《詳細(xì)設(shè)計(jì)》PPT課件

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1、 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的根本目標(biāo)是確定應(yīng)該怎樣具體地實(shí)現(xiàn)所要求的系統(tǒng)。 詳細(xì)設(shè)計(jì)的結(jié)果基本上決定了最終的程序代碼的質(zhì)量。 5.1 結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì) 早在1965年，E.W.Dijkstra就提出結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)的概念。 1966年，Bohm和Jacopini證明了只用三種基本的控制結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)任何單人口單出口的程序。 這三種基本的控制結(jié)構(gòu)是“順序”、“選擇”和“循環(huán)”。 上圖中的（a）、（b）和（c）就分別是順序、選擇和循環(huán)的流程圖。 什么是結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)呢？ 結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)是一個設(shè)計(jì)程序的技術(shù)，它采用自頂向下逐步求精的設(shè)計(jì)方法和單入口單出口的控制結(jié)構(gòu)。 有人認(rèn)為結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)的定義中還應(yīng)包括采用“主程序員組”這種

2、人員組織形式。 使用結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)也存在一些好處和一些缺點(diǎn)。 從理論上說只用那三種基本控制結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)任何單入口單出口的程序。 但是為了實(shí)際使用方便，還常常允許使用DO-UNTIL和DO-CASE兩種控制結(jié)構(gòu)。它們的流程圖如上圖所示。 5.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)的工具 描述程序處理過程的工具稱為詳細(xì)設(shè)計(jì)的工具，它們可以分為圖形、表格和語言三類。 不論是哪類工具，對它們的基本要求都是能提供對設(shè)計(jì)的無歧義的描述，也就是應(yīng)該能指明控制流程、處理功能、數(shù)據(jù)組織以及其他方面的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，從而在編碼階段能把對設(shè)計(jì)的描述直接翻譯成程序代碼。 5.2.1 程序流程圖 程序流程圖又稱為程序框圖，它是歷史最悠久使用最廣泛的描

3、述軟件設(shè)計(jì)的方法。它使用了一些系統(tǒng)流程圖中沒有的符號。如下圖所示： 程序流程圖一直是軟件設(shè)計(jì)的主要工具。 它的主要優(yōu)點(diǎn)是：對控制流程的描繪很直觀，便于初學(xué)者掌握。 它的主要缺點(diǎn)是： 1. 程序流程圖本質(zhì)上不是逐步求精的好工具。它誘使程序員過早的考慮程序的控制流，而不去考慮程序的全局結(jié)構(gòu)。 2. 程序流程圖中用箭頭代表控制流，因此程序員可以不受任何約束，可以完全不顧結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)的精神，隨意轉(zhuǎn)移控制。 3. 程序流程圖不易表示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 5.2.2 盒圖（N_S圖） 這種盒圖是不允許違背結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)精神的圖形工具。它有下述特點(diǎn)： 1. 功能域明確，可以從盒圖上看出來。 2. 不可能任意轉(zhuǎn)移控制。

4、3. 很容易確定局部和全程數(shù)據(jù)的作用域。 4. 很容易表現(xiàn)嵌套關(guān)系，也可以表示模塊的層次結(jié)構(gòu)。 上圖給出了結(jié)構(gòu)化控制結(jié)構(gòu)和調(diào)用子程序的盒圖表示方法。 5.2.3 PAD圖 PAD是問題分析圖（Problem Analysis Diagram)的英文縮寫。它用二維樹形結(jié)構(gòu)的圖來表示程序的控制流。下圖給出了PAD圖的基本符號：其中: （a）順序（先執(zhí)行P1后執(zhí)行P 2） （b）選擇（IF C THEN P1 ELSE P2） （c）CASE型對分支 （d）WHILE型循環(huán)（WHILE C DO P） （e）UNTIL型循環(huán)（REPEAT P UNTIL C） （f）語句標(biāo)號 （g）定義 PAD圖的

