軟體工程與系統開發概論

1. 第1章 軟體工程與系統開發概論 1-1 軟體與資訊系統 1-2 軟體工程的基礎 1-3 軟體開發生命週期 1-4 軟體生命週期模型

2. 1-1 軟體與資訊系統 • 1-1-1 軟體 • 1-1-2 資訊系統

3. 1-1-1 軟體-軟體與硬體 • 「軟體」（Software）是能夠控制電腦執行工作的技術和方法，它就是使用程式語言（Programming Language）建立的程式（Programs），一種在電腦上可執行的應用程式或軟體系統。 • 「硬體」（Hardware）是我們可以實際看到的東西，單純擁有電腦硬體並無法發揮電腦的功能，只有在軟體和硬體都具備的情況下，電腦才能替我們工作，幫助我們解決問題。

4. 1-1-1 軟體-軟體與硬體的差異 • 軟體和硬體特性上的差異，如下表所示：

5. 1-1-1 軟體-軟體的種類 • 對於電腦系統來說，在電腦上執行的軟體可以分為兩大類，如下所示： • 系統軟體（System Software）：負責連接電腦硬體與應用程式，讓電腦可以正常工作的軟體，例如：作業系統、系統最佳化工具和掃毒程式等。 • 應用程式（Applications）：一種處理特定工作的電腦程式，例如：數學計算分析、文書處理、試算表和程式語言整合開發工具等。

6. 1-1-1 軟體-軟體的組成元素 • 對於電腦來說，軟體是電腦上執行的一種程式，但是對於軟體工程來說，完整軟體應該由三部分所組成（Pressman，2001），如下所示： • 電腦程式（Computer Programs）：使用各種程式語言撰寫程式碼所編譯成的執行檔，這是一種儲存在媒體上的二進位資料。 • 文件（Documents）：與電腦程式相關的文件，例如：需求文件、模型和使用手冊等。 • 資料與資料結構（Data & Data Structures）：電腦程式執行時所管理的資料結構。

7. 1-1-2 資訊系統-說明 • 「系統」（System）是一組可以達成特定目的，有組織、互動和相關元素的集合。「資訊系統」（Information System）是一種軟體，不過，它並不是一種簡單的應用程式，而是一種大型軟體系統（Large Software System），包含多種相關的子系統，在硬體架構上，更可能是多層企業系統架構，或Web基礎的網路應用程式，如下圖所示：

8. 1-1-2 資訊系統-範例 • 網路銀行的資訊系統，可以讓客戶直接透過網路銀行執行帳戶管理。基本上，資訊系統包含的元件有：員工（人）、資料或資訊、程序、軟體、硬體和通訊（Benson & Standing，2002）。

9. 1-2 軟體工程的基礎 • 1-2-1 軟體工程 • 1-2-2 軟體開發的完整流程

10. 1-2-1 軟體工程-說明 • 軟體工程（Software Engineering）主要是在研究如何使用系統化、組織化和量化方法來進行軟體系統的開發，也就是嘗試使用一些經過驗證且可行的方法，在可接受的時間和預算內開發出高品質的軟體系統。 • 簡單的說，軟體工程是一門學科，可以整合方法、工具和流程來將真實世界的需求轉換成軟體世界的軟體，如下圖所示：

11. 1-2-1 軟體工程-方法、工具和流程 • 方法（Methods）：一種建立軟體的方法，即第1-3節軟體開發生命週期的各種活動：需求、分析、設計、實作、測試和部署等。 • 工具（Tools）：自動或半自動支援方法的工具，包含語法檢查、文件出版、專案管理和系統分析設計工具等，即所謂的CASE工具（Computer-Aided Software Engineering Tools）。 • 流程（Procedures）：定義各活動執行順序的流程來建立軟體，並且提供軟體品質的管控與變更的協調。

