软件工程

学习目标

通过本章学习，你应该能够：

• 掌握各种软件过程模型的特点和适用场景
• 理解需求工程的完整流程和方法
• 熟练运用结构化和面向对象分析设计方法
• 掌握 UML 各类图的用途和画法
• 理解软件测试的策略和方法
• 了解软件项目管理的基本概念

一、软件工程概述

1.1 基本概念

软件工程是应用计算机科学、数学及管理科学等原理，以 工程化 的原则和方法来解决软件问题的工程，其目标是：

mindmap
  root((软件工程目标))
    提高生产率
    提高质量
    降低成本

1.2 软件生命周期

graph LR
    subgraph 定义期
        A[问题定义] --> B[可行性研究] --> C[需求分析]
    end

    subgraph 开发期
        D[概要设计] --> E[详细设计] --> F[编码] --> G[测试]
    end

    subgraph 维护期
        H[运行维护]
    end

    C --> D
    G --> H

1.3 软件设计四活动

软件设计包括四个既独立又相互联系的活动：

二、软件过程模型

2.1 模型对比总览

2.2 瀑布模型

graph TB
    A[需求分析] --> B[设计]
    B --> C[编码]
    C --> D[测试]
    D --> E[维护]

    style A fill:#e1f5fe
    style B fill:#e1f5fe
    style C fill:#e1f5fe
    style D fill:#e1f5fe
    style E fill:#e1f5fe

2.3 原型模型

graph LR
    A[快速分析] --> B[构建原型]
    B --> C[用户评估]
    C --> D{满意?}
    D -->|否| E[修改原型]
    E --> C
    D -->|是| F[开发产品]

原型分类：

2.4 螺旋模型

graph TB
    subgraph 第一象限
        A1[目标设定]
    end
    subgraph 第二象限
        A2[风险分析]
    end
    subgraph 第三象限
        A3[开发和验证]
    end
    subgraph 第四象限
        A4[评审]
    end

    A1 --> A2 --> A3 --> A4 --> A1

四个活动：

2.5 增量模型

增量模型将需求分为一系列增量，每个增量独立开发和交付。

2.6 喷泉模型

喷泉模型是以 用户需求为动力、以 对象为驱动 的模型，特别适合 面向对象 的软件开发。

2.7 敏捷方法

2.7.1 主要敏捷方法

2.7.2 Scrum 框架

graph LR
    A[产品Backlog] --> B[Sprint计划]
    B --> C[Sprint Backlog]
    C --> D[Sprint<br>2-4周]
    D --> E[可交付增量]
    E --> F{所有Sprint完成?}
    F -->|否| B
    F -->|是| G[最终产品]

Scrum 三个角色：产品负责人、Scrum Master、开发团队

2.8 RUP（统一过程）

RUP 是一种 重量级 过程模型，属于构件化开发。

2.8.1 四个阶段

graph LR
    A[初始] --> B[细化]
    B --> C[构造]
    C --> D[移交]

2.8.2 三大特点

2.8.3 4+1 视图

graph TB
    UC[用例视图] --> LV[逻辑视图]
    UC --> DV[开发视图]
    UC --> PV[进程视图]
    UC --> PHV[部署视图]

2.9 基于构件的开发(CBSD)

CBSD 利用预先包装的构件来构造应用系统。

构件特征：

主流构件模型：

三、CMM/CMMI 成熟度模型

3.1 CMM 五级

graph BT
    L1[初始级] --> L2[可重复级]
    L2 --> L3[已定义级]
    L3 --> L4[已管理级]
    L4 --> L5[优化级]

3.2 CMMI 特点

CMMI 提供两种表示方法：

四、需求工程

4.1 需求层次

graph TB
    A[业务需求] --> B[用户需求]
    B --> C[系统需求]

    C --> C1[功能需求]
    C --> C2[非功能需求]
    C --> C3[设计约束]

4.2 需求分类（QFD）

质量功能部署（QFD）将需求分为三类：

4.3 需求工程过程

graph LR
    A[需求获取] --> B[需求分析]
    B --> C[需求规格化]
    C --> D[需求验证]
    D --> E[需求管理]
    E -.-> A

4.3.1 需求获取方法

4.3.2 软件需求规格说明书(SRS)

