软件设计与体系结构-齐治昌
917876-软件工程-实验-第7章软件体系结构设计
2020/9/17
国防科技大学计算机学院
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第七章 软件体系结构设计
➢ 软件体系结构（architecture，也称“架构”）从 高层抽象的角度刻画组成目标软件系统的设计元素 （包括子系统、构件及类）以及它们之间的逻辑关 联。
➢ 在一个设计模型中可以存在一系列抽象级别不同的 体系结构模型。
➢ 抽象级别愈低，模型中子系统或构件的粒度越小， 软件实现的细节越多。
➢ 图7.1描绘了课程注册管理系统的高层软件结构。
➢ 结合此图依次介绍包图的相关概念、语言机制和布局规则。
2020/9/17
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图
7.1
包 图 示 例
2020/9/17
Web服务层 面向教务管理的控制包
面向学生的控制包
安全服务包
面向教务管理的视图包
面向学生的视图包
应用服务层
公共视图包 业务服务请求
传感数据上报
2020/9/17
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何谓体系结构
➢ 物理设备接口层应核心层的要求向传感器、报警器、 报警电话等物理设备发送必要的控制指令，也负责接 收来自传感器的监测数据。
➢ 图7.12所示的软件体系结构涉及的约束：
（1）位于较高层次的软件元素可以向低层元素发出服 务请求，低层元素完成计算后向高层元素发送服务应 答，反之不行；
求推导体系结构，如何确保体系结构满足软件需 求，尤其是非功能需求？ ➢ 是否存在指导软件体系结构设计的过程及方法学？
2020/9/17
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软件体系结构设计
➢ 本章试图回答上述问题。
➢ 7.1节描述与软件体系结构和体系结构设计有关的 基本概念
软件工程-齐志昌版 (4)
2011-8-10
国防科技大学计算机学院
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4.2初步需求获取技术 初步需求获取技术
例 家庭保安系统
负责人应要求小组成员对接收传感器事件、 负责人应要求小组成员对接收传感器事件、用户编 程控制、电话报警等操作进行更详细的描述， 程控制、电话报警等操作进行更详细的描述，必要 时可用流程图表示。 时可用流程图表示。 用户可能提出一些条件，如造价不能超过3， 用户可能提出一些条件，如造价不能超过 ，000元， 元 对传感器事件必须在1秒内作出响应 秒内作出响应， 对传感器事件必须在 秒内作出响应 ， 事件必须按 优先级进行处理等。会后小组负责人对这些信息进 优先级进行处理等。 行综合、整理，形成文档，该文档应能反映“ 行综合、整理，形成文档，该文档应能反映“家庭 保安系统”的全貌。 保安系统”的全貌。
2011-8-10
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第四章 需求分析基础
2011-8-10
国防科技大学计算机学院
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第四章 需求分析基础
用户需求、 用户需求、系统需求和软件设计描述
用户需求 用自然语言和图表描述 说明系统必须提供哪些服务、 说明系统必须提供哪些服务、系统运行要受哪些约束 系统需求 详细说明系统将要提供的服务以及系统受到的约束 精确的描述软件的功能 系统买方和软件开发者签订合同的重要内容 软件设计描述 在系统需求的基础上，加入更详细的内容， 在系统需求的基础上，加入更详细的内容，构成软件设计活动 的概要描述， 的概要描述，是软件设计和实现的基础
2011-8-10
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第四章 需求分析基础
4.2 初步需求获取技术 初步需求获取技术
访谈与会议 深入调查研究 开发原型
软件工程齐志昌版
2024/1/2
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UML的语言机制
6.2UML概述
状态图描述类的对象的动态行为。
它包含对象所有可能的状态、活动图描述系统为 完成某项功能而执行的操作序列，这些在每个状 态下能够响应的事件以及事件发生时的状态迁移 与响应动作。操作序列可以并发和同步。
活动图中包含控制流和信息流。控制流表示一个 操作完成后对其后续操作的触发，信息流则刻画 操作之间的信息交换。
“课程设置”对象的状态图表示，每个“课程设置”最多 只能容纳50个选课学生。
2024/1/2
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UML的语言机制
6.2UML概述
本章的后续章节将结合需求分析过程介绍UML的 用例图、包图、类图和活动图
第十章将结合软件设计过程介绍顺序图、协作图、 状态图和活动图。
2024/1/2
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6.2UML概述
问题空间中对象的行为是丰富多彩的，而软件解空间中对 象的行为却是单调刻板的。例如，存储单元只能作存取操 作，文件只能作读、写和定位操作。
只有借助于相当复杂的方法操纵解空间中的对象才能得到 问题的软件解。这就是所谓的“语义断层”。
2024/1/2
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面向对象的概念与思想
6.1面向对象的概念与思想
面向对象(Object-Oriented,简称OO)的需求分析方 法通过提供对象、对象间消息传递等语言机制让 分析人员在解空间中直接模拟问题空间中的对象 及其行为，从而削减了语义断层，为需求建模活 动提供了直观、自然的语言支持和方法学指导。
2024/1/2
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6.2UML概述
面向对象的迭代、渐进式软件开发过程
2024/1/2
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1 初启
6.2UML概述
在初启阶段，软件项目的发起人确定项目的主
