第三章軟體工程基礎
3.1 軟體工程基本概念
計算機軟體是包括程式、資料及相關文件的完整集合。 軟體的特點包括：
(1)軟體是一種邏輯實體;
(2)軟體的生產與硬體不同，它沒有明顯的製作過程; (3)軟體在執行、使用期間不存在磨損、老化問題;
(4)軟體的開發、執行對計算機系統具有依賴性，受計算機系統的限制，這導致了軟體移植的問題;
(5)軟體複雜性高，成本昂貴; (6)軟體開發涉及諸多的社會因素。
軟體按功能分為應用軟體、系統軟體、支撐軟體(或工具軟體)。 軟體危機主要表現在成本、質量、生產率等問題。
軟體工程是應用於計算機軟體的定義、開發和維護的一整套方法、工具、文件、實踐標準和工序。
軟體工程包括3個要素：方法、工具和過程。
軟體工程過程是把軟體轉化為輸出的一組彼此相關的資源和活動，包含4種基本活動： (1)P——軟體規格說明; (2)D——軟體開發; (3)C——軟體確認; (4)A——軟體演進。
軟體週期：軟體產品從提出、實現、使用維護到停止使用退役的過程。
軟體生命週期三個階段:軟體定義、軟體開發、執行維護，主要活動階段是： (1)可行性研究與計劃制定; (2)需求分析; (3)軟體設計; (4)軟體實現; (5)軟體測試; (6)執行和維護。
軟體工程的目標和與原則：
目標：在給定成本、進度的前提下，開發出具有有效性、可靠性、可理解性、可維護性、可重用性、可適應性、可移植性、可追蹤性和可互操作性且滿足使用者需求的產品。
基本目標：付出較低的開發成本;達到要求的軟體功能;取得較好的軟體效能;開發軟體易於移植;需要較低的費用;能按時完成開發，及時交付使用。
基本原則：抽象、資訊隱蔽、模組化、區域性化、確定性、一致性、完備性和可驗證性。 軟體工程的理論和技術性研究的內容主要包括：軟體開發技術和軟體工程管理。 軟體開發技術包括：軟體開發方法學、開發過程、開發工具和軟體工程環境。 軟體工程管理包括：軟體管理學、軟體工程經濟學、軟體心理學等內容。 軟體管理學包括人員組織、進度安排、質量保證、配置管理、專案計劃等。
軟體工程原則包括抽象、資訊隱蔽、模組化、區域性化、確定性、一致性、完備性和可驗證性。
3.2 結構化分析方法
結構化方法的核心和基礎是結構化程式設計理論。
需求分析方法有(1)結構化需求分析方法; (2)面向物件的分析的方法。 從需求分析建立的模型的特性來分：靜態分析和動態分析。
結構化分析方法的實質：著眼於資料流，自頂向下，逐層分解，建立系統的處理流程，以資料流圖和資料字典為主要工具,建立系統的邏輯模型。
結構化分析的常用工具
(1)資料流圖; (2)資料字典;(3)判定樹; (4)判定表。
資料流圖：描述資料處理過程的工具，是需求理解的邏輯模型的圖形表示，它直接支援系統功能建模。
資料字典：對所有與系統相關的資料元素的一個有組織的列表，以及精確的、嚴格的定義，使得使用者和系統分析員對於輸入、輸出、儲存成分和中間計算結果有共同的理解。
判定樹：從問題定義的文字描述中分清哪些是判定的條件，哪些是判定的結論，根據描述材料中的連線詞找出判定條件之間的從屬關係、並列關係、選擇關係，根據它們構造判定樹。
判定表：與判定樹相似，當資料流圖中的加工要依賴於多個邏輯條件的取值，即完成該加工的一組動作是由於某一組條件取值的組合而引發的，使用判定表描述比較適宜。
資料字典是結構化分析的核心。 軟體需求規格說明書的特點： (1)正確性; (2)無岐義性; (3)完整性; (4)可驗證性;(5)一致性; (6)可理解性; (7)可追蹤性。
3.3 結構化設計方法
軟體設計的基本目標是用比較抽象概括的方式確定目標系統如何完成預定的任務，軟體設計是確定系統的物理模型。
軟體設計是開發階段最重要的步驟，是將需求準確地轉化為完整的軟體產品或系統的唯一途徑。
從技術觀點來看，軟體設計包括軟體結構設計、資料設計、介面設計、過程設計。 結構設計：定義軟體系統各主要部件之間的關係。
資料設計：將分析時建立的模型轉化為資料結構的定義。
介面設計：描述軟體內部、軟體和協作系統之間以及軟體與人之間如何通訊。 過程設計：把系統結構部件轉換成軟體的過程描述。 從工程管理角度來看：概要設計和詳細設計。
軟體設計的一般過程：軟體設計是一個迭代的過程;先進行高層次的結構設計;後進行低層次的過程設計;穿插進行資料設計和介面設計。