SRS 是需求开发和需求管理之间的桥梁，包含：

• 功能需求
• 非功能需求
• 设计约束
• 过程约束

4.4 需求管理

需求管理包括 变更控制、版本控制 和 需求跟踪。

4.4.1 需求变更管理

graph LR
    A[提出变更] --> B[变更分析]
    B --> C[CCB评审]
    C --> D{批准?}
    D -->|是| E[实施变更]
    D -->|否| F[拒绝]
    E --> G[验证变更]

CCB（变更控制委员会） 是决策机构，不提出变更方案，只负责批准或拒绝。

4.4.2 需求跟踪

graph LR
    A[客户需求] <-->|正向/逆向| B[软件需求]
    B <-->|正向/逆向| C[设计/代码/测试]

需求跟踪矩阵用于：

• 确保所有需求都被实现
• 确保所有实现都有对应需求
• 分析变更影响

五、系统分析与设计

5.1 结构化方法

结构化方法又称为 面向功能 或 面向数据流 的方法。

5.1.1 结构化分析(SA)

数据流图(DFD) 四要素：

DFD 异常：

5.1.2 结构化设计(SD)

SD 是 自顶向下、逐步求精、模块化 的过程。

5.1.2.1 耦合与内聚

耦合（从低到高）：

内聚（从高到低）：

5.2 面向对象方法

5.2.1 OOA（面向对象分析）

OOA 模型包含 5 个层次和 5 个活动：

5.2.2 OOD（面向对象设计）

三种类型的类：

5.2.3 设计原则

5.3 UML 图

5.3.1 UML 图总览

mindmap
  root((UML 14种图))
    结构图 7种
      类图
      对象图
      包图
      组件图
      部署图
      组合结构图
      制品图
    行为图 7种
      用例图
      活动图
      状态机图
      顺序图
      通信图
      交互概览图
      时序图

考试常考的 9 种图：

5.3.2 UML 关系

UML 中类与类之间有 6 种关系，强度从弱到强：

graph LR
    A[依赖] --> B[关联]
    B --> C[聚合]
    C --> D[组合]
    D --> E[实现]
    E --> F[泛化]

下单  ──<<include>>──▶  验证身份
支付  ──<<include>>──▶  验证身份

充值  ──<<extend>>──▶  支付

管理员登录  ──▷  登录

graph LR
    U1[登录] -->|include| U2[验证身份]
    U3[修改密码] -->|extend| U1
    U4[管理员登录] -->|泛化| U1

┌─────────────────┐
│    ClassName    │  ← 类名（抽象类用斜体）
├─────────────────┤
│ - attribute: T  │  ← 属性（可见性 名称: 类型）
│ + attribute: T  │
├─────────────────┤
│ + method(): R   │  ← 方法（可见性 名称(): 返回类型）
│ # method(): R   │
└─────────────────┘

classDiagram
    class Animal {
        +String name
        +eat() void
    }
    class Dog {
        +bark() void
    }
    class Cat {
        +meow() void
    }
    class Owner {
        +String name
    }
    class Collar {
        +String color
    }
    Animal <|-- Dog : 泛化
    Animal <|-- Cat : 泛化
    Owner "1" o-- "0..*" Dog : 聚合
    Dog "1" *-- "1" Collar : 组合

sequenceDiagram
    participant U as 用户
    participant S as 系统
    participant DB as 数据库

    U->>S: 登录请求(用户名,密码)
    activate S
    S->>DB: 查询用户信息
    activate DB
    DB-->>S: 返回用户数据
    deactivate DB

    alt 验证成功
        S-->>U: 返回Token
    else 验证失败
        S-->>U: 返回错误信息
    end
    deactivate S

graph TD
    S([开始]) --> A[提交订单]
    A --> B{库存充足?}
    B -->|是| C[扣减库存]
    B -->|否| D[提示缺货]
    C --> E[生成订单]
    E --> F[发送通知]
    F --> T([结束])
    D --> T

stateDiagram-v2
    [*] --> 待支付: 创建订单
    待支付 --> 已支付: 完成支付
    待支付 --> 已取消: 超时/取消
    已支付 --> 配送中: 发货
    配送中 --> 已完成: 确认收货
    已完成 --> [*]
    已取消 --> [*]