12. 1-2-1 軟體工程-三大階段 • 定義階段（Definition Phase）： 著重在軟體需求是什麼（What），即軟體提供哪些功能、處理哪些資訊、建立哪種使用介面、擁有哪些限制條件和驗證標準等。 • 開發階段（Development Phase）： 著重於如何達成軟體需求（How），即決定使用的資料結構、軟體系統架構、實作程序、撰寫程式碼和執行測試等。 • 維護階段（Maintenance Phase）：也稱為支援階段（Support Phase），著重在軟體的變更（Change），即除錯、升級、增加功能和提昇效能等。

13. 1-2-1 軟體工程-相關術語

14. 1-2-2 軟體開發的完整流程 • 一般來說，當公司或行號需要軟體來幫助進行商業活動，或解決特定問題時，就可以開始進行軟體開發的流程，完整的軟體開發流程如右圖所示：

15. 1-3 軟體開發生命週期-說明 • 「軟體開發生命週期」（Software Development Life Cycle，SDLC）包含軟體開發過程的活動和建立的工作產品（Work Products），主要分成兩大類，如下所示： • 以活動為中心（Activity-Centered）：專注於整個軟體開發過程的活動（Activities）。 • 以實體為中心（Entity-Centered）：專注於整個軟體開發過程中，在上述活動建立的工作產品（Work Products）。

16. 1-3 軟體開發生命週期-基本活動 • 雖然目前有相當多種軟體開發生命週期，不過各種軟體開發生命週期擁有的基本活動，或稱為階段（Phases）有： • 需求 • 分析 • 設計 • 實作 • 測試 • 部署

17. 1-3 軟體開發生命週期-需求 • 需求（Requirement）是程式開發者與客戶和使用者共同定義的系統需求，可以擷取出系統的功能性和非功能性需求，其簡單說明如下所示： • 功能性需求（Functional Requirements）：描述系統一定需要提供的功能，也就是定義系統輸入和輸出行為的規格。例如：選課系統提供註冊和選課功能。 • 非功能性需求（Nonfunctional Requirements）：描述系統特性或一些限制條件。例如：選課系統限制學生只能選15門課。

18. 1-3 軟體開發生命週期-分析 • 在定義出系統需求後，就可以針對需求進行分析（Analysis），以便將系統需求抽象化到應用系統之中。簡單的說，就是從系統需求找出解決方案。目前仍然是以高階角度來看問題，並不涉及應用程式的軟硬體架構，和使用哪一種程式語言來實作。

19. 1-3 軟體開發生命週期-設計 • 在取得系統需求和完成分析（Analysis）後，設計（Design）是建立完整的解決方案，詳細描述如何建立整個軟體系統來滿足定義的系統需求。主要可以分成兩部分，如下所示： • 系統設計（System Design）：決定系統的軟硬體架構，使用的作業系統，並且將系統分割成子系統，評估是否使用資料庫系統來儲存永久性資料（Persistent Data）等。 • 物件設計（Object Design）：將分析建立的分析模型（Analysis Model）或概念模型（Conceptual Model）轉換成設計模型（Design Model），也就是找出完整的物件屬性、方法和更詳細的類別關係（Relationships）。

20. 1-3 軟體開發生命週期-實作 • 實作（Implementation）就是撰寫程式碼（Coding），將建立的設計模型（Design Model）使用指定程式語言來撰寫出原始程式碼，例如：C++、C#、Viaual Basic和Java等語言，即所謂的實作模型（Implementation Model）。

21. 1-3 軟體開發生命週期-測試 • 測試（Testing）如同工廠生產線的品質管制，其目的是確認已經成功建立一套可用的軟體程式。其主要工作有兩項，如下所示： • 證實（Verification）：檢查實作建立的程式是否符合定義的需求。 • 驗證（Validation）：測試是否真正解決客戶問題和滿足客戶需求。

22. 1-3 軟體開發生命週期-部署 • 部署（Deployment）是在軟體完成測試後，將最終釋出版本的軟體交至客戶的使用者，包含軟體安裝、教育訓練和使用手冊等。

23. 1-4 軟體生命週期模型 • 1-4-1 瀑布式模型 • 1-4-2 反覆式與漸進式模型 • 1-4-3 雛型模型 • 1-4-4 螺旋模型 • 1-4-5 Rational統一流程 • 1-4-6 模型驅動架構

