软件工程 Software Engineering 第二章 软件质量评价 武汉大学 计算机学院 软件工程课程组

思考? 什么是好的软件？ 软件质量好坏如何评价？

第二章 软件质量评价 什么是好的软件？有何特点？ 软件评价的标准如何？ 什么是软件结构？什么是良软件结构？ 什么是模块化？ 第二章 软件质量评价 什么是好的软件？有何特点？ 软件评价的标准如何？ 什么是软件结构？什么是良软件结构？ 什么是模块化？ 模块设计时应遵循的标准是什么？

一、软件质量评价标准 有效可靠 结构清晰 用户角度：达到需求、界面友好、简单易学 开发人员角度：良结构、易测试、易维护、可移植 … 文档齐全

二、软件结构 软件的各个组成部分之间的关系 问题P 同一个问题P的三种不同的软件结构

基本概念 块：可以独立命名和编址的单元 扇出：直接由一个块所控制的块数 扇入：直接调用它的上级块数目 深度：控制的总层数 宽度：跨度最宽层的跨度数 M M1 M2 M3 N1 N2 N3 N4 N31 N32 软件结构

1. 良软件结构 具有层次性，无回路块调用的软件结构。 树型 半序型 … 线性型

非良结构的调整 模块内部 复杂性增加了 网络结构 A B AB 合并循环节点 良结构

2. 模块化（modularity） 模块（module）：又称构件，是能够单独命名并独立地完成一定功能的程序语句的集合。 模块化 把程序划分成独立命名且可独立访问的模块，每个模块完成一个子功能，把这些模块集成起来构成一个整体，可以完成指定的功能满足用户的需求。 “模块化”有助于复杂问题的求解

如果把软件无限细分， 会出现什么样的情况？ 模块化的依据 c（x）：问题 x 的复杂程度 E（x）：解决问题 x 需要的工作量（时间） 对于两个问题P1和P2 if C(P1) > C(P2) then E(P1) > E(P2) 根据人们求解问题的经验，有规律：C(P1+P2) > C(P1)+C(P2) 则有 E(P1+P2) > E(P1)+E(P2) 即“分而治之”有助于复杂问题的求解。 如果把软件无限细分， 会出现什么样的情况？

块的划分与总工作量之间的关系 模块划分的合理性。模块两个定性的标准：内聚和耦合。 接口成本 总成本 块成本 成本 （工作量） 模块数 M 最小成本区域 总成本 块成本 成本 （工作量） 模块数 M 模块划分的合理性。模块两个定性的标准：内聚和耦合。

模块的重要特征 抽象（abstraction） 信息隐藏（information hiding） 细节隐藏 可理解性 修改副作用小 我们在考虑问题时，集中考虑和当前问题有关的方面，而忽略和当前问题无关的方面，这就是抽象。或者说抽象就是抽出事物的本质特性而暂时不考虑它们的细节。 在对软件系统进行模块设计时，可以有不同的抽象层次。 忽略细节，分层理解问题，自顶向下层层细化 信息隐藏（information hiding） 细节隐藏 可理解性 修改副作用小 错误副作用小

模块化的抽象特征 抽象层次I  用问题环境的术语来描述这个软件 例：开发一个CAD软件，实现一个二维绘图系统的全部功能，供低级计算机辅助设计使用。 抽象层次I  用问题环境的术语来描述这个软件 该软件包括一个计算机绘图界面，向绘图员显示图形，以及一个数字化仪界面，用以代替绘图板和丁字尺。所有直线、折线、矩形、圆及曲线的描画、所有的几何计算、所有的剖面图和辅助视图都可以用这个CAD软件实现……

模块化的抽象特征 抽象层次II  任务需求的描述，列出“What”而不是“How” CAD SOFTWARE TASKS: user interaction task; 2-D drawing creation task; graphics display task; drawing file management task; END

模块化的抽象特征 抽象层次III  程序过程表示 （以2-D绘图生成任务为例） PROCEDURE 2-D drawing creation REPEAT UNTILE (drawing creation task terminates) DO WHILE (digitizer interaction occurs) Digitizer interface task; DETERMINE drawing request CASE Line: line drawing task; Rectangle: rectangle drawing task; Circle: circle drawing task; …… END； DO WHILE (keyboard interaction occurs) keyboard interaction task; PROCESS analysis/computation CASE View: auxiliary view task; Section: cross sectioning task; END REPETITION； END PROCEDURE.

