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软件工程(Software Engineering)

软件工程是一门研究用工程化方法构建和维护有效的、实用的和高质量的软件的学科。它涉及到程序设计语言、数据库、软件开发工具、系统平台、标准、设计模式等方面。在现代社会中,软件应用于多个方面。典型的软件有电子邮件、嵌入式系统、人机界面、办公套件、操作系统、编译器、数据库、游戏等。同时,各个行业几乎都有计算机软件的应用,如工业、农业、银行、航空、政府部门等。这些应用都促进了经济和社会的发展,也提高了工作和生活效率 。

软件工程师是对应用软件创造软件的人们的统称,软件工程师按照所处的领域不同可以分为系统分析师、系统架构师、软件设计师、程序员、测试工程师、界面与交互设计师等等。人们也常常用程序员来泛指各种软件工程师。



1
定义
6
原理
2
基本内容
7
结构
3
发展过程
8
方法
4
目标
9
软件需求
5
研究领域
10
工程与科学

 

 
1
定义内涵

定义:

软件工程一直以来都缺乏一个统一的定义,很多学者、组织机构都分别给出了自己认可的定义:

1.BarryBoehm:运用现代科学技术知识来设计并构造计算机程序及为开发、运行和维护这些程序所必需的相关文件资料。

2.IEEE:在软件工程术语汇编中的定义:软件工程是:1.将系统化的、严格约束的、可量化的方法应用于软件的开发、运行和维护,即将工程化应用于软件;2.在1中所述方法的研究

3.FritzBauer:在NATO会议上给出的定义:建立并使用完善的工程化原则,以较经济的手段获得能在实际机器上有效运行的可靠软件的一系列方法。

比较认可的一种定义认为:软件工程是研究和应用如何以系统性的、规范化的、可定量的过程化方法去开发和维护软件,以及如何把经过时间考验而证明正确的管理技术和当前能够得到的最好的技术方法结合起来。

ISO 9000对软件工程过程的定义是:软件工程过程是输入转化为输出的一组彼此相关的资源和活动。

内涵:

一、软件工程过程是指为获得软件产品,在软件工具的支持下由软件工程师完成的一系列软件工程活动,包括以下四个方面:

1、P(Plan)——软件规格说明。规定软件的功能及其运行时的限制。

2、D(DO)——软件开发。开发出满足规格说明的软件。

3、C(Check)——软件确认。确认开发的软件能够满足用户的需求。

4、A(Action)——软件演进。软件在运行过程中不断改进以满足客户新的需求。

二、从软件开发的观点看,它就是使用适当的资源(包括人员,软硬件资源,时间等),为开发软件进行的一组开发活动,在活动结束时输入(即用户的需求)转化为输出(最终符合用户需求的软件产品)。

三个阶段:定义阶段:可行性研究初步项目计划、需求分析;开发阶段:概要设计、详细设计、实现、测试;运行和维护阶段:运行、维护、废弃。

原则:1、抽象;2、信息隐蔽;3、模块化;4、局部化;5、确定性;6,一致性;7、完备性;8、可验证性

 

 
2
基本内容

软件工程原理、软件工程过程、软件工程方法、软件工程模型、软件工程管理、软件工程度量、软件工程环境、软件工程应用、软件工程开发使用。

 

 
3
发展过程

软件是由计算机程序和程序设计的概念发展演化而来的,是在程序和程序设计发展到一定规模并且逐步商品化的过程中形成的。软件开发经历了程序设计阶段、软件设计阶段和软件工程阶段的演变过程。

程序设计阶段

程序设计阶段出现在1946年~1955年。此阶段的特点是:尚无软件的概念,程序设计主要围绕硬件进行开发,规模很小,工具简单,无明确分工(开发者和用户),程序设计追求节省空间和编程技巧,无文档资料(除程序清单外),主要用于科学计算。

软件设计阶段

软件设计阶段出现在1956年~1970年。此阶段的特点是:硬件环境相对稳定,出现了“软件作坊”的开发组织形式。开始广泛使用产品软件(可购买),从而建立了软件的概念。随着计算机技术的发展和计算机应用的日益普及,软件系统的规模越来越庞大,高级编程语言层出不穷,应用领域不断拓宽,开发者和用户有了明确的分工,社会对软件的需求量剧增。但软件开发技术没有重大突破,软件产品的质量不高,生产效率低下,从而导致了“软件危机”的产生。

软件工程阶段

自1970年起,软件开发进入了软件工程阶段。由于“软件危机”的产生,迫使人们不得不研究、改变软件开发的技术手段和管理方法。从此软件产生进入了软件工程时代。此阶段的特点是:硬件已向巨型化、微型化、网络化和智能化四个方向发展,数据库技术已成熟并广泛应用,第三代、第四代语言出现;第一代软件技术:结构化程序设计在数值计算领域取得优异成绩;第二代软件技术:软件测试技术、方法、原理用于软件生产过程;第三代软件技术:处理需求定义技术用于软件需求分析和描述。

