第3章　软件工程基础[视频讲解]

1软件工程基本概念，软件生命周期概念，软件工具与软件开发环境。

2结构化分析方法，数据流图，数据字典，软件需求规格说明书。

3结构化设计方法，总体设计与详细设计。

4软件测试的方法，白盒测试与黑盒测试，测试用例设计，软件测试的实施，单元测试、集成测试和系统测试。

5程序的调试，静态调试与动态调试。

3.1　软件工程基本概念

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一、软件定义与软件特点

定义：计算机软件（Software）是计算机系统中与硬件相互依存的另一部分，是包括程序、数据及相关文档的完整集合。

程序是软件开发人员根据用户需求开发的、用程序设计语言描述的、适合计算机执行的指令（语句）序列。

数据是使程序能正常操纵信息的数据结构。

文档是与程序开发、维护和使用有关的图文资料。

软件由两部分组成：

一是机器可执行的程序和数据；

二是机器不可执行的，与软件开发、运行、维护、使用等有关的文档。

《信息技术软件工程术语》中对软件的定义是：软件是与计算机系统的操作有关的计算机程序、规程及可能的相关文档的完整集合。

软件的特点：

①软件是一种逻辑实体，而不是物理实体，具有抽象性。

②软件的生产与硬件不同，它没有明显的制作过程。

③软件在运行、使用期间不存在磨损、老化问题。

④软件的开发、运行对计算机系统具有依赖性，受计算机系统的限制，这导致了软件移植的问题。

⑤软件复杂性高，成本昂贵。

⑥软件开发涉及诸多的社会因素。

软件的分类：

软件按功能可以分为：应用软件、系统软件、支撑软件（或工具软件）。

①应用软件是为解决特定领域的应用而开发的软件。

②系统软件是计算机管理自身资源，提高计算机使用效率并服务于其他程序的软件。如操作系统，编译程序，汇编程序，网络软件，数据库管理系统等。

③支撑软件是介于系统软件和应用软件之间，协助用户开发软件的工具性软件，包括辅助和支持开发和维护应用软件的工具软件，如需求分析工具软件，设计工具软件，编码工具软件，测试工具软件，维护工具软件等。也包括辅助管理人员控制开发进程和项目管理的工具软件，如，计划进度管理工具软件，过程控制工具软件，质量管理及配置管理工具软件等。

【考题】下面属于系统软件的是（　　）。

A．户籍管理系统

B．数据库管理系统

C．演示软件

D．杀毒软件

【答案】B

【解析】系统软件是计算机管理自身资源，提高计算机使用效率并服务于其他程序的软件。如操作系统，编译程序，汇编程序，网络软件，数据库管理系统等。

二、软件危机与软件工程

软件危机：泛指在计算机软件的开发和维护过程中所遇到的一系列严重问题。

随着计算机技术的发展和应用领域的扩大，计算机硬件性能/价格比和质量稳步提高，软件规模越来越大，复杂程度不断增加，软件成本逐年上升，质量没有可靠的保证，软件已成为计算机科学发展的“瓶颈”。

软件开发和维护过程中，软件危机主要表现在：

①软件需求的增长得不到满足。用户对系统不满意的情况经常发生。

②软件开发成本和进度无法控制。开发成本超出预算，开发周期大大超过规定日期的情况经常发生。

③软件质量难以保证。

④软件不可维护或维护程度非常低。

⑤软件的成本不断提高。

⑥软件开发生产率的提高赶不上硬件的发展和应用需求的增长。

可以将软件危机归结为成本、质量、生产率等问题。

软件危机的原因：

1．宏观方面是由于软件日益深入社会生活的各个层面，对软件需求的增长速度大大超过了技术进步所能带来的软件生产率的提高。

2．就每一项具体的工程任务来看，许多困难来源于软件工程所面临的任务和其他工程之间的差异以及软件和其他工业产品的不同。

3．在软件开发和维护过程中

（1）与软件本身的特点有关。

（2）与软件开发和维护方法不正确有关，这是主要原因。

为了消除软件危机，通过认真研究解决软件危机的方法，认识到软件工程是使计算机软件走向工程科学的途径，逐步形成了软件工程的概念，开辟了工程学的新兴领域——软件工程学。

软件工程就是试图用工程、科学和数学的原理与方法研制、维护计算机软件的有关技术及管理方法。

软件工程包括3个要素，即方法、工具和过程：

①方法是完成软件工程项目的技术手段；

②工具支持软件的开发、管理、文档生成；

③过程支持软件开发的各个环节的控制、管理。

软件工程的核心思想是把软件产品（就像其他工业产品一样）看作是一个工程产品来处理。把需求计划、可行性研究、工程审核、质量监督等工程化的概念引入到软件生产当中，以期达到工程项目的三个基本要素：进度、经费和质量的目标。

