（四） 軟件設(shè)計
在明確了用戶的需求以后，下一步的任務(wù)就是對未來的軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。軟件設(shè)計通常可分為概要設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計。概要設(shè)計的任務(wù)是確定軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行模塊劃分，確定每個模塊的功能、接口以及模塊間的調(diào)用關(guān)系。詳細(xì)設(shè)計的任務(wù)是為每個模塊設(shè)計實現(xiàn)的細(xì)節(jié)。此外，在概要設(shè)計階段還應(yīng)對全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，詳細(xì)設(shè)計階段還應(yīng)對局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。有的設(shè)計方法不區(qū)分概要設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計，統(tǒng)稱為軟件設(shè)計。人們在開發(fā)過程中，總結(jié)出許多軟件設(shè)計的概念和原則，這些概念和原則對提高軟件的設(shè)計質(zhì)量有很大的幫助。
1.抽象
抽象是指忽視一個主題中與當(dāng)前目標(biāo)無關(guān)的那些方面，以便更充分地注意與當(dāng)前目標(biāo)有關(guān)的方面。抽象是認(rèn)識復(fù)雜問題的過程中人類使用的最有力的思維工具，它抽取出事物的本質(zhì)特性而暫時不考慮它的細(xì)節(jié)。軟件工程中從軟件定義到軟件開發(fā)要經(jīng)歷多個階段，在這個過程中每前進(jìn)一步都可看作是對軟件解法的抽象層次的一次細(xì)化。抽象的最低層次就是實現(xiàn)該軟件的源程序代碼。在進(jìn)行模塊化設(shè)計時可以有多個抽象層次，抽象層次的模塊用概括的方式敘述問題的解法，較低抽象層次的模塊是對較高的抽象層次模塊對問題解決描述的細(xì)化。過程抽象和數(shù)據(jù)抽象是常用的兩種主要抽象手段。過程抽象是指任何一個完成明確功能的操作都可被使用者當(dāng)作單個的實體看待，盡管這個操作實際上可能由一系列更低級的操作來完成。過程抽象常常也稱為功能/子功能抽象。例如函數(shù)、子程序。數(shù)據(jù)抽象定義了數(shù)據(jù)類型和施加于該類型的操作，并限定了對象值的范圍，只能**使用這些操作修改和觀察這些數(shù)據(jù)。例如抽象數(shù)據(jù)類型。
2.模塊化
模塊化是指將一個待開發(fā)的軟件分解成若干個小的簡單的部分———模塊，每個模塊可獨立地開發(fā)、測試，最后組裝成完整的程序。這是一種復(fù)雜問題的“分而治之”的原則，模塊化的目的是使程序的結(jié)構(gòu)清晰，容易閱讀，容易理解，容易測試，容易修改。模塊是指執(zhí)行某一特定任務(wù)（也可以是實現(xiàn)某一特定的抽象數(shù)據(jù)類型）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序代碼。一個模塊有它的外部特征和內(nèi)部特征。外部特征包括模塊的接口（即它的輸入/輸出參數(shù)，引用的全局變量和它需調(diào)用的其他模塊）和模塊的功能，內(nèi)部特征包括模塊的局部數(shù)據(jù)和實現(xiàn)該模塊的程序代碼。調(diào)用一個模塊只需知道它的外部特征，而不必了解其內(nèi)部特征。
3.信息隱蔽
信息隱蔽是開發(fā)整體程序結(jié)構(gòu)時使用的法則，即將每個程序的成分隱蔽或封裝在一個單一的設(shè)計模塊中，定義每一個模塊時盡可能少地顯露其內(nèi)部的處理。在設(shè)計時首先列出一些可能發(fā)生變化的因素，在劃分模塊時將一個可能發(fā)生變化的因素隱蔽在某個模塊的內(nèi)部，使其他模塊與這個因素?zé)o關(guān)。在這個因素發(fā)生變化時，我們只需修改含有這個因素的模塊，而與其他模塊無關(guān)。隱蔽的對象可以有:什么的決策，可能修改的決策，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部連接以及對它所做的操作細(xì)節(jié)，內(nèi)部特征碼，與計算機(jī)硬件有關(guān)的細(xì)節(jié)等。信息隱蔽原則對提高軟件的可修改性、可測試性和可移植性都有重要的作用。
4.模塊獨立
模塊獨立是指每個模塊完成一個相對獨立的特定子功能，并且與其他模塊之間的聯(lián)系簡單。衡量模塊獨立程序的度量標(biāo)準(zhǔn)有兩個:耦合和內(nèi)聚。耦合是指模塊之間聯(lián)系的緊密程度。耦合度越高則模塊的獨立性越差。內(nèi)聚是指模塊內(nèi)部各元素之間聯(lián)系的緊密程度。例如一個完成多個功能的模塊的內(nèi)聚度就比完成單一功能的模塊的內(nèi)聚度低。內(nèi)聚度越低模塊的獨立性越差。因此，模塊獨立就是希望每個模塊都是高內(nèi)聚低耦合的。
