软件信息系统设计

第五章系统设计系统设计是把需求转化为软件系统的最重要的环节系统设计的优劣在根本上决定了软件系统的质量就象“一切帝国主义都是纸老虎〃那样可以断定“差的系统设计必定产生差的软件系统〃所以我们要努力保证系统设计“根正苗红〃，把一切左倾、右倾的设计思潮消灭在萌芽状态Windows NT的一位系统设计师拥有8辆法拉利跑车，让Microsoft公司的一些程序员十分眼红但你只能羡慕而不能愤怒，因为并不是每个程序员都有本领成为复杂软件系统的设计师系统设计要比纯粹的编程困难得多即便你清楚客户的需求，却未必知道应该设计什么样的软件系统一一既能挣最多的钱又能让客户满意“天下西湖三十六，最美是杭州〃，千年前苏东坡大学士对西湖精采绝伦的系统设计，使杭州荣升为“天堂〃，让后人只剩下赞叹和破坏的份了本章讲述系统设计的四方面内容体系结构设计、模块设计、数据结构与算法设计、用户界面设计如果将软件系统比喻为人体，那么

（1）体系结构就如同人的骨架如果某个家伙的骨架是猴子，那么无论怎样喂养和美容，这家伙始终都是猴子,不会成为人

（2）模块就如同人的器官，具有特定的功能人体中最出色的模块设计之一是手，手只有几种动作，却能做无限多的事情人体中最糟糕的模块设计之一是嘴巴，嘴巴将最有价值但毫无相干的几种功能如吃饭、说话、亲吻混为一体，使之无法并行处理，真乃人类之不幸

（3）数据结构与算法就如同人的血脉和神经，它让器官具有生命并能发挥功能数据结构与算法分布在体系结构和模块中，它将协调系统的各个功能人的耳朵和嘴巴虽然是相对独立的器官，但如果耳朵失聪了，嘴巴就只能发出“啊〃”呜〃的声音，等于丧失了说话的功能（所以聋子天生就是哑巴），可人们却又能用手势代替说话人体的数据结构与算法设计真是十分神奇并且十分可笑

（4）用户界面就如同人的外表，最容易让人一见钟情或一见恶心象人类追求心灵美和外表美那样，软件系统也追求（内在的）功能强大和（外表的）界面友好但随着生活节奏的加快，人们已少有兴趣去品味深藏不露的内在美如果把Unix系统比作是健壮的汉子和妇人，那么Windows系统就象妩媚的小白脸和狐狸精想不到Windows系统竟然能兴风作浪，占去大半市场有鉴于此，我们应该鼓励女士多买化装品（男士付钱）以获得更好的界面在进行系统设计时:我们要深情地关注软件的质量因素，如正确性与精确性、性能与效率、易用性、可理解性与简法性、可复用性与可扩充性等等即使把系统设计做好了，也并不意味着就能产生好的软件系统在程序设计、测试、维护等环节还要做大量的工作，无论哪个环节出了过错，都会把好事搞砸了据说上帝把所有的女士都设计成天使，可是天使们在下凡时有些双脚先着地，有些脸先着地上帝的这一疏忽让很多女孩伤透了心我们在开发软件时，一定要吸取这个教训体系结构设计

5.1杨叔子院子曾这样指点其弟子文学中有科学，音乐中有数学，漫画中有现代数学的拓扑学漫画家可以“几笔〃就把一个人画出来，不管怎么美化或丑化，就是活像为什么？因为那“几笔〃不是别的，而是拓扑学中的特征不变量，这是事物最本质的东西体系结构是软件系统中最本质的东西

（1）体系结构是对复杂事物的一种抽象良好的体系结构是普遍适用的，它可以高效地处理多种多样的个体需求一提起“房子〃，我们的脑中马上就会出现房子的印象（而不是地洞的印象）“房子〃是人们对住宿或办公环境的一种抽象不管是办公楼还是民房，同一类建筑物（甚至不同类的建筑物）之间都具有非常相似的体系结构和构造方式如果13亿中国人民每个人都要用特别的方式构造奇异的房子，那么960万平方公里的土地将会变得千疮百孔，终日不得安宁

