软件工程

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  • 软件工程概述
    • 软件的特性
    • 软件分类
    • 软件生存周期
    • 软件生存期模型
  • 软件可靠性
    • 软件可靠性设计
      • 避错设计
      • 容错设计
      • 查错设计
      • 改错设计
    • 软件可靠性参数
  • 面向对象开发
    • UML
      • UML事物
      • UML关系
      • 类图
    • 设计模式
      • 软件设计原则（SOLID）
      • 创建型模式（Creational Pattern）
      • 结构型模式（Structural Pattern）
      • 行为型模式（Behavioral Pattern）

软件工程概述

软件的特性

形态、智能、开发、质量、生产、管理、环境、维护、废弃、应用。

软件分类

系统软件、应用软件、支持软件、可复用软件。

软件生存周期

问题定义与可行性研究、需求分析、软件设计、程序编码和单元测试、集成测试和系统测试、软件运行和维护。

软件生存期模型

V模型：

软件可靠性

软件可靠性设计

避错设计

• 简单原理：结构简单、关系简单、算法简单、语句简单等
• 同型原理：需求建模方法统一、设计描述方法统一、编程风格统一等
• 对称原理：有“是”就应该有“非”、有“正常处理”就应该有“异常处理”
• 层次原理：需求功能的分层、程序设计的分层等
• 线型原理：避免交叉型的复杂结构
• 易证原理：保证程序逻辑清晰并且易于证明
• 安全原理：保证程序必然

容错设计

• 时间冗余
  • 指令复执：正在执行的指令出错后，重复执行该条指令；
  • 程序卷回：运行过程中出现故障后，返回至起始点或离故障点最近的预设恢复点重试。
• 结构冗余：
  • 恢复块法（RB）：模块处理结束时检验运算结果，如发生故障，则通过代替模块再次运算，直至可以正常输出；
  • N版本程序法（NVP）：多个版本模块/软件同时运行，通过表决判定和输出结果。
• 信息冗余：在信息中增加部分信息码以便检测和纠正数据偏差

查错设计

• 被动式错误检测
  • 相互怀疑原则：设计任何单元/模块时，假设其它单元/模块会出现错误；
  • 立即检测原则：错误征兆出现后尽快查明，限制错误损害并降低排错难度。
• 主动式错误检测
  • 定期监控：查看定位CPU高耗线程，提示系统管理员关注。
  • 心跳监测：实时监控服务器的运行状态。

改错设计

改错设计可以使程序自我改正错误、减少错误危害程度。

改错和容错的前提都是查错，区别在于容错设计通过冗余的方法使系统具备了自我恢复的能力，而改错设计是要求系统去自动改正错误。这显然是很困难的。

因此改错设计的主要思路是减少错误的危害程度、限制错误的影响范围。具体的方式涉及到各种隔离，包括用户隔离、业务隔离、数据隔离、硬件隔离等等，目的都是隔离错误、防止蔓延。这些隔离措施与软件的安全保密性措施是很类似的，咱们放到以后的专题再介绍。

软件可靠性参数

可靠度$R(t)$：规定时间内未发生失效的概率。

$R(t) = P(\xi > t)$

• $t$：规定时间
• $\xi$：失效时间

失效率$Z(t)$：在$t$时刻尚未发生失效的条件下，在$t$时刻后单位时间内发生失效的概率。

$Z(t) = \dfrac{f(t)}{R(t)}$

• $f(t)$：$t$时刻发生失效的概率
• $R(t)$：可靠度

失效强度$λ(t)$：

$λ(t) = \dfrac{ {\rm d}u(t) }{ {\rm d}t }$

• $u(t)$：为随机变量$N(t)$的均值

• MTTR（Mean Time To Repair）：平均恢复时间
• MTTF（Mean Time To Failure）：平均无失效时间
• MTBF（Mean Time Between Failure）：平均失效间隔

面向对象开发

封装、继承、多态

UML

UML事物

• 结构事物：类、主动类、接口、对象、用例、参与者、协作、构件、节点
• 行为事物：交互、状态机
• 分组事物：包
• 注释事物

UML关系

classDiagram
    %% 1对1
    Student "1" --> "1" Seat

    %% 1对多
    Student "1" --> "1..*" Course

    %% 1对0 或 1对1
    Student "1" --> "0..1" Glasses

    %% 1对0 或 1对一些
    Student "1" --> "0..n" Reward

    %% 银河中有很多星星
    Galaxy --> "many" Star : Contains

类图

成员可见性：

classDiagram
    class Object {
        Type memberDefault
        ~Type memberPackageOrInternal
        -Type memberPrivate
        #Type memberProtected
        +Type memberPublic
        methorStatic()$
        methorAbstract()*
    }

注解：

classDiagram
    class Runnable {
        <<Interface>>
    }
    class Animal {
        <<Abstract>>
    }
    class HttpService {
        <<Service>>
    }
    class Color{
        <<Enumeration>>
        RED
        BLUE
        GREEN
        WHITE
        BLACK
    }

示例：

classDiagram
    class Runnable {
        <<Interface>>
        +run()* void
    }

    class Animal {
        #int age
    }
    Animal: +setAge(int age) void
    Animal: +getAge() int

    class Mammal {
        #bool gender
        +setGender(bool gender) void
        +getGender() bool
        +run() void
    }

    class Human {
        #String name
        +setName(String name) void
        +getName() String
        +run() void
    }

    Animal <|-- Mammal
    Runnable <|.. Mammal
    Mammal <|-- Human

设计模式

软件设计原则（SOLID）

创建型模式（Creational Pattern）

public class Main {
    static ArrayList<String> oneObject = new ArrayList<String>() {{
        add("Default");
    }};

    static Object getFactoryInstance() {
        return new ArrayList<String>() {{
            add("Factory");
        }};
    }

    static Object getSingleInstance() {
        return oneObject;
    }

    static Object getPrototypeInstance() {
        return oneObject.clone();
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 【工厂模式】
        Object factoryObject = getFactoryInstance();
        System.out.println(factoryObject);

        // 【抽象工厂模式】
        // 略

        // 【单列模式】
        Object singleObject = getSingleInstance();
        System.out.printf("%s %b\n", singleObject, singleObject == getSingleInstance());

        // 【建造者模式】
        StringBuilder builder = new StringBuilder();
        builder.append("Builder");
        System.out.println(builder);

        // 【原型模式】
        Object prototypeObject = getPrototypeInstance();
        System.out.printf("%s %b\n", prototypeObject, prototypeObject == getPrototypeInstance());
    }
}

结构型模式（Structural Pattern）

行为型模式（Behavioral Pattern）