5、主要優(yōu)點(diǎn)如下： (1)使用表示結(jié)構(gòu)化控制結(jié)構(gòu)的PAD符號所設(shè)計(jì)出來的程序必然是結(jié)構(gòu)化程序。 (2)PAD圖所描繪的程序結(jié)構(gòu)十分清晰。上圖最左邊的豎線是程序的主線，PAD圖中豎線的總條數(shù)就是程序的層次數(shù)。 (3)用PAD圖表現(xiàn)程序邏輯，易讀，易懂，易記。 (4)容易將PAD圖轉(zhuǎn)換成高級語言源程序。 (5)即可用于表示程序邏輯，也可用于描繪數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 (6)PAD圖的符號支持自頂向下、逐步求精方法的使 用。 使用PAD圖，開始時設(shè)計(jì)者可以定義一個抽象的程序，隨著設(shè)計(jì)工作的深入而使用def符號逐步增加細(xì)節(jié)，直到完成詳細(xì)設(shè)計(jì)，如下圖所示： 5.2.4 判定表 判定表能夠清晰地表示復(fù)雜的條件組合與應(yīng)做的

6、動作之間的對應(yīng)關(guān)系。一張判定表由四部分組成： 左上部列出所有條件。 左下部是所有可能做的動作。 右上部是表示各種條件組合的一個矩陣。 右下部是和每種條件組合相對應(yīng)的動作。 判定表右半部的每一列實(shí)質(zhì)上是一條規(guī)則，規(guī)定了與特定的條件組合相對應(yīng)的動作。 下面以行李托運(yùn)費(fèi)的算法為例說明判定表的組織方式。 假設(shè)某航空公司規(guī)定，乘客可以免費(fèi)托運(yùn)重量不超過30公斤的行李。當(dāng)行李重量超過30公斤時，對頭等艙的國內(nèi)乘客超重部分每公斤收費(fèi)4元，對其他艙的國內(nèi)乘客超重部分每公斤收費(fèi)6元，對國外乘客超重部分每公斤收費(fèi)比國內(nèi)乘客多一倍，對殘疾乘客超重部分每公斤比正常乘客少一半。 用判定表可以清楚的表示與上述每種條件組合

7、相對應(yīng)的動作(算法)，如下頁圖所示： 其中“T”表示條件成立，“F”表示條件不成立，空白表示這個條件的成立與否并不影響對動作的選擇。 畫“”表示做它左邊的那項(xiàng)動作，空白表示不做這項(xiàng)動作。 5.2.5 判定樹 判定樹是判定表的變種，也能清晰地表示復(fù)雜的條件組合與應(yīng)做的動作之間的對應(yīng)關(guān)系，是一種比較常用的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)工具。 與上表判定表對應(yīng)的判定樹如下： 5.2.6 過程設(shè)計(jì)語言(PDL) PDL也稱為偽碼，它是用正文形式表示數(shù)據(jù)和處理過程的設(shè)計(jì)工具。 PDL具有嚴(yán)格的關(guān)鍵字外部語法，用于定義控制結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然而，PDL表示實(shí)際操作和條件的內(nèi)部語法通常又是靈活自由的，以便可以適應(yīng)各種工程項(xiàng)目

8、的需要，它使用一種語言的詞匯，卻使用另一種語言的語法。 它具有以下特點(diǎn)： 1. 關(guān)鍵字的固定語法，它提供了結(jié)構(gòu)化控制結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)說明和模塊化的特點(diǎn)。 2. 自然語言的自由語法，它描述處理特點(diǎn)。 3. 數(shù)據(jù)說明的手段既包括簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，又包括復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 4. 模塊定義和調(diào)用的技術(shù)，應(yīng)該提供各種接口描述模式。 PDL作為一種設(shè)計(jì)工具還有如下一些優(yōu)點(diǎn)： 1.可以作為注釋直接插在源程序中間。 2.可以使用普通的正文編輯程序或文字處理系統(tǒng)，很方便地完成PDL的書寫和編輯工作。 3.已經(jīng)有自動處理程序存在，而且可以自動由PDL生成程序代碼。 5.2.7 模塊開發(fā)文件夾 模塊開發(fā)文件夾是組織和保存在軟

9、件開發(fā)過程種不斷產(chǎn)生出來的文檔資料的一種有效方法，用這種方法保存和管理文檔既方便又容易查閱。 文件夾的封面上列出工程項(xiàng)目的名稱、模塊名字、程序員姓名、完成日期、修改日期、源程序行數(shù)、目標(biāo)代碼長度、對模塊的簡要描述、以及設(shè)計(jì)、編碼、單元測試和集成測試等階段的起止時間等等。 文件夾內(nèi)應(yīng)該保存對模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)果的描述、源程序清單、測試時間、修改的源程序清單、最終的源程序清單、測試方案、測試軟件和測試結(jié)果等等。 5.3 Jackson程序設(shè)計(jì)方法 Jackson程序設(shè)計(jì)方法是面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，也就是用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 它的最終目的是得出對程序處理過程的描述，因此，這種方法最適合于在詳

