設(shè)計原理

模塊化

模塊是由邊界元素限定的相鄰程序元素的序列，而且有一個總體標(biāo)識符代表它。

按照模塊的定義，過程、函數(shù)、子程序和宏，都可作為模塊。

面向?qū)ο蠓椒▽W(xué)中的對象是模塊，對象內(nèi)的方法也是模塊。模塊是構(gòu)成程序的基本構(gòu)件。

模塊化就是把程序劃分成獨立命名且可獨立訪問的模塊，每個模塊完成一個子功能，把這些模塊集成起來構(gòu)成一個整體，可以完成指定的功能滿足用戶的需求

當(dāng)模塊數(shù)目增加時每個模塊的規(guī)模將減小，開發(fā)單個模塊需要的成本確實減少了，但是，隨著模塊數(shù)目的增加，設(shè)計模塊間接口所需要的工作量也將增加，根據(jù)這兩個因素，得出圖中的總成本曲線。

每個程序都相應(yīng)地有一個最適當(dāng)?shù)哪K數(shù)目M，使得系統(tǒng)的開發(fā)成本最小，雖然目前還不能精確地決定M的數(shù)值，但是在考慮模塊化的時候總成本曲線確實是有也的指南。

采用模塊化原理可以使軟件結(jié)構(gòu)清晰，不僅容易設(shè)計也容易閱讀和理解。

抽象

人類在認(rèn)識復(fù)雜現(xiàn)象的過程中使用的最強有力的思維工具是抽象。人們在實踐中認(rèn)識到，在現(xiàn)實世界中一定事物、狀態(tài)或過程之間總存在著某些相似的方面(共性)。把這些相似的方面集中和概括起來，暫時忽略它們之間的差異,這就是抽象?；蛘哒f抽象就是抽出事物的本質(zhì)特性而暫時不考慮它們的細(xì)節(jié)。

由于人類思維能力的限制，如果每次面臨的因素太多，是不可能產(chǎn)生精確思維的。處理復(fù)雜系統(tǒng)的唯有效的方法是用層次的方式構(gòu)造和分析它。一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)首先可以用一些高級的抽象概念構(gòu)造和理解.這些高級概念又可以用一些較低級的概念構(gòu)造和理解，如此進(jìn)行下去,直至最低層次的具體元素。

這種層次的思維和解題方式必須反映在定義動態(tài)系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)之中，每級的一個概念將以某種方式對應(yīng)于程序的一組成分。當(dāng)考慮對任何問題的模塊化解法時，可以提出許多抽象的層次。在抽象的最高層次使用問題環(huán)境的語言，以概括的方式敘述問題的解法;在較低抽象層次采用更過程化的方法，把面向問題的術(shù)語和面向?qū)崿F(xiàn)的術(shù)語結(jié)合起來敘述問題的解法;最后,在最低的抽象層次用可以直接實現(xiàn)的方式敘述問題的解法。

軟件工程過程的每一步都是對軟件解法的抽象層次的一次精化。在可行性研究階段,軟件作為系統(tǒng)的一個完整部件:在需求分析期間，軟件解法是使用在問題環(huán)境內(nèi)熟悉的方式描述的:當(dāng)由總體設(shè)計向詳細(xì)設(shè)計過渡時，抽象的程度也就隨之減少了;最后,當(dāng)源程序?qū)懗鰜硪院?#xff0c;也就達(dá)到了抽象的最低層。

逐步求精和模塊化的概念,與抽象是緊密相關(guān)的。隨著軟件開發(fā)工程的進(jìn)展，在軟件結(jié)構(gòu)每層中的模塊，表示了對軟件抽象層次的一次精化。事實上，軟件結(jié)構(gòu)頂層的模塊,控制了系統(tǒng)的主要功能并且影響全局:在軟件結(jié)構(gòu)底層的模塊,完成對數(shù)據(jù)的一個具體處理。用自頂向下由抽象到具體的方式分配控制，簡化了軟件的設(shè)計和實現(xiàn)，提高了軟件的可理解性和可測試性，并且使軟件更容易維護(hù)。