从经济学的意义上来说，考虑到软件庞大的维护费用远比软件开发费用要高，因而开发软件不能只考虑开发期间的费用，而且应考虑软件生命周期内的全部费用。

代表性的有结构化的方法、面向对象方法和软件开发模型及软件开发过程等。

【考题】下面不属于软件工程的3个要素的是（　　）。

A．工具

B．过程

C．方法

D．方式

【答案】D

【解析】软件工程的三个要素包括：工具、过程和方法。

三、软件过程与软件生命周期

1软件过程

ISO 9000定义：软件过程是把输入转化为输出的一组彼此相关的资源和活动。

软件过程通常包含4种基本活动：

①P（Plan）——软件规格说明。

规定软件的功能及其运行时的限制。

②D（Do）——软件开发或软件设计与实现。

生产满足规格说明的软件。

③C（Cheek）——软件确认。

确认软件能够满足客户提出的要求。

④A（Action）——软件演进。

2软件生命周期

【定义】将软件产品从提出、实现、使用维护到停止使用退役的过程称为软件生命周期。

一般包括可行性研究与需求分析、设计、编码、测试、交付使用以及维护等活动。可以将软件生命周期分为软件定义、软件开发及软件运行维护三个阶段。

图3-1　软件生命周期

软件定义阶段的任务是：确定软件开发的目标和工程的可行性。

软件开发阶段的任务是：完成设计和实现定义阶段所定义的软件。

软件维护阶段的任务是：使软件在运行中持久地满足用户的需要。

软件生命周期中各阶段的基本任务：

①可行性研究与计划制定

确定待开发软件系统的开发目标和总的要求，给出它的功能、性能、可靠性以及接口等方面的可能方案，制定完成开发任务的实施计划。

②需求分析

对待开发软件提出的需求进行分析并给出详细定义。编写软件规格说明书及初步的用户手册，提交评审。

③软件设计

系统设计人员和程序设计人员应该在反复理解软件需求的基础上，给出软件的结构、模块的划分、功能的分配以及处理流程。在系统比较复杂的情况下，设计阶段可分解成概要设计阶段和详细设计阶段。编写概要设计说明书、详细设计说明书和测试计划初稿，提交评审。

④编码

编码是把软件设计转换成计算机可以接受的程序代码。即完成源程序的编码，编写用户手册、操作手册等面向用户的文档，编写单元测试计划。

【考题1】在软件生命周期中，能准确地确定软件系统必须做什么和必须具备哪些功能的阶段是（　　）。

A．概要设计

B．详细设计

C．可行性分析

D．需求分析

【答案】D

【解析】软件生命周期中，每个阶段工作的考察。

【考题2】下面对软件生命周期的描述中正确的是（　　）。

A．软件产品从提出、实现、使用维护到停止使用退役的过程

B．软件的设计与实现阶段

C．软件的开发与管理

D．软件的实现和维护

【答案】A

【解析】将软件产品从提出、实现、使用维护到停止使用退役的过程称为软件生命周期。

【考题3】在结构化方法中，软件功能分解属于下列软件开发中的阶段是（　　）。

A．详细设计

B．需求分析

C．总体设计

D．编程调试

【答案】C

【解析】软件开发阶段的任务是：具体完成设计和实现定义阶段所定义的软件，通常包括总体设计、详细设计、编码和测试。

四、软件工程的目标与原则

1软件工程的目标

软件工程的目标：在给定成本、进度的前提下，开发出具有有效性、可靠性、可理解性、可维护性、可重用性、可适应性、可移植性、可追踪性和可互操作性且满足用户需求的产品。

基本目标：付出较低的开发成本；达到要求的软件功能；取得较好的软件性能；开发的软件易于移植；需要较低的维护费用；能按时完成开发，及时交付使用。

基于软件工程的目标，软件工程的理论和技术性研究的内容主要包括：软件开发技术和软件工程管理。

（1）软件开发技术

软件开发技术包括：软件开发方法学、开发过程、开发工具和软件工程环境，其主体内容是软件开发方法学。

（2）软件工程管理

软件工程管理包括：软件管理学、软件工程经济学、软件心理学等内容。

2软件工程的原则

软件工程的基本原则包括抽象、信息隐蔽、模块化、局部化、确定性、一致性、完备性和可验证性。

五、软件开发工具与软件开发环境

1软件开发工具

程序设计语言、软件开发工具、软件开发方法。

2软件开发环境

软件开发环境或称软件工程环境是全面支持软件开发全过程的软件工具集合。

3.2　结构化分析方法

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一、需求分析与需求分析方法

1需求分析

软件需求是指用户对目标软件系统在功能、行为、性能、设计约束等方面的期望。

任务是发现需求、求精、建模和定义需求的过程。

（1）需求的定义

1997年IEEE在《软件工程标准词汇表》中对需求定义如下：

①用户解决问题或达到目标所需的条件或权能；

②系统或系统部件要满足合同、标准、规范或其他正式规定文档所需具有的条件或权能；

③一种反映①或②所描述的条件或权能的文档说明。

该定义从两方面阐述了需求的含义：一是从用户角度所要求的系统应具有的功能，是系统的外部行为；二是从系统开发者角度所要求的系统应具有的功能，是系统的内部特性。定义还强调了需求一定要文档化。