10、細(xì)設(shè)計(jì)階段使用，也就是在完成了軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，可以使用面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方法來設(shè)計(jì)每個模塊的處理過程。 5.3.1 Jackson圖 它的邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只有三種：順序、選擇和重復(fù)。 順序結(jié)構(gòu)：它的數(shù)據(jù)由一個或多個數(shù)據(jù)元素組成，每個元素按確定次序出現(xiàn)一次。結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： 選擇結(jié)構(gòu)：它的數(shù)據(jù)包括兩個或多個數(shù)據(jù)元素，每次使用這個數(shù)據(jù)時按一定條件從這些數(shù)據(jù)元素中選擇一個。下圖所示的是三個中選一個結(jié)構(gòu)的Jackson圖： 重復(fù)結(jié)構(gòu)：它的數(shù)據(jù)，根據(jù)使用時的條件由一個數(shù)據(jù)元素出現(xiàn)零次或多次構(gòu)成。下圖表示重復(fù)結(jié)構(gòu)的Jackson圖： Jackson圖有下述優(yōu)點(diǎn)： 便于表示層次結(jié)構(gòu)，而且是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行自頂向下分解

11、的有力工具。 形象直觀可讀性好。 既能表示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也能表示程序結(jié)構(gòu)。 5.3.2 改進(jìn)的Jackson圖 上面介紹的Jackson圖的缺點(diǎn)是，用這種圖形工具表示選擇或重復(fù)結(jié)構(gòu)時，選擇條件或循環(huán)結(jié)束條件不能直接在圖上表示出來，影響了圖的表達(dá)能力，也不易直接把圖翻譯成程序，此外，框間連線為斜線，不易在行式打印機(jī)上輸出。 為了解決上述問題，建議使用改進(jìn)的Jackson圖。如下頁圖所示： 5.3.3 Jackson方法 Jackson結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方法基本上由下述五個步驟組成： 1. 分析并確認(rèn)輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，并用Jackson圖描述這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 2. 找出輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中有

12、對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)單元。 3. 從描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的Jackson圖導(dǎo)出描繪程序結(jié)構(gòu)的Jackson圖。 4. 列出所有操作和條件，并且把它們分配到程序結(jié)構(gòu)圖的適當(dāng)位置。 5. 用偽代碼表示程序。 其中第三條需要根據(jù)下列規(guī)則： 第一，為每對有對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)單元，按照它們在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖中的層次在程序結(jié)構(gòu)圖的相應(yīng)層次畫一個處理框。 第二，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中剩余的每個數(shù)據(jù)單元所處的層次，在程序結(jié)構(gòu)圖的相應(yīng)層次分別為它們畫上對應(yīng)的處理框。 第三，根據(jù)輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中剩余的每個數(shù)據(jù)單元所處的層次，在程序結(jié)構(gòu)圖的相應(yīng)層次分別為它們畫上對應(yīng)的處理框。 Jackson方法中使用的偽碼和Jackson圖是完全對應(yīng)的，下面是

13、和三種基本結(jié)構(gòu)對應(yīng)的偽碼。 和圖5.11（a）所示的順序結(jié)構(gòu)對應(yīng)的偽碼：其中seq和end是關(guān)鍵字。 A seq B C D A end 和圖5.11（b）所示的選擇結(jié)構(gòu)對應(yīng)的偽碼，其中select、 or和end示關(guān)鍵字，cond1、cond2和cond3分別是執(zhí)行B、C和D的條件： A select cond1 B A or cond2 C A or cond3 D A end 和圖5.11（d）所示重復(fù)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的偽碼，其中iter、 until、 while和end是關(guān)鍵字（重復(fù)結(jié)構(gòu)有until和while兩種形式），cond是條件： A iter until (或while) cond

14、 B A end 舉例： 一個正文文件由若干記錄組成，每個記錄是一個字符串。要求統(tǒng)計(jì)每個記錄中空格字符的個數(shù)，以及文件中空格字符的總個數(shù)。要求的輸出數(shù)據(jù)格式是，每復(fù)制一行輸入字符串之后，另起一行印出這個字符串中的空格數(shù)，最后印出文件中空格的總個數(shù)。解析： 對于這個簡單的例子而言。 第一步：確定輸入和輸出數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。下圖是用Jackson圖描繪的輸入/輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 第二步：在確定了輸入/輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之后，下一步是分析確定在輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中由有對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)單元。 第三步：從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中導(dǎo)出程序結(jié)構(gòu)圖。如下： 第四步：列出所有操作和條件，并且把它們分配到程序結(jié)構(gòu)圖的適當(dāng)位置。 首先，列