逐步求精

逐步求精是人類解決復(fù)雜問題時采用的基本方法，也是許多軟件工程技術(shù)(例如，規(guī)格說明技術(shù)，設(shè)計和實現(xiàn)技術(shù))的基礎(chǔ)。可以把逐步求精定義為:“為了能集中精力解決主要問題而盡量推遲對問題細(xì)節(jié)的考慮。”

逐步求精之所以如此重要,是因為人類的認(rèn)知過程遵守Miller 法則:一個人在任何時候都只能把注意力集中在(7土2)個知識塊上。

但是，在開發(fā)軟件的過程中，軟件工程師在一段時間內(nèi)需 要考慮的知識塊數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于7。例如，一個程序通常不止使用7個數(shù)據(jù),一個用戶也往往有不止7個方面的需求。逐步求精方法的強大作用就在于,它能幫助軟件工程師把精力集中在與當(dāng)前開發(fā)階段最相關(guān)的那些方面上,而忽略那些對整體解決方案來說雖然是必要的，然而目前還不需要考慮的細(xì)節(jié).這些細(xì)節(jié)將留到以后再考慮。Miller 法則是人類智力的基本局限，人們不可能戰(zhàn)勝自己的自然本性，只能接受這個事實，承認(rèn)自身的局限性，并在這個前提下盡自己的最大努力工作。

事實上，可以把逐步求精看作是項把一個時期內(nèi)必須解決的種種問題按優(yōu)先級排序的技術(shù)。逐步求精方法確保每個問題都將被解決，而且每個問題都將在適當(dāng)?shù)臅r候被解決,但是，在任何時候一個人都不需要同時處理7個以上知識塊。逐步求精最初是由Niklaus Wirth提出的種自頂向下的設(shè)計策略。按照這種設(shè)計策略，程序的體系結(jié)構(gòu)是通過逐步精化處理過程的層次而設(shè)計出來的。通過逐步分解對功能的宏觀陳述而開發(fā)出層次結(jié)構(gòu)，直至最終得出用程序設(shè)計語盲表達(dá)的程序。

Wirth本人對逐步求精策略曾做過如下的概括說明?！?span style="color:#f33b45;">我們對付復(fù)雜問題的最重要的辦法是抽象，因此,對一個復(fù)雜的問題不應(yīng)該立刻用計算機指令、數(shù)字和邏輯符號來表示，而應(yīng)該用較自然的抽象語句來表示，從而得出抽象程序。抽象程序?qū)Τ橄蟮臄?shù)據(jù)進(jìn)行某些特定的運算并用某些合適的記號(可能是自然語言)來表示。對抽象程序做進(jìn)一步的分解，并進(jìn)入下 一個抽象層次,這樣的精細(xì)化過程一直進(jìn)行下去,直到程序能被計算機接受為止。這時的程序可能是用某種高級語言或機器指令書寫的。”

求精實際上是細(xì)化過程。

人們從在高抽象級別定義的功能陳述(或信息措述)開始，也就是說，該陳述僅僅概念性地描述了功能或信息，但是并沒有提供功能的內(nèi)部工作情況或信息的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。求精要求設(shè)計者細(xì)化原始陳述,隨著每個后續(xù)求精(即細(xì)化)步驟的完成而提供越來越多的細(xì)節(jié)。

抽象與求精是對互補的概念。

抽象使得設(shè)計者能夠說明過程和數(shù)據(jù)，同時卻忽略了低層細(xì)節(jié)。事實上，可以把抽象看作是一種通過忽略多余的細(xì)節(jié)同時強調(diào)有關(guān)的細(xì)節(jié)，而實現(xiàn)逐步求精的方法。求精則幫助設(shè)計者在設(shè)計過程中逐步揭示出低層細(xì)節(jié)。這兩個概念都有助于設(shè)計者在設(shè)計演化過程中創(chuàng)造出完整的設(shè)計模型。

