第1章軟件工程引論1.1軟件產(chǎn)品的概念與特征1.2軟件危機(jī)1.3軟件工程的產(chǎn)生及其發(fā)展第1章軟件工程引論1.1軟件產(chǎn)品的概念與特征11.1軟件產(chǎn)品的概念與特征1.1.1軟件產(chǎn)品的概念與分類就本質(zhì)而言，軟件就是一個(gè)信息轉(zhuǎn)換器，它的功能不外是產(chǎn)生、管理、獲取、修改、顯示或轉(zhuǎn)換信息。它擔(dān)任著雙重角色，首先，它是一種產(chǎn)品，表達(dá)了由計(jì)算機(jī)硬件體現(xiàn)的計(jì)算潛能；其次，它又是開發(fā)和運(yùn)行產(chǎn)品的載體，是計(jì)算機(jī)控制(操作系統(tǒng))、信息通信(網(wǎng)絡(luò))的基礎(chǔ)，也是創(chuàng)建和控制其他軟件(軟件工具和開發(fā)環(huán)境)的基礎(chǔ)。1.1軟件產(chǎn)品的概念與特征1.1.1軟件產(chǎn)品的概念2對(duì)于軟件的一種公認(rèn)的解釋是：軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與硬件相互依存的另一部分，它是包括程序、數(shù)據(jù)及其相關(guān)文檔的完整集合。其中，程序是為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能和性能要求而編寫的指令序列；數(shù)據(jù)是使指令能夠正常操縱信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；文檔是與程序開發(fā)、維護(hù)和使用有關(guān)的圖文資料。根據(jù)用途劃分，軟件可以大致劃分成如下類別：對(duì)于軟件的一種公認(rèn)的解釋是：軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與硬件3(1)系統(tǒng)軟件：就一般情況來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)軟件是為其他軟件服務(wù)的軟件。系統(tǒng)軟件與計(jì)算機(jī)硬件交互頻繁，處理大量的確定或不確定的復(fù)雜數(shù)據(jù)，往往需要具有多用戶支持、資源精細(xì)調(diào)度、并發(fā)操作管理、多種外部設(shè)備接口支持等項(xiàng)功能。(2)實(shí)時(shí)軟件：管理、分析、控制現(xiàn)實(shí)世界中所發(fā)生的事件的軟件稱為實(shí)時(shí)軟件。它一般有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、輸出控制等三方面的功能。實(shí)時(shí)軟件需要保持一個(gè)現(xiàn)實(shí)任務(wù)可以接受的響應(yīng)時(shí)間，即必須保證能夠在嚴(yán)格限定的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)輸入做出響應(yīng)。(1)系統(tǒng)軟件：就一般情況來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)軟件是為其他軟4(3)商業(yè)管理軟件：商業(yè)信息處理是最大的軟件應(yīng)用領(lǐng)域，包括常規(guī)的數(shù)據(jù)處理軟件和一些交互式的計(jì)算處理(如POS軟件)軟件。它的基本功能是將已有的數(shù)據(jù)重新構(gòu)造，變換成一種可以輔助商業(yè)操作和管理決策的形式。在這個(gè)過(guò)程中，幾乎都要涉及到對(duì)于大型數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。各類管理信息系統(tǒng)(MIS)、企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)、客戶關(guān)系管理(CRM)等都是典型的商業(yè)管理軟件。(3)商業(yè)管理軟件：商業(yè)信息處理是最大的軟件應(yīng)用領(lǐng)5(4)工程與科學(xué)計(jì)算軟件：此類軟件的特征是要實(shí)現(xiàn)特定的“數(shù)值分析”算法。例如離散傅立葉變換、有限元分析、演化計(jì)算等等。CAD/CAM軟件一般也可以歸屬到這一類型中來(lái)。(5)嵌入式軟件：駐留在專用智能產(chǎn)品的內(nèi)存中，用于控制這些產(chǎn)品進(jìn)行正常工作，完成很有限、很專業(yè)的功能的軟件。例如各類智能檢測(cè)儀表、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)電話、微波爐等智能產(chǎn)品都必須在嵌入式軟件的支持下才能正常工作。(4)工程與科學(xué)計(jì)算軟件：此類軟件的特征是要實(shí)現(xiàn)6(6)人工智能軟件：利用非數(shù)值算法去解決復(fù)雜問(wèn)題的軟件。各類專家系統(tǒng)、模式識(shí)別軟件、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件都屬于人工智能軟件。(7)個(gè)人計(jì)算機(jī)軟件：文字處理系統(tǒng)、電子表格、游戲娛樂(lè)軟件等等。此外，還可以根據(jù)軟件的規(guī)模(代碼行及開發(fā)工作量，如表1.1)、軟件的工作方式、使用頻度、失效后造成的影響等對(duì)軟件產(chǎn)品進(jìn)行分類。(6)人工智能軟件：利用非數(shù)值算法去解決復(fù)雜問(wèn)題的7表1.1根據(jù)規(guī)模進(jìn)行軟件分類軟件規(guī)模類別參加人員數(shù)開發(fā)期限產(chǎn)品規(guī)模(源代碼行數(shù))微型11～4周0.5?k小型11～6月1～2?k中型2～51～2年5～50?k大型5～202～3年50～100?k甚大型100～10004～5年1?M極大型2000～50005～10年1～10?M表1.1根據(jù)規(guī)模進(jìn)行軟件分類軟件規(guī)模類別參加人員數(shù)開發(fā)期81.1.2軟件產(chǎn)品的特征在制造硬件時(shí)，人的創(chuàng)造性的勞動(dòng)過(guò)程(分析、設(shè)計(jì)、建造、測(cè)試)能夠完全轉(zhuǎn)換成物理的形式，但軟件是邏輯的而不是物理的產(chǎn)品，因此軟件具有和硬件完全不同的特征：(1)軟件是一種邏輯實(shí)體，具有抽象性。我們可以把軟件保存在媒體介質(zhì)上，但卻無(wú)法直接看到軟件的形態(tài)，因而必須通過(guò)運(yùn)行、觀察、分析、思考、判斷才能夠了解軟件的功能、性能及其他特性。換句話說(shuō)，軟件產(chǎn)品具有明顯的非可視特征。1.1.2軟件產(chǎn)品的特征9(2)軟件的生產(chǎn)與硬件不同。軟件是由開發(fā)或工程化而形成的，不是由傳統(tǒng)意義上的制造過(guò)程生產(chǎn)的。雖然軟件開發(fā)和硬件制造之間有一些相似之處，可是兩者在本質(zhì)上是不同的。這兩者都能夠通過(guò)良好的設(shè)計(jì)獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品，但即使有了良好的設(shè)計(jì)和優(yōu)秀的樣品，硬件在批量制造過(guò)程中仍然可能引入質(zhì)量問(wèn)題，這種情況對(duì)于軟件而言幾乎不存在。軟件在開發(fā)完畢，形成為產(chǎn)品之后，其批量制造過(guò)程只是簡(jiǎn)單的拷貝/復(fù)制；軟件的開發(fā)和硬件的制造都依賴于人，但參與者和他們完成的工作之間的關(guān)系不同；兩者的終極目的都是建造產(chǎn)品，但方法不同；軟件的成本集中在開發(fā)過(guò)程上，而硬件生產(chǎn)的成本更多地表現(xiàn)在原材料消耗上。因此，軟件項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程不能完全像硬件制造過(guò)程那樣來(lái)管理。(2)軟件的生產(chǎn)與硬件不同。軟件是由開發(fā)或工程化而10(3)軟件產(chǎn)品不會(huì)“磨損”。和硬件產(chǎn)品類似，軟件產(chǎn)品也會(huì)出現(xiàn)故障。所不同的是，硬件產(chǎn)品的故障多來(lái)自外在條件導(dǎo)致的“磨損”或“老化”，而軟件產(chǎn)品如果發(fā)生故障，無(wú)一例外的是在設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中留有隱患。因此，硬件的故障可以通過(guò)簡(jiǎn)單的更換部件解決，而軟件的故障必須通過(guò)全面的軟件維護(hù)活動(dòng)才有望克服。