软件工程的基本概念
软件定义
软件指的是计算机系统中与硬件相互依存的另一部分，包括程序、数据和相关文档的完整集合。
- 程序：软件开发人员根据用户需求开发的、用程序设计语言描述的、是和计算机执行的指令序列。
- 数据：使程序能正常操纵信息的数据结构。
- 文档：与程序的开发、维护和使用有关的图文资料。
可见，软件由两部分组成：
①机器可执行的程序和数据；
②机器不可执行的，与软件开发、运行、维护、使用等有关的文档。
软件的特点：
- 软件是一种逻辑实体，而不是物理实体，具有抽象性；
- 没有明显的制作过程，可进行大量的复制；
- 试用期间不存在磨损、老化问题；
- 软件的开发、运行对计算机系统具有依赖性；
- 软件复杂性高，成本昂贵；
- 软件开发涉及诸多社会因素。
根据应用目标的不同，软件可分应用软件、系统软件和支撑软件（或工具软件）
软件工程
软件危机泛指在计算机软件的开发和维护过程中遇到的一系列严重的问题，集中表现在成本、质量、生产效率等几个方面。
为了摆脱软件危机，提出了软件工程的概念。
所谓软件工程是指采用工程的概念、原理、技术和方法指导软件的开发与维护。
软件工程包括3个要素：方法、工具和过程。
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。
软件生命周期分为软件定义、软件开发及软件维护三个阶段。
软件生命周期各个阶段的活动可以有重复，执行时也可以有迭代。
软件生命周期中，能够准确确定软件系统必须做什么和必须具备哪些功能的阶段是：需求分析。
软件设计
软件设计是软件工程的重要阶段，是一个把软件需求转换为软件表示的过程。其基本目标是用比较抽象概括的方式确定目标系统如何完成预定的任务，即软件设计是确定系统的物理模型。
软件设计基本概念
从技术观点上看，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；
- 接口设计是描述软件内部、软件和协作系统之间以及软件与人之间如何通信；
- 过程设计则是把系统结构部件转换为软件的过程性描述。
从工程管理角度来看，软件设计分两步完成：概要设计和详细设计。
- 概要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；
- 详细设计确立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。
软件设计的基本原理
软件设计中应该遵循的基本原理和与软件设计有关的概念
- 抽象化：抽出事物的本质特性而暂时不考虑它们的细节。软件设计中考虑模块化解决方案时，可以定出多个抽象级别。抽象的层次从概要设计到详细设计逐步降低。
- 模块化：模块是指把一个待开发的软件分解成若干小的简单的部分。模块化是指解决一个复杂问题时自顶向下逐层把软件系统划分成若干模块的过程。
- 信息隐蔽：指在一个模块内包含的信息（过程或数据），对于不需要这些信息的其他模块来说是不能访问的，实现信息隐藏依靠对象的封装。
- 模块独立性：模块独立性是指每个模块只完成系统要求的独立的子功能，并且与其他模块的联系最少且接口简单。模块的独立程度是评价设计好坏的重要度量标准。
耦合性和内聚性
衡量软件的模块独立性使用耦合性和内聚性两个定性的度量标准。
- 耦合性：是对一个软件结构内不同模块之间互联程度的度量。耦合性取决于各个模块之间接口的复杂度、调用方式以及哪些信息通过接口。
- 内聚性：是一个模块内部各个元素间彼此结合的紧密程度的度量。
一个模块的内聚性越强则该模块的模块独立性越强。一个模块与其他模块的耦合性越强则该模块的模块独立性越弱。
- 耦合度由高到低：内容耦合、公共耦合、外部耦合、控制耦合、标记耦合、数据耦合、非直接耦合。
- 内聚性由高到低：功能内聚、顺序内聚、通信内聚、过程内聚、时间内聚、逻辑内聚、偶然内聚。
在程序结构中，各模块的内聚性越强，则耦合性越弱。一般较优秀的软件设计，应尽量做到高内聚，低耦合，即减弱模块之间的耦合性和提高模块内的内聚性，有利于提高模块的独立性。
结构化设计方法
结构化分析方法的定义
- 结构化分析方法就是使用数据流图（DFD）、数据字典（DD）、结构化英语、判定表和判定树的工具，来建立一种新的、称为结构化规格说明的目标文档。
- 结构化分析方法的实质是着眼于数据流、自顶向下、对系统的功能进行逐层分解、以数据流图和数据字典为主要工具，建立系统的逻辑模型。
结构化分析方法常用工具
- 数据流图（DFD）
数据流图是系统逻辑模型的图形表示，即使不是专业的计算机技术人员也容易理解它，因此它是分析员与用户之间极好的通信工具。
数据流图可以表达软件系统的数据存储、数据源点和终点、数据流向和数据加工。其中，用箭头表示数据流向，用圆或者椭圆表示数据加工，用双杠表示数据存储，用方框来表示数据源点和终点。 - 数据字典（DD）