5.3.3 UML 图选用指南

六、软件测试

6.1 测试目标

6.2 测试分类

graph TB
    A[软件测试] --> B[按执行方式]
    A --> C[按测试技术]
    A --> D[按测试阶段]

    B --> B1[静态测试<br>不运行程序：代码审查/走查]
    B --> B2[动态测试<br>运行程序：功能/性能验证]

    C --> C1[白盒测试<br>已知内部结构]
    C --> C2[黑盒测试<br>只知输入输出]
    C --> C3[灰盒测试<br>部分了解内部]

    D --> D1[单元测试]
    D --> D2[集成测试]
    D --> D3[系统测试]
    D --> D4[验收测试]

6.3 测试方法

6.3.1 白盒测试

白盒测试也称 结构测试 / 逻辑驱动测试，主要用于 单元测试。

覆盖标准（从弱到强）：

if (A > 0 AND B > 0):   // 判断1，含两个条件：A>0、B>0
    执行语句 X
else:
    执行语句 Y

if (C == 1):             // 判断2，含一个条件：C==1
    执行语句 Z

路径1: 判断1=真 → X → 判断2=真 → Z
路径2: 判断1=真 → X → 判断2=假 → (不执行Z)
路径3: 判断1=假 → Y → 判断2=真 → Z
路径4: 判断1=假 → Y → 判断2=假 → (不执行Z)

6.3.2 黑盒测试

黑盒测试也称 功能测试 / 数据驱动测试，主要用于 集成测试和系统测试。

因（输入条件）                    果（输出结果）
─────────────────────────────────────────────
C1: 年龄合法 ──┐
               ├─ AND ──→ E1: 注册成功
C2: 手机号合法 ┘

C3: 年龄非法 ──────────→ E2: 提示"年龄格式错误"
C4: 手机号非法 ─────────→ E3: 提示"手机号格式错误"

6.3.3 白盒 vs 黑盒对比

6.4 测试阶段

测试按照从小到大、从内到外的顺序进行：

graph LR
    A[单元测试] --> B[集成测试]
    B --> C[系统测试]
    C --> D[验收测试]

    style A fill:#e8f4f8
    style B fill:#d4edda
    style C fill:#fff3cd
    style D fill:#f8d7da

6.4.1 集成测试策略

6.4.2 系统测试类型

6.4.3 验收测试类型

七、逆向工程

逆向工程是分析已有程序，寻求更高级抽象表现形式的活动。

7.1 信息恢复级别

7.2 相关概念

八、软件项目管理

8.1 项目管理过程

graph LR
    A[活动定义] --> B[活动排序]
    B --> C[资源估算]
    C --> D[历时估算]
    D --> E[制定进度]
    E --> F[进度控制]

8.2 工作分解结构(WBS)

WBS 是以 可交付成果为导向 的项目分解。

8.3 进度管理工具

8.4 关键路径

**关键路径**是项目中最长的路径，决定项目最短工期。

8.5 配置管理

配置管理的核心内容是 版本控制 和 变更控制。

8.5.1 配置项状态

stateDiagram-v2
    [*] --> 草稿
    草稿 --> 正式: 通过评审
    草稿 --> 草稿: 修改
    正式 --> 修改中: 变更
    修改中 --> 正式: 再次评审

8.5.2 版本号规则

8.6 质量管理

8.7 风险管理

graph LR
    A[风险识别] --> B[风险分析]
    B --> C[风险应对]
    C --> D[风险监控]

风险分类：

九、软件度量

9.1 McCabe 环路复杂度

计算公式：

其中：E = 边数，N = 节点数

其他计算方法：

1. 程序图中的区域数（封闭区域 + 1）
2. \(V(G) = P + 1\)，P 为判定节点数

总结

mindmap
  root((软件工程))
    过程模型
      瀑布/原型/螺旋
      敏捷/RUP
      CMM/CMMI
    需求工程
      获取/分析
      规格化/验证
      变更/跟踪
    分析设计
      结构化方法
      面向对象方法
      UML建模
    软件测试
      白盒/黑盒
      各阶段测试
      测试策略
    项目管理
      进度/配置
      质量/风险

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