第十章.形式化描述
浅析形式化描述方法的应用
式化 方法 使用具有精确 的、一致性 的和 完整性 的数学符 号来描述软件系统 ，因此 只要保证 软 件规约对实 际问题 描述的正确性 ，就能确保 软 件系统实现 的完备性与可靠性 。
２ ． ２ 形 式 化 方 法 的 内容
有效地提 高软件质量和开发效率 ，减少开发成 本 。形式化描述 的优势在于实 际问题 的抽象和 语法准确 、语义清晰、描述准确规范 、表达无 二义性。形式化方法还可 以通过数学工具求解 些问题的确定解进行有效地检查软件系统 中 的非功能特 性。
ｚ语 言 是 由英 国 Ｏ ｘ ｆ ｏ ｒ ｄ大 学 程 序 研 究 组 设计 的一种基于 一阶谓词逻辑和 集合 论的形式 规格说 明语 言，它采用 了严格 的数学理论，可 以产生简 明、精确 、无歧义且可 证明的规格 说
【 关键词 】软件工程 形式化描 述 形式规约语
言 Ｚ语 言
明。它支持形式化方法 中的两种 类型的抽 象， 并分别称之为表示抽 象和操作抽 象。在表示抽 象 中，数据从数据结构 的表示细节抽 象出来 ， 使用关系 、函数 、集合 、序列 、包等抽 象的数
１ 引 言
随着计算机 硬件和应 用技术 的快速发展 ， 软件工程 和软件开发技术也发展迅速 ，那么在 这种情况 下，开发 出正确 的、可靠 的、安全 的、
可扩展 的、 结构复杂的软件就变得越来越重要 ， 形式化描述方法 的出现成为 了解决此 问题 的一 种方法 。软件工程和 设计模 式的规格和功能描 述可 以采用非形式化和 形式化描述两种方法， 非形式化的描述方法主要有 自然语言、流程图 等 ，但 是这种方法存在一定 的局限性、不准确 性和 易混淆性 。而形式化描述 方法 则是使 用严 格 的数 学方法进行描述 ，并且具有严格 的语 法 和语义 定义，可 以准确 、抽象 、规范地描述 软 件系统 的模 型、功能和规格 ，从而提 高软件 的 正确性和可靠性 ，更好地满 足用户的需求。
作战任务的形式化描述及其过程表示方法
ｓ ｌ ｏ ｄ ｅｂ ｔｇａ ｎ ｎｔ ｏ ｂ ｈｖｏ ｄｓ ｌ ｉｎｄｔ ｄ ｐ ｉ ｃ ｏ ｍｕａｉ ｌ． ｉ ａ ｎｍｏ ｌ ｉ ｅ ｒ ｉｇｕ ｉ ｆ ｅ ａｉｒ ｍｕａ ｏ ａａ ｐｎ ｉ ｔ ｎｔ ｓ ｌ ｏ ｒ ｅ ｍｕ ｔ ｉ ｎ ｙ ｔ ｓ ｎ ａ ｉ ｔ ｎ ａ ｍａ ｇｕ ｉ ｏ ｉ ｎ ｔｎ ｕ
ｉ ． ｅ ｔ ｔ ｄ ｎ ｆ ｒ ｌ ｄ ｓ ｒ ｔｏ ｔ ｏ ｆ ｏ ｅ ａ ｉｎ ｌ ｔ ｓ Ｓ ｃ ｒｉｄ ｏ ｔ ｎ ｄ ｐ ｈ ｓ ｙ ｏ ｏ ｍａ ｅ ｃ ｐ ｉ ｎ ｍｅｈ ｄ ｏ ｐ ｒ ｔ ａ ａ ｋ ｉ ａ ｒｅ ｕ ．Ｂａ ｅ ｎ ａ ａｙ ｉ ｇ ｔ ｅ ｃ ｎ ｅ ｔ ｏ ｕ ｉ ｏ ｓ ｄ ｏ ｎ ｌ ｚｎ ｏ ｃ ｐ ｆ ｈ
作 战 任 务 的形 式 化 描 述 及 其过 程表 示 方 法 术
程
摘
恺 ，车军辉 ，张宏 军 ，王 亮
（ 解 放军理工大学工程兵工程学 院，江苏 南京 ２００ ； ． 陆军指挥学 院，江苏 南京 ２０４ ） １ １０７ ２ 南京 １０５
要 ：为 了使各信 息系统一致地 理解作 战任务 的 内涵及执行过程 ，本文对作战任务 的形式化描述 方法进行 了深 入研 究。在分析作战任务概念和组 成的基础 上，利用八元 组结构给 出其形式化定义。抽 象 出作 战任 务 中的三类关