同時(shí)，不完善的維護(hù)活動(dòng)又可能在軟件中注入新的故障，導(dǎo)致軟件質(zhì)量的“退化”。也就是說(shuō)，軟件故障的修復(fù)要比硬件故障的修復(fù)復(fù)雜得多。因此，衡量軟件產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)就是它的“可維護(hù)性”。圖1.1是軟、硬件產(chǎn)品的失效率曲線。(3)軟件產(chǎn)品不會(huì)“磨損”。和硬件產(chǎn)品類似，軟件產(chǎn)11圖1.1軟件/硬件產(chǎn)品失效率曲線圖1.1軟件/硬件產(chǎn)品失效率曲線121.1.3軟件發(fā)展的階段劃分自從20世紀(jì)40年代第一臺(tái)計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，就有了“程序”的概念，可以認(rèn)為它是軟件的前身。經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，人們對(duì)軟件有了更為深刻的認(rèn)識(shí)，在這幾十年中，軟件開發(fā)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：20世紀(jì)50～60年代屬于程序設(shè)計(jì)階段；20世紀(jì)60～70年代為程序系統(tǒng)階段；20世紀(jì)70年代之后進(jìn)入軟件工程階段。各階段的特點(diǎn)與區(qū)別見表1.2。1.1.3軟件發(fā)展的階段劃分13表1.2計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展的三個(gè)階段及其特點(diǎn)階段特點(diǎn)程序設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)軟件工程軟件所指程序程序及說(shuō)明書程序、文檔、數(shù)據(jù)主要程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言匯編及機(jī)器語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言軟件語(yǔ)言*軟件工作范圍程序編寫設(shè)計(jì)和測(cè)試整個(gè)軟件生命周期需求者程序設(shè)計(jì)者本人少數(shù)用戶市場(chǎng)用戶開發(fā)軟件的組織個(gè)人開發(fā)小組開發(fā)小組及大、中型開發(fā)機(jī)構(gòu)軟件規(guī)模小型中、小型大、中、小型表1.2計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展的三個(gè)階段及其特點(diǎn)14階段特點(diǎn)程序設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)軟件工程決定質(zhì)量的因素個(gè)人技術(shù)小組技術(shù)水平技術(shù)與管理水平開發(fā)技術(shù)和手段子程序、程序庫(kù)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、開發(fā)工具、集成開發(fā)環(huán)境、工程化開發(fā)方法、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)及分布式開發(fā)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、計(jì)算機(jī)輔助軟件工程維護(hù)責(zé)任者程序設(shè)計(jì)者開發(fā)小組專職維護(hù)人員硬件的特征高價(jià)、存儲(chǔ)量小、可靠性差降價(jià)，速度、容量和可靠性明顯提高向超高速、大容量、網(wǎng)絡(luò)化、微型化方向發(fā)展軟件的特征完全不受重視軟件的技術(shù)發(fā)展不能滿足需求，出現(xiàn)軟件危機(jī)開發(fā)技術(shù)有進(jìn)步，但仍未完全擺脫軟件危機(jī)表1.2計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展的三個(gè)階段及其特點(diǎn)階段程序設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)軟件工程決定質(zhì)量的151.2軟件危機(jī)1.2.1軟件危機(jī)及其表現(xiàn)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，軟件的地位日益重要和突出。如何滿足日益增長(zhǎng)的軟件需求，如何維護(hù)應(yīng)用中的大量已有軟件，已經(jīng)成為了計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。1968年，北大西洋公約組織的計(jì)算機(jī)科學(xué)家們?cè)诼?lián)邦德國(guó)召開的國(guó)際會(huì)議上討論了軟件危機(jī)問(wèn)題，同時(shí)也是在這個(gè)會(huì)議上提出了“軟件工程”這個(gè)名詞，導(dǎo)致了一門新的工程學(xué)科的正式誕生。簡(jiǎn)單地說(shuō)，所謂軟件危機(jī)，就是指在軟件開發(fā)和軟件維護(hù)過(guò)程中所存在的一系列嚴(yán)重問(wèn)題。具體地說(shuō)，軟件危機(jī)具有如下一些表現(xiàn)：1.2軟件危機(jī)1.2.1軟件危機(jī)及其表現(xiàn)16(1)軟件開發(fā)沒有真正的計(jì)劃性，對(duì)軟件開發(fā)進(jìn)度和軟件開發(fā)成本的估計(jì)常常很不準(zhǔn)確，計(jì)劃的制定帶有很大的盲目因素，因此工期超出、成本失控的現(xiàn)象經(jīng)常困擾著軟件開發(fā)者。(2)對(duì)于軟件需求信息的獲取常常不充分，軟件產(chǎn)品往往不能真正地滿足用戶的實(shí)際需求。(3)缺乏良好的軟件質(zhì)量評(píng)測(cè)手段，從而導(dǎo)致軟件產(chǎn)品的質(zhì)量常常得不到保證。(1)軟件開發(fā)沒有真正的計(jì)劃性，對(duì)軟件開發(fā)進(jìn)度和軟17(4)對(duì)于軟件的可理解性、可維護(hù)性認(rèn)識(shí)不夠；軟件的可復(fù)用性、可維護(hù)性不如人意。有些軟件因?yàn)檫^(guò)于“個(gè)性化”，甚至是難以理解的，更談不上進(jìn)行維護(hù)。缺乏可復(fù)用性引起的大量重復(fù)性勞動(dòng)極大地降低了軟件的開發(fā)效率。(5)軟件開發(fā)過(guò)程沒有實(shí)現(xiàn)“規(guī)范化”，缺乏必要的文檔資料或者文檔資料不合格、不準(zhǔn)確，難以進(jìn)行專業(yè)維護(hù)。(4)對(duì)于軟件的可理解性、可維護(hù)性認(rèn)識(shí)不夠；軟件的18(6)軟件開發(fā)的人力成本持續(xù)上升，如美國(guó)在1995年的軟件開發(fā)成本已經(jīng)占到了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成本的90%(如圖1.2所示)。(7)缺乏自動(dòng)化的軟件開發(fā)技術(shù)，軟件開發(fā)的生產(chǎn)率依然低下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了急劇增長(zhǎng)的軟件需求(如圖1.3所示)。(6)軟件開發(fā)的人力成本持續(xù)上升，如美國(guó)在199519圖1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件、軟件成本比例變化圖1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件、軟件成本比例變化20圖1.3軟件技術(shù)的發(fā)展落后于需求