信息隱藏和局部化

應(yīng)用模塊化原理時，自 然會產(chǎn)生的一個問題是:“為了得到最好的-組模塊,應(yīng)該怎樣分解軟件呢?”信息隱藏原理指出:應(yīng)該這樣設(shè)計和確定模塊，使得一個模塊內(nèi)包含的信息(過程和數(shù)據(jù))對于不需要這些信息的模塊來說，是不能訪問的。局部化的概念和信息隱藏概念是密切相關(guān)的。所謂局部化是指把些 關(guān)系密切的軟件元素物理地放得彼此靠近。在模塊中使用局部數(shù)據(jù)元素是局部化的一個例子。顯然。局部化有助于實現(xiàn)信息隱藏。

實際上，應(yīng)該隱藏的不是有關(guān)模塊的切信息，而是 模塊的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。 因此，有人主張把這條原理稱為“細(xì)節(jié)胞藏”。在“隱藏”意味著有效的模塊化可以通過定又 一組獨立的模塊面實現(xiàn)，這些獨立的模塊彼此間僅僅交換那些為了完成系統(tǒng)功能而必須交換的信息。如果在測試期間和以后的軟件維護(hù)期間需要修改軟件，那么使用信息隱藏原理作為模塊化系統(tǒng)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)就會帶來極大好處。因為絕大多數(shù)數(shù)據(jù)和過程對于軟件的其他部分面言是隱藏的(也就是“看”不見的)，在修改期間由于疏忽面引人的錯誤就很少可能傳播到軟件的其他部分。

模塊獨立

模塊獨立的概念是模塊化抽象、信息隱藏和局部化概念的直接結(jié)果。

開發(fā)具有獨立功能面且和其他模塊之間沒有過多的相互作用的模塊，就可以做到模塊獨立。換句話說，希望這樣設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)，使得每個模塊完成一個 相對獨立的特定子功能，并且和其他模塊之間的關(guān)系很簡單。

為什么模塊的獨立性很重要呢?主要有兩條理由:

第一，有效的模塊化(即具有獨立的模塊)的軟件比較容易開發(fā)出來。這是由于能夠分割功能而且接口可以簡化.當(dāng)許多人分工合作開發(fā)同一個軟件時，這個優(yōu)點尤其重要。

第二，獨立的模塊比較容易測試和維護(hù)。這是因為相對說來，修改設(shè)計和程序需要的工作量比較小，錯誤傳播范圍小，需要擴充功能時能夠“插入”模塊?？傊?#xff0c;模塊獨立是好設(shè)計的關(guān)鍵，而設(shè)計又是決定軟件質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

模塊的獨立程度可以由兩個定性標(biāo)準(zhǔn)度量，這兩個標(biāo)準(zhǔn)分別稱為內(nèi)聚和耦合。耦合衡量不同模塊彼此間互相依賴(連接)的緊密程度:內(nèi)聚衡量一個模塊內(nèi)部各個元素彼此結(jié)合的緊密程度。以下分別詳細(xì)闡述。

1.耦合

耦合是對一個軟件結(jié)構(gòu)內(nèi)不同模塊之間互連程度的度量。桐合強弱取決于模塊間接口的復(fù)雜程度,進(jìn)人或訪問一個模塊的點，以及通過接口的數(shù)據(jù)。

在軟件設(shè)計中應(yīng)該追求盡可能松散耦合的系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中可以研究、測試或維護(hù)任何一個模塊，而不需要對系統(tǒng)的其他模塊有很多了解。此外，由于模塊間聯(lián)系簡單,發(fā)生在一處的錯誤傳播到整個系統(tǒng)的可能性就很小。因此，模塊間的耦合程度強烈影響著系統(tǒng)的可理解性、可測試性、可靠性和可維護(hù)性。

怎樣具體區(qū)分模塊間耦合程度的強弱呢?