问题的形式化描述
问题的形式化描述
在计算机科学中，问题的形式化描述是将问题转化为表达形式，以便进行计算和解决。
这通常包括一些符号和规则，用于表示问题的元素、关系和限制。
形式化描述可用于各种问题类型，如数值计算、逻辑推理、优化问题、自然语言处理等。
通常，问题的形式化描述包括以下几个步骤：
1.确定问题的元素：将问题中所涉及到的事物抽象为元素，如变量、常量、操作符等。
2.定义元素之间的关系：将问题中的关系转化为逻辑结构，如等式、不等式、集合等。
3.限制元素的取值范围：确定问题中每个元素的取值范围，如整数、实数、布尔值等。
4.给定问题的目标：明确问题的目标，如寻找最大值、最小值、满足某些条件的解等。
5.构建数学模型：将以上步骤中定义的元素、关系和限制组合起来，形成数学模型。
6.解决问题：利用数学工具和算法对模型进行求解，得到问题的解。
形式化描述模型
形式化描述模型形式化描述模型是一种利用数学模型来说明某一特定问题的概念性技术，主要应用于行业中的计算机科学和统计学。
形式化描述模型是一种数学工具，其中包含的元素可以描述和模拟问题的计算和推理过程。
因此，形式化描述模型不仅仅是利用数学变量和方程来定义一个问题，而是利用数学变量、方程和数据来分析和模拟和解决某个特定问题。
形式化描述模型通过表达式、方程或有限状态机来描述问题，以帮助用户理解和确定解决方案。
表达式的主要功能是描述问题的计算，它们可以实现逻辑推理，但可能不能解决复杂的逻辑运算。
方程可以准确描述问题，可以用于解决复杂的计算问题，但也会带来更大的计算开销。
有限状态机将问题划分为有限个状态，用于描述系统的状态变化，从而用于解决模拟、控制和决策等各种问题。
形式化描述模型的另一个重要方面是数据，它是模型中重要的一部分，可以加强模型的准确性，其核心是数据的收集、清洗、建模和应用到模型中，从而增强模型的表达能力。
在数据收集时，要注意采集质量，确保采集数据的准确性，克服缺失值和噪音。
清洗是指数据的清理，将不必要的数据去除，以减少计算量；建模是指根据数据构建一个数学模型；最后是应用，将模型应用到实践中，实现预测或决策等目的。
形式化描述模型的研究是行业中重要的一环。
研究者通过模型分析和发现已有的数据，来理解问题的规律，帮助用户去解决某个特定问题。
近年来，形式化描述模型的研究成果在计算机科学、数据科学和机器学习等学科中得到广泛应用，极大地推动了行业发展。
形式化描述模型是一种非常有用的数学工具，可以帮助用户快速准确地分析和模拟问题，实现预测和决策。
形式化描述模型的研究领域也在不断发展，为行业发展做出了重要贡献。
形式化描述模型
形式化描述模型本文的主要内容是介绍形式化描述模型，首先介绍模型的基本原理和它的实际应用；其次，讨论其在软件工程中的重要性和用途；最后，总结一下模型的优点和缺点。
正文一、介绍形式化描述模型（FDM）是一种基于数学形式的技术，用来对系统进行划分和分析，能够有效描述系统中动态变化的系统参数，利用数学方程式和函数来描述各类系统行为，并构建有效的计算机模型，以达到一个模拟和解析的效果。
形式化描述模型的核心是一个系统描述，如量化的描述、图形化的描述、基于文本的描述和基于图形的描述等。
二、实际应用形式化描述模型在许多领域有着广泛的应用，例如工业控制系统、传感器网络和自动化驾驶。
