軟件工程中結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法

 

1數(shù)據(jù)流的類型

在需求分析階段，用SA方法產(chǎn)生了數(shù)據(jù)流圖。結(jié)構(gòu)化的設(shè)計能方便地將數(shù)據(jù)流圖（DataFlowDiagram，DFD）轉(zhuǎn)換成軟件結(jié)構(gòu)圖。DFD中從系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)流到系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)流的一連串連續(xù)變換形成了一條信息流。根據(jù)數(shù)據(jù)流類型不同，可分為變換型和事務(wù)型2類，事務(wù)型和變換型數(shù)據(jù)流的設(shè)計步驟基本是大同小異，它們之間主要差別就是從數(shù)據(jù)流圖到軟件結(jié)構(gòu)的映射方法不同。因此，在進行軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先對數(shù)據(jù)流圖進行分析，然后判斷屬于那一種類型，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)流類型，通過一系列映射，把數(shù)據(jù)流程圖轉(zhuǎn)換為軟件結(jié)構(gòu)圖。基本流程見圖1.

1.1變換型數(shù)據(jù)流

信息在沿著輸入通路進入系統(tǒng)，同時由外部形式變換成內(nèi)部形式進入系統(tǒng)的信息，通過變換中心經(jīng)加工處理，以后再沿著輸出通路變換成外部形式離開系統(tǒng)。當數(shù)據(jù)流具有了信息流的這種特征時這種信息流就叫作變換型數(shù)據(jù)流。變換型數(shù)據(jù)流的DFD可明顯地分為三大部分：邏輯輸入、變換中心（主加工）、邏輯輸出。變換型數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)見圖2.邏輯輸入：可以從數(shù)據(jù)流圖上的物理輸入開始，一步一步向系統(tǒng)中間移動，一直到數(shù)據(jù)流不再被看作是系統(tǒng)的輸入為止，則其前一個數(shù)據(jù)流就是系統(tǒng)的邏輯輸入?？梢哉J為邏輯輸入就是離物理輸入端最遠的，且仍被看作是系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)流。變換中心：多股數(shù)據(jù)流匯集的地方往往是系統(tǒng)的中心變換部分。

 

邏輯輸出：從物理輸出端開始，一步一步地向系統(tǒng)中間移動，就可以找到離物理輸出端最遠，且仍被看作是系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)流。

圖1數(shù)據(jù)流程圖轉(zhuǎn)換為軟件結(jié)構(gòu)圖基本流程

圖2變換型數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)

1.2事務(wù)型數(shù)據(jù)流


信息在沿著輸入通路進入系統(tǒng)，由外部形成內(nèi)部形式后到達事務(wù)中心。通常事務(wù)中心位于幾條處理路徑的起點，從數(shù)據(jù)流程圖上很容易標識出來，因為事務(wù)處理中心一般會有“發(fā)射中心”的特征。因為事務(wù)流有明顯的事務(wù)中心，所以各式各樣活動流都以事務(wù)中心為起點呈輻射狀流出。事務(wù)型數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)見圖3.

圖3事務(wù)型數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)

事務(wù)中心主要完成下述任務(wù)：接收輸入數(shù)據(jù)（輸入數(shù)據(jù)又稱為事務(wù)）；分析每個事務(wù)以確定它的類型；根據(jù)事務(wù)類型選取一條活動通路。通常，事務(wù)中心前面的部分叫作接收路徑，發(fā)射中心后面各條發(fā)散路徑叫作事務(wù)處理路徑。對于每條處理路徑來講，還應(yīng)該確定它們自己的流特征。

 

2映射過程

任何一個設(shè)計過程都不是統(tǒng)一、固定不變的，設(shè)計的要求越高，往往需要設(shè)計者在方法上不但具有超強的判斷能力還要有規(guī)則性的創(chuàng)造精神。根據(jù)不同類型，分析其映射過程。

 

2.1變換型數(shù)據(jù)流到軟件結(jié)構(gòu)圖映射

（1）設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)的頂層和第1層。設(shè)計一個主模塊，并用系統(tǒng)的名字為它命名，作為系統(tǒng)的頂層。第1層為每個邏輯輸入設(shè)計一個輸入模塊，它的功能是為主模塊提供數(shù)據(jù)；為每一個邏輯輸出設(shè)計一個輸出模塊，它的功能是將主模塊提供的數(shù)據(jù)輸出；為中心變換設(shè)計一個變換模塊，它的功能是將邏輯輸入轉(zhuǎn)換成邏輯輸出。主模塊控制和協(xié)調(diào)第1層的輸入模塊、變換模塊和輸出模塊的工作。

 

（2）設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)的下層結(jié)構(gòu)。每個邏輯輸入模塊有2個下屬模塊：一個接收數(shù)據(jù)；另一個把數(shù)據(jù)變換成上級模塊所需要的數(shù)據(jù)格式。而接收數(shù)據(jù)模塊又是輸入模塊，又要重復上述工作。如此循環(huán)下去，直到輸入模塊已經(jīng)涉及到物理輸入端為止。同樣，每個邏輯輸出模塊有2個下屬模塊：一個是將上級模塊提供的數(shù)據(jù)變換成輸出的形式；另一個是將它們輸出。對于每一個邏輯輸出，在數(shù)據(jù)流程圖上向物理輸出端方向移動，遇到物理輸出為止。設(shè)計中心變換模塊的下層模塊沒有通用的方法，一般應(yīng)參照數(shù)據(jù)流程圖的中心變換部分和功能分解的原則來考慮如何對中心變換模塊進行分解。

 

變換型數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換后的初始軟件結(jié)構(gòu)圖見圖4.