圖1.3軟件技術(shù)的發(fā)展落后于需求21軟件危機(jī)曾經(jīng)是歷史上的陰影，目前軟件工程界也仍然在一定程度上受到它的影響。軟件工程概念的提出，正是為了克服軟件危機(jī)。自1968年以來(lái)，隨著軟件工程學(xué)的不斷發(fā)展，軟件危機(jī)得到了一定程度的遏制，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被徹底解決。《TheStandishGroup.Chaos.1995.》一文報(bào)告了20世紀(jì)90年代中期美國(guó)商用軟件產(chǎn)業(yè)的情況：1995年美國(guó)公司取消了810億美元的軟件項(xiàng)目；在所考察的軟件項(xiàng)目中，在完成前就取消了其中的31%；53%的軟件項(xiàng)目進(jìn)度拖延，通常拖延的時(shí)間超過(guò)預(yù)定工期50%以上；只有9%的大型軟件項(xiàng)目能夠及時(shí)交付且費(fèi)用不超支(對(duì)中型和小型軟件公司來(lái)說(shuō)這一數(shù)據(jù)為16%)。軟件危機(jī)曾經(jīng)是歷史上的陰影，目前軟件工程界也仍然在一221.2.2產(chǎn)生軟件危機(jī)的原因軟件危機(jī)的存在是不爭(zhēng)的事實(shí)。產(chǎn)生軟件危機(jī)的原因可以歸納為主、客觀兩個(gè)方面。從客觀上來(lái)看，軟件不同于硬件，它的生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品都具有明顯的“不可視”特征，這就導(dǎo)致在完成編碼并且上機(jī)運(yùn)行之前，對(duì)于軟件開發(fā)過(guò)程的進(jìn)展情況較難衡量，軟件產(chǎn)品的質(zhì)量也較難進(jìn)行先期評(píng)價(jià)，因此，對(duì)于開發(fā)軟件的過(guò)程進(jìn)行管理和控制比較困難。在軟件工程的早期，制定詳細(xì)的開發(fā)計(jì)劃并且進(jìn)行全程跟蹤調(diào)控，對(duì)于所有的階段產(chǎn)品和階段工作進(jìn)展進(jìn)行技術(shù)審查和管理復(fù)審，可望在一定程度上克服“開發(fā)過(guò)程不可視”造成的消極影響。1.2.2產(chǎn)生軟件危機(jī)的原因23此外，軟件運(yùn)行過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤，那么必然是遇到了在開發(fā)時(shí)期(分析、設(shè)計(jì)、編碼過(guò)程)引入的，在檢測(cè)過(guò)程中沒有能夠檢查出來(lái)的故障。對(duì)于此類故障的維護(hù)，通常意味著要修改早期的分析結(jié)果、設(shè)計(jì)結(jié)果并調(diào)整編碼。由于軟件產(chǎn)品的不可視特征，維護(hù)過(guò)程不像硬件產(chǎn)品維護(hù)時(shí)只要簡(jiǎn)單的更換損壞部件那樣容易，這在客觀上造成了軟件難以維護(hù)的結(jié)果。利用足夠的文檔資料使不可視的產(chǎn)品可視化，有助于提升軟件產(chǎn)品的可理解性和可維護(hù)性。此外，軟件運(yùn)行過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤，那么必然是遇到了24從主觀上分析，導(dǎo)致軟件危機(jī)發(fā)生的另一大原因，可以歸于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的早期，軟件開發(fā)的“個(gè)體化”特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為忽視軟件需求分析的重要性、忽視軟件的可理解性、文檔不完備、輕視軟件的可維護(hù)性、過(guò)分強(qiáng)調(diào)編碼技巧等等方面。只有軟件的用戶才真正了解他們自己的需求。而且應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，用戶一開始并不見得能夠清晰、準(zhǔn)確、無(wú)二意地表達(dá)自己的需求。軟件開發(fā)人員需要做大量的、深入細(xì)致的調(diào)研工作，引導(dǎo)用戶逐步準(zhǔn)確、具體地描述軟件的需求，才能夠得到對(duì)問(wèn)題、目標(biāo)的正確認(rèn)識(shí)，從而獲得解決問(wèn)題的恰當(dāng)出發(fā)點(diǎn)，有望開發(fā)出真正能夠滿足用戶需求的軟件產(chǎn)品。在對(duì)用戶的需求沒有清楚的認(rèn)識(shí)時(shí)就倉(cāng)促進(jìn)行程序編寫，最終必然會(huì)導(dǎo)致開發(fā)工作的失敗。從主觀上分析，導(dǎo)致軟件危機(jī)發(fā)生的另一大原因，可以歸于25一般來(lái)說(shuō)，軟件產(chǎn)品從策劃、定義、開發(fā)、使用與維護(hù)直到最后廢棄，要經(jīng)過(guò)一個(gè)漫長(zhǎng)的時(shí)期，通常把這個(gè)時(shí)期稱為軟件的“生命周期”。可以將生命周期分作“軟件定義”、“軟件開發(fā)”和“運(yùn)行與維護(hù)”三個(gè)階段。在軟件定義階段中，主要進(jìn)行軟件目標(biāo)的策劃、可行性研究和軟件的需求分析工作，通過(guò)和用戶多次交流，在所要開發(fā)的軟件必須“作什么”方面和用戶達(dá)成一致(當(dāng)然在開發(fā)過(guò)程中也允許在嚴(yán)格的控制下進(jìn)行需求變更)。一般來(lái)說(shuō)，軟件產(chǎn)品從策劃、定義、開發(fā)、使用與維護(hù)直到26軟件被定義之后，進(jìn)入開發(fā)階段，主要對(duì)軟件的體系架構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和主要算法進(jìn)行設(shè)計(jì)和編碼實(shí)現(xiàn)。對(duì)于編碼結(jié)果，還要按照規(guī)范進(jìn)行測(cè)試后，才能最終交付使用。如前所述，在開發(fā)階段也可能對(duì)于此前不夠準(zhǔn)確的軟件定義結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在典型的軟件工程過(guò)程中，編碼工作量大約只占軟件開發(fā)全部工作量的15%～20%。軟件被定義之后，進(jìn)入開發(fā)階段，主要對(duì)軟件的體系架構(gòu)、27軟件的運(yùn)行與維護(hù)階段在軟件生命周期中占據(jù)的比例最大。在軟件運(yùn)行過(guò)程中，分析和設(shè)計(jì)階段的一些遺留缺陷可能會(huì)逐步暴露；運(yùn)行環(huán)境的演變也會(huì)對(duì)運(yùn)行中的軟件提出變更要求；用戶新需求的提出則常常要求擴(kuò)充現(xiàn)有軟件的功能或者改進(jìn)其性能，所有這些要求與問(wèn)題都必須通過(guò)“軟件維護(hù)”工作去解決。在維護(hù)過(guò)程中，必須注意保持所有軟件工作產(chǎn)品之間的一致性。針對(duì)不同的需求，維護(hù)工作一般可以分為糾錯(cuò)性維護(hù)、適應(yīng)性維護(hù)、擴(kuò)充性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)等不同類型。軟件的運(yùn)行與維護(hù)階段在軟件生命周期中占據(jù)的比例最大。28作為軟件，應(yīng)當(dāng)有一個(gè)完整的配置。Boehm(美國(guó)著名的軟件工程專家，加州州立大學(xué)教授)指出，“軟件是程序以及開發(fā)、使用、維護(hù)程序所需要的所有文檔”。所以，軟件產(chǎn)品除包括程序之外，應(yīng)當(dāng)包括完整、準(zhǔn)確、翔實(shí)的文檔資料。主要的文檔應(yīng)當(dāng)包括“需求規(guī)格說(shuō)明書”、“體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明書”、“詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書”、“安裝手冊(cè)”、“操作手冊(cè)”、“系統(tǒng)管理員手冊(cè)”等。缺乏必要的配置文檔，將嚴(yán)重影響軟件的可理解性，從而給軟件的維護(hù)造成嚴(yán)重障礙。做好包括項(xiàng)目策劃、可行性研究、需求分析三項(xiàng)內(nèi)容的軟件定義工作，是提高軟件質(zhì)量、降低軟件成本、保證開發(fā)進(jìn)度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。作為軟件，應(yīng)當(dāng)有一個(gè)完整的配置。Boehm(美國(guó)著名29值得注意的嚴(yán)重問(wèn)題是，在軟件開發(fā)的不同階段進(jìn)行修改所付出的代價(jià)是極其不同的。在早期引入變動(dòng)，涉及的面比較小，因而代價(jià)也比較低；在開發(fā)的中期，因?yàn)樵S多配置項(xiàng)(被標(biāo)識(shí)的工作產(chǎn)品)已經(jīng)完成，所以引入一個(gè)變動(dòng)，就要對(duì)它所涉及的所有已經(jīng)完成的配置項(xiàng)進(jìn)行變更，不僅工作量大，而且邏輯上也更復(fù)雜，因此付出的代價(jià)劇增；如果在軟件“已經(jīng)完成”時(shí)再引入變更，更是要付出高得多的代價(jià)。根據(jù)美國(guó)一些軟件公司的統(tǒng)計(jì)資料，軟件開發(fā)后期引入一個(gè)變動(dòng)比在早期引入相同變動(dòng)所需付出的代價(jià)高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。