例如，工业控制系统中，可以利用形式化描述模型来模拟和解析复杂的流程、控制系统的控制回路和调节等，从而提高系统的可靠性和性能。
另外，形式化描述模型也可以用于传感器网络，如无线传感器网络，利用形式化描述模型来处理复杂的传感器网络通信系统，分析其在不同条件下的性能，以及优化传感器网络的运行状态。
此外，形式化描述模型还可以用于自动驾驶，对自动驾驶汽车中的车辆动态行为进行模拟和分析，有效地帮助车辆实现自动化驾驶。
三、在软件工程中的重要性形式化描述模型在软件工程应用中发挥重要的作用，可以有效地描述软件系统的结构和模型，从而达到可靠性和理解性的要求，并有助于进一步提高软件的建模能力。
例如，可以利用形式化描述模型来构建高效的软件系统，如问题解决器、程序设计语言和软件测试系统，使软件系统有更好的可理解性和可管理性。
此外，形式化描述模型也可以帮助软件工程师实现软件系统的功能和性能测试，辅助软件工程师进行系统的调试和可视化分析等。
四、优点和缺点形式化描述模型在软件工程应用中有很多优点，主要有以下几点：（1）可靠性高：形式化描述模型可以有效地描述详细的软件系统结构，能够有效降低软件开发过程中的人为错误；（2）可维护性高：形式化描述模型可以提高软件维护能力，有助于建立可靠的维护模型，降低软件系统的可维护性；（3）模块化：形式化描述模型可以将软件系统划分为一个个模块，使软件系统模块之间的耦合降到最低，提高软件开发效率；（4）复用性高：形式化描述模型可以提高软件系统的复用性，通过模型构建实现可复用的软件系统，大大减少软件开发的时间和成本。
软件设计与体系结构课后习题答案(秦航)
牡丹江师范学院--软件工程--朱有富 2015 年 6 月整理
第一章 1.什么是软件？软件的特点是什么？软件有那些分类？ 计算机软件是由专业人员开发并长期维护的软件产品； 特点：
1）软件不是在传统意义上生产制造的，而是由设计开发的； 2）软件不会像硬件那样磨损和老化； 3）随着构件构造模式的发展，软件需要根据实际需求定制； 分类：计算机软件分为 7 个大类: ①系统软件②应用软件③嵌入式软件④科学和工程计 算软件⑤产品线软件⑥人工智能软件⑦Web 应用软件 2.软件设计应该包括哪些要素？软件设计在软件工程中所处的位置和重要性如何？ 元素：①分析模型②数据/类设计③体系结构设计④接口设计⑤构件级设计 位置：软件需求分析->需求规格说明->软件设计->设计文档->软件编码…… 重要性： 软件设计是软件工程中形成质量的地方，设计为我们提供了质量评估的软件表示，设 计是我们能够将用户需求准确地转化为软件产品或系统的唯一方法。是所有软件工程 活动和随后的软件支持活动的基础。没有设计，就会有构造不稳定系统的风险。 3.请用自己的话说明软件体系结构。传统的建筑体系结构科学和软件体系结构有何相 似之处？有何不同之处？ 软件体系结构是软件系统的基本组织，包含构件、构件之间、构件与环境之间的关系 ，以及相关的设计与演化原则等。 相似之处： 都是所构建系统的计划，都具有确保得到期望的特性，也是所构建系统的描述。 不同之处： 建筑师创建的是相对静止的静态描述而软件体系结构师创建的体系结构描述、代码在 以后将被执行多次，靠许多组件的交互来得到期望结果。
2垂直型设计是指运用面向体系结构的专用建模设计工具及其表达模型所进行的软件体系结构的设计一般来说这种专用工具针对软件体系结构的描述首先定义一种表达模型然后围绕该模型通过提供相应的设计工具来支持软件体系结构的设计