圖4變換型數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換后的初始軟件結(jié)構(gòu)圖

2.2事務(wù)型數(shù)據(jù)流到軟件結(jié)構(gòu)圖映射

事務(wù)型數(shù)據(jù)處理問題的工作機理是接受一項事務(wù)，根據(jù)事務(wù)處理的特點和性質(zhì)，選擇分派一個適當?shù)奶幚韱卧?，然后給出結(jié)果。

 

（1）設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)的頂層和第1層。軟件結(jié)構(gòu)圖的頂層是系統(tǒng)的事務(wù)控制模塊。第1層是由事務(wù)流輸入分支和事務(wù)分類處理分支映射得到的程序結(jié)構(gòu)。也就是說，第1層通常是由兩部分組成：取得事務(wù)和處理事務(wù)。

 

（2）設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)的下層結(jié)構(gòu)。設(shè)計事務(wù)流輸入分支的方法與變換分析中輸入流的設(shè)計方法類似，從事務(wù)中心變換開始，沿輸入路徑向物理輸入端移動。每個接收數(shù)據(jù)模塊的功能是向調(diào)用它的上級模塊提供數(shù)據(jù)，它需要有兩個下屬模塊：一個接收數(shù)據(jù)；另一個把這些數(shù)據(jù)變換成它的上級模塊所需要的數(shù)據(jù)格式。接收數(shù)據(jù)模塊又是輸入模塊，也要重復上述工作。如此循環(huán)下去，直到輸入模塊已經(jīng)涉及到物理輸入端為止。

 

事務(wù)處理分支結(jié)構(gòu)映射成一個分類控制模塊，它控制下層的處理模塊。對每個事務(wù)建立一個事務(wù)處理模塊。如果發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)中有類似的事務(wù)，就可以把這些類似的事務(wù)組織成一個公共事務(wù)處理模塊。但是，如果組合后的模塊是低內(nèi)聚的，則應(yīng)該重新考慮組合問題。

 

事務(wù)中心模塊按所接受的事務(wù)的類型，選擇某一個事務(wù)處理模塊執(zhí)行。每個事務(wù)處理模塊可能要調(diào)用若干個操作模塊，而操作模塊又可能調(diào)用若干個細節(jié)模塊。不同的事務(wù)處理模塊可以共享一些操作模塊。不同的操作模塊又可以共享一些細節(jié)模塊。事務(wù)型數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換后的初始軟件結(jié)構(gòu)圖見圖5.

圖5事務(wù)型數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換后的初始軟件結(jié)構(gòu)圖

2.3變換－事務(wù)混合型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

一般來講，一個大型項目不可能是單一的數(shù)據(jù)變換型，也不可能是單一的事務(wù)型，通常是變換型數(shù)據(jù)流和事務(wù)型數(shù)據(jù)流的混合體。在具體的應(yīng)用中一般以變換型為主，事務(wù)型為輔的方式進行軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計。變換－事務(wù)混合型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖6.

圖6變換－事務(wù)混合型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計的圖形工具

結(jié)構(gòu)化設(shè)計主要有兩種圖形工具：結(jié)構(gòu)圖和層次圖。結(jié)構(gòu)圖和層次圖基本上是大同小異，都是用來描述軟件結(jié)構(gòu)的圖形工具，圖中設(shè)有很多方框，一個方框就代表一個模塊，框內(nèi)注明模塊的名字或主要功能；方框之間的箭頭（或直線）用來表示模塊的調(diào)用關(guān)系。二者描述重點不一樣。

 

3.1結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)圖主要描述軟件結(jié)構(gòu)中模塊之間的調(diào)用關(guān)系和信息傳遞問題。基本成分有模塊、調(diào)用和數(shù)據(jù)。

 

在通常情況下會在結(jié)構(gòu)圖中用箭頭注釋一下表示模塊在調(diào)用過程中信息的來回傳遞?？梢愿鶕?jù)箭頭的尾部形狀標明某種信息，認定一種形狀作為一種信息符號，自己只要按箭頭形狀就可以區(qū)分傳遞的信息是數(shù)據(jù)還是控制信息了。比如：尾部是空心圓就表示傳遞的是數(shù)據(jù)，實心圓就表示傳遞的是控制信息。結(jié)構(gòu)圖不僅僅只是一些基本符號，其實還有不少附加符號，用來表示模塊的選擇調(diào)用或循環(huán)調(diào)用的。