 

 
4
目标

软件工程的目标是:在给定成本、进度的前提下,开发出具有适用性、有效性、可修改性、可靠性、可理解性、可维护性、可重用性、可移植性、可追踪性、可互操作性和满足用户需求的软件产品。追求这些目标有助于提高软件产品的质量和开发效率,减少维护的困难。

(1)适用性:软件在不同的系统约束条件下,使用户需求得到满足的难易程度。

(2)有效性:软件系统能最有效的利用计算机的时间和空间资源。各种软件无不把系统的时/空开销作为衡量软件质量的一项重要技术指标。很多场合,在追求时间有效性和空间有效性时会发生矛盾,这时不得不牺牲时间有效性换取空间有效性或牺牲空间有效性换取时间有效性。时/空折衷是经常采用的技巧。

(3)可修改性:允许对系统进行修改而不增加原系统的复杂性。它支持软件的调试和维护,是一个难以达到的目标。

(4)可靠性:能防止因概念、设计和结构等方面的不完善造成的软件系统失效,具有挽回因操作不当造成软件系统失效的能力。

(5)可理解性:系统具有清晰的结构,能直接反映问题的需求。可理解性有助于控制系统软件复杂性,并支持软件的维护、移植或重用。

(6)可维护性:软件交付使用后,能够对它进行修改,以改正潜伏的错误,改进性能和其它属性,使软件产品适应环境的变化等。软件维护费用在软件开发费用中占有很大的比重。可维护性是软件工程中一项十分重要的目标。

(7)可重用性:把概念或功能相对独立的一个或一组相关模块定义为一个软部件。可组装在系统的任何位置,降低工作量。

(8)可移植性:软件从一个计算机系统或环境搬到另一个计算机系统或环境的难易程度。

(9)可追踪性:根据软件需求对软件设计、程序进行正向追踪,或根据软件设计、程序对软件需求的逆向追踪的能力。

(10)可互操作性:多个软件元素相互通信并协同完成任务的能力。

 

 
5
研究领域

软件架构

软件设计方法

软件领域建模

软件工程决策支持

软件工程教育

软件测试技术

自动化的软件设计和合成

基于组件的软件工程

计算机支持的协同工作

编程语言和软件工程

计算机网络

信息与通信安全

计算机图形学与人机交互

多媒体技术应用

人工智能与识别

嵌入式软件与应用

自动控制

分布式计算与网格计算

云计算技术

存储技术

数据库技术研究

计算机辅助设计与应用技术

大数据分析与处理

 

 
6
原理

自从1968年提出“软件工程”这一术语以来,研究软件工程的专家学者们陆续提出了100多条关于软件工程的准则或信条。美国著名的软件工程专家巴利·玻姆(Barry Boehm)综合这些专家的意见,并总结了美国天合公司(TRW)多年的开发软件的经验,于1983年提出了软件工程的七条基本原理。

玻姆认为,这七条原理是确保软件产品质量和开发效率的原理的最小集合。它们是相互独立的,是缺一不可的最小集合;同时,它们又是相当完备的。

人们当然不能用数学方法严格证明它们是一个完备的集合,但是可以证明,在此之前已经提出的100多条软件工程准则都可以有这七条原理的任意组合蕴含或派生。

下面简要介绍软件工程的七条原理:

1.用分阶段的生命周期计划严格管理

这一条是吸取前人的教训而提出来的。统计表明,50%以上的失败项目是由于计划不周而造成的。在软件开发与维护的漫长生命周期中,需要完成许多性质各异的工作。这条原理意味着,应该把软件生命周期分成若干阶段,并相应制定出切实可行的计划,然后严格按照计划对软件的开发和维护进行管理。

玻姆认为,在整个软件生命周期中应指定并严格执行6类计划:

1.项目概要计划、

2.里程碑计划、

3.项目控制计划、

4.产品控制计划、

5.验证计划、

6.运行维护计划。

2.坚持进行阶段评审

统计结果显示:大部分错误是在编码之前造成的,大约占63%错误发现的越晚,改正它要付出的代价就越大,要差2到3个数量级。 因此,软件的质量保证工作不能等到编码结束之后再进行,应坚持进行严格的阶段评审,以便尽早发现错误。

3.实行严格的产品控制

开发人员最痛恨的事情之一就是改动需求。但是实践告诉我们,需求的改动往往是不可避免的。这就要求我们要采用科学的产品控制技术来顺应这种要求。也就是要采用变动控制,又叫基准配置管理。当需求变动时,其它各个阶段的文档或代码随之相应变动,以保证软件的一致性。

