第6章詳細設計目標設計人機交互界面利用結構化程序設計工具設計程序藍圖計算程序藍圖復雜程度軟件生存周期第6章詳細設計詳細設計階段的根本目標是確定應該怎樣具體地實現所要求的系統。詳細設計階段的任務還不是具體地編寫程序，而是要設計出程序的“藍圖”，以后程序員將根據這個藍圖寫出實際的程序代碼。詳細設計的結果基本上決定了最終的程序代碼的質量。衡量程序的質量的因素有：邏輯是否正確性能是否滿足要求是否容易閱讀和理解6.1結構程序設計3種基本的控制結構是“順序”、“選擇”和“循環”。6.13種基本的控制結構6.1結構程序設計結構程序設計的經典定義如下所述：“如果一個程序的代碼塊僅僅通過順序、選擇和循環這3種基本控制結構進行連接，并且每個代碼塊只有一個入口和一個出口，則稱這個程序是結構化的。”上述經典定義過于狹隘了，結構程序設計本質上并不是無GOTO語句的編程方法，而是一種使程序代碼容易閱讀、容易理解的編程方法。更全面的結構程序設計的定義是：“結構程序設計是盡可能少用GOTO語句的程序設計方法。最好僅在檢測出錯誤時才使用GOTO語句，而且應該總是使用前向GOTO語句。”6.1結構程序設計為了實際使用方便起見，常常還允許使用DO-UNTIL和DO-CASE兩種控制結構。有時需要立即從循環（甚至嵌套的循環）中轉移出來，如果允許使用LEAVE（或BREAK）結構，則不僅方便而且會使效率提高很多。圖6.2其他常用的控制結構6.1結構程序設計如需要立即跳出當前循環，可使用LEAVE或BREAK結構。經典的結構程序設計：只允許使用順序、IF_THEN_ELSE型分支和DO_WHILE型循環這三種基本控制結構。擴展的結構程序設計：還允許使用DO_CASE型多分支結構和DO_UNTIL型循環結構。修正的結構程序設計：再加上允許使用LEAVE（或BREAK）結構。6.2人機界面設計人機界面設計是接口設計的一個重要的組成部分。對于交互式系統來說，人機界面設計和數據設計、體系結構設計及過程設計一樣重要。近年來，人機界面在系統中所占的比例越來越大，在個別系統中人機界面的設計工作量甚至占總設計量的一半以上。人機界面的設計質量，直接影響用戶對軟件產品的評價，從而影響軟件產品的競爭力和壽命，因此，必須對人機界面設計給予足夠重視。6.2.1設計問題在設計人機界面的過程中，幾乎總會遇到下述4個設計問題：系統響應時間用戶幫助設施出錯信息處理命令交互許多設計者直到設計過程后期才開始考慮這些問題，這樣做往往導致出現不必要的設計反復、項目延期和用戶產生挫折感。最好在設計初期給予重視，此時修改容易、代價也低。6.2.1設計問題1.系統響應時間系統響應時間指從用戶完成某個控制動作(如點擊鼠標)，到軟件給出預期的響應之間的這段時間。系統響應時間有兩個重要屬性，分別是長度和易變性。系統響應時間過長或過短都不好。易變性指系統響應時間相對于平均響應時間的偏差。即使系統響應時間較長，響應時間易變性低也有助于用戶建立起穩定的工作節奏。6.2.1設計問題2.用戶幫助設施幾乎交互式系統的每個用戶都需要幫助，當遇到復雜問題時甚至需要查看用戶手冊以尋找答案。常見的幫助設施可分為集成的和附加的兩類。集成的幫助設施從一開始就設計在軟件里面，可以縮短用戶獲得幫助的時間，增加界面的友好性。附加的幫助設施是在系統建成后再添加到軟件中的，在多數情況下它實際上是一種查詢能力有限的聯機用戶手冊。普遍認為，集成的幫助設施優于附加的幫助設施。6.2.1設計問題具體設計幫助設施時，必須解決下述的一系列問題：(1)在用戶與系統交互期間，是否在任何時候都能獲得關于系統任何功能的幫助信息?有兩種選擇：提供部分功能的幫助信息和提供全部功能的幫助信息。(2)用戶怎樣請求幫助?有3種選擇：幫助菜單，特殊功能鍵和HELP命令。