圖1.4定性地描繪了在不同時(shí)期引入一個(gè)變動(dòng)需要付出的代價(jià)的變動(dòng)趨勢(shì)。圖1.5是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)得出的定量結(jié)果。值得注意的嚴(yán)重問(wèn)題是，在軟件開發(fā)的不同階段進(jìn)行修改所30圖1.4變更代價(jià)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)示意圖1.4變更代價(jià)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)示意31圖1.5改正一個(gè)問(wèn)題需要付出的代價(jià)圖1.5改正一個(gè)問(wèn)題需要付出的代價(jià)321.2.3解決軟件危機(jī)的途徑可以借鑒其他工程領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)，基于軟件危機(jī)產(chǎn)生的主、客觀原因，從軟件工程技術(shù)和軟件工程管理兩方面來(lái)采取措施，防范軟件危機(jī)的發(fā)生。軟件開發(fā)不是某種個(gè)體勞動(dòng)的神秘技巧，而應(yīng)當(dāng)是一種組織良好、管理嚴(yán)密，分析、設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試、品保等各類人員協(xié)同配合、共同完成的工程項(xiàng)目。在軟件開發(fā)過(guò)程中，必須充分吸收和借鑒人類長(zhǎng)期以來(lái)從事各種工程項(xiàng)目所積累的行之有效的原理、概念、技術(shù)和方法，特別要注意吸收幾十年來(lái)在計(jì)算機(jī)硬件研究和開發(fā)中積累的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)。1.2.3解決軟件危機(jī)的途徑33從管理層面上考慮，應(yīng)當(dāng)注意推廣和使用在實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的開發(fā)軟件的成功的技術(shù)和方法，并且探索更好的、更有效的技術(shù)和方法，注意積累軟件開發(fā)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)財(cái)富，逐步消除在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)早期發(fā)展階段形成的一些錯(cuò)誤概念和做法。建立適合于本組織的軟件工程規(guī)范；制定軟件開發(fā)中各個(gè)工作環(huán)節(jié)的流程文件、工作指南和階段工作產(chǎn)品模板；實(shí)施針對(duì)軟件開發(fā)全過(guò)程的計(jì)劃跟蹤和品質(zhì)管理活動(dòng)；為每一項(xiàng)工程開發(fā)活動(dòng)建立配置管理庫(kù)；實(shí)施嚴(yán)格的產(chǎn)品基線管理并建立組織的軟件過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件財(cái)富庫(kù)；為各類員工及時(shí)提供必要的培訓(xùn)等等都是加強(qiáng)軟件開發(fā)活動(dòng)管理工作的有效手段。從管理層面上考慮，應(yīng)當(dāng)注意推廣和使用在實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)34從技術(shù)角度考慮，應(yīng)當(dāng)開發(fā)和使用更好的軟件開發(fā)工具，提高軟件開發(fā)效率和開發(fā)工作過(guò)程的規(guī)范化程度。在計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)的各個(gè)階段，都有大量的繁瑣重復(fù)的工作要做，在適當(dāng)?shù)能浖ぞ叩妮o助下，開發(fā)人員可以把這類工作做的既快又好。目前廣為使用的統(tǒng)一建模語(yǔ)言(UML)、各種配置管理工具、缺陷管理工具和自動(dòng)測(cè)試工具都在軟件工程活動(dòng)中發(fā)揮了很好的作用。計(jì)算機(jī)輔助軟件工程(CASE)更是目前備受重視的一個(gè)旨在實(shí)現(xiàn)軟件開發(fā)自動(dòng)化的新的領(lǐng)域。從技術(shù)角度考慮，應(yīng)當(dāng)開發(fā)和使用更好的軟件開發(fā)工具，提351.3軟件工程的產(chǎn)生及其發(fā)展1968年，北大西洋公約組織的計(jì)算機(jī)科學(xué)家們?cè)谠?lián)邦德國(guó)召開的國(guó)際會(huì)議上，針對(duì)軟件危機(jī)的嚴(yán)峻形勢(shì)，提出了把在其他工程領(lǐng)域中行之有效的一些工程學(xué)知識(shí)運(yùn)用到軟件開發(fā)過(guò)程中來(lái)，從管理和技術(shù)兩個(gè)方面研究如何更好地開發(fā)和維護(hù)計(jì)算機(jī)軟件的設(shè)想。這也就是軟件工程的基本思路。在這次會(huì)議上首次提出并使用了“軟件工程”這一術(shù)語(yǔ)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，軟件工程是指導(dǎo)軟件開發(fā)和維護(hù)的工程學(xué)科。它的核心思想是采用工程的概念、原理、技術(shù)和方法來(lái)開發(fā)和維護(hù)軟件，把經(jīng)過(guò)實(shí)踐考驗(yàn)而證明是正確的管理技術(shù)和當(dāng)前能夠得到的最好的技術(shù)方法結(jié)合起來(lái)，從而大大提高軟件開發(fā)的成功率和生產(chǎn)率。許多計(jì)算機(jī)專家都曾經(jīng)描述過(guò)“軟件工程”的定義。1.3軟件工程的產(chǎn)生及其發(fā)展1968年，北大西洋36Boehm曾為軟件工程下過(guò)定義：“運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)并構(gòu)造計(jì)算機(jī)程序及為開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)這些程序所必需的相關(guān)文件資料”。1983年，IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會(huì))給出的軟件工程定義為：“軟件工程是開發(fā)、運(yùn)行、維護(hù)和修復(fù)軟件的系統(tǒng)方法”。FritzBauer(美國(guó)著名的軟件工程專家)則給出了另一個(gè)關(guān)于軟件工程學(xué)的定義：“建立并使用完善的工程化原則，以較經(jīng)濟(jì)的手段獲得能在實(shí)際機(jī)器上有效運(yùn)行的可靠軟件的一系列方法”。Boehm曾為軟件工程下過(guò)定義：“運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)37后來(lái)又有一些從事軟件工程方法學(xué)研究的人陸續(xù)提出了許多更為完善的軟件工程的定義，但主要思想都是強(qiáng)調(diào)軟件開發(fā)過(guò)程中需要應(yīng)用工程化原則的重要性。IEEE給出了關(guān)于軟件工程的一個(gè)更加綜合的定義：(1)將系統(tǒng)化的、規(guī)范的、可度量的方法應(yīng)用于軟件的開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)過(guò)程。即將工程化方法應(yīng)用于軟件開發(fā)與維護(hù)過(guò)程中。(2)對(duì)上述方法的研究。后來(lái)又有一些從事軟件工程方法學(xué)研究的人陸續(xù)提出了許多38就內(nèi)容來(lái)看，軟件工程應(yīng)當(dāng)包括三個(gè)要素：方法、工具和過(guò)程。軟件工程方法為軟件開發(fā)提供了“如何做某項(xiàng)工作”的技術(shù)指南。它包括了多方面的任務(wù)。例如項(xiàng)目策劃和估算方法、軟件需求分析方法、體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、詳細(xì)設(shè)計(jì)方法、軟件測(cè)試方法等等。使得整個(gè)開發(fā)過(guò)程的每一種階段任務(wù)都能夠“有章可循”。軟件工程工具為軟件工程方法提供了自動(dòng)的或半自動(dòng)的軟件支撐環(huán)境。