3. 模块独立性（Module independence） 好设计的关键： 每个模块完成一个相对独立的子功能，并且与其它模块间的接口简单。 独立性的度量（Yourdon & Constantine,1978） 耦合（Coupling） — 块间联系 内聚（Cohesion） — 块内联系

（1）耦合（Coupling） 对一个软件结构内不同模块之间互连程度的度量  Highly coupled Great deal of dependence Independent  Highly coupled Loosely coupled Uncoupled  Goal: as loose as possible = as independent as possible

零耦合（uncoupling） 彼此完全独立，这意味着模块间无任何连接，耦合程度最低 Uncoupled  A B

数据耦合（Data Coupling）  The most desirable 一个模块访问另一个模块时，彼此间通过参数交换信息，而且交换的信息仅仅是数据 A B Data  The most desirable

控制耦合（Control Coupling） 指一个模块调用另一个模块时，传递的信息中有控制信息（尽管有时这种控制信息以数据的形式出现） A B Flag F2 Fn F1 …… 控制耦合增加了理解与编程及修改的复杂性。

公共环境耦合（Common Coupling） 两个或多个模块通过一个公共数据环境相互作用 Global : V1 V2 A: ………… A1=V1+V2 B: V1=B1 Global : V1 V2 A: ………… V1++ B: V2=B1+V1 问题：复杂程度随耦合模块的个数增加而增加  公共部分的数据存取无法控制 公共部分的改动将影响所有调用它的模块，可维护性差

内容耦合（Content Coupling） 一个模块访问另一个模块的内部数据 一个模块不通过正常入口而转到另一个模块的内部 两个模块有一部分程序代码重叠（只可能出现在汇编程序中） 一个模块有多个入口  The least desirable

内容耦合 …… A B C D A: ………… goto C1 C: C1: 例1. A访问C的内部数据或不通过正常入口而转入C的内部。

内容耦合 例2. 部分代码重叠 （常出现在汇 编程序中） 例3. 一个模块有 多 个入口（功能） A B A: ……………… 例2. 部分代码重叠 （常出现在汇 编程序中） B A 例3. 一个模块有 多 个入口（功能） A: ……………… entry 1: entry 2:

耦合度与软件结构 原则：尽量使用数据耦合，少用控制耦合，限制公共环境耦合的范围，完全不用内容耦合。 类 型 耦合度 模块独立性 软件结构 类 型 耦合度 模块独立性 软件结构 零耦合 低 高 强 弱 好 差 数据耦合 控制耦合 公共环境耦合 内容耦合 原则：尽量使用数据耦合，少用控制耦合，限制公共环境耦合的范围，完全不用内容耦合。

思考题 已知模块A、E和F更新同一个数据库， 请确定模块之间的耦合类型。 模块接口描述 A B D C F E 1 3 2 4 5 6 模块互连图 编号 输入 输出 1 飞机类型 状态标志 2 飞机零件清单 3 功能代码 4 5 零件编号 零件制造商 6 零件名称 已知模块A、E和F更新同一个数据库， 请确定模块之间的耦合类型。

（2）内聚（Cohesion） 一个模块内各个元素彼此结合的紧密程度 理想内聚的模块只做一件事情 模块内的高内聚往往意味着模块间的松耦合 内聚更重要！ Goal: as cohesive as possible!