24. 1-4 軟體生命週期模型 • 「軟體生命週期模型」（Software Lifecycle Models）簡稱生命週期模型，或稱為系統開發流程模型（System Development Process Models），可以用來指導我們如何進行分析、設計、開發和維護資訊系統。

25. 1-4-1 瀑布式模型-簡介 • 瀑布式模型（Waterfall Model）源於早期結構化系統開發（Structured System Development），屬於一種傳統的生命週期模型，它是1970年代最常用的生命週期模型，並且成功使用COBOL語言建立多個大型專案。 • 瀑布式模型對於程式開發者來說，這是一種相當直覺的軟體開發過程，它就是循序執行一序列的開發與管理過程（Processes），每一個過程就是第1-3節的活動，開發過程需要等到前一個活動完成後，才允許進入下一個活動。

26. 1-4-1 瀑布式模型-圖例

27. 1-4-2 反覆式與漸進式模型-簡介 • 隨著物件導向技術的成熟，再加上物件導向分析與設計的普及，瀑布式開發過程因為無法快速建立產品且缺乏彈性的問題，已經逐漸被反覆式與漸進式模型（Iterative and Incremental Model）所取代。 • 反覆式與漸進式模型首先針對幾個主要需求來進行開發，以便快速建立初期版本的產品，然後將產品交給客戶試用，程式開發者針對試用結果的回應來修正系統，以便儘早發現可能的錯誤。

28. 1-4-2 反覆式與漸進式模型-圖例

29. 1-4-3 雛型模型-簡介 • 雛型模型（Prototyping Model）主要是針對哪些在專案初期無法了解完整需求的情況，因為使用者只知道系統部分功能的大概，而無法詳細描述系統完整的特點和功能。此時，我們可以使用雛型模型來進行系統開發，而不用一開始就了解使用者的完整需求。 • 雛型模型在作法上是先建立一個簡單的初期版本，即雛型，然後提交給客戶進行評估，這部分也屬於雛型模型流程的一部分，等到客戶回應後，再依據回應的需求開發新系統，通常雛型的程式碼會捨棄，然後依據客戶確認的需求來開發全新的系統。

30. 1-4-3 雛型模型-圖例

31. 1-4-4 螺旋模型-簡介 • 螺旋模型（Spiral Model）是整合瀑布式和雛型模型的優點，並且導入風險分析（Risk Assessment）的生命週期模型，風險分析是在開發流程新增步驟來評估每一個版本的雛型，以決定是否繼續開發，如果客戶覺的風險太高，整個專案可能會停止。 • 螺旋模型的整個開發流程是使用螺旋方式來進行每一次的循環，共分為4個象限：計劃（Planning）、風險分析（Risk Assessment）、工程（Engineering）和客戶評估（Customer Evaluation）。

32. 1-4-4 螺旋模型-圖例

33. 1-4-5 Rational統一流程-說明 • IBM公司的Rational統一流程（Rational Unified Process，RUP）不僅僅是一個生命週期模型，還是一個支援開發者的完整開發環境，稱為RUP平台（RUP Platform），可以使用IBM公司的CASE工具來進行Rational統一流程的物件導向系統開發，即Rational Rose或Software Architect。 • 物件導向方法論 • Rational統一流程是Ivar Jacobson、Grady Booch和James Rumbaugh融合他們的OOSE、Booch和OMT物件導向方法論後，在Rational公司提出的物件導向方法論，可以使用物件導向技術來開發軟體或資訊系統。 • 方法論（Methodology）是指能夠解決各種問題的方法集合。方法（Methods）則是定義一種可重複使用的技術來解決指定的問題，這是一個能夠複製的流程，以便取得解決指定問題的可靠結果，如下圖所示：