软件工程-齐志昌-第二版
软件工程阶段
20世纪70年代，随着计算机应用的普及，软件开发的复 杂度越来越高，软件危机开始出现，软件工程的概念和方 法逐渐被提出和应用。
现代软件工程
20世纪80年代以后，随着面向对象编程和软件重用技术 的发展，软件工程进入了一个新的阶段，强调使用工程化 的方法和工具来指导和管理软件开发。
软件工程的三大支柱
02 软件开发生命周期
概念与模型
概念
软件开发生命周期是软件开发从开始 到结束的全过程，包括需求分析、设 计、编码、测试和维护等阶段。
模型
软件开发生命周期模型是描述软件开 发过程的抽象框架，常见的有瀑布模 型、螺旋模型、迭代模型等。
传统开发模型
瀑布模型
按顺序进行需求分析、设计、编码、测试和维护等阶段，阶段间具有严格的顺序性和依 赖性。
面向对象编程
使用面向对象编程语言（如Java、C）进行软件实现，通过封装、 继承和多态等机制实现代码重用和模块化。
面向过程编程
采用结构化程序设计方法，将软件系统分解为一系列过程，通过顺 序、选择和循环等结构实现软件功能。
函数式编程
使用函数式编程语言（如Haskell、Scala）进行软件实现，通过高阶 函数、不可变性等特性提高代码可读性和可维护性。
Jira
一款功能强大的项目管理工具，支持敏捷开发和传统瀑布模型，提供任务管理、缺陷跟 踪和需求管理等功能。
Gantt Chart
甘特图是一种常用的项目进度计划工具，通过条形图展示任务开始和结束时间，直观地 反映任务之间的依赖关系和时间进度。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
软件测试技术
单元测试
针对软件中的最小可测试单元（如函数、方法、类等）进行测试， 验证其功能和性能是否符合要求。
软件设计与体系结构
软件设计与体系结构《软件设计与体系结构》是2010年高等教育出版社出版的图书，作者是齐治昌。
该书是一本可作为高等院校计算机科学与技术专业、软件工程专业或信息类相关专业的本科生和研究生教材，以培养学生的软件设计思维能力以及方法和技术的运用能力，同时也适用于开发人员和项目管理人员在软件开发实践中参考。
内容软件工程强调以工程化思想和方法开发软件，而软件设计作为软件开发过程中的核心活动之一，对开发出满足需要的高质量软件起关键作用。
本书对软件设计以及软件体系结构的相关思想、理论与方法进行了系统的介绍，包括软件设计与软件体系结构在软件工程中的地位和作用、软件设计的基本方法与原则、统一建模语言UML2.0、面向对象的软件设计方法、面向数据流的软件设计方法、人机界面设计、软件体系结构风格与设计模式、基于构件的软件体系结构、软件体系结构评估、软件设计的进化等内容。
本书包含了作者多年来在软件开发实践、软件工程教学和科研活动中的认识与体会，并结合了大量的案例分析，力求全书内容与组织结构的系统性、先进性、基础性和实用性。
目录第1章软件工程与软件设计第2章统一建模语言UML第3章软件设计基础第4章面向对象的软件设计方法第5章面向数据流的软件设计方法第6章用户界面设计第7章软件体系结构风格与设计模式第8章基于分布构件的体系结构第9章软件体系结构评估第10章软件设计的进化“软件设计与体系结构”课程是为软件工程专业开设的必修课，也是计算机科学与技术软件开发方向课程。
本课程运用工程的思想、原理、技术、工具，来对软件设计以及软件体系结构的相关思想、理论与方法进行系统介绍，包括软件模型和描述、软件体系结构建模和UML、软件设计过程、软件体系结构风格、面向对象的软件设计方法、面向数据流的软件设计方法、用户界面设计、设计模式、Web服务体系结构、基于分布构件的体系结构、软件体系结构评估、软件设计的进化、云计算的体系结构等内容。
本课程的具体任务包括：1．让学生建立构建软件系统架构一般方法的感性认识，理解并掌握软件系统架构分析、体系结构建模与架构设计的相关理论知识，培养学生软件架构设计的基本能力，能从内部模块规划设计、系统层次结构的构建开始，了解构建系统结构的一般技术和方法。
国防科大-齐治昌-软件工程教育
2019/3/30
国防科技大学计算机学院
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二、信息时代的软件工程
1 强大的硬件支撑环境 2 丰富多彩的社会需求 3 软件即服务 4 软件复杂性的提高 5 当前我国软件工程的主要任务 6 构建超大系统ULS
2019/3/30
国防科技大学计算机学院
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信息时代的软件工程
1 强大的硬件支撑环境
2019/3/30
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超大系统ULS的工作基础
⑴ World Wide Web（W3C）－信息管理标准 ⑵ 模型驱动的体系结构（MDA）－软件开发方法 ⑶ 高性能计算网格（HPC） ⑷ 全局命令和控制系统(GCCS) ⑸ 全局信息网格（GIG）
2019/3/30
国防科技大学计算机学院
信息管理IM
多媒体系统
网络计算NC
多媒体技术
2019/3/30
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扩展计算机科学基础－强化人工智能
智能系统IS 基本问题 初等搜索策略 基于知识的推理 高级搜索 高级推理 Agents 自然语言处理 机器学习 规划编制系统 机器人 感知
2019/3/30
国防科技大学计算机学院
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3“软件即服务”
信息时代的软件工程
凸显了软件的功能和性能 现实世界 凸显了信息时代软件的 任务和特点 映 凸显了知识的在软件中 服 照 务 的核心地位 软件的结构、表示方式、 隐含的方法等内部属性留 计算机世界 给软件开发组织 软件不求所有只求所用，通过有偿服务解决知识 产权问题，有助于软件的定义和开发 知识产权是软件产业的生命线
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软件工程40年回顾
2 软件工程从设计起步
软件工程第四版齐治昌课后答案