（2）体系结构在一定的时间内保持稳定只有在稳定的环境下，人们才能干点事情，社会才能开展科学告诉我们，宇宙间万物无时无刻不在运动、飞行由于我们的生活环境在地球上保持相对稳定，以致于我们可以无忧无虑地吃饭和睡觉，压根就意识不到自己是活生生的导弹软件开发最怕的就是需求变化，但“需求会发生变化〃是个无法逃避的现实人们希望在需求发生变化时，最好只对软件做些皮皮毛毛的修改，可千万别改动软件的体系结构就如人们对住宿的需求也会变动，你可以经常改变房间的装璜和摆设，但不会在每次变动时都要去折墙、拆柱、挖地基如果当需求发生变化时，程序员不得不去修改软件的体系结构，那么这个软件的系统设计是失败的良好的体系结构意味着普适、高效和稳定本节将论述两种非常通用的软件体系结构层次结构和客户机/效劳器（Client/Server）结构层次结构

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1.1层次结构表达了这么一种常识有些事情比较复杂，我们没法一口气干完，就把事情分为好几层，一层一层地去做高层的工作总是建立在低层的工作之上层次关系主要有两种上下级关系和顺序相邻关系

一、上下级关系的层次结构我们从小学一直读到博士研究生毕业，要读20多年，可以分为五个层次而范进的知识结构只有两层“私塾〃和“秀才〃，但读了五十多年，如图

5.1所示一般地处于较高层次的学生应该懂得所有低层次的知识，而处于低层次学生无法懂得所有高层次的知识图

5.1的层次结构存在上下级关系，如同在军队中，上级可以命令下级，而下级不能命令上级如果把图

5.1的层次结构当成是一个软件系统的结构，那么上层子系统可以使用下层子系统的功能，而下层子系统不能够使用上层子系统的功能

二、顺序相邻关系的层次结构顺序相邻关系的层次结构说明通讯只能在相邻两层之间发生，信息只能被一层一层地顺序传递这种层次结构的经典之作是计算机网络的0SI参考模型，如图

5.2所示为了减少设计的复杂性，大多数网络都按层（Layer）或级（Level）的方式组织每一层的目的都是向它的上一层提供一定的效劳，而把如何实现这一效劳的细节对上一层加以屏蔽一台机器上的第n层与另一台机器上的第n层进行对话通话的规则就是第n层的协议数据不是从一台机器的第n层直接传送到另一台机器的第n层发送方把数据和控制信息逐层向下传递最低层是物理介质，它进行实际的通讯接收方则将数据和控制信息逐层向上传递每一对相邻层之间都有接口接口定义了下层提供的原语操作和效劳当网络设计者在决定一个网络应包含多少层，每一层应当做什么的时候，其中很重要的工作是在相邻层之间定义清晰的接口接口可以使得同一层能轻易地用某一种实现（Implementation）来替换另一种完全不同的实现（如用卫星信道来代替所有的电话线），只要新的实现能向上层提供同一组效劳就可以了[Tanenbaum1998]考上“举人〃时已五十多岁了复习报考“举人〃用了几十年图

5.1a从小学读到博士存在的五个学习阶段图

5.1b范进的知识结构图

5.2计算机网络的OSI参考模型

三、其它的层次结构目前在大型商业应用软件系统中还流行一种包含中间件Middleware的层次结构，如图

5.3所示［Jacobson1997K中间件支持与平台无关的分布式计算，可以用DCOM和C0RBA对象来实现图

5.3包含中间件的层次结构客户机/效劳器结构

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1.2让我们先回忆一下早期的电话系统贝尔Alexander GrahamBell于1876年申请了电话专利那时期的电话必须一对一对地卖，用户自己在两个电话之间拉一根线如果一个电话用户想和其它几个电话用户通话，他必须拉n根单独的线到每个人的房子里于是在很短的时间内，城市里到处都是穿过房屋和树木的混乱的电话线很明显，企图把所有的电话完全互联如图

5.4a所示是行不通的贝尔电话公司在1878年开办了第一个交换局公司为每个客户架设一条线打电话时，客户摇动电话的曲柄使电话公司办公室的铃响起来，操作员听到铃声以后根据要求将呼叫方和被呼叫方用跳线手工连接起来这种集中交换式的模型如图

5.4b所示很快地，贝尔系统的交换局就出现在各地人们又要求能打城市间的长途电话，就出现了二级交换局，以后进一步开展为多个二级交换局[Tanenbaum1998]