目前這樣的工具已經(jīng)有許多種，而且已經(jīng)有人把諸多軟件工程工具集成起來(lái)，使得一種工具產(chǎn)生的信息可以為其他工具所使用，形成了一種稱之為計(jì)算機(jī)輔助軟件工程(CASE)的軟件開發(fā)支撐環(huán)境。CASE把各種軟件工具、開發(fā)機(jī)器和一個(gè)存放開發(fā)過(guò)程信息的工程數(shù)據(jù)庫(kù)組合起來(lái)，形成了一個(gè)完整的軟件工程環(huán)境。就內(nèi)容來(lái)看，軟件工程應(yīng)當(dāng)包括三個(gè)要素：方法、工具和過(guò)39軟件工程中的“過(guò)程”是將軟件工程的方法和工具綜合起來(lái)以達(dá)到合理、及時(shí)地進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)的目的。可以將軟件工程過(guò)程理解為軟件工程的工藝路線。過(guò)程定義了各種方法使用的順序、各階段要求交付的文檔資料、為保證質(zhì)量和控制軟件變更所需要的管理環(huán)節(jié)和在軟件開發(fā)各個(gè)階段完成的里程碑。針對(duì)軟件工程的基本要件，有許多計(jì)算機(jī)科學(xué)家進(jìn)行了詮釋，先后提出了100多條有關(guān)軟件工程的相關(guān)原則。著名軟件工程專家B.W.Boehm集眾家所長(zhǎng)，并總結(jié)了TRW公司多年開發(fā)軟件的經(jīng)驗(yàn)，在1983年提出了軟件工程的七項(xiàng)基本原則，作為保證軟件產(chǎn)品質(zhì)量和開發(fā)效率的最小集合。具體包括：軟件工程中的“過(guò)程”是將軟件工程的方法和工具綜合起來(lái)40(1)用分階段的生命周期計(jì)劃嚴(yán)格管理軟件工程過(guò)程。(2)堅(jiān)持在軟件工程過(guò)程中進(jìn)行階段評(píng)審。(3)實(shí)行嚴(yán)格的產(chǎn)品控制。(4)采用現(xiàn)代的開發(fā)技術(shù)進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。(5)工作結(jié)果應(yīng)當(dāng)是能夠清楚地審查的。(6)開發(fā)小組的人員應(yīng)該“少而精”。(7)承認(rèn)不斷改進(jìn)軟件工程實(shí)踐的必要性。(1)用分階段的生命周期計(jì)劃嚴(yán)格管理軟件工程過(guò)程。41這七條原則是互相獨(dú)立的、缺一不可的最小集合，同時(shí)又是相當(dāng)完備的。可以證明，其他已經(jīng)提出的100多條軟件工程原理都可以由這七條原則的任意組合蘊(yùn)含或派生。從首次提出“軟件工程”的概念開始，迄今已經(jīng)經(jīng)過(guò)了近半個(gè)世紀(jì)，在此期間，計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)領(lǐng)域都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，各種新產(chǎn)品、新技術(shù)、新方法、新工具不斷問(wèn)世。伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步，軟件工程作為一門新興學(xué)科也同樣有了很大的發(fā)展。從傳統(tǒng)的軟件工程到面向?qū)ο蟮能浖こ蹋瑥囊话愕能浖こ痰絻羰臆浖こ蹋瑥能浖こ痰杰浖俟こ蹋瑥娜斯ぼ浖こ痰接?jì)算機(jī)輔助軟件工程，整個(gè)軟件工程學(xué)正在日趨走向成熟，并在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。這七條原則是互相獨(dú)立的、缺一不可的最小集合，同時(shí)又是42第1章軟件工程引論1.1軟件產(chǎn)品的概念與特征1.2軟件危機(jī)1.3軟件工程的產(chǎn)生及其發(fā)展第1章軟件工程引論1.1軟件產(chǎn)品的概念與特征431.1軟件產(chǎn)品的概念與特征1.1.1軟件產(chǎn)品的概念與分類就本質(zhì)而言，軟件就是一個(gè)信息轉(zhuǎn)換器，它的功能不外是產(chǎn)生、管理、獲取、修改、顯示或轉(zhuǎn)換信息。它擔(dān)任著雙重角色，首先，它是一種產(chǎn)品，表達(dá)了由計(jì)算機(jī)硬件體現(xiàn)的計(jì)算潛能；其次，它又是開發(fā)和運(yùn)行產(chǎn)品的載體，是計(jì)算機(jī)控制(操作系統(tǒng))、信息通信(網(wǎng)絡(luò))的基礎(chǔ)，也是創(chuàng)建和控制其他軟件(軟件工具和開發(fā)環(huán)境)的基礎(chǔ)。1.1軟件產(chǎn)品的概念與特征1.1.1軟件產(chǎn)品的概念44對(duì)于軟件的一種公認(rèn)的解釋是：軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與硬件相互依存的另一部分，它是包括程序、數(shù)據(jù)及其相關(guān)文檔的完整集合。其中，程序是為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能和性能要求而編寫的指令序列；數(shù)據(jù)是使指令能夠正常操縱信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；文檔是與程序開發(fā)、維護(hù)和使用有關(guān)的圖文資料。根據(jù)用途劃分，軟件可以大致劃分成如下類別：對(duì)于軟件的一種公認(rèn)的解釋是：軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與硬件45(1)系統(tǒng)軟件：就一般情況來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)軟件是為其他軟件服務(wù)的軟件。系統(tǒng)軟件與計(jì)算機(jī)硬件交互頻繁，處理大量的確定或不確定的復(fù)雜數(shù)據(jù)，往往需要具有多用戶支持、資源精細(xì)調(diào)度、并發(fā)操作管理、多種外部設(shè)備接口支持等項(xiàng)功能。(2)實(shí)時(shí)軟件：管理、分析、控制現(xiàn)實(shí)世界中所發(fā)生的事件的軟件稱為實(shí)時(shí)軟件。它一般有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、輸出控制等三方面的功能。實(shí)時(shí)軟件需要保持一個(gè)現(xiàn)實(shí)任務(wù)可以接受的響應(yīng)時(shí)間，即必須保證能夠在嚴(yán)格限定的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)輸入做出響應(yīng)。(1)系統(tǒng)軟件：就一般情況來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)軟件是為其他軟46(3)商業(yè)管理軟件：商業(yè)信息處理是最大的軟件應(yīng)用領(lǐng)域，包括常規(guī)的數(shù)據(jù)處理軟件和一些交互式的計(jì)算處理(如POS軟件)軟件。它的基本功能是將已有的數(shù)據(jù)重新構(gòu)造，變換成一種可以輔助商業(yè)操作和管理決策的形式。在這個(gè)過(guò)程中，幾乎都要涉及到對(duì)于大型數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。各類管理信息系統(tǒng)(MIS)、企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)、客戶關(guān)系管理(CRM)等都是典型的商業(yè)管理軟件。(3)商業(yè)管理軟件：商業(yè)信息處理是最大的軟件應(yīng)用領(lǐng)47(4)工程與科學(xué)計(jì)算軟件：此類軟件的特征是要實(shí)現(xiàn)特定的“數(shù)值分析”算法。例如離散傅立葉變換、有限元分析、演化計(jì)算等等。CAD/CAM軟件一般也可以歸屬到這一類型中來(lái)。(5)嵌入式軟件：駐留在專用智能產(chǎn)品的內(nèi)存中，用于控制這些產(chǎn)品進(jìn)行正常工作，完成很有限、很專業(yè)的功能的軟件。例如各類智能檢測(cè)儀表、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)電話、微波爐等智能產(chǎn)品都必須在嵌入式軟件的支持下才能正常工作。(4)工程與科學(xué)計(jì)算軟件：此類軟件的特征是要實(shí)現(xiàn)48(6)人工智能軟件：利用非數(shù)值算法去解決復(fù)雜問(wèn)題的軟件。