软件工程（ SE ） SOFTWARE ENGINEEING

1. 软件工程（SE）SOFTWARE ENGINEEING ——面向对象，使用UML、模式和JAVA 教师：聂文龙 课程主页 数信学院计算机系 5210室 Email: nwl@tzc.edu.cn Tel: 664805（工作时间）

2. 图书简介 • B.Bruegge和A.H.Doutoit编写的《面向对象软件工程——使用UML、模式和Java》（第2版），是卡耐基·梅隆大学（CMU）高年级本科生和研究生的教材，是我所能见到的各类软件工程教材中最棒的一本，例如：“业余软件工程师总在寻找奇迹——试图用某种惊人的方法或工具来让软件开发变得轻而易举，但职业软件工程师都知道不存在这种灵丹妙药”，“有两条构造软件设计的原则：其一是使设计足够简单，以至于不存在明显的缺陷；其二是使系统足够复杂，以至不存在明显的缺陷”等，这些充满哲理的话，总能给人以启发。

3. 课程描述与预备知识 • 基本课题: • 软件开发工程过程, 过程模型, 过程管理, 质量控制 • 面向对象概念; 类与对象的设计 • 软件需求分析, 用例, 软件架构设计, 详细设计, 实现与测试 • 高级课题: • RUP统一过程 • UML建模语言 • 软件设计模式, 例如 “四人帮" • 计算辅助软件工程工具(CASE), 例如 ROSE • 特色: • 面向对象的分析和设计 • 不仅学习，而且实践软件工程 • 采用当今最为广泛接受的学习与实践方法

4. 前言 • 1979-9-9，美战略空军司令部，全球军事指挥和控制系统（WWMCCS），Soviet Union&U.S.A • 1985-1987，Therac-25医疗线性加速器的过量辐射 • 1991海湾战争，飞毛腿导弹刺入爱国者反导弹的外壳，28名美军dead，98伤 软件的开发和维护过程中遇到的一系列严重问题 • 对软件开发成本和进度的估计常常很不准确 • 用户对“已完成的”软件系统不满意的现象经常发生 • 软件产品的质量往往靠不住 • 软件常常是不可维护的 • 软件通常没有适当的文档资料 • 维护费用占软件总费用的55%-70% • HP公司约60%-80%的研发人员都涉及维护工作

5. 历史教训 • 美国IBM公司在1963年至1966年开发的IBM360机的操作系统。这一项目花了5000人一年的工作量，最多时有1000人投入开发工作，写出了近100万行源程序。据统计，这个操作系统每次发行的新版本都是从前一版本中找出1000个程序错误而修正的结果。 • 这个项目的负责人F. D. Brooks事后总结了他在组织开发过程中的沉痛教训时说：“…正像一只逃亡的野兽落到泥潭中做垂死的挣扎，越是挣扎，陷得越深，最后无法逃脱灭顶的灾难。…程序设计工作正像这样一个泥潭，…一批批程序员被迫在泥潭中拼命挣扎，…谁也没有料到问题竟会陷入这样的困境…”。 • IBM360操作系统的历史教训成为软件开发项目的典型事例为人们所记取。

6. 软件发展的三个阶段 • 程序设计时代（50-60年代） 软件指程序，软件开发关注程序编写，用汇编及机器语言 • 程序系统时代（60-70年代） • 软件指程序及说明书，软件开发包括程序设计和测试，用高级语言 • 软件工程时代（70年代以后） • 软件指程序、文档、数据，软件开发包括软件生命期，用软件语言（包括需求定义语言、软件功能语言、软件设计语言、程序设计语言等）

7. 软件工程定义 • IEEE【IEE83】给出的软件工程定义： • “软件工程是开发、运行、维护和修复软件的系统方法。” • IEEE【IEE93】给出了一个更加综合的定义： • “将系统化的、规范的、可度量的方法应用于软件的开发、运行和维护的过程，即将工程化应用于软件中。”

8. 问题： 在进行软件设计和选择软件开发工具之前，是否进行开发方法学的选择? • 方法学是指组织软件生产过程的一系列方法、技术和规范。方法学是软件开发者长年失败和成功经验的理论性总结，从软件重用的思路来说，方法学重用的价值远非某些程序组件重用可比。

9. 　　实例：以北京市公路局系统为例。首先，在系统调查阶段我们了解到：这个系统要分期 (递增式) 开发。由于处于机构改革时期，系统生存期内的用户需求和系统结构变因很多。这表明目标系统应该具有较强的可维护性，即每期开发成果应在后续工程中具有较高的可重用率。其次，一期工程的工作量相当大(最后成果包括 124 个模块、72 类报表、119个数据库表、439 个窗口、912 个数据窗口)，而开发者对公路局业务不了解，多为经验不足的大学生，理解需求的能力较低。这表明采用的开发方法学必须能最大限度地减少重复劳动，实现开发过程中的成果共享和重用;必须能支持消除需求理解误差的调整工序，使下游成品阶段的设计变更比较容易进行。