5.4a完全互联的电话系统

5.4b集中交换式的电话系统如果将图

5.4b中的电话看成是客户程序，将中心的交换局看成是效劳程序，那么图

5.4b就是典型的客户机/效劳器结构注意这里客户机和效劳器都是指软件而不是指硬件一台计算机可以放多个客户机和效劳器软件客户机/效劳器结构存在两个显然的优点1以集中的方式高效率地管理通讯前面讲电话系统的故事就是要说明这一点2可以共享资源比方在信息管理系统中，效劳器将信息集中起来，任何客户机都可以通过访问效劳器而获得所需的信息客户机和效劳器之间的通讯以“请求一一响应〃的方式进行客户机先向效劳器发起“请求〃Request,效劳器再响应Response这个请求，如图

5.5所示请求响应图

5.5Client和Server之间的通讯以“请求响应〃的方式进行采用“请求一一响应〃这种通讯方式的根本动机是为了解决“聚集〃Rendezvous问题为了理解这一个问题，设想一个人试图在别离的机器上启动两个程序并让它们进行通讯还需记住，计算机的运行速度要比人的操作速度高出许多数量级在他启动第一个程序后，该程序开始执行并向对等程序发送消息、在几个微秒内，它便发现对等程序还不存在，于是就发出一条错误消息，然后退出此后，他启动了第二个程序不幸的是，当第二个程序开始执行时，它也找不到第一个程序早已退出即使这两个程序连续地重新试着通讯，但由于它们的执行速度那么高，以致于它们在同一瞬间联系上的概率非常低在客户机/效劳器结构中，效劳器在启动后必须无限期地等待客户机的“请求〃，因此就形成了“请求一一响应〃的通讯方式在Internet/Intranet领域，目前“浏览器一Web效劳器一数据库效劳器〃结构是一种非常流行的客户机/效劳器结构，如下图这种结构最大的优点是客户机统一采用浏览器，这不仅让用户使用方便，而且使得客户机端不存在维护的问题当然，软件开发布和维护的工作不是自动消失了，而是转移到了Web效劳器端在Web效劳器端，程序员要用脚本语言编写响应页面例如用Microsoft的ASP语言查询数据库效劳器，将结果保存在Web页面中，再由浏览器显示出来HTTP请求查询HTTP响应图

5.6浏览器一Web效劳器一数据库效劳器〃结构模块设计

5.2在设计好软件的体系结构后，就已经在宏观上明确了各个模块应具有什么功能，应放在体系结构的哪个位置我们习惯地从功能上划分模块，保持“功能独立〃是模块化设计的根本原则因为，“功能独立〃的模块可以降低开发、测试、维护等阶段的代价但是“功能独立〃并不意味着模块之间保持绝对的孤立一个系统要完成某项任务，需要各个模块相互配合才能实现，此时模块之间就要进行信息交流比方手和脚是两个“功能独立〃的模块没有脚时，手照样能干活没有手时，脚仍可以走路但如果希望跑得快，那么迈左脚时一定要伸右臂甩左臂，迈右脚时则要伸左臂甩右臂在设计一个模块时不仅要考虑“这个模块就该提供什么样的功能，还要考虑“这个模块应该怎样与其它模块交流信息”本节将论述评价模块设计优劣的三个特征因素“信息隐藏〃、“内聚与耦合〃和“封闭一一开放性信息隐藏

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2.1在一节不和谐的课堂里，老师叹气道“要是坐在后排聊天的同学能象中间打牌的同学那么安静，就不会影响到前排睡觉的同学〃这个故事告诉我们，如果不想让坏事传播开来，就应该把坏事隐藏起来，“家丑不可外扬〃就是这个道理为了尽量防止某个模块的行为去干扰同一系统中的其它模块，在设计模块时就要注意信息隐藏应该让模块仅仅公开必须要让外界知道的内容，而隐藏其它一切内容模块的信息隐藏可以通过接口设计来实现一个模块仅提供有限个接口Interface,执行模块的功能或与模块交流信息必须且只须通过调用公有接口来实现如果模块是一个C++对象，那么该模块的公有接口就对应于对象的公有函数如果模块是一个COM对象，那么该模块的公有接口就是COM对象的接口一个COM对象可以有多个接口，而每个接口实质上是一些函数的集合[Rogerson1999]美国也许是世界上丑闻最多的国家，因为它追求民主，不懂得“隐藏信息〃但美国又是软件产业最兴旺的国家，模块化设计的方法都是美国人倡导的，他们应该很懂得“隐藏信息〃真是前后矛盾，这些美国佬！内聚与耦合