1、Chapter 11.1 What is Software Engineering? Software engineering is the application of engineering principles and techniques to the development, operation, and maintenance of software systems. It is a discipline that involves the application of scientific and mathematical principles to the design, development, and maintenance of software products. Software engineering focuses on the development of efficient, reliable, and maintainable software systems thatmeet the needs of their users.1.2 What is the Software Life Cycle? The software life cycle is the set of stages that a software product goes through from its conception to its retirement. It typically consists of the following stages: Requirements Analysis, Design, Implementation, Testing, Deployment, Maintenance, and Retirement. Requirements Analysis involves gathering information from stakeholders and users to determine the needs of the software. Design involves creating a plan for the software thatmeets the requirements identified during Requirements Analysis. Implementation involves coding the software according to the plan created during Design. Testing involves verifying that the software works as expected. Deployment involves making the software available to its users. Maintenance involves making changes to the software to fix any bugs or to add new features. Retirement involves removing the software from use and archiving any important data or documents associated with it.1.3 What is the Difference Between Software Engineering and Computer Science?Software engineering and computer science are related disciplines, but they are not the same. Software engineering focuses on the development of software products, while computer science focuses on the study of computers and computing. Software engineering involves the design, development, and maintenance of software systems, while computer science involves the study of algorithms, data structures, and programming languages. Softwareengineering focuses on the practical application of engineering principles and techniques to the development of software products, while computer science focuses on the theoretical aspects of computing.2、Chapter 22.1 What is the System Development Life Cycle?The system development life cycle (SDLC) is a process used by software engineers to develop software products. The SDLC consists of six stages: planning, analysis, design, implementation, testing, andmaintenance. During the planning stage, the software engineer collects information from stakeholders and users to determine the scope and requirements of the software product. During the analysis stage, the software engineer analyzes the gathered information to determine the user’s needs and the software’s requirements. During the design stage, the software engineer creates a plan for the software product. During the implementation stage, the software engineer codes the software according to the plan created during