(3)怎樣顯示幫助信息?有3種選擇：在獨立的窗口中，指出參考某個文檔(不理想)和在屏幕固定位置顯示簡短提示。(4)用戶怎樣返回到正常的交互方式中?有兩種選擇：屏幕上的返回按鈕和功能鍵。(5)怎樣組織幫助信息?有3種選擇：平面結構，信息的層次結構和超文本結構。6.2.1設計問題3.出錯信息處理出錯信息和警告信息，是出現問題時交互式系統給出的“壞消息”。出錯信息設計得不好，將向用戶提供無用的甚至誤導的信息，反而會加重用戶的挫折感。一般說來，交互式系統給出的出錯信息或警告信息，應該具有下述屬性。(1)信息應該用用戶可以理解的術語描述問題。(2)信息應該提供有助于從錯誤中恢復的建設性意見。6.2.1設計問題(3)信息應該指出錯誤可能導致哪些負面后果(例如，破壞數據文件)，以便用戶檢查是否出現了這些問題，并在確實出現問題時及時解決。(4)信息應該伴隨著聽覺上或視覺上的提示，例如，在顯示信息時同時發出警告鈴聲，或者信息用閃爍方式顯示，或者信息用明顯表示出錯的顏色顯示。(5)信息不能帶有指責色彩，也就是說，不能責怪用戶。當確實出現了問題的時候，有效的出錯信息能提高交互式系統的質量，減輕用戶的挫折感。6.2.1設計問題4.命令交互命令行曾經是用戶和系統軟件交互的最常用的方式，并且也曾經廣泛地用于各種應用軟件中。現在，面向窗口的、點擊和拾取方式的界面已經減少了用戶對命令行的依賴，但是，許多高級用戶仍然偏愛面向命令行的交互方式。在多數情況下，用戶既可以從菜單中選擇軟件功能，也可以通過鍵盤命令序列調用軟件功能。6.2.1設計問題在提供命令交互方式時，必須考慮下列設計問題。(1)是否每個菜單選項都有對應的命令?(2)采用何種命令形式?有3種選擇：控制序列(例如，Ctrl+P)，功能鍵和鍵入命令。(3)學習和記憶命令的難度有多大?忘記了命令怎么辦?(4)用戶是否可以定制或縮寫命令?6.2.2設計過程用戶界面設計是一個迭代的過程。通常先利用用戶界面工具或用戶界面開發系統建立起用戶界面的原型由用戶試用和評估，以確定其是否滿足用戶的需求然后根據用戶意見進行修改，直到用戶感到滿意，不需要再修改界面設計時為止6.2.3人機界面設計指南用戶界面設計主要依靠設計者的經驗。總結眾多設計者的經驗得出的設計指南，有助于設計者設計出友好、高效的人機界面。1.一般交互指南2.信息顯示指南3.數據輸入指南6.2.3人機界面設計指南1.一般交互指南(1)保持一致性。(2)提供有意義的反饋。(3)在執行有較大破壞性的動作之前要求用戶確認。(4)允許取消絕大多數操作。(5)減少在兩次操作之間必須記憶的信息量。6.2.3人機界面設計指南2.信息顯示指南（1）只顯示與當前內容有關的信息。（2）窗口顯示的一致性。（3）產生有意義的出錯信息。（4）必要時，用圖形化的方式顯示信息。6.2.3人機界面設計指南3.數據輸入指南（1）盡量減少用戶的輸入動作，下拉框就是一個很好的選擇。（2）允許編輯。（3）重要操作提示確認。（4）交互的方式應該靈活，允許用戶選擇喜歡的輸入方式。（5）提示輸入的格式和范圍。6.3過程設計的工具描述程序處理過程的工具稱為過程設計的工具，有三種：圖形、表格和語言。圖形工具：如程序流程圖、盒圖(N-S圖)和PAD圖表格工具：如判定表過程設計語言：是一種用于描述模塊算法設計和處理細節的語言工具。任何一種過程設計工具都必須提供對設計的無歧義的描述，即應該能指明控制流程、處理功能、數據組織以及其它方面的實現細節，從而在編碼階段能把對設計的描述直接翻譯成程序代碼。6.3.1程序流程圖(程序框圖)程序流程圖是歷史最悠久、使用最廣泛的描述過程設計的方法，也是用得最混亂的一種方法。程序流程圖中使用的各種符號：6.3.1程序流程圖例如：計算1-100的和.#include