如果兩個模塊中的每一個都能獨立地工作而不需要另一個模塊的存在，那么它們彼此完全獨立.這意味著模塊間無任何連接，概合程度最低。但是，在一個軟件系統(tǒng)中不可能所有模塊之間都沒有任何連接。

如果兩個模塊彼此間通過參數(shù)交換信息，而且交換的信息僅僅是數(shù)據(jù)，那么這種耦合稱為數(shù)據(jù)耦合。如果傳遞的信息中有控制信息(盡管有時這種控制信息以數(shù)據(jù)的形式出現(xiàn)),則這種耦合稱為控制耦合。

數(shù)據(jù)耦合是低耦合。系統(tǒng)中至少必須存在這種耦合,因為只有當(dāng)某些模塊的輸出數(shù)據(jù)作為另一些模塊的輸人數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)才能完成有價值的功能。一般說來，一個系統(tǒng)內(nèi)可以只包含數(shù)據(jù)耦合?？刂岂詈鲜侵械榷鹊鸟詈?它增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度?？刂岂詈贤嵌嘤嗟?#xff0c;在把模塊適當(dāng)分解之后通?？梢杂脭?shù)據(jù)耦合代替它。

如果被調(diào)用的模塊需要使用作為參數(shù)傳遞進(jìn)來的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的所有元素,那么，把整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為參數(shù)傳遞就是完全正確的。但是，當(dāng)把整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為參數(shù)傳遞而被調(diào)用的模塊只需要使用其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)元素時，就出現(xiàn)了特征耦合。在這種情況下，被調(diào)用的模塊可以使用的數(shù)據(jù)多于它確實需要的數(shù)據(jù)，這將導(dǎo)致對數(shù)據(jù)的訪問失去控制，從而給計算機犯罪提供了機會。

當(dāng)兩個或多個模塊通過一個公 共數(shù)據(jù)環(huán)境相互作用時，它們之間的耦合稱為公共環(huán)境耦合。公共環(huán)境可以是全程變量、共享的通信區(qū)、內(nèi)存的公共覆蓋區(qū)、任何存儲介質(zhì)上的文件、物理設(shè)備等。

公共環(huán)境耦合的復(fù)雜程度隨耦合的模塊個數(shù)而變化，當(dāng)耦合的模塊個數(shù)增加時復(fù)雜程度顯著增加。如果只有兩個模塊有公共環(huán)境,那么這種耦合有下面兩種可能。
(1)一個模塊往公共環(huán)境送數(shù)據(jù),另一個模塊從公共環(huán)境取數(shù)據(jù)。這是數(shù)據(jù)耦合的一種形式,是比較松散的耦合。
(2)兩個模塊都既往公共環(huán)境送數(shù)據(jù)又從里面取數(shù)據(jù)，這種耦合比較緊密,介于數(shù)據(jù)耦合和控制耦合之間。如果兩個模塊共享的數(shù)據(jù)很多，都通過參數(shù)傳遞可能很不方便，這時可以利用公共環(huán)境耦合。

最高程度的耦合是內(nèi)容耦合。如果出現(xiàn)下列情況之一， 兩個模塊間就發(fā)生了內(nèi)容耦合

1、一個模塊訪問另一個模塊的內(nèi)部數(shù)據(jù)。
2、一個模塊不通過正常人口而轉(zhuǎn)到另一個模塊的內(nèi)部。
3、兩個模塊有一部分程序代碼重疊(只可能出現(xiàn)在匯編程序中)。
4、一個模塊有多個人口(這意味著一個模塊有幾種功能)。

應(yīng)該堅決避免使用內(nèi)容耦合。事實上許多高級程序設(shè)計語言已經(jīng)設(shè)計成不允許在程序中出現(xiàn)任何形式的內(nèi)容耦合。

總之，耦合是影響軟件復(fù)雜程度的一個重要因素。應(yīng)該采取下述設(shè)計原則:盡量使用數(shù)據(jù)耦合，少用控制耦合和特征耦合，限制公共環(huán)境耦合的范圍，完全不用內(nèi)容耦合。

