主要的面向对象方法。 图16-3给出了用UML表达几何体的例子 。 图 16.3 图16-3：用UML表达的线几何体类以及和其它类的关系（OpenGIS Consortium）。 # 结构化分析和设计 #
面向对象的分析和设计 #
16.1.4. 开发过程模型 #
软件开发模型是软件开发全部过程、活动和任务的结构框架。 软件开发模型能够清晰、直观的表达软件开发过程，明确规定要完成的主要活动和任务， 可以作为软件项目工作的基础。
随着软件工程了实践，相继提出了一系列开发模型，如下： 在瀑布模型中，将各项活动规定为依照固定顺序连接的若干阶段工作，形如瀑布流水（图16-4）， 瀑布模型的特征是：每一阶段接受上一阶段的工作结果作为输入； 其工作输出传入下一阶段； 每一阶段工作都要进行评审，得到确认后，才能继续下阶段工作。 瀑布模型较好地支持结构化软件开发，但是缺乏灵活性，无法通过软件开发活动澄清本来不够确切的需求。 图 16.4 瀑布模型 # 演化模型主要针对事先不能完整定义需求的软件开发。 用户可以先给出核心需求，当开发人员将核心需求实现后，用户提出反馈意见，以支持系统的最终设计和实现。 螺旋模型是在瀑布模型以及演化模型的基础上，加入风险分析所建立的模型。 在螺旋模型每一次演化的过程中，都经历以下四个方面的活动： 制定计划——确定软件目标，选定实施方案，弄清项目开发的限制条件。 风险分析——分析所选方案，考虑如何识别和消除风险。 实施工程——实施软件开发。 客户评估——评价开发工作，提出修正建议。 每一次演化都开发出更为完善的一个新的软件版本，形成了螺旋模型的一圈。 螺旋模型借助于原型，获取用户需求，进行软件开发的风险分析，对于大型软件的开发，是颇为实际的方法。 喷泉模型体现了软件开发过程中所固有的迭代和无间隙的特征（图16-5）。 喷泉模型表明了软件刻画活动需要多次重复。 例如，在编码之前，再次进行分析和设计，并添加有关功能，使系统得以演化。 同时，该模型还表明活动之间没有明显的间隙，例如在分析和设计之间没有明确的界限。 在面向对象技术中，由于对象概念的引入，使分析、设计、实现之间的表达连贯而一致，所以， 喷泉模型主要用于支持面向对象开发过程。 图 16.5 喷泉模型 # 目前，随着面向对象技术的发展和UML建模语言的成熟，统一软件开发过程(USDP， UnifiedSoftware Development Process)被提出以指导软件开发， 它是一个用例（usecase）驱动的、体系结构为中心的、增量迭代的开发过程模型， 适用于利用面向对象技术进行软件开发。瀑布模型 #
演化模型 #
螺旋模型 #
喷泉模型 #