形式化说明技术
详细描述
定理证明采用数学逻辑和公理系统，对系统 行为进行严格的证明或反证，以验证系统是 否满足预期的行为和性质。这种方法在计算 机科学和数学领域广泛应用。
模拟与实验验证
总结词
模拟与实验验证是通过模拟或实际实验来验 证系统行为正确性的方法。
详细描述
模拟与实验验证通过模拟系统的运行环境或 进行实际实验，观察系统的行为表现，并与 预期行为进行比较，以验证系统是否满足预 期的行为和性质。这种方法在系统开发过程
现状
目前，形式化说明技术已经得到了广泛的应用和发展，成为软件和 系统开发领域的重要分支之一。
02
形式化说明的表示方法
逻辑表示法
总结词
逻辑表示法是一种基于逻辑推理规则的表示方法，用于描述系统的性质和行为。
详细描述
逻辑表示法使用逻辑公式和推理规则来描述系统的输入、输出和状态转换。它 能够精确地表达条件、关系和推理规则，适用于描述具有复杂逻辑关系的系统。
验证成本
形式化说明技术的验证过程往往需要 大量的人力和时间，增加了开发成本。
形式化说明技术的未来发展方向
智能化
标准化
利用机器学习、人工智能等技术，提高形 式化说明技术的自动化程度，降低人工干 预。
制定统一的形式化说明技术标准，提高不 同工具和平台之间的互操作性。
可视化
跨领域应用
利用图形、动画等可视化技术，提高形式 化说明技术的可读性和易用性。
硬件描述语言
使用形式化说明技术可以创建精 确的硬件模型，例如使用Verilog 或VHDL等硬件描述语言。
硬件逻辑验证
通过形式化说明技术，可以对硬 件设计的逻辑正确性进行验证， 确保硬件在所有可能的情况下都 能正常工作。
硬件优化
第10章 形式化方法
第10章形式化方法用于开发计算机系统的形式化方法是描述系统性质的基于数学的技术。
它一般用于一致性检查、类型检查、有效性验证、行为预测以及设计求精验证。
本章内容主要包括：形式化方法的概念、有限状态机、Pertri网、净室方法学等。
10.1 基础知识10.1.1 形式化方法的概念形式化方法提供了一个框架，人们可以在框架中以系统的方式刻画、开发和验证系统。
形式化方法提供了规约环境的基础，它使得所生成的分析模型必用传统的或面向对象的方法生成的模型更完整、一致和无二义性。
支配形式化方法的基本概念是：数据不变式、状态、离散数学、序列相关联的符号体系、形式化规约语言。
形式化规约的目标是无二义性、一致性和完整性。
然而，形式化方法的使用导致了达到这些理想的更高的可能性。
10.1.2 有限状态机有限状态机是实时系统设计中的一种数学模型，是一种重要的、易于建立的、应用比较广泛的、以描述控制特性为主的建模方法，它可以应用于从系统分析到设计的所有阶段。
有限状态机的组成如下：（1）一个有限的状态集合Q。
（2）一个有限的输入集合I。
（3）一个变迁函数ò：Q×I—〉Q变迁函数也是一个状态函数，在某一状态下，给定输入后，FSM转入该函数产生的新状态。
ò的定义域内的某些数值可以是未定义的。
有限状态机的优点在于简单易用，状态的关系能够直观看到。
但应用在实时系统中时，其最大的缺点是：任何时刻系统只能有一个状态，无法表示并发性，不能描述异步并发的系统。
另外，在系统部件较多时，状态数随之增加导致复杂性显著增长。
10.1.3Petri网Petri网是在软件分析中，用一种系统的数学和图形的描述与分析的方法。