34. 1-4-5 Rational統一流程-物件導向方法論 • Rational統一流程是Ivar Jacobson、Grady Booch和James Rumbaugh融合他們的OOSE、Booch和OMT物件導向方法論後，在Rational公司提出的物件導向方法論，可以使用物件導向技術來開發軟體或資訊系統。 • 方法論（Methodology）是指能夠解決各種問題的方法集合。方法（Methods）則是定義一種可重複使用的技術來解決指定的問題，這是一個能夠複製的流程，以便取得解決指定問題的可靠結果，如下圖所示：

35. 1-4-5 Rational統一流程-主要特點 • 使用案例驅動（Use-Case Driven）：Rational統一流程是一種使用案例驅動的軟體程式開發過程，使用案例不只可以使用在需求階段，它還主導整個開發過程。在方法論的每一個反覆過程都是由選擇的使用案例來啟動，程式開發者從使用案例出發進行物件導向分析與設計；測試者以使用案例來測試實作的系統是否符合使用案例的需求。 • 架構中心（Architecture-Centric）：因為軟體架構會影響系統重要的靜態和動態觀點，所以，Rational統一流程是以架構為中心來進行軟體系統開發。在選擇的軟體架構下建立多種使用案例來描述系統功能，不過只有5%到10%的主要使用案例會用來建構系統的核心功能，呈現出子系統、建立類別和元件。 • 反覆式與漸進式（Iterative and Incremental）：Rational統一流程是一種反覆式與漸進式的軟體開發過程。

36. 1-4-5 Rational統一流程-工作流程 • Rational統一流程共有9個核心工作流程（Core Workflows），分為6個核心處理工作流程（Core Process Workflows）和3個核心支援工作流程（Core Supporting Workflows），如下圖所示：

37. 1-4-5 Rational統一流程-四個階段 • Rational統一流程是一種反覆式與漸進式的生命週期模型，提供一套完整的軟體開發工作流程，包括商業塑模、需求、分析、設計、實作、測試和部署等。基本上，Rational統一流程適用在大型資訊系統的開發，其開發過程分成四個階段，如下圖所示：

38. 1-4-5 Rational統一流程-反覆過程 • Rational統一流程的四個階段各自擁有多個反覆過程，每個反覆過程包含商業塑模、需求、分析、設計、實作、測試和部署等工作流程，如下圖所示：

39. 1-4-5 Rational統一流程-四個階段的說明 • 初始階段（Inception Phase）：在此階段訂出專案的範圍與目標，列出可能的軟體架構，識別出可能的風險和決定如何處理它。 • 強化階段（Elaboration Phase）：在此階段的目標是建立足夠的能力，在開發小組面對財務、時程和其他限制條件下建立新系統，其主要工作是以使用案例來執行需求擷取和定義系統架構。 • 建構階段（Construction Phase）：使用反覆式和漸進式模型來建立軟體系統，可以在客戶測試環境成功的執行此系統。 • 轉換階段（Transition Phase）：將軟體系統安裝與上線使用，釋出Beta測試版本取得使用者回應，以便依據使用者的回應來更新系統，完成此階段的主要里程碑就是釋出正式版本。

40. 1-4-6 模型驅動架構-說明 • 模型驅動架構（Model Driven Architectiure，MDA）是由OMG（Object Management Group）組織開發的生命週期框架（Lifecycle Framework），這是使用模型驅動方式（Model Driven Approach）來進行軟體系統的開發。 • 模型（Models）是使用文字或圖形來描述系統規格和其環境，模型驅動就是在生命週期的分析、設計、實作、測試和部署流程，專注於不同層次模型的建立。 • MDA是將統一塑模語言（Unified Modeling Language）視為一種可執行規格（Executable Specifications），可以將我們使用UML建立的模型直接轉換成不同平台的程式碼。

41. 1-4-6 模型驅動架構-架構流程

42. 1-4-6 模型驅動架構-變形與對映 • 變形（Transformation）是一種過程，可以將PIM加上其他資訊來變形轉換產生PSM，多個PSM變形產生不同的程式碼，例如：Java或C#程式碼。一般來說，CASE工具可以支援模型之間的自動變形轉換，當然部分變形轉換仍然需要人工來處理，換句話說，在MDA建立的模型是一種「變形模型」（Transformation Model），如下圖所示：