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  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

  14. 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。

  15. 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。

  16. 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

  17. 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

  18. 软件错误造成对用户的主要冲击

  19. 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。

  20. 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。

  21. 软件生命周期活动模型

  22. 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

  23. 1. 瀑布模型

  24. 2。演化模型—快速原型化方法

  25. 3。螺旋模型

  26. 4。喷泉模型

  27. 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。

  28. 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。

  29. 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!

  30. 对付复杂性 • 抽象 • 分解 • 架构

  31. 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

  32. 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?

  33. 模型的独立性

  34. 建模的百慕大三角区

  35. 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。

  36. 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。

  37. 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)

  38. 木星卫星

  39. 问题的例子:伽利略PK教堂

  40. 问题建模:正方 pro,反方con

  41. 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

  42. 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。