衡量軟體模組獨立性使用耦合性和內聚性兩個定性的度量標準。
在程式結構中各模組的內聚性越強，則耦合性越弱。優秀軟體應高內聚，低耦合。 軟體概要設計的基本任務是：
(1)設計軟體系統結構;(2)資料結構及資料庫設計; (3)編寫概要設計文件;(4)概要設計文件評審。 模組用一個矩形表示，箭頭表示模組間的呼叫關係。
在結構圖中還可以用帶註釋的箭頭表示模組呼叫過程中來回傳遞的資訊。還可用帶實心圓的箭頭表示傳遞的是控制資訊，空心圓箭心表示傳遞的是資料。
結構圖的基本形式：基本形式、順序形式、重複形式、選擇形式。 結構圖有四種模組型別：傳入模組、傳出模組、變換模組和協調模組。 典型的資料流型別有兩種：變換型和事務型。
變換型系統結構圖由輸入、中心變換、輸出三部分組成。
事務型資料流的特點是：接受一項事務，根據事務處理的特點和性質，選擇分派一個適當的處理單元，然後給出結果。
詳細設計：是為軟體結構圖中的每一個模組確定實現演算法和區域性資料結構，用某種選定的表達工具表示演算法和資料結構的細節。
常見的過程設計工具有：圖形工具(程式流程圖)、表格工具(判定表)、語言工具(PDL)。
3.4 軟體測試
軟體測試定義：使用人工或自動手段來執行或測定某個系統的過程，其目的在於檢驗它是否滿足規定的需求或是弄清預期結果與實際結果之間的差別。
軟體測試的目的：發現錯誤而執行程式的過程。 軟體測試方法：靜態測試和動態測試。
靜態測試包括程式碼檢查、靜態結構分析、程式碼質量度量。不實際執行軟體，主要通過人工進行。
動態測試：是基本計算機的測試，主要包括白盒測試方法和黑盒測試方法。
白盒測試：在程式內部進行，主要用於完成軟體內部操作的驗證。主要方法有邏輯覆蓋、基本基路徑測試。
黑盒測試：主要診斷功能不對或遺漏、介面錯誤、資料結構或外部資料庫訪問錯誤、效能錯誤、初始化和終止條件錯，用於軟體確認。主要方法有等價類劃分法、邊界值分析法、錯誤推測法、因果圖等。
軟體測試過程一般按4個步驟進行：單元測試、整合測試、驗收測試(確認測試)和系統測試。
3.5 程式的除錯
程式除錯的任務是診斷和改正程式中的錯誤，主要在開發階段進行。 程式除錯的基本步驟： (1)錯誤定位;
(2)修改設計和程式碼，以排除錯誤; (3)進行迴歸測試，防止引進新的錯誤。 軟體除錯可分表靜態除錯和動態除錯。靜態除錯主要是指通過人的思維來分析源程式程式碼和排錯，是主要的設計手段，而動態除錯是輔助靜態除錯。主要除錯方法有：
(1)強行排錯法; (2)回溯法;
(3)原因排除法。
公共基礎知識總結下之資料庫系統
4.1 資料庫系統的基本概念
資料：實際上就是描述事物的符號記錄。
資料的特點：有一定的結構，有型與值之分，如整型、實型、字元型等。而資料的值給出了符合定型的值，如整型值15。
資料庫：是資料的集合，具有統一的結構形式並存放於統一的儲存介質內，是多種應用資料的整合，並可被各個應用程式共享。
資料庫存放資料是按資料所提供的資料模式存放的，具有整合與共享的特點。
資料庫管理系統：一種系統軟體，負責資料庫中的資料組織、資料操縱、資料維護、控制及保護和資料服務等，是資料庫的核心。
資料庫管理系統功能：
(1)資料模式定義：即為資料庫構建其資料框架; (2)資料存取的物理構建：為資料模式的物理存取與構建提供有效的存取方法與手段; (3)資料操縱：為使用者使用資料庫的資料提供方便，如查詢、插入、修改、刪除等以及簡單的算術運算及統計;
(4)資料的完整性、安生性定義與檢查; (5)資料庫的併發控制與故障恢復;
(6)資料的服務：如拷貝、轉存、重組、效能監測、分析等。 為完成以上六個功能，資料庫管理系統提供以下的資料語言：
(1)資料定義語言：負責資料的模式定義與資料的物理存取構建; (2)資料操縱語言：負責資料的操縱，如查詢與增、刪、改等;
(3)資料控制語言：負責資料完整性、安全性的定義與檢查以及併發控制、故障恢復等。
資料語言按其使用方式具有兩種結構形式：互動式命令(又稱自含型或自主型語言)宿主型語言(一般可嵌入某些宿主語言中)。
資料庫管理員：對資料庫進行規劃、設計、維護、監視等的專業管理人員。 資料庫系統：由資料庫(資料)、資料庫管理系統(軟體)、資料庫管理員(人員)、硬體平臺(硬體)、軟體平臺(軟體)五個部分構成的`執行實體。