4.采纳现代程序设计技术

从六、七十年代的结构化软件开发技术,到最近的面向对象技术,从第一、第二代语言,到第四代语言,人们已经充分认识到:方法大于气力。采用先进的技术既可以提高软件开发的效率,又可以减少软件维护的成本。

5.结果应能清楚地审查

软件是一种看不见、摸不着的逻辑产品。软件开发小组的工作进展情况可见性差,难于评价和管理。为更好地进行管理,应根据软件开发的总目标及完成期限,尽量明确地规定开发小组的责任和产品标准,从而使所得到的标准能清楚地审查。

6.开发小组的人员应少而精

开发人员的素质和数量是影响软件质量和开发效率的重要因素,应该少而精。 这一条基于两点原因:高素质开发人员的效率比低素质开发人员的效率要高几倍到几十倍,开发工作中犯的错误也要少的多;当开发小组为N人时,可能的通讯信道为N(N-1)/2, 可见随着人数N的增大,通讯开销将急剧增大。

7.承认不断改进软件工程实践的必要性

遵从上述六条基本原理,就能够较好地实现软件的工程化生产。但是,它们只是对现有的经验的总结和归纳,并不能保证赶上技术不断前进发展的步伐。因此,玻姆提出应把承认不断改进软件工程实践的必要性作为软件工程的第七条原理。根据这条原理,不仅要积极采纳新的软件开发技术,还要注意不断总结经验,收集进度和消耗等数据,进行出错类型和问题报告统计。这些数据既可以用来评估新的软件技术的效果,也可以用来指明必须着重注意的问题和应该优先进行研究的工具和技术。

 

 
7
结构

软件体系结构表示了一个软件系统的高层结构,主要特点有:

1)软件系统结构是一个高层次上的抽象,它并不涉及具体的系统结构(比如B/S还是C/S),也不关心具体的实现。

2)软件体系结构必须支持系统所要求的功能,在设计软件体系结构的时候,必须考虑系统的动态行为。

3)在设计软件体系结构的时候,必须考虑有现有系统的兼容性、安全性和可靠性。同时还要考虑系统以后的扩展性和伸缩性。所以有时候必须在多个不同方向的目标中进行决策。

当前已经有一些关于规范化软件体系结构,比如:ISO的开放系统互联模型、X Window系统等等。

软件系统的结构通常被定义为两个部分:一个是计算部件。另一个就是部件之间的交互。如果把软件系统看成一幅图的话,计算部件就是其中的节点,而部件之间的交互就是节点之间的弧线。部件之间的连接可以被认为是一种连接器,比如过程调用、事件广播、数据库查询等等。正确的体系结构设计是软件系统成功的关键。

 

 
8
方法

国外大的软件公司和机构一直在研究软件开发方法这个概念性的东西,而且也提出了很多实际的开发方法,比如:生命周期法、原型化方法、面向对象方法等等。下面介绍几种流行的开发方法:

结构化方法

结构化开发方法是由E.Yourdon 和 L.L.Constantine 提出的,即所谓的SASD 方 法, 也可称为面向功能的软件开发方法或面向数据流的软件开发方法。

Yourdon方法是80年代 使用最广泛的软件开发方法。它首先用结构化分析(SA)对软件进行需求分析,然后用结构化设计(SD)方法进行总体设计,最后是结构化编程(SP)。它给出了两类典型的软件结构(变换型和事务型)使软件开发的成功率大大提高。

面向数据结构的软件开发方法

Jackson方法是最典型的面向数据结构的软件开发方法,Jackson方法把问题分解为可由三种基本结构形式表示的各部分的层次结构。三种基本的结构形式就是顺序、选择和重复。三种数据结构可以进行组合,形成复杂的结构体系。这一方法从目标系统的输入、输出数据结构入手,导出程序框架结构,再补充其它细节,就可得到完整的程序结构图。这一方法对输入、输出数据结构明确的中小型系统特别有效,如商业应用中的文件表格处理。该方法也可与其它方法结合,用于模块的详细设计。

面向问题的分析法

PAM(Problem Analysis Method)是80年代末由日立公司提出的一种软件开发方法。 它的基本思想是考虑到输入、输出数据结构,指导系统的分解,在系统分析指导下逐步综 合。这一方法的具体步骤是:从输入、输出数据结构导出基本处理框;分析这些处理框之间的先后关系;按先后关系逐步综合处理框,直到画出整个系统的PAD图。这一方法本质上是综合的自底向上的方法,但在逐步综合之前已进行了有目的的分解,这个目的就是充分考虑系统的输入、输出数据结构。PAM方法的另一个优点是使用PAD图。这是一种二维树形结构图,是到目前为止最好的详细设计表示方法之一。当然由于在输入、输出数据结构与整个系统之间同样存在着鸿沟,这一方法仍只适用于中小型问题。