（2）需求分析阶段的工作

①需求获取

需求获取的目的是确定对目标系统的各方面需求。涉及的主要任务是建立获取用户需求的方法框架，并支持和监控需求获取的过程。

②需求分析

对获取的需求进行分析和综合，最终给出系统的解决方案和目标系统的逻辑模型。

③编写需求规格说明书

作为需求分析的阶段成果，可以为用户、分析人员和设计人员之间的交流提供方便，可以直接支持目标软件系统的确认，又可以作为控制软件开发进程的依据。

④需求评审

对需求分析阶段的工作进行复审，验证需求文档的一致性、可行性、完整性和有效性。

【考题】软件需求分析阶段的工作，可以分为四个方面：需求获取，需求分析，编写需求规格说明书，以及（　　）。

A．阶段性报告

B．需求评审

C．总结

D．都不正确

【答案】B

【解析】需求分析阶段的工作，可以概括为四个方面：①需求获取；②需求分析；③编写需求规格说明书；④需求评审。

2需求分析方法

①结构化分析方法

面向数据流的结构化分析方法，面向数据结构的Jackson方法，面向数据结构的结构化数据系统开发方法。

②面向对象的分析方法

从需求分析建立的模型的特性来分，需求分析方法又分为静态分析方法和动态分析方法。

二、结构化分析方法

1关于结构化分析方法

结构化分析方法是结构化程序设计理论在软件需求分析阶段的运用。

结构化分析方法的实质是着眼于数据流，自顶向下，逐层分解，建立系统的处理流程，以数据流图和数据字典为主要工具，建立系统的逻辑模型。

结构化分析的步骤如下：

①通过对用户的调查，以软件的需求为线索，获得当前系统的具体模型；

②去掉具体模型中非本质因素，抽象出当前系统的逻辑模型；

③根据计算机的特点分析当前系统与目标系统的差别，建立目标系统的逻辑模型；

④完善目标系统并补充细节，写出目标系统的软件需求规格说明；

⑤评审直到确认完全符合用户对软件的需求。

2结构化分析的常用工具

（1）数据流图（DFD）

数据流图是描述数据处理过程的工具，是需求理解的逻辑模型的图形表示，它直接支持系统的功能建模。

数据流图中的主要图形元素与说明如下：

加工（转换）。输入数据经加工变换产生输出。

数据流。沿箭头方向传送数据的通道，一般在旁边标注数据流名。

存储文件（数据源）。表示处理过程中存放各种数据的文件。

数据的源点和终点。表示系统和环境的接口，属系统之外的实体。

【考题】数据流图用于抽象描述一个软件的逻辑模型，数据流图由一些特定的图符构成。下列图符名标识的图符不属于数据流图合法图符的是（　　）。

A．控制流

B．加工

C．数据存储

D．源和潭

【答案】A

【解析】数据流图用于需求分析阶段，在此阶段我们只考虑大致的数据流流向，而不关心内部具体的处理，以及如何在计算机上实现，不必讨论控制流，我们只关心的：数据流、数据储存、变换/加工（相当于一个黑盒，不关心内部细节）、外部实体，数据流图通俗易懂，因为它远离了计算机，用户（无需懂编程）和软件人员都易接受。比如一个简单的软件系统逻辑模型：输入流和输出流即D中的源和潭。

建立数据流图的步骤如下：

第1步：由外向里：先画系统的输入输出，然后画系统的内部。

第2步：自顶向下：顺序完成顶层、中问层、底层数据流图。

第3步：逐层分解。

数据流图的建立从顶层开始，顶层的数据流图形式如图3-2所示。

图3-2　顶层数据流图

对复杂系统的表达应采用控制复杂度策略，需要按照问题的层次结构逐步分解细化，使用分层的数据流图表达这种结构关系，分层的数据流图的形式如图3-3所示。

图3-3　分层数据流图

应遵循以下数据流图的构造规则和注意事项：

①对加工处理建立唯一、层次性的编号，且每个加工处理通常要求既有输入又有输出。

②数据存储之间不应该有数据流。

③数据流图的一致性。它包括数据守恒和数据存储文件的使用。

④父图、子图关系与平衡规则。相邻两层DFD之间具有父、子关系，子图代表了父图中某个加工的详细描述，父图表示了子图间的接口。

图3-4　银行取款业务的数据流图

（2）数据字典（DD）

数据字典是结构化分析方法的核心。

数据字典是对所有与系统相关的数据元素的一个有组织的列表，以及精确的、严格的定义，使得用户和系统分析员对于输入、输出、存储成分和中间计算结果有共同的理解。

数据字典包含的信息有：名称、别名、何处使用/如何使用、内容描述、补充信息等。在数据字典的编制过程中，常使用定义式方式描述数据结构。

表3-1　在数据字典的定义式方式中出现的符号

【例1】银行取款业务的数据流图中，存储文件“存折”的DD定义如下：

存折＝户名＋所号＋账户＋开户日＋性质＋（印密）＋1{存取行}50

户名＝2{字母}24

所号＝“001”..“999”

账号＝“00000001”..“99999999”

开户日＝年＋月＋日

性质＝“1”..“6”

印密＝“0”

存取行＝日期＋（摘要）＋支出＋存入＋余额＋操作＋复核

日期＝年＋月＋日

年＝“00”..“99”

月＝“01”..“12”