"stdio.h"

void

main()

{

int

i,Sum;Sum=0;for(i=1;i<=100;i++)

Sum+=i;

printf("總和為%d\n",Sum);

}6.3.1程序流程圖程序流程圖的主要缺點如下：(1)程序流程圖本質上不是逐步求精的好工具，它誘使程序員過早地考慮程序的控制流程，而不去考慮程序的全局結構。(2)程序流程圖中用箭頭代表控制流，因此程序員不受任何約束，可以完全不顧結構程序設計的精神，隨意轉移控制。(3)程序流程圖不易表示數據結構。6.3.1程序流程圖例：畫出下列偽程序的程序流程圖。STARTIFpTHENWHILEqDOfENDDOELSEgnENDIFSTOP6.3.1盒圖(N-S圖)N-S圖特點：(1)功能域(即，一個特定控制結構的作用域)明確，可以從盒圖上一眼就看出來。(2)沒有箭頭，不可能任意轉移控制。(3)很容易確定局部和全程數據的作用域。(4)很容易表現嵌套關系，也可以表示模塊的層次結構。6.3.1盒圖(N-S圖)圖6.4盒圖的基本符號6.3.1程序流程圖例：畫出下列偽程序的盒圖。STARTIFpTHENWHILEqDOfENDDOELSEgnENDIFSTOP6.3.1程序流程圖例：畫出下列偽程序的盒圖。gnWhilepdoifqthena1a2elsewhilerdob1b2enddoendifenddo6.3.3PAD圖(問題分析圖)PAD圖用二維樹形結構的圖來表示程序的控制流，將這種圖翻譯成程序代碼比較容易。圖中最左邊的豎線是程序的主線，即第一層結構隨著程序層次的增加，PAD圖逐漸向右延伸，每增加一個層次，圖形向右擴展一條豎線PAD圖中豎線的總條數就是程序的層次數6.3.3PAD圖(問題分析圖)PAD圖的基本符號有：6.3.3PAD圖(問題分析圖)PAD圖的主要優點：使用PAD符號設計出來的程序必然是結構化程序。PAD圖所描繪的程序結構十分清晰。用PAD圖表現程序邏輯，易讀、易懂、易記。程序從圖中最左邊豎線上端的結點開始執行，自上而下，從左向右順序執行，遍歷所有結點PAD圖易于向高級語言轉換。PAD圖的符號支持自頂向下、逐步求精方法的使用。開始設計者可以定義一個抽象的程序，隨著設計工作的深入而使用def符號逐步增加細節，直至完成詳細設計。

6.3.3PAD圖(問題分析圖)圖6.6使用PAD圖提供的定義功能來逐步求精的例子6.3.3PAD圖(問題分析圖)例：畫出下列偽程序的PAD圖。STARTIFpTHENWHILEqDOfENDDOELSEgnENDIFSTOP6.3.3PAD圖(問題分析圖)例：畫出下列偽程序的PAD圖。gnWhilepdoifqthena1a2elsewhilerdob1b2enddoendifenddo6.3.4判定表當算法中包含多重嵌套的條件選擇時，用程序流程圖、盒圖、PAD圖、PDL都不易清楚地描述。然而判定表卻能夠清晰地表示復雜的條件組合與應做的動作之間的對應關系。一張判定表由4部分組成:左上部列出所有條件左下部是所有可能做的動作右上部是表示各種條件組合的一個矩陣右下部是和每種條件組合相對應的動作6.3.4判定表假設某航空公司規定，乘客可以免費托運重量不超過30公斤的行李。當行李重量超過30公斤時：對頭等艙的國內乘客超重部分每公斤收費4元；對其他艙的國內乘客超重部分每公斤收費6元；對外國乘客超重部分每公斤收費比國內乘客多一倍；對殘疾乘客超重部分每公斤收費比正常乘客少一半。6.3.4判定表6.3.4判定表優點：判定表能夠簡潔而又無歧義地描述處理規則。缺點：判定表并不適于作為一種通用的設計工具，沒有一種簡單的方法使它能同時清晰地表示順序和重復等處理特性。6.3.5判定樹判定表雖然能清晰地表示復雜的條件組合與應做的動作之間的對應關系，但其含義卻不是一眼就能看出來的，初次接觸這種工具的人理解它需要有一個簡短的學習過程。判定樹是判定表的變種，它能清晰地表示復雜的條件組合與應做的動作之間的對應關系。優點：它的形式簡單到不需任何說明，一眼就可以看出其含義，因此易于掌握和使用。6.3.5判定樹6.3.6過程設計語言(偽碼)過程設計語言（PDL）是用正文形式表示數據和處理過程的設計工具。PDL具有嚴格的關鍵字外部語法，用于定義控制結構和數據結構PDL表示實際操作和條件的內部語法通常又是靈活自由的，可以適應各種工程項目的需要。一般說來，PDL是一種“混雜”語言，它使用一種語言的詞匯，同時卻使用另一種語言(某種結構化的程序設計語言)的語法。6.3.6過程設計語言(偽碼)PROCEDURESumBeginLetthevalueofSumbe0Letthevalueofibe1REPEATEwhilei<=100s=s+ii=i+1ENDREPENDSum6.3.6過程設計語言(偽碼)PDL作為一種設計工具有如下一些優點：(1)可以作為注釋直接插在源程序中間。這樣做能促使維護人員在修改程序代碼的同時也相應地修改PDL注釋，因此有助于保持文檔和程序的一致性，提高了文檔的質量。(2)可以使用普通的正文編輯程序或文字處理系統，很方便地完成PDL的書寫和編輯工作。(3)已經有自動處理程序存在，而且可以自動由PDL生成程序代碼。PDL的缺點是不如圖形工具形象直觀，描述復雜的條件組合與動作間的對應關系時，不如判定表清晰簡單。6.4面向數據結構的設計方法面向數據結構的設計方法，根據數據結構設計程序處理過程的方法。數據結構既影響程序的結構又影響程序的處理過程，重復出現的數據通常由具有循環控制結構的程序來處理，選擇數據要用帶有分支控制結構的程序來處理。6.4面向數據結構的設計方法面向數據結構的設計方法的最終目標是得出對程序處理過程的描述。此方法最適合于詳細設計階段使用。在完成了軟件結構設計之后，可以使用面向數據結構的方法來設計每個模塊的處理過程。Jackson方法是最著名的面向數據結構的設計方法。使用面向數據結構的設計方法，首先需要分析確定數據結構，并且用適當的工具（Jackson圖）清晰地描繪數據結構。6.4面向數據結構的設計方法6.4.1Jackson圖程序中數據元素彼此間的邏輯關系卻只有順序、選擇和重復3類，對應的邏輯數據結構也有3類。1.順序結構順序結構的數據由一個或多個數據元素組成，每個元素按確定次序出現一次。圖6.8