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2.2内聚Cohesion是一个模块内部各成分之间相关联程度的度量耦合Coupling是模块之间依赖程度的度量内聚和耦合是密切相关的，与其它模块存在强耦合的模块通常意味着弱内聚，而强内聚的模块通常意味着与其它模块之间存在弱耦合模块设计追求强内聚，弱耦合

一、内聚强度内聚按强度从低到高有以下几种类型1偶然内聚如果一个模块的各成分之间毫无关系，则称为偶然内聚2逻辑内聚几个逻辑上相关的功能被放在同一模块中，则称为逻辑内聚如一个模块读取各种不同类型外设的输入尽管逻辑内聚比偶然内聚合理一些，但逻辑内聚的模块各成分在功能上并无关系，即使局部功能的修改有时也会影响全局，因此这类模块的修改也比较困难

（3）时间内聚如果一个模块完成的功能必须在同一时间内执行（如系统初始化），但这些功能只是因为时间因素关联在一起，则称为时间内聚

（4）过程内聚如果一个模块内部的处理成分是相关的，而且这些处理必须以特定的次序执行，则称为过程内聚

（5）通信内聚如果一个模块的所有成分都操作同一数据集或生成同一数据集，则称为通信内聚

（6）顺序内聚如果一个模块的各个成分和同一个功能密切相关，而且一个成分的输出作为另一个成分的输入,则称为顺序内聚

（7）功能内聚模块的所有成分对于完成单一的功能都是必须的，则称为功能内聚

二、耦合强度耦合的强度依赖于以下几个因素

（1）一个模块对另一个模块的调用；

（2）一个模块向另一个模块传递的数据量；

（3）一个模块施加到另一个模块的控制的多少；

（4）模块之间接口的复杂程度耦合按从强到弱的顺序可分为以下几种类型

（1）内容耦合当一个模块直接修改或操作另一个模块的数据,或者直接转入另一个模块时.，就发生了内容耦合此时，被修改的模块完全依赖于修改它的模块

（2）公共耦合两个以上的模块共同引用一个全局数据项就称为公共耦合

（3）控制耦合一个模块在界面上传递一个信号（如开关值、标志量等）控制另一个模块，接收信号的模块的动作根据信号值进行调整，称为控制耦合

（4）标记耦合模块间通过参数传递复杂的内部数据结构，称为标记耦合此数据结构的变化将使相关的模块发生变化

（5）数据耦合模块间通过参数传递根本类型的数据，称为数据耦合

（6）非直接耦合模块间没有信息传递时，属于非直接耦合如果模块间必须存在耦合，就尽量使用数据耦合，少用控制耦合，限制公共耦合的范围，坚决防止使用内容耦合封闭一一开放性

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2.3如果一个模块可以作为一个独立体被其它程序引用，则称模块具有封闭性如果一个模块可以被扩充，则称模块具有开放性从字面上看，让模块具有“封闭一一开放性”是矛盾的，但这种特征在软件开发过程中是客观存在的当着手一个新问题时，我们很难一次性解决问题应该先纵观问题的一些重要方面，同时作好以后补充的准备因此让模块存在“开放性〃并不是坏事情“封闭性〃也是需要的，因为我们不能等到完全掌握解决问题的信息后再把程序做成别人能用的模块模块的“封闭一一开放性〃实际上对应于软件质量因素中的可复用性和可扩充性采用面向过程的方法进行程序设计，很难开发出既具有封闭性又具有开放性的模块采用面向对象设计方法可以较好地解决这个问题数据结构与算法设计

5.3学会设计数据结构与算法，可以让我们编写出高效率的程序也许有人要问，在计算机速度日新月异的今天,为什么还需要高效率的程序？因为我们的雄心与能力是一起增长的，技术进步最快也快不过人们欲望的增长计算速度和存储容量上的革新仅仅提供了处理更复杂问题的有效工具，所以高效率的程序永远不会过时。