the design stage. During thetesting stage, the software engineer verifies that the software works as expected. During the maintenance stage, the software engineer makes changes to the software to fix any bugs or to add new features.2.2 What is the Waterfall Model?The waterfall model is a software development process that follows a linear approach. It is a sequential process where each stage must be completed before the next stage can begin. The stages of the waterfall model are: requirements analysis, design,implementation, testing, deployment, and maintenance. During the requirements analysis stage, the software engineer collects information from stakeholders and users to determine the scope and requirements of the software product. During the design stage, the software engineer creates a plan for the software product. During the implementation stage, the software engineer codes the software according to the plan created during the design stage. During the testing stage, the software engineer verifies that the software works as expected. During thedeployment stage, the software engineer makes the software available to its users. During the maintenance stage, the software engineer makes changes to the software to fix any bugs or to add new features.2.3 What is the Spiral Model?The spiral model is a software development process that follows a cyclical approach. It is an iterative process where each stage is repeated multiple times until the desired result is achieved. The stages of the spiral model are: requirements analysis, design,implementation, testing, deployment, and maintenance. During the requirements analysis stage, the software engineer collects information from stakeholders and users to determine the scope and requirements of the software product. During the design stage, the software engineer creates a plan for the software product. During the implementation stage, the software engineer codes the software according to the plan created during the design stage. During the testing stage, the software engineer verifies that the software works as expected. During the软件工程第四版齐治昌课后答案deployment stage, the software engineer makes the software available to its users. During the maintenance stage, the software engineer makes changes to the software to fix any bugs or to add new features. The spiral model allows the software engineer to quickly make changes and adjustments to the software product as needed.。
软件设计与体系结构-齐治昌
过程：将方法和工具综合起来以达到合理、及时地进 行软件开发的目的
1.1软件工程
软件工程的目标和原则
在给定成本、进度的前提下，开发出具有可修改性、 有效性、可靠性、可理解性、可维护性、可复用性、 可适应性、可移植性、可跟踪性并满足用户需求的软 件产品。
软件设计的要素 目标描述、设计约束、产品描述、 设计原理、开发规划、使用描述
1.5 软件体系结构
软件设计是从软件需求到软件实现的活动，它 把各种软件需求转换为能直接实现的软件结构
软件需求与软件设计之间存在难以逾越的鸿沟， 如何有效的将软件需求软化为相应的设计？
软件需求——？——软件设计——软件实现 —软件体系结构
（1）UML的发展历程
多种面向对象分析与设计方法的存在不利于面向对象方法 的发展，也给用户的选择带来一些困惑。