原型化方法

产生原型化方法的原因很多,主要随着我们系统开发经验的增多,我们也发现并非所有的需求都能够预先定义而且反复修改是不可避免的。当然能够采用原型化方法是因为开发工具的快速发展,比如用VB,DELPHI等工具我们可以迅速的开发出一个可以让用户看的见、摸的着的系统框架,这样,对于计算机不是很熟悉的用户就可以根据这个样板提出自己的需求。

开发方法

软体工程的方法有很多方面的意义。包括专案管理,分析,设计,程序的编写,测试和质量控制。

软体设计方法可以区别为重量级的方法和轻量级的方法。重量级的方法中产生大量的正式文档。

著名的重量级开发方法包括ISO9000,CMM,和统一软体开发过程(RUP)。

轻量级的开发过过程没有对大量正式文档的要求。著名的轻量级开发方法包括极限编程(XP)和敏捷流程(AgileProcesses)。

 

 
9
软件需求

软件需求包括 3 个不同的层次――业务需求、用户需求和功能需求。

除此之外,每个系统还有各种非功能需求。

1.业务需求(Business requirement)表示组织或客户高层次的目标。业务需求通常来自项目投资人、购买产品的客户、实际用户的管理者、市场营销部门或产品策划部门。业务需求描述了组织为什么要开发一个系统,即组织希望达到的目标。使用前景和范围( vision and scope )文档来记录业务需求,这份文档有时也被称作项目轮廓图或市场需求( project charter 或 market requirement )文档。

2.用户需求(user requirement)描述的是用户的目标,或用户要求系统必须能完成的任务。用例、场景描述和事件――响应表都是表达用户需求的有效途径。也就是说用户需求描述了用户能使用系统来做些什么。

3.功能需求(functional requirement)规定开发人员必须在产品中实现的软件功能,用户利用这些功能来完成任务,满足业务需求。功能需求有时也被称作行为需求( behavioral requirement ),因为习惯上总是用“应该”对其进行描述:“系统应该发送电子邮件来通知用户已接受其预定”。功能需求描述是开发人员需要实现什么。

4.系统需求(system requirement)用于描述包含多个子系统的产品(即系统)的顶级需求。系统可以只包含软件系统,也可以既包含软件又包含硬件子系统。人也可以是系统的一部分,因此某些系统功能可能要由人来承担。

5.业务规则包括企业方针、政府条例、工业标准、会计准则和计算方法等。业务规划本身并非软件需求,因为它们不属于任何特定软件系统的范围。然而,业务规则常常会限制谁能够执行某些特定用例,或者规定系统为符合相关规则必须实现某些特定功能。有时,功能中特定的质量属性(通过功能实现)也源于业务规则。所以,对某些功能需求进行追溯时,会发现其来源正是一条特定的业务规则。

功能需求记录在软件需求规格说明( SRS )中。 SRS 完整地描述了软件系统的预期特性。 SRS 我们一般把它当作文档,其实, SRS 还可以是包含需求信息的数据库或电子表格;或者是存储在商业需求管理工具中的信息;而对于小型项目,甚至可能是一叠索引卡片。开发、测试、质量保证、项目管理和其他相关的项目功能都要用到 SRS 。

除了功能需求外, SRS 中还包含非功能需求,包括性能指标和对质量属性的描述。

1.质量属性(quality attribute)对产品的功能描述作了补充,它从不同方面描述了产品的各种特性。这些特性包括可用性、可移植性、完整性、效率和健壮性,它们对用户或开发人员都很重要。其他的非功能需求包括系统与外部世界的外部界面,以及对设计与实现的约束。

2.约束(constraint)限制了开发人员设计和构建系统时的选择范围。

3.行业需求:企业在招聘软件测试人员时主要看中应聘者的项目经验、逻辑思维能力、一定的技术能力和综合素质,而对学历、年龄、性别、工作经验等的要求较低,相对于IT行业其他职位而言,软件测试的入行更加容易。

 

 
10
工程与科学

软件的开发到底是一门科学还是一门工程,这是一个被争论了很久的问题。实际上,软件开发兼有两者的特点。但是这并不意味着它们可以被互相混淆。很多人认为软件工程基于计算机科学和信息科学就如传统意义上的工程学之于物理和化学一样。在美国,大约40%的软件工程师具有计算机科学的学位。在世界其他地方,这个比例也差不多。他们并不一定会每天使用计算机科学方面的知识,但是他们每天都会使用软件工程方面的知识。

例如 Peter McBreen 认为,软件工程意味着更高程度的严谨性与经过验证的流程,并不适合现阶段各类型的软件开发。Peter McBreen 在著作《Software Craftsmanship: The New Imperative》提出了所谓“craftsmanship”的说法,认为现阶段软件开发成功的关键因素,是开发者的技能,而不是“manufacturing”软件的流程。

 

   
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