10. 　　在开发此系统之前，我们承接了一个国外软件的下游开发任务。由于它采用了面向对象的软件设计，使我们深刻认识到国内外软件开发方法学和技术上的差距，颇受启发。　　在开发此系统之前，我们承接了一个国外软件的下游开发任务。由于它采用了面向对象的软件设计，使我们深刻认识到国内外软件开发方法学和技术上的差距，颇受启发。 • 　　参照我们承接的国外软件开发工作量计算方法，即仅下游120个模块 (含报表) 的编码和测试为41人月，那么公路局系统从上游设计开始近200个模块和报表、100多个数据库表的开发工作量至少也应在120人月以上。由于采用了面向对象的软件工程方法，尽管开发人员大多经验不足，但是第一期工程总工时最终仍控制在 80 人月以内，降低成本1/3左右。同时在系统可维护性、重用度及其他功能和性能指标上，均超过了我们以往采用结构化方法开发的系统。 • 　　对停留在程序主导级开发的软件开发人员来说，他们选择 OOP 的原因也往往是被动的。其实，在程序主导开发者的辞典中是找不到“方法学”这一词的，或者把“方法学”与“程序算法”混为一谈。至于把 OOP 看成是 OOSE 的全部就更不足为怪了。

11. “软件工程”课程教学与实践的目标 • 正确理解软件： 上升 程序 系统 • 转变思维定式： 上升 程序员 系统工程师 (系统分析员) • 工程化训练

12. 第一章 导论 今天内容 • 软件跟踪记录 • 什么是软件工程 • 软件生命周期 • 其他（可选） • 为什么软件这么复杂？ • 处理复杂性：抽象，分解，架构。

13. 美国奋进号航天飞机STS-130 • The space shuttle Endeavour STS-130

15. 安全降落返回地球 • 美国航天飞机奋进号(space shuttle Endeavour)于2010年2月8日从佛罗里达州卡纳维尔角美国国家航空航天局(NASA)肯尼迪太空中心(Kennedy Space Center)发射升空后，于2月10日与国际太空站( International Space Station- ISS)对接成功。 • 奋进号为期14天的飞行，为国际太空站运送去包括拥有观测台的Tranquility 宇宙仓等36,000 磅的设备。 • 在国际太空站停留期间，航天飞机奋进号STS-130宇航员进行3次太空行走，完成了安装Tranquility 宇宙仓等工作。之后，奋进号STS-130于2010年2月19日晚间安全地与国际太空站脱接。

16. 软件生产的跟踪记录差 哥伦比亚号航天飞机 • 哥伦比亚号的最后一次发射升空 哥伦比亚号的第一次任务 哥伦比亚号航天飞机（STS Columbia OV-102）是美国国家航空暨太空总署（NASA）所属的航天飞机之一。哥伦比亚号是美国的航天飞机机队中第一架正式服役的，它在1981年4月12日首次执行代号STS-1的任务，正式开启了NASA的太空运输系统计划（Space Transportation System program，STS）之序章。然而很不幸的，哥伦比亚号在2003年2月1日，在代号STS-107的第28次任务重返大气层的阶段中与控制中心失去联系，并且在不久后被发现在得克萨斯州上空爆炸解体，机上7名航天员全数罹难。 • 哥伦比亚号的命名由来，是纪念第一艘环绕世界一周航行的美国籍船只，也是哥伦比亚河命名由来的18世纪帆船哥伦比亚号。 • 历次任务 • 哥伦比亚号航天飞机总共有28次飞行纪录，在太空度过300.74日，绕行地球4,808圈，总飞行距离达到125,204,911英里。

17. 哥伦比亚号航天飞机软件 • Cost: $10 Billion, millions of dollars more than planned • ♦ Time: 3 years late • ♦ Quality: First launch of Columbia was cancelled because of a synchronization problem with the Shuttle's 5 onboard computers. ! Error was traced back to a change made 2 years earlier when a programmer changed a delay factor in an interrupt handler from 50 to 80 milliseconds. ! The likelihood of the error was small enough, that the error caused no harm during thousands of hours of testing. • ♦ Substantial errors still exist. ! Astronauts are supplied with a book of known software problem

18. 今天软件的质量：市场上发行的软件产品平均地看不是没有错误的今天软件的质量：市场上发行的软件产品平均地看不是没有错误的

19. 软件错误造成对用户的主要冲击

20. 软件工程：问题解决的活动 • 分析：理解问题的本质，把问题分解为系列任务。 • 综合：把系列任务集合在一起，形成大的结构。 • 对于问题解决，我们使用 技术：使用某些良定记号用于产生结果的形式程序（流程）。 方法：应用于软件开发的技术汇集。 工具：可完成技术的设备或自动系统。