（1）耦合
兩個模塊之間的耦合方式通常有如下7種，下面按它們的耦合度從低到高的次序依次作介紹。
① 非直接耦合:非直接耦合是指兩個模塊沒有直接的聯(lián)系，它們中的任一個都能不依賴于對方而獨立地工作。
② 數(shù)據(jù)耦合:數(shù)據(jù)耦合是指兩個模塊借助于參數(shù)表傳遞簡單數(shù)據(jù)。
③ 標(biāo)記耦合（stamp coupling）:當(dāng)一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一部分（如記錄的一部分）借助于模塊接口被傳遞時就發(fā)生標(biāo)記耦合。
④ 控制耦合:控制耦合指兩個模塊間傳遞的信息中包含用于控制模塊內(nèi)部邏輯的控制信息。
⑤ 外部耦合:當(dāng)模塊與軟件以外的環(huán)境有關(guān)時就發(fā)生外部耦合。例如，輸入/輸出把一個模塊與特定的設(shè)備、格式、通信**耦合在一起。
⑥ 公共耦合:多個模塊引用一全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)的模式稱為公共耦合。例如FORTRAN語言中的COMMON語句，C語言中的external數(shù)據(jù)類型，一個磁盤文件等都是全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)。
⑦內(nèi)容耦合:內(nèi)容耦合指兩上模塊之間出現(xiàn)了下列情況之一:
一個模塊訪問另一個模塊的內(nèi)部數(shù)據(jù);
一個模塊不**正常入口轉(zhuǎn)到另一模塊的內(nèi)部;
兩個模塊有一部分程序代碼重疊;
一個模塊有多個入口。
（2）內(nèi)聚
模塊的內(nèi)聚種類通常可分成7種，下面按內(nèi)聚度從低到高的次序依次作介紹。
①偶然內(nèi)聚:如果一個模塊完成一組任務(wù)，這組任務(wù)彼此間即使有關(guān)系，其關(guān)系也是很松散的，這個模塊屬于偶然內(nèi)聚。
②邏輯內(nèi)聚:如果一個模塊完成邏輯上相關(guān)的一組任務(wù)，這個模塊是邏輯內(nèi)聚的。例如，產(chǎn)生與類型無關(guān)的全部輸出的模塊。
③瞬時內(nèi)聚（temporal cohesion）:如果一個模塊所包含的任務(wù)必須在同一時間間隔內(nèi)執(zhí)行，這個模塊屬于瞬時內(nèi)聚。例如初始化模塊。
④過程內(nèi)聚:如果一個模塊的處理元素是相關(guān)的，而且必須按特定的次序執(zhí)行，這個模塊屬于過程內(nèi)聚。
⑤通信內(nèi)聚:如果一個模塊的所有處理元素集中在一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的區(qū)域上，該模塊屬于通信內(nèi)聚。例如，一個模塊中的所有處理元素使用同一輸入數(shù)據(jù)。
⑥順序內(nèi)聚:如果一個模塊的處理元素是相關(guān)的，而且必須順序執(zhí)行，這個模塊屬于順序內(nèi)聚。
⑦功能內(nèi)聚:如果一個模塊完成一個單一的功能，模塊中的各部分在此目標(biāo)下協(xié)同工作，而且都是為完成這一功能而不可缺少的，那么這個模塊是功能內(nèi)聚的。
5.模塊分解時應(yīng)遵循的準(zhǔn)則
（1）滿足信息隱蔽原則
（2）盡量使得模塊的內(nèi)聚度高，模塊間的耦合度低。
（3）模塊的大小適中（通常一個模塊以50～100個語句行為適宜）。
（4）模塊的調(diào)用深度不宜過大。一個模塊A可以調(diào)用另一模塊B，模塊B還可調(diào)用模塊C，稱模塊A直接調(diào)用模塊B，模塊A間接調(diào)用模塊C，被間接調(diào)用的模塊還可調(diào)其他模塊，這樣可形成一棵調(diào)用樹，我們把以某個模塊為根結(jié)點的調(diào)用樹的深度稱為該模塊的調(diào)用深度。
（5）模塊的扇入應(yīng)盡量大，扇出不宜過大。一個模塊的扇入是指直接調(diào)用該模塊的上級模塊個數(shù)。一個模塊的扇出是指該模塊直接調(diào)用的下級模塊的個數(shù)。扇入大表示模塊的復(fù)用程序高，扇出大表示模塊的復(fù)雜度高。
（6）設(shè)計單入口和單出口的模塊。
（7）模塊的作用域應(yīng)在控制域之內(nèi)。模塊的作用域是指受該模塊內(nèi)一個判定影響的所在模塊的集合。模塊的控制域是指該模塊本身以及被該模塊直接或間接調(diào)用的所有模塊的集合。在設(shè)計時，作用域應(yīng)是控制域的子集，作用域是做出判定的模塊本身以及它的直屬下級模塊（直接調(diào)用的模塊）。
（8）模塊的功能應(yīng)是可以預(yù)測的，功能可預(yù)測是指對相同的輸入數(shù)據(jù)能產(chǎn)生相同的輸出。