日＝“01”..“31”

摘要＝1{字母}4

支出＝金额

金额＝“0000000.01”..“9999999.99”

操作＝“00001”..“99999”

（3）判定树

使用判定树进行描述时，应先从问题定义的文字描述中分清哪些是判定的条件，哪些是判定的结论，根据描述材料中的连接词找出判定条件之间的从属关系、并列关系、选择关系，根据它们构造判定树。

【例2】某货物托运管理系统中，对发货情况的处理要依赖检查发货单，检查发货单受货物托运金额、欠款等条件的约束，可以使用类似分段函数的形式来描述这些约束和处理。

图3-5　“检查发货单”判定树

（4）判定表

判定表与判定树相似，当数据流图中的加工要依赖于多个逻辑条件的取值，即完成该加工的一组动作是由于某一组条件取值的组合而引发的，使用判定表描述比较适宜。

判定表由四部分组成，即基本条件、基本动作、条件项、动作项。

图3-6　判定表组成

【例3】“检查发货单”判定表，其中“√”表示满足对应条件项时执行的操作。

图3-7　“检查发货单”判定表

【考题】下列工具中为需求分析常用工具的是（　　）。

A．PAD

B．PFD

C．N-S

D．DFD

【答案】D

【解析】结构化分析的常用工具有：数据流图（DFD）、数据字典（DD）、判定树、判定表。

三、软件需求规格说明书

软件需求规格说明（SRS）是描述需求中的重要文档，是软件需求分析的主要成果。

1软件需求规格说明书的作用

（1）便于用户、开发人员进行理解和交流。

（2）反映出用户问题的结构，可以作为软件开发工作的基础和依据。

（3）作为确认测试和验收的依据。

（4）为成本估算和编制计划进度提供基础。

（5）软件不断改进的基础。

2软件需求规格说明书的内容

①功能需求是软件需求规格说明，给出软件要执行什么功能的详尽描述；

②性能需求是指定量地描述软件系统应满足的具体性能需求，即各种软件功能的速度、响应时间、恢复时间；

③外部接口指软件如何与人、系统的硬件及其他硬件和其他软件进行交互；

④属性是指与软件有关的质量属性，如正确性、可用性、可靠性、安全性、可维护性等；

⑤约束条件包括影响软件实现的各种设计约束，如使用的标准、编程语言、数据库完整性方针、资源限制、运行环境等方面的要求。

3软件需求规格说明的特点

①正确性。体现待开发系统的真实要求。

②无歧义性。对每一个需求只有一种解释，其陈述具有唯一性。

③完整性。包括全部有意义的需求，功能的、性能的、设计的、约束的，属性或外部接口等方面的需求。

④可验证性。描述的每一个需求都是可以验证的，即存在有限代价的有效过程验证确认。

⑤一致性。各个需求的描述不矛盾。

⑥可理解性。需求说明必须简明易懂，尽量少包含计算机的概念和术语，以便用户和软件人员都能接受它。

⑦可修改性。SRS的结构风格在需求有必要改变时是易于实现的。

⑧可追踪性。每一个需求的来源、流向是清晰的，当产生和改变文件编制时，可以方便地引证每一个需求。

3.3　结构化设计方法

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一、软件设计的基本概念

1软件设计的基础

软件设计是软件工程的重要阶段，是一个把软件需求转换为软件表示的过程。

目标是用比较抽象概括的方式确定目标系统如何完成预定的任务，即软件设计是确定系统的物理模型。

软件设计的重要性和地位概括为以下几点：

①软件开发阶段（设计、编码、测试）占据软件项目开发总成本绝大部分，是在软件开发中形成质量的关键环节；

②软件设计是开发阶段最重要的步骤，是将需求准确地转化为完整的软件产品或系统的唯一途径；

③软件设计作出的决策，最终影响软件实现的成败。

从技术观点来看，软件设计包括软件结构设计、数据设计、接口设计、过程设计。

①结构设计是定义软件系统各主要部件之间的关系；

②数据设计是将分析时创建的模型转化为数据结构的定义；

③接口设计是描述软件内部、软件和协作系统之间以及软件与人之间如何通信；

④过程设计则是把系统结构部件转换成软件的过程性描述。

从工程管理角度来看，软件设计分两步完成：概要设计和详细设计。

①概要设计（又称结构设计）将软件需求转化为软件体系结构：确定系统级接口、全局数据结构或数据库模式；

②详细设计确立每个模块的实现算法和局部数据结构，用适当方法表示算法和数据结构的细节。

2软件设计的基本原理

（1）抽象

（2）逐步求精和模块化

（3）信息隐蔽和局部化

（4）模块独立性

①耦合性

②内聚性

好的软件设计，应尽量做到高内聚、低耦合。

【考题】下面不属于软件设计原则的是（　　）。

A．抽象

B．模块化

C．自底向上

D．信息隐蔽

【答案】C

【解析】软件工程的基本原则包括抽象、信息隐蔽、模块化、局部化、确定性、一致性、完备性和可验证性。

3结构化设计方法

结构化设计就是采用最佳的可能方法设计系统的各个组成部分以及各成分之间的内部联系的技术。

基本思想是将软件设计成由相对独立、单一功能的模块组成的结构。

二、概要设计

1概要设计的任务

（1）设计软件系统结构

划分为模块以及模块的层次结构。

划分的具体过程是：

①采用某种设计方法，将一个复杂的系统按功能划分成模块。

②确定每个模块的功能。

③确定模块之间的调用关系。

④确定模块之问的接口，即模块之间传递的信息。

⑤评价模块结构的质量。

（2）数据结构及数据库设计

数据设计的具体任务是：

①确定输入、输出文件的详细数据结构；

②结合算法设计，确定算法所必需的逻辑数据结构及其操作；

③确定对逻辑数据结构所必需的那些操作的程序模块，限制和确定各个数据设计决策的影响范围；

④需要与操作系统或调度程序接口所必需的控制表进行数据交换时，确定其详细的数据结构和使用规则；

⑤数据的保护性设计：防卫性、一致性、冗余性设计。

数据设计原则：

①用于功能和行为的系统分析原则也应用于数据。

②应该标识所有的数据结构以及其上的操作。

③应当建立数据字典，并用于数据设计和程序设计。

④低层的设计决策应该推迟到设计过程的后期。

⑤只有那些需要直接使用数据结构、内部数据的模块才能看到该数据的表示。

⑥应该开发一个由有用的数据结构和应用于其上的操作组成的库。

⑦软件设计和程序设计语言应该支持抽象数据类型的规格说明和实现。

（3）编写概要设计文档

在概要设计阶段，需要编写的文档有，概要设计说明书、数据库设计说明书、集成测试计划等。

（4）概要设计文档评审

在概要设计中，对设计部分是否完整地实现了需求中规定的功能、性能等要求，设计方案的可行性，关键的处理及内外部接口定义正确性、有效性，各部分之间的一致性等都要进行评审，以免在以后的设计中出现大的问题而返工。