21. 软件工程的定义再论 • 软件工程是技术、方法和工具按某种哲学（例如，RUP）统一的汇集，它们有助于在给定价格、需求发生变化时的期限内生产高质量软件系统。

22. 软件生命周期活动模型

24. 软件生存周期模型 • 描述软件开发过程中各种活动如何执行的模型。是软件工程过程的简化的抽象描述。 • 瀑布模型 • 演化模型 • 螺旋模型 • 喷泉模型 • 增量模型

25. １. 瀑布模型

26. 2。演化模型—快速原型化方法

27. 3。螺旋模型

28. 4。喷泉模型

29. 科学家对比工程师 • 计算机科学家 证明有关定理，设计语言，定义知识表示格式…… 时间无限制。 • 工程师 为客户的特定应用问题开发解答，使用计算机、语言、工具、技术和方法。 • 软件工程师 工作于多个应用领域，仅有三个月时间（比如），…，即使需求和可用技术发生变化。

30. 影响软件系统质量的因素 • 复杂 系统如此复杂以致于单个程序员不能理解它。 一个毛病常引起另一个毛病。 • 变化 热力学第二定律。熵是不能再被转化作功的能量的总和的测定单位 ，冷却了的铁钳与平面上的水都不能再作有用的功了，它们的能量是封闭或无效的。 软件系统的熵随着每次改变而增加：每次实现的改变侵蚀了系统的结构，造成下一次改变的代价更昂贵（软件动力学第二定律），最终系统不能支持它原来预期的任务。

31. 为什么软件系统这么复杂 • 问题领域困难 • 开发过程的管理非常困难 • 软件具有极度的伸展能力 • 软件是一个离散系统 连续系统没有隐藏的意外 离散系统有！

32. 对付复杂性 • 抽象 • 分解 • 架构

33. 抽象 • 人类内在的局限性：7 +/- 2 • 组块构建：对象的成组汇集 • 忽略非实质的细节：=>模型

34. 模型用于提供抽象 • 系统模型 对象模型：系统的结构是什么？对象以及 它们的关系是什么？ 功能模型：系统的功能是什么？数据是怎么流过系统的？ 动态模型：系统对外部事件如何反应？系统中的事件流是怎么样的？ • 任务模型：任务间的依赖关系怎样？如何在时间的限制下完成？项目或组织中的角色是什么？ • 问题模型：哪些是未解决的和已解决的？客户提出什么约束条件？已有什么解决方案？

35. 模型的独立性

36. 建模的百慕大三角区

37. 百慕大三角 • 百慕大三角（英语：Bermuda Triangle，又称魔鬼三角，有时又称百慕大三角洲；但此区域并不是三角洲地形，且不合语源），位于北大西洋的马尾藻海，是由英属百慕大群岛、美属波多黎各及美国佛罗里达州南端所形成的三角区海域，据称经常发生超自然现象及违反物理定律的事件，面积约390万平方公里（150万平方英里）。另有电影等以此为名。

38. Jupiter 木星 • 　太阳系八大行星中最大的一颗，天文符号。又称岁星。最亮时为－2.4等，其质量和半径分别是地球的318倍和11.2倍（见行星），现知有18颗卫星（见木星卫星），望远镜中可见其视圆面有明显的扁度。木星的大气层厚度达1400千米，其主要成分是氢(82％)、氦(17％) ，还有1％是甲烷和氨等，但其大气密度仅相当于地球大气的 1／5 。虽然其大气平均温度低达－140℃ ，但内部的对流、环流 、湍流等活动都相当剧烈 ，以致形成了许多平行于木星赤道的亮带和暗纹以及著名的大红斑（见木星大红斑）。 • 木星大气内还有十分强烈而频繁的闪电现象。旅行者探测器发现木星也有环带，并证实它是一颗液 体行星 ， 大气层之下是由分子氢构成的海洋，其温度高达5000 K，但在高压下保持着平衡 ，分子氢海下是一层金属氢，它仍是液态，中心是否有固态的铁镍核芯，尚无定论。液态行星造成了木星不同纬度处自转周期不同。已知木星的磁场是复杂的多极场 ，其中心偶极场为地球的 1.9 万倍 ，其磁层伸展到 60 多万千米远，比地球磁层大 100 倍。 • 木星大气内常常发生闪电 。在木星背阳面上空还观测到范围达 3 万千米的极光。测量表明，木星向外辐射的能量是从太阳接收能量的 2.5 倍 ，同时木星还能发出很强的射电辐射与高能电子。

39. 木星的局部照片（旅行者1号探测器于1979年8月13日拍摄）木星的局部照片（旅行者1号探测器于1979年8月13日拍摄）

40. 木星卫星

41. 问题的例子：伽利略PK教堂

42. 问题建模：正方 pro，反方con

43. 抽象总结：基于模型的软件工程——代码是对象模型的导出结果抽象总结：基于模型的软件工程——代码是对象模型的导出结果

44. 实验1.说明 • （1）熟悉Rose 2007 • （2）复习VS 2010 C# 窗体程序设计 • （3）培养模型的思维方式。系统的模型例子：自动售货机。