对于具有并发、异步、分布、并行、不确定性或随机性的信息处理系统，都可以利用Petri网方法构造出要开发的Petrie网模型。
Petri网行为特性包括可达性、有界性、活性、可逆性、可覆盖性、持久性、异步距离和公平性等。
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• 图10-6
10.3 行为描述
• 代数方法适合于描述操作独立于对象状态 的接口 • 假如某个操作的结果依赖于先前操作的结 果，结果将非常复杂， • 因此在行为描述的采用基于模型的方法 • 常见的方法有VDM方法，Ｂ方法，Ｚ方法
• 软件的形式化描述 • 使用一种规范语言，其词汇，语法和语义 都是有严格定义的
• • • • • 1.非形式化方法的缺点 矛盾，指一组相互冲突的陈述。 二义性，指读者可以用不同方式理解的陈述。 含糊性，几乎不可避免地会出现含糊性。 不完整性，不完整性可能是在系统规格说明 中最 常遇到的问题之一。 • 抽象层次混乱， 指在非常抽象的陈述中混进 了一 些关于细节
• 2.形式化的优点 • （1）有能力在需求系统需求中揭示问题和暴露
图10-5 代数描述的结构
描述体的四个组成部分
• 介绍 ——用来声明被定义的尸体种类（类型名） • 描述部分——用于对操作的非形式化描述 • 标记部分——定义对象类或抽象数据类型的接口 语法 • 公理部分——通过一组刻画抽象数据类型的行为 特征的公理来定义操作的定义。
子系统接口的形式化描述的开发过 程的各项活动
问题二义性 • （2）数学能够简洁准确地描述物理现象、对象或 动作的结果，因此是理想的建模工具。 • （3）可以在不同的软件工程活动之间平滑地过渡。 • （4）它提供了高层确认的手段，可以使用数学的 方法证明，设计符合规格说明，程序代码正确地 实现了设计结果
进行软件的形式化描述，它总是在系统描述完成之后，且在详细系统设 计之前，在详细的需求描述和形式化描述之间有一个紧密的反馈回路。 这样使得在系统需求中揭示问题和暴露二义性。
10.1 软件过程中的形式化描述
• 图10-1
软件系统详细描述的形式化方法
• 代数方法 • 基于模型的方法 顺序 代数 基于模型 Larch OBJ Z VDM B 并发 Lotos CSP Petri Nets
10.2 子系统接口描述
• 子系统接口：通常被定义为一组抽象数据 类型或对象，代数方法最初用于定义抽象 数据类型或接口。在抽象数据类型中。类 型是指通过指定类型操作而非类型来表示 定义的。形式化描述的代数方法用类型操 作关系来定义抽象数据类型
10.1 软件过程中的形式化描述
一,软件工程使用方法的分类 软件工程使用方法的分类 • 非形式化，用自然语言描述需求规格 • 半形式化，用数据流图或实体-联系图建立 模型 • 形式化，是描述系统性质的基于数学的技 术，也就是说，如果一种方法有坚实的数 学基础，那么它就是形式化的
• 二，为什么使用形Байду номын сангаас化描述
第十章 形式化描述
卫倩平 胡钦瑞
软件工程使用方法的分类
• 非形式化，用自然语言描述需求规格 • 半形式化，用数据流图或实体-联系图建立 模型 • 形式化，是描述系统性质的基于数学的技 术，也就是说，如果一种方法有坚实的数 学基础，那么它就是形式化的
• 10.1 软件过程中的形式化描述 • 10.2 子系统接口描述 • 10.3 行为描述