各類專家系統(tǒng)、模式識(shí)別軟件、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件都屬于人工智能軟件。(7)個(gè)人計(jì)算機(jī)軟件：文字處理系統(tǒng)、電子表格、游戲娛樂(lè)軟件等等。此外，還可以根據(jù)軟件的規(guī)模(代碼行及開發(fā)工作量，如表1.1)、軟件的工作方式、使用頻度、失效后造成的影響等對(duì)軟件產(chǎn)品進(jìn)行分類。(6)人工智能軟件：利用非數(shù)值算法去解決復(fù)雜問(wèn)題的49表1.1根據(jù)規(guī)模進(jìn)行軟件分類軟件規(guī)模類別參加人員數(shù)開發(fā)期限產(chǎn)品規(guī)模(源代碼行數(shù))微型11～4周0.5?k小型11～6月1～2?k中型2～51～2年5～50?k大型5～202～3年50～100?k甚大型100～10004～5年1?M極大型2000～50005～10年1～10?M表1.1根據(jù)規(guī)模進(jìn)行軟件分類軟件規(guī)模類別參加人員數(shù)開發(fā)期501.1.2軟件產(chǎn)品的特征在制造硬件時(shí)，人的創(chuàng)造性的勞動(dòng)過(guò)程(分析、設(shè)計(jì)、建造、測(cè)試)能夠完全轉(zhuǎn)換成物理的形式，但軟件是邏輯的而不是物理的產(chǎn)品，因此軟件具有和硬件完全不同的特征：(1)軟件是一種邏輯實(shí)體，具有抽象性。我們可以把軟件保存在媒體介質(zhì)上，但卻無(wú)法直接看到軟件的形態(tài)，因而必須通過(guò)運(yùn)行、觀察、分析、思考、判斷才能夠了解軟件的功能、性能及其他特性。換句話說(shuō)，軟件產(chǎn)品具有明顯的非可視特征。1.1.2軟件產(chǎn)品的特征51(2)軟件的生產(chǎn)與硬件不同。軟件是由開發(fā)或工程化而形成的，不是由傳統(tǒng)意義上的制造過(guò)程生產(chǎn)的。雖然軟件開發(fā)和硬件制造之間有一些相似之處，可是兩者在本質(zhì)上是不同的。這兩者都能夠通過(guò)良好的設(shè)計(jì)獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品，但即使有了良好的設(shè)計(jì)和優(yōu)秀的樣品，硬件在批量制造過(guò)程中仍然可能引入質(zhì)量問(wèn)題，這種情況對(duì)于軟件而言幾乎不存在。軟件在開發(fā)完畢，形成為產(chǎn)品之后，其批量制造過(guò)程只是簡(jiǎn)單的拷貝/復(fù)制；軟件的開發(fā)和硬件的制造都依賴于人，但參與者和他們完成的工作之間的關(guān)系不同；兩者的終極目的都是建造產(chǎn)品，但方法不同；軟件的成本集中在開發(fā)過(guò)程上，而硬件生產(chǎn)的成本更多地表現(xiàn)在原材料消耗上。因此，軟件項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程不能完全像硬件制造過(guò)程那樣來(lái)管理。(2)軟件的生產(chǎn)與硬件不同。軟件是由開發(fā)或工程化而52(3)軟件產(chǎn)品不會(huì)“磨損”。和硬件產(chǎn)品類似，軟件產(chǎn)品也會(huì)出現(xiàn)故障。所不同的是，硬件產(chǎn)品的故障多來(lái)自外在條件導(dǎo)致的“磨損”或“老化”，而軟件產(chǎn)品如果發(fā)生故障，無(wú)一例外的是在設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中留有隱患。因此，硬件的故障可以通過(guò)簡(jiǎn)單的更換部件解決，而軟件的故障必須通過(guò)全面的軟件維護(hù)活動(dòng)才有望克服。同時(shí)，不完善的維護(hù)活動(dòng)又可能在軟件中注入新的故障，導(dǎo)致軟件質(zhì)量的“退化”。也就是說(shuō)，軟件故障的修復(fù)要比硬件故障的修復(fù)復(fù)雜得多。因此，衡量軟件產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)就是它的“可維護(hù)性”。圖1.1是軟、硬件產(chǎn)品的失效率曲線。(3)軟件產(chǎn)品不會(huì)“磨損”。和硬件產(chǎn)品類似，軟件產(chǎn)53圖1.1軟件/硬件產(chǎn)品失效率曲線圖1.1軟件/硬件產(chǎn)品失效率曲線541.1.3軟件發(fā)展的階段劃分自從20世紀(jì)40年代第一臺(tái)計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，就有了“程序”的概念，可以認(rèn)為它是軟件的前身。經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，人們對(duì)軟件有了更為深刻的認(rèn)識(shí)，在這幾十年中，軟件開發(fā)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：20世紀(jì)50～60年代屬于程序設(shè)計(jì)階段；20世紀(jì)60～70年代為程序系統(tǒng)階段；20世紀(jì)70年代之后進(jìn)入軟件工程階段。各階段的特點(diǎn)與區(qū)別見表1.2。1.1.3軟件發(fā)展的階段劃分55表1.2計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展的三個(gè)階段及其特點(diǎn)階段特點(diǎn)程序設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)軟件工程軟件所指程序程序及說(shuō)明書程序、文檔、數(shù)據(jù)主要程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言匯編及機(jī)器語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言軟件語(yǔ)言*軟件工作范圍程序編寫設(shè)計(jì)和測(cè)試整個(gè)軟件生命周期需求者程序設(shè)計(jì)者本人少數(shù)用戶市場(chǎng)用戶開發(fā)軟件的組織個(gè)人開發(fā)小組開發(fā)小組及大、中型開發(fā)機(jī)構(gòu)軟件規(guī)模小型中、小型大、中、小型表1.2計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展的三個(gè)階段及其特點(diǎn)56階段特點(diǎn)程序設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)軟件工程決定質(zhì)量的因素個(gè)人技術(shù)小組技術(shù)水平技術(shù)與管理水平開發(fā)技術(shù)和手段子程序、程序庫(kù)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、開發(fā)工具、集成開發(fā)環(huán)境、工程化開發(fā)方法、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)及分布式開發(fā)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、計(jì)算機(jī)輔助軟件工程維護(hù)責(zé)任者程序設(shè)計(jì)者開發(fā)小組專職維護(hù)人員硬件的特征高價(jià)、存儲(chǔ)量小、可靠性差降價(jià)，速度、容量和可靠性明顯提高向超高速、大容量、網(wǎng)絡(luò)化、微型化方向發(fā)展軟件的特征完全不受重視軟件的技術(shù)發(fā)展不能滿足需求，出現(xiàn)軟件危機(jī)開發(fā)技術(shù)有進(jìn)步，但仍未完全擺脫軟件危機(jī)表1.2計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展的三個(gè)階段及其特點(diǎn)階段程序設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)軟件工程決定質(zhì)量的571.2軟件危機(jī)1.2.1軟件危機(jī)及其表現(xiàn)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，軟件的地位日益重要和突出。如何滿足日益增長(zhǎng)的軟件需求，如何維護(hù)應(yīng)用中的大量已有軟件，已經(jīng)成為了計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。