偶然内聚（Coincidental cohesion） Unrelated functions, processes, or data are found in the same module (for convenience) A B A B C 语句相同

逻辑内聚（Logical Cohesion） Logically related functions or data are placed in the same module A: Read inputs from disk from tape from ……

逻辑内聚 X Y Z A B C X Y Z ABC S

时间内聚（Temporal cohesion） The functions are related only by the timing involved initial x Initial y 这种模块在20世纪80年代的应用程序中使用较多。没有任何复用价值。

过程内聚（Procedural cohesion） Functions are grouped together in a module to ensure a certain order of performance enter data check data manipulate data

通信内聚（Communicational cohesion） All the functions in a module operate on or produce the same data set X 从文件file读出数据 由数据产生日报表 由数据产生单项产品报表

顺序内聚（Sequential cohesion） The output from one part of a module is the input to the next part X 输入系数 求根 打印方程的根

功能内聚（Functional cohesion） Every processing element is essential to the performance of a single function X 报表打印

内聚度与软件结构 设计时力争做到高内聚 ！不要低内聚！ 软件结构 模块独立性 内聚度 内聚 评分 差 好 弱 强 低 偶然内聚 0分 逻辑内聚 1分 时间内聚 3分 中 过程内聚 5分 通信内聚 7分 高 顺序内聚 9分 功能内聚 10分 设计时力争做到高内聚 ！不要低内聚！

三、软件度量 软件度量的根本目的是为了管理的需要。利用度量来改进软件过程。 度量（metrics） 测量（measure） 估算（estimation）

软件度量 软件复杂性度量 规模 文本复杂性 控制结构的复杂性 软件可靠性度量 系统故障率 软件修复与软件有效性 软件可靠性估算

1. 软件复杂性度量 规模：程序代码的规模→软件复杂度 文本复杂性 控制结构的复杂性

（1）规模度量（Size-Oriented Metrics） 代码行（Lines of code，LOC）度量 LOC 乐观值a 一般值m 悲观值b LOC的期望值

代码行（Lines of code，LOC） 生产率（LOC per person-month）= 代码行数/工作量 Pl = L / E 每行代码的平均成本（$ per LOC）=总成本/代码行数 Cl = S / L 代码出错率（Errors per kLOC）=总错误数/代码行数 EQRl = Ne / L

某软件项目记录 Pl = 12.1 kLOC / 24 PM = 504 LOC/PM 工作量 PM 成本 （$） 代码行 kLOC 文档页数 Pd 错误数 Ne 人数 M aaa-01 24 168000 12.1 365 29 3 ccc-04 62 440000 27.2 1224 86 5 fff-03 43 314000 20.2 1050 64 6 Pl = 12.1 kLOC / 24 PM = 504 LOC/PM Cl = $168000 / 12.1 kLOC = $13.88/LOC EQRl = 29个 / 12.1 Kloc = 2.4个/kLOC

代码行数估算软件规模的特点 优点：简单易行 缺点： 软件≠程序 不能刻画算法的难易程度 开发前或初期估算困难 依赖于语言 只适用于过程式语言，不适用于4GL

N1：程序中操作符个数 n1：程序中不同操作符个数 N2：程序中操作数个数 n2：程序中不同操作数个数 （2）文本复杂性度量 程序语言符号长度 N = N1 + N2 N1：程序中操作符个数 n1：程序中不同操作符个数 N2：程序中操作数个数 n2：程序中不同操作数个数 估算公式  N = n1log2n1 + n2log2n2 程序量 V = N log2(n1 + n2)

（3）控制结构的复杂性度量 1976，T. J. McCabe 基于程序拓扑结构的软件复杂性度量模型 巡回秩数V(G) V(G) = e – n + 2 = 边数 – 结点数 + 2 可以证明： V(G) = 有界或无界的封闭区域个数

程序控制结构的复杂性 R1 R2 选择结构 R1 顺序结构 R1 R2 a b c d e R3 R1 R2 While结构 R1 R2 Repeat结构

2. 软件可靠性度量 软件的可靠性 在某个给定时间间隔内，程序按照规格说明成功运行的概率

软件修复与软件有效性 有效性函数A(t) 可靠性函数R(t) A = MTTF / (MTTF + MTTR) 系统在t时刻正常运行的概率

软件可靠性估算 错误植入模型 N：池塘中的鱼尾数 Nt：植入的带标记的鱼尾数 n：捞出的鱼尾数 nt：捞出的带标记的鱼数

小 结 软件评价标准 软件结构 模块化 模块独立性 软件度量

思考题 你认为评价软件好坏有哪些标准？ 在设计软件结构时应遵循哪些原则？ 某软件项目如果采用四代语言开发，LOC度量还有意义吗？为什么？ 一个程序能既正确又不可靠吗？试说明理由。