常用的软件结构设计工具是结构图（Structure Chart，SC），也称程序结构图。

图3-8　结构图基本图符

图3-9　结构图构成的基本形式

图3-10　结构图的四种模块类型

程序结构图的有关术语：

深度：表示控制的层数。

上级模块、从属模块：上、下两层模块a和b，且有a调用b，则a是上级模块，b是从属模块。

宽度：整体控制跨度（最大模块数的层）的表示。

扇入：调用一个给定模块的模块个数。

扇出：一个模块直接调用的其他模块数。

原子模块：树中位于叶子结点的模块。

图3-11　简单财务管理系统结构图

2面向数据流的结构化设计方法

在需求分析阶段，主要是分析信息在系统中加工和流动的情况。

（1）数据流类型

典型的数据流类型有两种：变换型和事务型。

①变换型

变换型是指信息沿输入通路进入系统，同时由外部形式变换成内部形式，进入系统的信息通过变换中心，经加工处理以后再沿输出通路变换成外部形式离开软件系统。

图3-12　变换型数据流结构的组成

图3-13　变换型数据流系统结构图

②事务型

接收一项事务，根据事务处理的特点和性质，选择分派一个适当的处理单元（事务处理中心），然后给出结果。

图3-14　事务型数据流结构

图3-15　事务型数据流系统结构图

（2）面向数据流设计方法的实施要点与设计过程

面向数据流的结构设计过程和步骤是：

第1步：分析、确认数据流图的类型，区分是事务型还是变换型。

第2步：说明数据流的边界。

第3步：把数据流图映射为程序结构。对于事务流区分事务中心和数据接收通路，将它映射成事务结构。对于变换流，区分输出和输入分支，并将其映射成变换结构。

第4步：根据设计准则对产生的结构进行细化和求精。

变换型和事务型数据流图转换成程序结构图的实施步骤。

①变换型

第1步：确定数据流图是否具有变换特性。

第2步：确定输入流和输出流的边界，划分出输入、变换和输出，独立出变换中心。

第3步：进行第一级分解

a．将变换型映射成软件结构其中输入数据处理模块协调对所有输入数据的接收；

b．变换中心控制模块管理对内部形式的数据的所有操作；

c．输出数据处理控制模块协调输出信息的产生过程。

第4步：按上述步骤如出现事务流也可按事务流的映射方式对各个子流进行逐级分解，直至分解到基本功能。

第5步：对每个模块写一个简要说明，内容包括该模块的接口描述、模块内部的信息、过程陈述、包括的主要判定点及任务等。

第6步：利用软件结构的设计原则对软件结构进一步转化。

②事务型

事务分析的设计步骤与变换分析设计步骤大致类似，主要差别仅是将事务中心映射成为软件结构中发送分支的调度模块，将接收通路映射成软件结构的接收分支。

3设计的准则

（1）提高模块独立性。

（2）模块规模适中。

（3）深度、宽度、扇出和扇入适当。经验表明，好的软件设计结构通常顶层高扇出，中间扇出较少，底层高扇入。

（4）使模块的作用域在该模块的控制域内。

（5）应减少模块的接口和界面的复杂牲。

（6）设计成单入口、单出口的模块。

（7）设计功能可预测的模块。

三、详细设计

详细设计的任务，是为软件结构图中的每一个模块确定实现算法和局部数据结构，用某种选定的表达工具表示算法和数据结构的细节。

常见的过程设计工具有：

图形工具：程序流程图，N-S图，PAD图，HIPO图。

表格工具：判定表。

语言工具：PDL（伪码）。

1程序流程图

图3-16　程序流程图的基本图符

图3-17　程序流程图构成的5种控制结构

【考题】程序流程图（PFD）中的箭头代表的是（　　）。