1968年，北大西洋公約組織的計(jì)算機(jī)科學(xué)家們?cè)诼?lián)邦德國(guó)召開的國(guó)際會(huì)議上討論了軟件危機(jī)問(wèn)題，同時(shí)也是在這個(gè)會(huì)議上提出了“軟件工程”這個(gè)名詞，導(dǎo)致了一門新的工程學(xué)科的正式誕生。簡(jiǎn)單地說(shuō)，所謂軟件危機(jī)，就是指在軟件開發(fā)和軟件維護(hù)過(guò)程中所存在的一系列嚴(yán)重問(wèn)題。具體地說(shuō)，軟件危機(jī)具有如下一些表現(xiàn)：1.2軟件危機(jī)1.2.1軟件危機(jī)及其表現(xiàn)58(1)軟件開發(fā)沒有真正的計(jì)劃性，對(duì)軟件開發(fā)進(jìn)度和軟件開發(fā)成本的估計(jì)常常很不準(zhǔn)確，計(jì)劃的制定帶有很大的盲目因素，因此工期超出、成本失控的現(xiàn)象經(jīng)常困擾著軟件開發(fā)者。(2)對(duì)于軟件需求信息的獲取常常不充分，軟件產(chǎn)品往往不能真正地滿足用戶的實(shí)際需求。(3)缺乏良好的軟件質(zhì)量評(píng)測(cè)手段，從而導(dǎo)致軟件產(chǎn)品的質(zhì)量常常得不到保證。(1)軟件開發(fā)沒有真正的計(jì)劃性，對(duì)軟件開發(fā)進(jìn)度和軟59(4)對(duì)于軟件的可理解性、可維護(hù)性認(rèn)識(shí)不夠；軟件的可復(fù)用性、可維護(hù)性不如人意。有些軟件因?yàn)檫^(guò)于“個(gè)性化”，甚至是難以理解的，更談不上進(jìn)行維護(hù)。缺乏可復(fù)用性引起的大量重復(fù)性勞動(dòng)極大地降低了軟件的開發(fā)效率。(5)軟件開發(fā)過(guò)程沒有實(shí)現(xiàn)“規(guī)范化”，缺乏必要的文檔資料或者文檔資料不合格、不準(zhǔn)確，難以進(jìn)行專業(yè)維護(hù)。(4)對(duì)于軟件的可理解性、可維護(hù)性認(rèn)識(shí)不夠；軟件的60(6)軟件開發(fā)的人力成本持續(xù)上升，如美國(guó)在1995年的軟件開發(fā)成本已經(jīng)占到了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成本的90%(如圖1.2所示)。(7)缺乏自動(dòng)化的軟件開發(fā)技術(shù)，軟件開發(fā)的生產(chǎn)率依然低下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了急劇增長(zhǎng)的軟件需求(如圖1.3所示)。(6)軟件開發(fā)的人力成本持續(xù)上升，如美國(guó)在199561圖1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件、軟件成本比例變化圖1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件、軟件成本比例變化62圖1.3軟件技術(shù)的發(fā)展落后于需求

圖1.3軟件技術(shù)的發(fā)展落后于需求63軟件危機(jī)曾經(jīng)是歷史上的陰影，目前軟件工程界也仍然在一定程度上受到它的影響。軟件工程概念的提出，正是為了克服軟件危機(jī)。自1968年以來(lái)，隨著軟件工程學(xué)的不斷發(fā)展，軟件危機(jī)得到了一定程度的遏制，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被徹底解決。《TheStandishGroup.Chaos.1995.》一文報(bào)告了20世紀(jì)90年代中期美國(guó)商用軟件產(chǎn)業(yè)的情況：1995年美國(guó)公司取消了810億美元的軟件項(xiàng)目；在所考察的軟件項(xiàng)目中，在完成前就取消了其中的31%；53%的軟件項(xiàng)目進(jìn)度拖延，通常拖延的時(shí)間超過(guò)預(yù)定工期50%以上；只有9%的大型軟件項(xiàng)目能夠及時(shí)交付且費(fèi)用不超支(對(duì)中型和小型軟件公司來(lái)說(shuō)這一數(shù)據(jù)為16%)。軟件危機(jī)曾經(jīng)是歷史上的陰影，目前軟件工程界也仍然在一641.2.2產(chǎn)生軟件危機(jī)的原因軟件危機(jī)的存在是不爭(zhēng)的事實(shí)。產(chǎn)生軟件危機(jī)的原因可以歸納為主、客觀兩個(gè)方面。從客觀上來(lái)看，軟件不同于硬件，它的生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品都具有明顯的“不可視”特征，這就導(dǎo)致在完成編碼并且上機(jī)運(yùn)行之前，對(duì)于軟件開發(fā)過(guò)程的進(jìn)展情況較難衡量，軟件產(chǎn)品的質(zhì)量也較難進(jìn)行先期評(píng)價(jià)，因此，對(duì)于開發(fā)軟件的過(guò)程進(jìn)行管理和控制比較困難。在軟件工程的早期，制定詳細(xì)的開發(fā)計(jì)劃并且進(jìn)行全程跟蹤調(diào)控，對(duì)于所有的階段產(chǎn)品和階段工作進(jìn)展進(jìn)行技術(shù)審查和管理復(fù)審，可望在一定程度上克服“開發(fā)過(guò)程不可視”造成的消極影響。1.2.2產(chǎn)生軟件危機(jī)的原因65此外，軟件運(yùn)行過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤，那么必然是遇到了在開發(fā)時(shí)期(分析、設(shè)計(jì)、編碼過(guò)程)引入的，在檢測(cè)過(guò)程中沒有能夠檢查出來(lái)的故障。對(duì)于此類故障的維護(hù)，通常意味著要修改早期的分析結(jié)果、設(shè)計(jì)結(jié)果并調(diào)整編碼。由于軟件產(chǎn)品的不可視特征，維護(hù)過(guò)程不像硬件產(chǎn)品維護(hù)時(shí)只要簡(jiǎn)單的更換損壞部件那樣容易，這在客觀上造成了軟件難以維護(hù)的結(jié)果。利用足夠的文檔資料使不可視的產(chǎn)品可視化，有助于提升軟件產(chǎn)品的可理解性和可維護(hù)性。此外，軟件運(yùn)行過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤，那么必然是遇到了66從主觀上分析，導(dǎo)致軟件危機(jī)發(fā)生的另一大原因，可以歸于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的早期，軟件開發(fā)的“個(gè)體化”特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為忽視軟件需求分析的重要性、忽視軟件的可理解性、文檔不完備、輕視軟件的可維護(hù)性、過(guò)分強(qiáng)調(diào)編碼技巧等等方面。只有軟件的用戶才真正了解他們自己的需求。而且應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，用戶一開始并不見得能夠清晰、準(zhǔn)確、無(wú)二意地表達(dá)自己的需求。軟件開發(fā)人員需要做大量的、深入細(xì)致的調(diào)研工作，引導(dǎo)用戶逐步準(zhǔn)確、具體地描述軟件的需求，才能夠得到對(duì)問(wèn)題、目標(biāo)的正確認(rèn)識(shí)，從而獲得解決問(wèn)題的恰當(dāng)出發(fā)點(diǎn)，有望開發(fā)出真正能夠滿足用戶需求的軟件產(chǎn)品。在對(duì)用戶的需求沒有清楚的認(rèn)識(shí)時(shí)就倉(cāng)促進(jìn)行程序編寫，最終必然會(huì)導(dǎo)致開發(fā)工作的失敗。從主觀上分析，導(dǎo)致軟件危機(jī)發(fā)生的另一大原因，可以歸于67一般來(lái)說(shuō)，軟件產(chǎn)品從策劃、定義、開發(fā)、使用與維護(hù)直到最后廢棄，要經(jīng)過(guò)一個(gè)漫長(zhǎng)的時(shí)期，通常把這個(gè)時(shí)期稱為軟件的“生命周期”。可以將生命周期分作“軟件定義”、“軟件開發(fā)”和“運(yùn)行與維護(hù)”三個(gè)階段。在軟件定義階段中，主要進(jìn)行軟件目標(biāo)的策劃、可行性研究和軟件的需求分析工作，通過(guò)和用戶多次交流，在所要開發(fā)的軟件必須“作什么”方面和用戶達(dá)成一致(當(dāng)然在開發(fā)過(guò)程中也允許在嚴(yán)格的控制下進(jìn)行需求變更)。一般來(lái)說(shuō)，軟件產(chǎn)品從策劃、定義、開發(fā)、使用與維護(hù)直到68軟件被定義之后，進(jìn)入開發(fā)階段，主要對(duì)軟件的體系架構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和主要算法進(jìn)行設(shè)計(jì)和編碼實(shí)現(xiàn)。