15、出統(tǒng)計(jì)空格個數(shù)需要的全部操作和條件如下：（1）停止 （2）打開文件（3）關(guān)閉文件 （4）印出字符串（5）印出空格數(shù)目 （6）印出空格總數(shù)（7）sum : =sum+1 （8）totalsum : =totalsum+sum（9）讀入字符串 （10）sum : = 0（11）totalsum : = 0 （12）pointer : = 1（13）pointer : =pointer+1 I（1）文件結(jié)束 I（2）字符串結(jié)束 S（3）字符是空格 其中，sum是保存空格個數(shù)的變量，totalsum是保存空格總數(shù)的變量，pionter是指示當(dāng)前分析的字符的在字符串中的位置的變量。 得到如下圖形： 第五

16、步：用偽碼表示程序處理過程。從圖5.14可以得出下列代碼：統(tǒng)計(jì)空格 seq 打開文件 讀入字符串 totalsum ： = 0 程序體 iter until文件結(jié)束 處理字符串 seq 印字符串 seq 印出字符串 印出字符串 end sum ：= 0 pointer ：= 1 分析字符串 iter until 字符串結(jié)束 分析字符 select 字符是空格 處理空格 seq sum ：=sum+1 pointer ：=pointer+1 處理空格 end 分析字符 or 字符不是空格 處理非空格 seq pointer ：=pointer+1 處理非空格 end 分析字符 end 分析字符串

17、 end 印空格數(shù) seq 印出空格數(shù)目 印空格數(shù) end totalsum ：=totalsum+sum 讀入字符串 處理字符串 end 程序體 end 印總數(shù) seq 印出空格總數(shù) 印總數(shù) end 關(guān)閉文件 停止 統(tǒng)計(jì)空格 end 5.5 程序復(fù)雜程度的定量度量 定量度量程序復(fù)雜程度的方法很有價值：把程序的復(fù)雜程度乘以適當(dāng)常數(shù)即可估算出軟件中故障的數(shù)量以及軟件開發(fā)需要用的工作量，定量度量的結(jié)果可以用來比較兩個不同的設(shè)計(jì)或兩個不同算法的優(yōu)劣；程序的定量的復(fù)雜程度可以作為模塊規(guī)模的精確限度。 這里著重介紹使用比較廣泛的McCabe方法和Halstead方法。 5.5.1 McCabe方法 使用

18、McCabe方法首先需要畫出程序圖。 所謂程序圖可以看成是“退化了的”程序流程圖，也就是把程序程序流程圖中每個處理符號都退化成一個點(diǎn)，原來連接不同處理符號的箭頭變成連接不同點(diǎn)的有向弧，這樣的有向圖就稱為程序圖。 用McCabe方法度量得出的結(jié)果稱為程序的環(huán)形復(fù)雜度，它等于強(qiáng)連通的程序圖中線性無關(guān)的有向環(huán)的個數(shù)。 通常稱程序圖中開始點(diǎn)后面的那個節(jié)點(diǎn)為入口點(diǎn)，稱停止點(diǎn)前面的那個節(jié)點(diǎn)為出口點(diǎn)。 從程序流程圖導(dǎo)出程序圖如下頁所示： 1.環(huán)形復(fù)雜度的計(jì)算方法 根據(jù)圖論，在一個強(qiáng)連通的有向圖中線形無關(guān)環(huán)的個數(shù)由下面的公式給出：V(G) = m- n +p 其中V(G)是有向圖G中的環(huán)數(shù)， m是有向圖G中的