1994年Booch和Rumbaugh首先将各自先前的研究成果统 一起来，于1995年10月发布了UM 0.8 。
经过Booch、Rumbaugh和Jacobson三人的共同努力，于 1996年发布UML 0.9，并从此将UM命名为UML。
开启阶段 精化阶段 构建阶段 产品化阶段
纵轴：
“谁”在“何时”、“如何”去做“何事” 9个工作流程 各个阶段实施的工作流程，在不同的时间段内
工作流所占工作量不同
1.4 软件设计
对软件如何被开发出来的一种规范化描述
软件需求分析和软件设计受到重视 编码所占比例越来越少
最后退役的全过程称为软件生存周期 软件有一个孕育、诞生、成长、成熟、衰亡的生存过程。
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整个软件系统的各个模块应使用一致的概念、符号和术语。 程序内部接口应保持一致。软件和硬件、操作系统的接口应 保持一致。系统规格说明与系统行为应保持一致。用于形式 化规格说明的公理系统应保持一致
软件工程的原则
完全性
软件系统不丢失任何重要成分，可以完全实现系统所要求功 能的程度。为了保证系统的完备性，在软件开发和运行过 程中需要严格的技术评审。
抽象、信息隐藏、模块化、局部化、一致性、完全性、 可验证性
目标
•基本目标：
可修改性
✓付出较低的开发成本 ✓达到要求的软件功能
有效性
✓取得较好的软件性能
可靠性
✓开发的软件易于移植
可理解性 可维护性 可复用性
✓需要较低的维护费用 ✓能按时完成开发工作 ✓及时交付使用
可适应性 可移植性
工具：人类在开发软件的活动中智力和体力的扩展和 延伸，为软件工程方法提供自动或半自动的软件支持 环境
过程：将方法和工具综合起来以达到合理、及时地进 行软件开发的目的
1.1软件工程
软件工程的目标和原则
在给定成本、进度的前提下，开发出具有可修改性、 有效性、可靠性、可理解性、可维护性、可复用性、 可适应性、可移植性、可跟踪性并满足用户需求的软 件产品。
1.1软件工程
软件危机：在计算机软件的开发和维护过 程中所遇到的一系列严重问题
软件设计：计算机软件发展到一定阶段， 为了应对软件危机
计算机软件=程序+数据+文档 计算机软件是逻辑和智力产品，不是物理
产品
1.1软件工程
软件的应用领域和分类
系统软件 实时软件 嵌入式软件 科学和工程计算软件 事物务理软件 人工智能软件 个人计算机软件
计相一致的。
软件生存周期
软件测试 单元测试，查找各模块在功能和结构上存在的问题并加 以纠正 集成测试，将已测试过的模块按一定顺序组装测试 确认测试，按规定的各项需求，逐项进行有效性确认测 试，决定已开发的软件是否合格，能否交付用户使用
使用与维护： 在用户特定的环境中，在测试通过后移交用户使用 改正性维护：运行中发现软件中的错误需要修正 适应性维护：为了适应变化了的软件工作环境，需做适 当变更 完善性维护：为了增强软件的功能需做变更
软件工程的目标是提高软 件的质量与生产率，最终
可追踪性 实现软件的工业化生产。
软件工程的原则
抽象
采用分层次抽象，自顶向下、逐层细化的办法控制软件开发 过程的复杂性
信息隐蔽
将模块设计成“黑箱”，实现的细节隐藏在模块内部，不让模 块的使用者直接访问。这就是信息封装，使用与实现分离的 原则
模块化
提交管理机构评审
软件生存周期
概要设计 — 把各项需求转换成软件的体系结构。结构 中每一组成部分都是意义明确的模块，每个模块都和某 些需求相对应，编写设计说明书，评审
详细设计 — 对每个模块要完成的工作进行具体的描述， 为源程序编写打下基础，编写设计说明书，提交评审
软件构造
把软件设计转换成计算机可以接受的程序代码， 即以某一种特定程序设计语言表示的“源程序清 单”；程序应当是结构良好、清晰易读的，且与设
1.3 软件开发过程模型
软件开发过程模型 是跨越整个生存期的系统开发、运作和维护 所实施的全部过程、活动和任务的结构框架
可验证性
开发大型的软件系统需要对系统自顶向下、逐层分解。系统 分解应遵循系统易于检查、测试、评审的原则，以确保系 统的正确性。
软件工程的原则
复杂问题 分解
解决原始问题
子问题1 子问题2 子问题n
程序1 程序2 程序n
软件 系统
集成
1.2 软件生存周期
Software life cycle 软件产品从形成概念开始，经过开发、使用和维护，直到
软件设计与体系结构
主讲教师：
1
第1章 软件工程与软件设计
1.1 软件工程 1.2 软件生存周期结
第1章 软件工程与软件设计
以计算机为核心的信息社会 软件是信息化的灵魂 以工程化方法和思想开发软件 软件设计是软件开发过程中的核心活动之一
最后退役的全过程称为软件生存周期 软件有一个孕育、诞生、成长、成熟、衰亡的生存过程。
这个过程即为计算机软件的生存周期 软件定义-软件开发-软件使用和维护
软件定义(系统分析)：可行性研究(软件计划)、需求分析 软件开发(系统设计)：概要设计、详细设计、软件实现
(编码、单元测试)、软件测试(组装测试、确认测试) 软件使用、维护 退役
1.1软件工程
软件危机 软件危机是指在计算机软件的开发和维护过程中所遇 到的一系列严重问题。 即包含两方面的问题： (1)如何开发软件 (2)如何维护软件
软件危机的原因 软件产品生产效率较低 软件供需失衡 用户需求不明确 整个软件开发过程缺乏正确的理论指导 软件产品的规模越来越大 软件产品开发的复杂度越来越高
1.1软件工程
软件工程
软件工程是指导计算机软件开发和维护的工程学科； 将系统的、规范的、可度量的工程化方法应用于软件
开发、运行和维护的全过程及上述方法的研究； 是用工程、科学和数学的原则与方法研制、维护计算
机软件的有关技术和管理方法；
软件工程要素：方法、工具、过程
方法：为软件开发提供了“如何做”的技术，是完成 软件工程项目的技术手段
软件生存周期
可行性研究
确定要开发软件系统的总目标 给出功能、性能、可靠性以及接口等方面的要求 完成该软件任务的可行性研究 估计可利用的资源 、成本、效益、开发进度 制定出完成开发任务的实施计划，连同可行性研
究报告，提交管理部门审查
需求分析
对用户提出的要求进行分析并给出详细的定义
编写软件需求说明书或系统功能说明书及初步的 系统用户手册
如 C 语言程序中的函数过程，C++ 语言程序中的类。模块化 有助于信息隐蔽和抽象，有助于表示复杂的系统。
软件工程的原则
局部化
要求在一个物理模块内集中逻辑上相互关联的计算机资源， 保证模块之间具有松散的耦合，模块内部具有较强的内聚。 这有助于控制解的复杂性
确定性
软件开发过程中所有概念的表达应是确定的、无歧义性的、 规范的。