對(duì)于編碼結(jié)果，還要按照規(guī)范進(jìn)行測(cè)試后，才能最終交付使用。如前所述，在開發(fā)階段也可能對(duì)于此前不夠準(zhǔn)確的軟件定義結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在典型的軟件工程過(guò)程中，編碼工作量大約只占軟件開發(fā)全部工作量的15%～20%。軟件被定義之后，進(jìn)入開發(fā)階段，主要對(duì)軟件的體系架構(gòu)、69軟件的運(yùn)行與維護(hù)階段在軟件生命周期中占據(jù)的比例最大。在軟件運(yùn)行過(guò)程中，分析和設(shè)計(jì)階段的一些遺留缺陷可能會(huì)逐步暴露；運(yùn)行環(huán)境的演變也會(huì)對(duì)運(yùn)行中的軟件提出變更要求；用戶新需求的提出則常常要求擴(kuò)充現(xiàn)有軟件的功能或者改進(jìn)其性能，所有這些要求與問(wèn)題都必須通過(guò)“軟件維護(hù)”工作去解決。在維護(hù)過(guò)程中，必須注意保持所有軟件工作產(chǎn)品之間的一致性。針對(duì)不同的需求，維護(hù)工作一般可以分為糾錯(cuò)性維護(hù)、適應(yīng)性維護(hù)、擴(kuò)充性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)等不同類型。軟件的運(yùn)行與維護(hù)階段在軟件生命周期中占據(jù)的比例最大。70作為軟件，應(yīng)當(dāng)有一個(gè)完整的配置。Boehm(美國(guó)著名的軟件工程專家，加州州立大學(xué)教授)指出，“軟件是程序以及開發(fā)、使用、維護(hù)程序所需要的所有文檔”。所以，軟件產(chǎn)品除包括程序之外，應(yīng)當(dāng)包括完整、準(zhǔn)確、翔實(shí)的文檔資料。主要的文檔應(yīng)當(dāng)包括“需求規(guī)格說(shuō)明書”、“體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明書”、“詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書”、“安裝手冊(cè)”、“操作手冊(cè)”、“系統(tǒng)管理員手冊(cè)”等。缺乏必要的配置文檔，將嚴(yán)重影響軟件的可理解性，從而給軟件的維護(hù)造成嚴(yán)重障礙。做好包括項(xiàng)目策劃、可行性研究、需求分析三項(xiàng)內(nèi)容的軟件定義工作，是提高軟件質(zhì)量、降低軟件成本、保證開發(fā)進(jìn)度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。作為軟件，應(yīng)當(dāng)有一個(gè)完整的配置。Boehm(美國(guó)著名71值得注意的嚴(yán)重問(wèn)題是，在軟件開發(fā)的不同階段進(jìn)行修改所付出的代價(jià)是極其不同的。在早期引入變動(dòng)，涉及的面比較小，因而代價(jià)也比較低；在開發(fā)的中期，因?yàn)樵S多配置項(xiàng)(被標(biāo)識(shí)的工作產(chǎn)品)已經(jīng)完成，所以引入一個(gè)變動(dòng)，就要對(duì)它所涉及的所有已經(jīng)完成的配置項(xiàng)進(jìn)行變更，不僅工作量大，而且邏輯上也更復(fù)雜，因此付出的代價(jià)劇增；如果在軟件“已經(jīng)完成”時(shí)再引入變更，更是要付出高得多的代價(jià)。根據(jù)美國(guó)一些軟件公司的統(tǒng)計(jì)資料，軟件開發(fā)后期引入一個(gè)變動(dòng)比在早期引入相同變動(dòng)所需付出的代價(jià)高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。圖1.4定性地描繪了在不同時(shí)期引入一個(gè)變動(dòng)需要付出的代價(jià)的變動(dòng)趨勢(shì)。圖1.5是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)得出的定量結(jié)果。值得注意的嚴(yán)重問(wèn)題是，在軟件開發(fā)的不同階段進(jìn)行修改所72圖1.4變更代價(jià)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)示意圖1.4變更代價(jià)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)示意73圖1.5改正一個(gè)問(wèn)題需要付出的代價(jià)圖1.5改正一個(gè)問(wèn)題需要付出的代價(jià)741.2.3解決軟件危機(jī)的途徑可以借鑒其他工程領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)，基于軟件危機(jī)產(chǎn)生的主、客觀原因，從軟件工程技術(shù)和軟件工程管理兩方面來(lái)采取措施，防范軟件危機(jī)的發(fā)生。軟件開發(fā)不是某種個(gè)體勞動(dòng)的神秘技巧，而應(yīng)當(dāng)是一種組織良好、管理嚴(yán)密，分析、設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試、品保等各類人員協(xié)同配合、共同完成的工程項(xiàng)目。在軟件開發(fā)過(guò)程中，必須充分吸收和借鑒人類長(zhǎng)期以來(lái)從事各種工程項(xiàng)目所積累的行之有效的原理、概念、技術(shù)和方法，特別要注意吸收幾十年來(lái)在計(jì)算機(jī)硬件研究和開發(fā)中積累的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)。1.2.3解決軟件危機(jī)的途徑75從管理層面上考慮，應(yīng)當(dāng)注意推廣和使用在實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的開發(fā)軟件的成功的技術(shù)和方法，并且探索更好的、更有效的技術(shù)和方法，注意積累軟件開發(fā)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)財(cái)富，逐步消除在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)早期發(fā)展階段形成的一些錯(cuò)誤概念和做法。建立適合于本組織的軟件工程規(guī)范；制定軟件開發(fā)中各個(gè)工作環(huán)節(jié)的流程文件、工作指南和階段工作產(chǎn)品模板；實(shí)施針對(duì)軟件開發(fā)全過(guò)程的計(jì)劃跟蹤和品質(zhì)管理活動(dòng)；為每一項(xiàng)工程開發(fā)活動(dòng)建立配置管理庫(kù)；實(shí)施嚴(yán)格的產(chǎn)品基線管理并建立組織的軟件過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件財(cái)富庫(kù)；為各類員工及時(shí)提供必要的培訓(xùn)等等都是加強(qiáng)軟件開發(fā)活動(dòng)管理工作的有效手段。從管理層面上考慮，應(yīng)當(dāng)注意推廣和使用在實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)76從技術(shù)角度考慮，應(yīng)當(dāng)開發(fā)和使用更好的軟件開發(fā)工具，提高軟件開發(fā)效率和開發(fā)工作過(guò)程的規(guī)范化程度。在計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)的各個(gè)階段，都有大量的繁瑣重復(fù)的工作要做，在適當(dāng)?shù)能浖ぞ叩妮o助下，開發(fā)人員可以把這類工作做的既快又好。目前廣為使用的統(tǒng)一建模語(yǔ)言(UML)、各種配置管理工具、缺陷管理工具和自動(dòng)測(cè)試工具都在軟件工程活動(dòng)中發(fā)揮了很好的作用。計(jì)算機(jī)輔助軟件工程(CASE)更是目前備受重視的一個(gè)旨在實(shí)現(xiàn)軟件開發(fā)自動(dòng)化的新的領(lǐng)域。從技術(shù)角度考慮，應(yīng)當(dāng)開發(fā)和使用更好的軟件開發(fā)工具，提771.3軟件工程的產(chǎn)生及其發(fā)展1968年，北大西洋公約組織的計(jì)算機(jī)科學(xué)家們?cè)谠?lián)邦德國(guó)召開的國(guó)際會(huì)議上，針對(duì)軟件危機(jī)的嚴(yán)峻形勢(shì)，提出了把在其他