資料庫應用系統：由資料庫系統、應用軟體及應用介面三者組成。
檔案系統階段：提供了簡單的資料共享與資料管理能力，但是它無法提供完整的、統一的、管理和資料共享的能力。
層次資料庫與網狀資料庫系統階段 ：為統一與共享資料提供了有力支撐。 關係資料庫系統階段 資料庫系統的基本特點：資料的整合性 、資料的高共享性與低冗餘性 、資料獨立性(物理獨立性與邏輯獨立性)、資料統一管理與控制。
資料庫系統的三級模式：
(1)概念模式：資料庫系統中全域性資料邏輯結構的描述，全體使用者公共資料檢視; (2)外模式：也稱子模式與使用者模式。是使用者的資料檢視，也就是使用者所見到的資料模式;
(3)內模式：又稱物理模式，它給出了資料庫物理儲存結構與物理存取方法。 資料庫系統的兩級對映：
(1)概念模式到內模式的對映; (2)外模式到概念模式的對映。
4.2 資料模型
資料模型的概念：是資料特徵的抽象，從抽象層次上描述了系統的靜態特徵、動態行為和約束條件，為資料庫系統的資訊表與操作提供一個抽象的框架。描述了資料結構、資料操作及資料約束。
E-R模型的基本概念
(1)實體：現實世界中的事物; (2)屬性：事物的特性;
(3)聯絡：現實世界中事物間的關係。實體集的關係有一對一、一對多、多對多的聯絡。
E-R模型三個基本概念之間的聯接關係：實體是概念世界中的基本單位，屬性有屬性域，每個實體可取屬性域內的值。一個實體的所有屬性值叫元組。
E-R模型的圖示法：(1)實體集表示法; (2)屬性表法; (3)聯絡表示法。 層次模型的基本結構是樹形結構，具有以下特點： (1)每棵樹有且僅有一個無雙親結點，稱為根; (2)樹中除根外所有結點有且僅有一個雙親。
從圖論上看，網狀模型是一個不加任何條件限制的無向圖。
關係模型採用二維表來表示，簡稱表，由表框架及表的元組組成。一個二維表就是一個關係。
在二維表中凡能唯一標識元組的最小屬性稱為鍵或碼。從所有侯選健中選取一個作為使用者使用的鍵稱主鍵。表A中的某屬性是某表B的鍵，則稱該屬性集為A的外來鍵或外碼。
關係中的資料約束：
(1)實體完整性約束：約束關係的主鍵中屬性值不能為空值;(2)參照完全性約束：是關係之間的基本約束;
(3)使用者定義的完整性約束：它反映了具體應用中資料的語義要求。
4.3關係代數
關係資料庫系統的特點之一是它建立在資料理論的基礎之上，有很多資料理論可以表示關係模型的資料操作，其中最為著名的是關係代數與關係演算。
關係模型的基本運算：
(1)插入 (2)刪除 (3)修改 (4)查詢(包括投影、選擇、笛卡爾積運算)
4.4 資料庫設計與管理
資料庫設計是資料應用的核心。 資料庫設計的兩種方法：
(1)面向資料：以資訊需求為主，兼顧處理需求; (2)面向過程：以處理需求為主，兼顧資訊需求。
資料庫的生命週期：需求分析階段、概念設計階段、邏輯設計階段、物理設計階段、編碼階段、測試階段、執行階段、進一步修改階段。
需求分析常用結構析方法和麵向物件的方法。結構化分析(簡稱SA)方法用自頂向下、逐層分解的方式分析系統。用資料流圖表達資料和處理過程的關係。對資料庫設計來講，資料字典是進行詳細的資料收集和資料分析所獲得的主要結果。
資料字典是各類資料描述的集合，包括5個部分：資料項、資料結構、資料流(可以是資料項，也可以是資料結構)、資料儲存、處理過程。
資料庫概念設計的目的是分析資料內在語義關係。設計的方法有兩種 (1)集中式模式設計法(適用於小型或並不複雜的單位或部門); (2)檢視整合設計法。
設計方法：E-R模型與檢視整合。
檢視設計一般有三種設計次序：自頂向下、由底向上、由內向外。 檢視整合的幾種衝突：命名衝突、概念衝突、域衝突、約束衝突。 關係檢視設計：關係檢視的設計又稱外模式設計。 關係檢視的主要作用：
(1)提供資料邏輯獨立性;
(2)能適應使用者對資料的不同需求; (3)有一定資料保密功能。
資料庫的物理設計主要目標是對資料內部物理結構作調整並選擇合理的存取路徑，以提高資料庫訪問速度有效利用儲存空間。一般RDBMS中留給使用者參與物理設計的內容大致有索引設計、整合簇設計和分割槽設計。
資料庫管理的內容： (1)資料庫的建立; (2)資料庫的調整; (3)資料庫的重組;
(4)資料庫安全性與完整性控制; (5)資料庫的故障恢復; (6)資料庫監控。