A．数据流

B．控制流

C．调用关系

D．组成关系

【答案】B

【解析】程序流程图的基本图符如下图：

箭头代表控制流，即选B。

【例4】设货物重量x，客户信息y，输入x、y后，计算运费的具体要求是：

如果0＜x≤15（设为条件1），则用公式1计算后，循环3次完成同样的“记账”和“输出”操作，然后程序结束；

如果x＞15（设为条件2），则用公式2计算后，循环3次完成同样的“记账”和“输出”操作，然后程序结束。

该问题程序的程序流程图描述如下图。

2N-S图

N-S图的基本图符及表示的5种基本控制结构如下图所示。

图3-18　N-S图图符与构成的5种控制结构

上述【例4】中，问题程序的N-S图描述如下图所示。

图3-19　N-S图示例

3PAD图

PAD图是问题分析图（Problem Anatysis Diagram）的英文缩写。PAD图图符与构成的5种控制结构如下图：

图3-20　PAD图图符与构成的5种控制结构

上述【例4】中，问题程序的PAD图描述如图3-21所示。

图3-21　PAD图示例

4PDL（Procedure Design Language）

过程设计语言（PDL）也称为结构化的英语和伪码，它是一种混合语言，采用英语的词汇和结构化程序设计语言的语法，类似编程语言。

用PDL表示的基本控制结构的常用词汇如下：

条件：IF / THEN / ELSE / ENDIF

循环：DO WHILE / ENDDO

循环：REPEAT UNTIL / ENDREPEAT

分支：CASE-OF / WHEN / SELECT / WHEN / SELECT / ENDCASE

上述【例4】中，问题的PDL描述如下。

3.4　软件测试

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一、软件测试的目的和定义

1990年在IEEE 610.12标准中给出了软件测试的定义：

①规定条件下运行系统或构件的过程：在此过程中观察和记录结果，并对系统或构件的某些方面给出评价。

②软件项目的过程：检测现有状况和所需状况的不同（即bug），并评估软件项目的特性。

软件测试目的：为了发现错误而执行程序的过程。一个好的测试用例是指很可能找到迄今为止尚未发现的错误的用例；一个成功的测试是发现了至今尚未发现的错误的测试。

【注意】软件测试的目的为常考点，一定要记住。

二、软件测试的准则

1所有测试都应追溯到需求。

2严格执行测试计划，排除测试的随意性。

3充分注意测试中的群集现象。

4程序员应避免检查自己的程序。

5穷举测试不可能。

6妥善保存测试计划、测试用例、出错统计和最终分析报告，为维护提供方便。

三、软件测试方法与技术综述

对于软件测试方法和技术，可以从不同的角度加以分类。

①若从是否需要执行被测软件的角度，可以分为静态测试和动态测试方法。

②若按照功能划分可以分为白盒测试和黑盒测试方法。

1静态测试与动态测试

（1）静态测试

静态测试包括代码检查、静态结构分析、代码质量度量等。代码检查包括代码审查、代码走查、桌面检查、静态分析等具体方式。

经验表明，使用人工测试能够有效地发现30%到70%的逻辑设计和编码错误。

（2）动态测试

动态测试是基于计算机的测试，是为了发现错误而执行程序的过程。根据软件开发各阶段的规格说明和程序的内部结构而精心设计一批测试用例（即输入数据及其预期的输出结果），并利用这些测试用例去运行程序，以发现程序错误的过程。