 

3.2層次圖

層次圖主要描述軟件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)以及各個功能的隸屬關(guān)系，特別適合于自頂向下設(shè)計使用。在層次圖里除頂層之外，每個方框里都加編號，記錄它所在的層次及在該層次的位置。一般最上層的模塊含有退出、輸入、處理、輸出、查詢和系統(tǒng)維護模塊。根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，下層再將功能進一步細化。

 

層次圖和結(jié)構(gòu)圖對于模塊調(diào)用次序方面要求的并不嚴格。在畫模塊方面，很多人習慣按調(diào)用次序從左到右的方法畫模塊，其實又沒有規(guī)定一定要這樣，出于其他方面的考慮（例如為了減少交叉線），完全可以不按這種次序畫，還有就是在層次圖和結(jié)構(gòu)圖中并不指明什么時候調(diào)用下層模塊。一般情況下上層模塊中除了調(diào)用下層模塊的語句之外還有其他語句，到底是先執(zhí)行調(diào)用下層模塊的語句還是先執(zhí)行其他語句，絲毫不在圖中指明。事實上，層次圖和結(jié)構(gòu)圖往往只表明一個模塊用來調(diào)用哪些模塊，對于一些模塊內(nèi)不含其他成分的根本就不作表示。

 

4軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化規(guī)則

數(shù)據(jù)流程圖轉(zhuǎn)換為初始軟件結(jié)構(gòu)圖后，按照高內(nèi)聚低耦合、模塊化、信息隱藏的原則，應(yīng)該對初始軟件結(jié)構(gòu)圖進行優(yōu)化?？紤]設(shè)計優(yōu)化問題時應(yīng)該記住，“一個不能工作的‘最佳設(shè)計’的價值是值得懷疑的”。軟件設(shè)計人員應(yīng)該致力于開發(fā)能夠滿足所有功能和性能要求，導出不同的軟件結(jié)構(gòu)，對它們進行評價和比較，力求得到“最佳”的效果，這種優(yōu)化真正的優(yōu)點，就是能夠把軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計和詳細設(shè)計很好地分開。通常，用下述方法對初始化軟件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化是合理的：在不考慮時間因素的前提下開發(fā)并精化軟件結(jié)構(gòu)。在得到初始的功能結(jié)構(gòu)圖之后，如果發(fā)現(xiàn)有幾個模塊有相似之處，可消除重復功能，改善軟件結(jié)構(gòu)；模塊功能的完善化。一個完整的功能模塊，不僅應(yīng)能完成指定的功能，而且還應(yīng)當能夠告訴使用者完成任務(wù)的狀態(tài)，以及不能完成的原因；模塊的作用范圍應(yīng)在控制范圍之內(nèi)。模塊的控制范圍包括它本身及其所有的從屬模塊；模塊的作用范圍是指模塊內(nèi)一個判定的作用范圍，凡是受這個判定影響的所有模塊都屬于這個判定的作用范圍；盡可能減少高扇出結(jié)構(gòu)。模塊的扇出過大，將使得系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)圖的寬度變大，寬度越大結(jié)構(gòu)圖越復雜。模塊的扇出過小也不好，這樣將使得系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖的深度大大增加，不但增加了模塊接口的復雜度，而且增加了調(diào)用和返回的時間開銷，降低系統(tǒng)的工作效率。比較適當?shù)哪K扇出數(shù)目為2～5個，最多不要超過9個；模塊的大小要適中。限制模塊的大小是減少復雜性的手段之一，因而要求把模塊的大小限制在一定的范圍之內(nèi)。模塊的大小一般用模塊的源代碼數(shù)量來衡量，通常在設(shè)計過程中，將模塊的源代碼數(shù)量限制在50～100行左右，即一頁紙的范圍內(nèi)，這樣閱讀比較方便；設(shè)計功能可預測的模塊，避免過分受限制的模塊。一個功能可預測的模塊不論內(nèi)部處理細節(jié)如何，但對相同的輸入數(shù)據(jù)，總能產(chǎn)生同樣的結(jié)果；軟件包應(yīng)滿足設(shè)計約束和可移植性。一個僅處理單一功能的模塊，由于具有高度的內(nèi)聚性，而受到了設(shè)計人員的重視。

 

5結(jié)語

綜上所述，結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法是設(shè)計軟件體系結(jié)構(gòu)的一種系統(tǒng)化的方法，根據(jù)不同的映射規(guī)則，可以把數(shù)據(jù)流圖變換成軟件的初步結(jié)構(gòu)圖。得出軟件的初始結(jié)構(gòu)圖之后，還必須根據(jù)結(jié)構(gòu)化設(shè)計的基本原則和有關(guān)啟發(fā)規(guī)則，對所得到的初始軟件結(jié)構(gòu)圖進行仔細優(yōu)化，才能設(shè)計出令人滿意的軟件體系結(jié)構(gòu)。