19、弧數(shù)； n 是有向圖G中的節(jié)點(diǎn)數(shù)； p 是有向圖G中分離部分的數(shù)目。 對于一個正常的程序來說，應(yīng)該能夠從程序圖內(nèi)的入口點(diǎn)到達(dá)圖中任何一個節(jié)點(diǎn)，因此，程序圖總是連通的，也就是說，p=1。 強(qiáng)連通圖是指從圖中任一個節(jié)點(diǎn)出發(fā)都可以到達(dá)所有其他節(jié)點(diǎn)。 程序圖通常不是強(qiáng)連通的，因?yàn)閺膱D中較低的（即較靠近出口點(diǎn)的）節(jié)點(diǎn)往往不能到達(dá)較高的節(jié)點(diǎn)。然而，如果從出口到入口點(diǎn)畫一條虛弧，則程序圖必然成為強(qiáng)連通的。做出這個結(jié)論有下述三點(diǎn)理由： (1) 從入口點(diǎn)總能到達(dá)圖中任何一點(diǎn)； (2) 從圖中任何一點(diǎn)總能到達(dá)出口點(diǎn)； (3) 經(jīng)過從出口點(diǎn)到入口點(diǎn)的弧，可以從出口點(diǎn)到達(dá)入口點(diǎn)。 圖5.24(b)不是強(qiáng)連通的，必須增

20、加一條從出口點(diǎn)j到入口點(diǎn)b的虛弧，結(jié)果如下圖所示： 2. 環(huán)形復(fù)雜度的用途 程序的環(huán)形復(fù)雜度取決于程序控制流的復(fù)雜程度，也即是取決于程序結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。 當(dāng)程序內(nèi)分支或循環(huán)個數(shù)增加時，環(huán)形復(fù)雜度也隨之增加，因此它是對測試難度的一種定量度量，也能對軟件最終的可靠性給出某種預(yù)測。 McCabe研究大量程序后發(fā)現(xiàn)，環(huán)形復(fù)雜度高的程序往往是最困難、最容易出問題的程序。 實(shí)驗(yàn)表明，模塊規(guī)模以V(G)10為宜，也就是說， V(G)=10是規(guī)模的一個更科學(xué)更精確的上限。 5.5.2 H alstead方法 Halstead方法是另一個著名的方法，它是根據(jù)程序運(yùn)算中運(yùn)算符和操作符的總數(shù)來度量程序的復(fù)雜程度。

21、令N1為程序中運(yùn)算符出現(xiàn)的總次數(shù)，N2為操作數(shù)出現(xiàn)的總次數(shù)，程序長度N定義為：N= N 1 +N2 詳細(xì)設(shè)計(jì)完成之后，可以知道程序中使用的不同運(yùn)算符(包括關(guān)鍵字)的個數(shù)n1，以及不同操作數(shù)(變量和常數(shù))的個數(shù)n2。Halstead給出預(yù)測程序長度的公式如下：H= n1 log2 n1+ n2 log2 n2 多次實(shí)驗(yàn)都證明，預(yù)測的長度H與實(shí)際長度N非常接近。 Halstead還給出了預(yù)測程序中包含錯誤的個數(shù)的公式如下：E=N log 2 (n1+n2)/3000 5.6 小 結(jié) 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵任務(wù)是確定怎樣具體地實(shí)現(xiàn)所要求的目標(biāo)系統(tǒng)，也就是要設(shè)計(jì)出程序的“藍(lán)圖”。除了應(yīng)該保證的可靠性之外，

22、使將來編寫出的程序可讀性好，容易理解，容易測試和容易修改、維護(hù)使詳細(xì)設(shè)計(jì)階段最重要的目標(biāo)。 理論研究和大量實(shí)踐都表明，采用自頂向下逐步求精的策略和單入口單出口的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序是完全可行的，而且有一系列重大優(yōu)點(diǎn)，因此，結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的基本保證，是進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)的邏輯基礎(chǔ)。 程序流程圖、盒圖、PAD圖、HIPO圖、判定表、判定樹和PDL語言等等都是完成詳細(xì)設(shè)計(jì)的工具，選擇合適的工具并且正確地使用它們是十分重要的。用模塊開發(fā)文件夾的形式組織管理與一個模塊有關(guān)的全部文檔，可能是一個行之有效的好方法。 面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法(例如Jackson方法和Warnier方法)是進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)的形式化的方法。本章的目的僅僅是使讀者對這類方法有初步了解，為了能熟練地使用這種方法解決實(shí)際問題，還需要進(jìn)一步鉆研有關(guān)的專著并進(jìn)行達(dá)來大量的實(shí)踐。 使用環(huán)形復(fù)雜度可以定量度量程序的復(fù)雜程度，實(shí)踐表明環(huán)形復(fù)雜度V(G)=10是模塊規(guī)模的合理上限。