2白盒测试方法与测试用例设计

白盒测试方法也称结构测试或逻辑驱动测试。它是根据软件产品的内部工作过程，检查内部成分，以确认每种内部操作符合设计规格要求。

基本原则：

①保证所测模块中每一独立路径至少执行一次；

②保证所测模块所有判断的每一分支至少执行一次；

③保证所测模块每一循环都在边界条件和一般条件下至少各执行一次；

④验证所有内部数据结构的有效性。

“白盒”法是穷举路径测试。

主要方法有逻辑覆盖、基本路径测试等：

（1）逻辑覆盖测试

逻辑覆盖是泛指一系列以程序内部的逻辑结构为基础的测试用例设计技术。通常所指的程序中的逻辑表示有判断、分支、条件等几种表示方式。

①语句覆盖。选择足够的测试用例，使得程序中每个语句至少都能被执行一次。

【例5】设有程序流程图表示的程序如下图，按照语句覆盖的测试要求，设计测试用例。

图3-22　程序流程图

测试用例1：

测试用例2：

②路径覆盖。执行足够的测试用例，使程序中所有可能的路径都至少经历一次。

【例6】设设有程序流程图如下，设计测试用例覆盖该程序的全部4条路径。

图3-23　程序流程图

③判定覆盖。使设计的测试用例保证程序中每个判断的每个取值分支（T或F）至少经历一次。

④条件覆盖。设计的测试用例保证程序中每个判断的每个条件的可能取值至少执行一次。

【例7】设有程序流程图如下，按照条件覆盖的测试要求，设计测试用例。

图3-24　程序流程图

测试用例1：

测试用例2：

⑤判断一条件覆盖。设计足够的测试用例，使判断中每个条件的所有可能取值至少执行一次同时每个判断的所有可能取值分支至少执行一次。

【例8】设有程序流程图如下，按照判断一条件覆盖的测试要求，设计测试用例。

图3-25　程序流程图

测试用例1：

测试用例2：

测试用例3：

（2）基本路径测试

基本路径测试的思想和步骤是，根据软件过程性描述中的控制流程确定程序的环路复杂性度量，用此度量定义基本路径集合，并由此导出一组测试用例对每一条独立执行路径进行测试。

环路复杂度＝程序流程图中的判断框个数＋1

【例9】设有程序流程图如下，按照环路复杂性度，设计测试用例。

图3-26　程序流程图

测试用例：

3黑盒测试方法与测试用例设计

黑盒测试方法也称功能测试或数据驱动测试。

黑盒测试是对软件已经实现的功能是否满足需求进行测试和验证。黑盒测试是在软件接口处进行，完成功能验证。

黑盒测试主要诊断：功能不对或遗漏、界面错误、数据结构或外部数据库访问错误、性能错误、初始化和终止条件错。

主要方法：等价类划分法、边界值分析法、错误推测法、因果图等，主要用于软件确认测试。

（1）等价类划分法

等价类划分法是将程序的所有可能的输人数据划分成若干部分（即若干等价类），然后从每个等价类中选取数据作为测试用例。

等价类包括：

①有效等价类：合理、有意义的输入数据构成的集合。可以检验程序中符合规定的功能、性能。

②无效等价类：不合理、无意义的输人数据构成的集合。可以检验程序中不符合规定的功能、性能。

划分等价类常用的原则是：

Ⅰ．若输入条件规定了确切的取值范围，则可划分出一个有效等价类和两个无效等价类。

Ⅱ．若输入条件规定了输入值的集合（或有“必须如何”的条件），可确定一个有效等价类和一个无效等价类。

Ⅲ．若输入条件是一个布尔量，则可确定一个有效等价类和一个无效等价类。

Ⅳ．若输入数据是一组值，且程序要对每个值分别处理。可为每个输入值确定一个有效等价类和一个无效等价类。

Ⅴ．若规定了输入数据必须遵守一定规则，则可确定一个有效等价类和若干个无效等价类。

Ⅵ．若已划分的等价类中各元素在程序中处理方式不同，须将该等价类进一步划分（更小的等价类）。

等价类划分法实施步骤分为两步：

第1步：划分等价类；

第2步：根据等价类选取相应的测试用例。

【例10】程序实现输入3个边长（设为a，b，c），判断能否构成三角形。对该程序考虑等价类划分法，设计测试用例。

满足测试三角形构成条件程序的等价类划分如下表：

根据表划分的等价类，可以设计以下的测试用例：

Ⅰ．对满足输入条件①和②的有效等价类设计的测试用例：[（a＝3，b＝4，c＝5），（符合三角形构成条件）]。

Ⅱ．对满足输入条件①的无效等价类设计的测试用例：[（a＝－3，b＝4，c＝5），（无效输入）]。

Ⅲ．对满足输入条件②的无效等价类设计的测试用例：[（a＝3，b＝4，c＝8），（无效输入）]。

（2）边界值分析法

边界值分析法是对各种输入、输出范围的边界情况设计测试用例的方法。

边界值分析方法的使用要注意以下几点：

①如果输入条件规定了取值范围或数据个数，则可选择正好等于边界值、刚刚在边界范围内和刚刚超越边界外的值进行测试；

②针对规格说明的每个输入条件，使用上述原则；

③对于有序数列，选择第一个和最后一个作为测试数据。

【例11】程序实现输入3个边长（设为a，b，c），判断能否构成三角形。对该程序考虑等价类划分法。满足测试三角形构成条件程序的等价类划分如下表。

如果在等价类划分法中加入边界值分析的思想，即选取该等价类的边界值，则会使等价类划分法更有效。考虑等价类划分法加入边界值分析可以设计如下：

对满足输入条件①的无效等价类设计的测试用例：

[（a＝0，b＝4，c＝5），（无效输入）]

或[（a＝3，b＝0，c＝5），（无效输入）]

或[（a＝3，b＝4，c＝0），（无效输入）]

对满足输入条件②的无效等价类设计的测试用例；

[（a＝3，b＝4，c＝7），（无效输入）]

或[（a＝9，b＝4，c＝5），（无效输入）]

或[（a＝3，b＝8，c＝5），（无效输入）]