2.內(nèi)聚

內(nèi)聚標(biāo)志著一個模塊內(nèi)各個元素彼此結(jié)合的緊密程度,它是信息隱藏和局部化概念的自然擴展。簡單地說,理想內(nèi)聚的模塊只做一件事情 。設(shè)計時應(yīng)該力求做到高內(nèi)聚，通常中等程度的內(nèi)聚也是可以采用的，而且效果和高內(nèi)聚相差不多。內(nèi)聚和耦合是密切相關(guān)的，模塊內(nèi)的高內(nèi)聚往往意味著模塊間的松耦合。內(nèi)聚和耦合都是進(jìn)行模塊化設(shè)計的有力工具，但是實踐表明內(nèi)聚更重要，應(yīng)該把更鄉(xiāng)注意力集中到提高模塊的內(nèi)聚程度上。

低內(nèi)聚有如下兒類:如果-個模塊完成一組任務(wù)，這些任務(wù)彼此間即使有關(guān)系，關(guān)系也是很松散的，就叫做偶然內(nèi)聚。有時在寫完一個程序之后，發(fā)現(xiàn) 組語句在兩處成多處出現(xiàn)，于是把這些語句作為個模塊以節(jié) 省內(nèi)存.這樣就出現(xiàn)了偶然內(nèi)聚的模塊。如果一個模塊完成的任務(wù)在邏輯上屬于相同或相似的一類(例如 個模塊產(chǎn)生 各種類型的全部輸出)則稱為邏輯內(nèi)聚。如果一個模塊包含的任務(wù)必須在同一段時間內(nèi)執(zhí)行(例如，模塊完成各種初始化工作)，就叫時間內(nèi)聚。

在偶然內(nèi)聚的模塊中，各種元素之間沒有實質(zhì)性聯(lián)系,很可能在一種應(yīng)用場合需要 修改這個模塊，而在另種應(yīng)用場合又不允許這種修改，從而陷人困境。 事實上，偶然內(nèi)聚
的模塊出現(xiàn)修改錯誤的概率比其他類型的模塊高得多。

在邏輯內(nèi)聚的模塊中，不同功能混在一起，合用部分程序代碼即使局部功能的修改有時也會影響全局。因此，這類模塊的修改也比較困難。

時間關(guān)系在一定程度上反映了程序的某些實質(zhì)，所以時間內(nèi)聚比邏輯內(nèi)聚好一些。中內(nèi)聚主要有兩類:如果一個模塊內(nèi)的處理元素是相關(guān)的，而且必須以特定次序執(zhí)行，則稱為過程內(nèi)聚。使用程序流程圖作為工具設(shè)計軟件時，常常通過研究流程圖確定模塊的劃分，這樣得到的往往是過程內(nèi)聚的模塊。如果模塊中所有元素都使用同一個輸人數(shù)據(jù)和(或)產(chǎn)生同一個輸出數(shù)據(jù)，則稱為通信內(nèi)聚。

高內(nèi)聚也有兩類:如果一個模塊內(nèi)的處理元素和同一個功能密切相關(guān)，而且這此處理必須順序執(zhí)行(通常一個處理元素的輸出數(shù)據(jù)作為下一個處理元素的輸人數(shù)據(jù)),則稱為順序內(nèi)聚。根據(jù)數(shù)據(jù)流圖劃分模塊時，通常得到順序內(nèi)聚的模塊,這種模塊彼此間的連接往往比較簡單。如果模塊內(nèi)所有處理元素屬于一個整體,完成一個單一的功能,則稱為功能內(nèi)聚。功能內(nèi)聚是最高程度的內(nèi)聚。

耦合和內(nèi)聚的概念是Constantine, Yourdon,Myers和Stevens等人提出來的。按照他們的觀點，如果給上述7種內(nèi)聚的優(yōu)劣評分，將得到如下結(jié)果:

功能內(nèi)聚10 分??? 時間內(nèi)聚3 分
順序內(nèi)聚9 分????? 邏輯內(nèi)聚1 分
通信內(nèi)聚7 分????? 偶然內(nèi)聚0 分
過程內(nèi)聚5 分

事實上，沒有必要精確確定內(nèi)聚的級別。重要的是設(shè)計時力爭做到高內(nèi)聚，并且能夠辨認(rèn)出低內(nèi)聚的模塊，有能力通過修改設(shè)計提高模塊的內(nèi)聚程度并且降低模塊間的耦合程度，從而獲得較高的模塊獨立性。

總結(jié)

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