数据字典是对数据流图中所有元素的定义的集合，是结构化分析的核心。
数据流图和数据字典共同构成系统的逻辑模型，没有数据字典数据流图就不严格，若没有数据流图，数据字典也难于发挥作用。
数据字典中有 4 种类型的条目：数据流、数据项、数据存储和加工。 - 判定表
有些加工的逻辑用语言形式不容易表达清楚，而用表的形式则一目了然。如果一个加工逻辑有多个条件、多个操作，并且在不同的条件组合下执行不同的操作，那么可以使用判定表来描述。 - 判定树
判定树和判定表没有本质的区别，可以用判定表表示的加工逻辑都能用判定树表示。
软件需求规格说明书
软件需求规格说明书是需求分析阶段的最后成果，是软件开发的重要文档之一。
它的特点是具有正确性、无歧义性、完整性、可验证性、一致性、可理解性、可修改性和可追踪性。
软件测试
软件测试的目的
Grenford.J.Myers 给出了软件测试的目的：
- 测试是为了发现程序中的错误而执行程序的过程；
- 好的测试用例（test case）能发现迄今为止尚未发现的错误；
- 一次成功的测试是能发现至今为止尚未发现的错误。
测试的目的是发现软件中的错误，但是，暴露错误并不是软件测试的最终目的，测试的根本目的是尽可能多地发现并排除软件中隐藏的错误。
软件测试的准则
根据上述软件测试的目的，为了能设计出有效的测试方案，以及好的测试用例，软件测试人员必须深入理解，并正确运用以下软件测试的基本准则：
- 所有测试都应追溯到用户需求；
- 严格执行测试计划，排除测试的随意性；
- 充分注意测试中的群集现象；
- 程序员应避免检查自己的程序；
- 不可能进行穷举测试；
- 妥善保存测试计划、测试用例、出错统计和最终分析报告，为维护提供方便。
软件测试方法
软件测试具有多种方法，依据软件是否需要被执行，可以分为静态测试和动态测试方法。如果依照功能划分，可以分为白盒测试和黑盒测试方法。
（1）静态测试和动态测试
① 静态测试包括代码检查、静态结构分析、代码质量度量等。其中代码检查分为代码审查、代码走查、桌面检查、静态分析等具体形式；
② 动态测试。静态测试不实际运行软件，主要通过人工进行分析。动态测试就是通常所说的上机测试，是通过运行软件来检验软件中的动态行为和运行结果的正确性。
动态测试的关键是使用设计高效、合理的测试用例。测试用例就是为测试设计的数据，由测试输入数据和预期的输出结果两部份组成。测试用例的设计方法一般分为两类：黑盒测试方法和白盒测试方法。
（2）黑盒测试和白盒测试
① 白盒测试。白盒测试是把程序看成装在一只透明的白盒子里，测试者完全了解程序的结构和处理过程。它根据程序的内部逻辑来设计测试用例，检查程序中的逻辑通路是否都按预定的要求正确地工作；
② 黑盒测试。黑盒测试是把程序看成一只黑盒子，测试者完全不了解，或不考虑程序的结构和处理过程。它根据规格说明书的功能来设计测试用例，检查程序的功能是否符合规格说明的要求。
软件测试实施
软件测试过程分 4 个步骤，即单元测试、集成测试、验收测试和系统测试。
- 单元测试是对软件设计的最小单位——模块（程序单元）进行正确性检验测试。单元测试的技术可以采用静态分析和动态测试。
- 集成测试是测试和组装软件过程，主要目的是发现与接口有关的错误，主要依据是概要设计说明书。
集成测试所设计的内容：软件单元的接口测试、全局数据结构测试、边界条件和非法输入的测试等。
集成测试时将模块组装成程序，通常采用两种方式：非增量方式组装和增量方式组装。 - 确认测试的任务是验证软件的功能和性能，以及其他特性是否满足了需求规格说明中确定的各种需求，包括软件配置是否完全、正确。确认测试的实施首先运用黑盒测试方法，对软件进行有效性测试，即验证被测软件是否满足需求规格说明确认的标准。
- 系统测试是通过测试确认的软件，作为整个基于计算机系统的一个元素，与计算机硬件、外设、支撑软件、数据和人员等其他系统元素组合在一起，在实际运行（使用）环境下对计算机系统进行一系列的集成测试和确认测试。
系统测试的具体实施一般包括：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。
程序调试
在对程序进行了成功的测试之后将进入程序调试（通常称 Debug，即排错）。
程序的调试任务是诊断和改正程序中的错误。调试主要在开发阶段进行。
程序调试活动由两部分组成，
①一是根据错误的迹象确定程序中错误的确切性质、原因和位置；
②二是对程序进行修改，排除这个错误。
程序调试的基本步骤：
- 错误定位。从错误的外部表现形式入手，研究有关部分的程序，确定程序中出错位置，找出错误的内在原因；
- 修改设计和代码，以排除错误；
- 进行回归测试，防止引进新的错误。
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，是主要的设计手段，而动态调试是辅助静态调试的。
主要的调试方法有：强行排错法、回溯法和原因排除法 3 种