一般多用边界值分析法来补充等价类划分方法。

（3）错误推测法

基本想法：列举出程序中所有可能有的错误和容易发生错误的特殊情况，根据它们选择测试用例。

错误推测法针对性强，可以直接切入可能的错误，直接定位，但是它需要丰富的经验和专业知识。

实施步骤：对被测软件首先列出所有可能有的错误和易错情况表，然后基于该表设计测试用例。

例如，一般程序中输入为“0”或输出为“0”的情形是易错情况，测试者可以设计输入值为0的测试情况，以及使输出强迫为0的测试情况。

例如，要测试一个排序子程序，特别需要检查的情况是：输入表为空；输入表只含有一个元素；输入表的所有元素的值都相同；输入表已经排过序。这些情况都是在程序设计时可能忽略的特殊情况。

四、软件测试的策略

软件测试的策略是指在软件测试过程中对各种活动的组织和管理。

软件测试过程一般按4个步骤进行，即单元测试、集成测试、验收测试（确认测试）和系统测试。

通过这些步骤的实施来验证软件是否合格，能否交付用户使用。

1单元测试

单元测试是对软件设计的最小单位——模块（程序单元）进行正确性检验的测试。

目的是发现各模块内部可能存在的各种错误。

依据是详细设计说明书和源程序

测试技术可以采用静态分析和动态测试。对动态测试通常以白盒动态测试为主，辅之以黑盒测试。

单元测试主要针对模块的下列5个基本特性进行：

①模块接口测试——测试通过模块的数据流。

②局部数据结构测试。

③重要的执行路径的检查。

④出错处理测试。检查模块的错误处理功能

⑤影响以上各点及其他相关点的边界条件测试。

模拟环境，指单元测试中，用一些辅助模块去模拟与被测模块的相联系的其他模块，即为被测模块设计和搭建驱动模块和桩模块。

图3-27　单元测试的测试环境

2集成测试

集成测试是测试和组装软件的过程。它是把模块在按照设计要求组装起来的同时进行测试。

主要目的是发现与接口有关的错误。

依据是概要设计说明书。

涉及的内容包括：软件单元的接口测试、全局数据结构测试、边界条件和非法输入的测试等。

采用两种方式：非增量方式组装与增量方式组装。

非增量方式也称为一次性组装方式。将测试好的每一个软件单元一次组装在一起再进行整体测试。

增量方式是将已经测试好的模块逐步组装成较大系统，在组装过程中边连接边测试，以发现连接过程中产生的问题。最后通过增值，逐步组装到所要求的软件系统。

增量方式包括自顶向下、自底向上、自顶向下与自底向上相结合的混合增量方法。

（1）自顶向下的增量方式

图3-28　自顶向下的增量测试

（2）自底向上的增量方式

图3-29　自底向上的增量测试

（3）混合增量方式

针对自顶向下、自底向上方法各自的优点和不足，人们提出了自顶向下和自底向上相结合、从两头向中间逼近的混合式组装方法，被形象称为“三明治”方法。这种方式，结合考虑软件总体结构的良好设计原则，在程序结构的高层使用自顶向下方式，在程序结构的低层使用自底向上方式。

3确认测试

确认测试的任务是验证软件的功能和性能及其他特性是否满足了需求规格说明中确定的各种需求，以及软件配置是否完全、正确。

4系统测试

目的是在真实的系统工作环境下检验软件是否能与系统正确连接，发现软件与系统需求不一致的地方。

具体实施一般包括：功能测试、性能测试、操作测试、配置测试、外部接口测试、安全性测试等。

【考题】检查软件产品是否符合需求定义的过程称为（　　）。

A．确认测试

B．集成测试

C．验证测试

D．验收测试

【答案】A

【解析】确认测试的任务是验证软件的功能和性能及其他特性是否满足了需求规格说明中确定的各种需求，以及软件配置是否完全、正确。

3.5　程序的调试

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一、基本概念

程序调试的任务是诊断和改正程序中的错误。

程序调试活动由两部分组成：

一是根据错误的迹象确定程序中错误的确切性质、原因和位置。

二是对程序进行修改，排除这个错误。

【考题】软件调试的目的是（　　）。

A．发现错误

B．改正错误

C．改善软件的性能

D．挖掘软件的潜能

【答案】B

【解析】程序调试的目的是诊断和改正程序中的错误。

1程序调试的基本步骤

（1）错误定位

从错误的外部表现形式人手，研究有关部分的程序，确定程序中出错位置，找出错误的内在原因。确定错误位置占据了软件调试绝大部分的工作量。

（2）修改设计和代码，以排除错误

（3）进行回归测试，防止引进新的错误

2程序调试的原则

（1）确定错误的性质和位置时的注意事项

①分析思考与错误征兆有关的信息。

②避开死胡同。

③只把调试工具当做辅助手段来使用。

④避免用试探法。

（2）修改错误的原则

①在出现错误的地方，很可能还有别的错误。

②修改错误的一个常见失误是只修改了这个错误的征兆或这个错误的表现，而没有修改错误本身。

③注意修正一个错误的同时有可能会引入新的错误。

④修改错误的过程将迫使人们暂时回到程序设计阶段。

⑤修改源代码程序，不要改变目标代码。

二、软件调试方法

调试的关键在于推断程序内部的错误位置及原因。

主要的调试方法可以采用：

1．强行排错法

2．回溯法

3．原因排除法