A由B、C、D3個元素順序組成6.4.1Jackson圖2.選擇結構選擇結構的數據包含兩個或多個數據元素，每次使用這個數據時按一定條件從這些數據元素中選擇一個。圖6.9根據條件A是B或C或D中的某一個6.4.1Jackson圖3.重復結構重復結構的數據，根據使用時的條件由一個數據元素出現零次或多次構成。圖6.10A由B出現N次(N≥0)組成注意：B的右上角有星號標記6.4.1Jackson圖Jackson圖有下述優點：便于表示層次結構，而且是對結構進行自頂向下分解的有力工具；形象直觀可讀性好；既能表示數據結構也能表示程序結構(因為結構程序設計也只使用上述3種基本控制結構)。Jackson圖的缺點：選擇/循環條件不能直接在圖上表示出來，影響圖的表達能力不易直接把圖翻譯成程序不易在打印機上輸出6.4.2改進的Jackson圖順序結構選擇結構，i為分支條件編號可選結構重復結構，結束條件編號為i6.4.2改進的Jackson圖Jackson圖實質上是對層次方框圖（是描繪數據結構的形式化工具）的一種精化。Jackson圖和描繪軟件結構的層次圖形式相當類似，但是含義卻很不相同。層次圖中一個方框代表一個模塊；而Jackson圖中一個方框只代表幾個語句；層次圖表現的是調用關系；而Jackson圖表現的是組成關系。6.4.3Jackson方法

Jackson方法是面向數據結構的設計方法。Jackson方法定義了一組以數據結構為指導的映射過程，它根據輸入、輸出的數據結構，按一定的規則映射成軟件的過程描述，即程序結構。Jackson結構程序設計方法基本上由下述5個步驟組成：第一步分析并確定輸入數據和輸出數據的邏輯結構，并用Jackson圖描繪這兩組數據結構。第二步找出輸入數據結構和輸出數據結構中有對應關系的數據單元。6.4.3Jackson方法所謂有對應關系是指有直接的因果關系，在程序中可以同時處理的數據單元(對于重復出現的數據單元必須重復的次序和次數都相同才可能有對應關系)。輸出數據總是通過對輸入數據的處理而得到的，因此在輸入輸出數據結構最高層次的兩個單元總是有對應關系的。6.4.3Jackson方法第三步用下述3條規則從描繪數據結構的Jackson圖導出描繪程序結構的Jackson圖：第一，為每對有對應關系的數據單元，按照它們在數據結構圖中的層次在程序結構圖的相應層次畫一個處理框(注意，如果這對數據單元在輸入數據結構和輸出數據結構中所處的層次不同，則和它們對應的處理框在程序結構圖中所處的層次與它們之中在數據結構圖中層次低的那個對應)；第二，根據輸入數據結構中剩余的每個數據單元所處的層次，在程序結構圖的相應層次分別為它們畫上對應的處理框；6.4.3Jackson方法第三，根據輸出數據結構中剩余的每個數據單元所處的層次，在程序結構圖的相應層次分別為它們畫上對應的處理框。在導出程序結構圖的過程中，由于改進的Jackson圖規定在構成順序結構的元素中不能有重復出現或選擇出現的元素，因此可能需要增加中間層次的處理框。第四步列出所有操作和條件(包括分支條件和循環結束條件)，并且把它們分配到程序結構圖的適當位置。第五步用偽碼表示程序。6.4.3Jackson方法Jackson方法中使用的偽碼和Jackson圖是完全對應的，下面是和3種基本結構對應的偽碼。和圖6.11(a)所示的順序結構對應的偽碼，其中‘seq’和‘end’是關鍵字： A seq B C D A end6.4.3Jackson方法和圖6.11(b)所示的選擇結構對應的偽碼，其中‘select’、‘or’和‘end’是關鍵字，cond1、cond2和cond3分別是執行B、C或D的條件： A select cond1 B A or cond2 C A or cond3 D A end6.4.3Jackson方法和圖6.11(d)所示重復結構對應的偽碼，其中‘iter’、‘until’、‘while’和‘end’是關鍵字，cond是條件： A iteruntil(或while)cond B A end6.4.3Jackson方法下面結合一個例子說明Jackson結構程序設計方法一個正文文件由若干個記錄組成，每個記錄是一個字符串。要求統計每個記錄中空格字符的個數，以及文件中空格字符的總個數。要求的輸出數據格式是，每復制一行輸入字符串之后，另起一行印出這個字符串中的空格數，最后印出文件中空格的總個數。6.4.3Jackson方法第一步分析并確定輸入數據和輸出數據的邏輯結構，并用Jackson圖描繪這兩組數據結構。

對于統計空格這個簡單例子而言，其輸入和輸出數據的結構分別為：6.4.3Jackson方法6.4.3Jackson方法第二步找出輸入數據結構和輸出數據結構中有對應關系的數據單元。上圖中用一對虛線箭頭把有對應關系的數據單元連接起來6.4.3Jackson方法第三步用3條規則從描繪數據結構的Jackson圖導出描繪程序結構的Jackson圖對于統計空格的例子，得到的程序結構圖如下：6.4.3Jackson方法第四步列出所有操作和條件(包括分支條件和循環結束條件)，并且把它們分配到程序結構圖的適當位置。對于統計空格的例子，需要的全部操作和條件如下：(1)停止(2)打開文件(3)關閉文件(4)印出字符串(5)印出空格數目(6)印空格總數(7)sum:=sum+1(8)totalsum:=totalsum+sum(9)讀入字符串(10)sum:=0(11)totalsum:=0(12)pointer:=1(13)pointer:=pointer+1I(1)文件結束I(2)字符串結束S(3)字符是空格6.4.3Jackson方法把這些操作和條件分配到程序結構圖的適當位置，結果如下圖：6.4.3Jackson方法第五步用偽碼表示程序。因為Jackson使用的偽碼和Jackson圖之間存在簡單的對應關系，所以從圖6.14很容易得出下面的偽碼：6.4.3Jackson方法統計空格seq 打開文件 讀入字符串 totalsum∶=0 程序體iteruntil文件結束 處理字符串seq 印字符串seq 印出字符串 印字符串end sum∶=0 pointer∶=1 分析字符串iteruntil字符串結束 分析字符select字符是空格6.4.3Jackson方法 處理空格seq sum∶=sum+1 pointer∶=pointer+1 處理空格end 分析字符or字符不是空格 處理非空格seq pointer∶=pointer+1 處理非空格end分析字符end 分析字符串end 印空格數seq 印出空格數目 印空格數end6.4.3Jackson方法

totalsum∶=totalsum+sum 讀入字符串 處理字符串end程序體end印總數seq印出空格總數印總數end關閉文件停止統計空格end6.5程序復雜程度的定量度量定量度量程序復雜程度的方法很有價值把程序的復雜程度乘以適當常數即可估算出軟件中錯誤的數量以及軟件開發需要用的工作量，定量度量的結果可以用來比較兩個不同的設計或兩個不同算法的優劣程序的定量的復雜程度可以作為模塊規模的精確限度。6.5.1McCabe方法McCabe方法根據程序控制流的復雜程度定量度量程序的復雜程度，這樣度量出的結果稱為程序的環形復雜度。1.流圖所謂流圖實質上是“退化了的”程序流程圖，它僅僅描繪程序的控制流程，完全不表現對數據的具體操作以及分支或循環的具體條件。流圖中用圓表示結點，一個圓代表一條或多條語句。程序流程圖