软件工程基础：软件设计概述

软件设计是一个过程，通过这个过程，创建一个软件工件的规范，目的是实现目标，使用一组原始组件并受到约束。[1]软件设计可以指“所有涉及概念化、框架化、实现、调试的活动，最终修改复杂系统“或”遵循需求规范和编程之前的活动，如一个程式化的软件工程过程.

软件设计通常涉及解决问题和规划软件解决方案。这包括底层组件和算法设计以及高层架构设计。

概述

软件设计是为一组或多组问题设想和定义软件解决方案的过程。软件设计的主要组成部分之一是软件需求分析（SRA）。SRA是软件开发过程的一部分，它列出了软件工程中使用的规范。如果软件是“半自动化”或以用户为中心的，软件设计可能会涉及到用户体验设计，从而产生一个故事板来帮助确定这些规范。如果软件是完全自动化的（意味着没有用户或用户界面），那么软件设计可以像描述计划的事件序列的流程图或文本一样简单。还有一些半标准的方法，如统一建模语言和基本建模概念。在这两种情况下，计划的某些文档通常是设计的产物。此外，软件设计可以独立于平台或特定于平台，这取决于用于设计的技术的可用性。

软件分析和设计的主要区别在于，软件分析的输出包含要解决的较小问题。此外，在不同的团队成员或小组中，分析的设计不应该有很大的不同。相比之下，设计的重点是能力，因此同一问题的多个设计可以也将存在。根据环境的不同，设计通常会有所不同，无论是从可靠的框架创建的，还是使用合适的设计模式实现的。设计实例包括操作系统、网页、移动设备甚至新的云计算模式。

软件设计既是一个过程又是一个模型。设计过程是一系列的步骤，使设计者能够描述软件的各个方面。创造性的技能，过去的经验，对“好”软件的理解，以及对质量的全面承诺，都是成功设计的关键因素。然而，需要注意的是，设计过程并不总是一个简单的过程；设计模型可以与建筑师的房屋规划相比较。它首先表现出要建造的东西的整体性（例如，房子的三维效果图）；慢慢地，这个东西被提炼出来，为建造每个细节（例如，管道铺设）提供指导。同样，为软件创建的设计模型提供了计算机软件的各种不同视图。基本设计原则使软件工程师能够在设计过程中导航。Davis[3]提出了一套软件设计原则，这些原则在下面的列表中进行了修改和扩展：

• 设计过程不应该受到“隧道视觉”的影响。一个好的设计师应该考虑其他的方法，根据问题的需求、可用的资源来判断每一种方法。
• 设计应可追溯到分析模型。由于设计模型的单个元素通常可以追溯到多个需求，因此有必要有一种方法来跟踪设计模型如何满足需求。
• 这个设计不应该重新发明轮子。系统是使用一组设计模式构建的，其中许多模式以前可能遇到过。应始终选择这些模式作为重新改造的替代方案。时间很短，资源有限；设计时间应该投资于通过集成已经存在的模式（如果适用）来表示（真正的新）思想。
• 设计应该“最小化软件和现实世界中存在的问题之间的智能距离”。也就是说，软件设计的结构应该尽可能地模仿问题域的结构。
• 设计应表现出一致性和集成性。如果设计看起来完全一致，那么它就是一致的。为了达到这个结果，在设计工作开始之前，应该为设计团队定义样式和格式规则。如果在定义设计组件之间的接口时小心，则设计是集成的。
• 设计的结构应适应变化。下一节讨论的设计概念使设计能够实现这一原则。
• 即使遇到异常的数据、事件或操作条件，设计也应该被构造成温和的降级。精心设计的软件不应该“爆炸”；它应该被设计成适应不寻常的情况，如果它必须终止处理，它应该以一种优雅的方式这样做。
• 设计不是编码，编码不是设计。即使为程序组件创建了详细的过程设计，设计模型的抽象级别也高于源代码。在编码级别做出的唯一设计决策应该处理使过程设计能够被编码的小的实现细节。
• 设计应该在被创建时进行质量评估，而不是事后评估。在整个开发过程中，可以使用各种设计概念和设计措施来帮助设计师评估质量。
• 应审查设计，以尽量减少概念（语义）错误。在审查设计时，有时会倾向于注重细节，而忽略了森林中的树木。设计团队应确保在担心设计模型的语法之前，已经解决了设计的主要概念元素（遗漏、歧义、不一致）。

设计概念

设计概念为软件设计者提供了一个可以应用更复杂方法的基础。一套基本的设计概念已经形成。具体如下：

• 抽象-抽象是通过减少概念或可观察现象的信息内容来概括的过程或结果，通常是为了只保留与特定目的相关的信息。它是一种表示基本特征的行为，不包括背景细节或解释。
• 精化——这是精化的过程。层次结构是通过逐步分解函数的宏观语句来开发的，直到达到编程语言语句为止。在每个步骤中，给定程序的一个或多个指令被分解为更详细的指令。抽象和精化是相辅相成的概念。
• 模块化-软件架构被划分为称为模块的组件。
• 软件架构-它指的是软件的总体结构，以及该结构为系统提供概念完整性的方式。良好的软件架构将在项目的预期结果方面产生良好的投资回报，例如在性能、质量、进度和成本方面。
• 控制层次结构-表示程序组件的组织结构并表示控制层次结构的程序结构。
• 结构划分-程序结构可以分为水平和垂直两种。水平分区为每个主要程序功能定义模块层次结构的独立分支。垂直分区建议控制和工作应该在程序结构中自上而下分布。
• 数据结构-它是数据的各个元素之间逻辑关系的表示。
• 软件过程-它专注于每个模块的单独处理。
• 信息隐藏-应指定和设计模块，以便模块中包含的信息对不需要此类信息的其他模块不可访问。

在他的对象模型中，Grady Booch提到抽象、封装、模块化和层次结构是软件设计的基本原则。[4]缩写PHAME（层次结构、抽象、模块化和封装的原则）有时被用来指代这四个基本原则。[5]

设计注意事项

在一个软件的设计中有许多方面需要考虑。每一个考虑因素的重要性都应该反映出软件所要达到的目标和期望。其中一些方面是：

• 兼容性-该软件能够与其他产品一起运行，这些产品是为与其他产品的互操作性而设计的。例如，一个软件可能与它自己的旧版本向后兼容。
• 可扩展性-新功能可以添加到软件中，而无需对底层架构进行重大更改。
• 模块化-生成的软件由定义良好的独立组件组成，从而提高了可维护性。然后，这些组件可以在集成成所需的软件系统之前单独实现和测试。这允许在软件开发项目中进行分工。
• 容错-软件能够抵抗并从组件故障中恢复。
• 可维护性-一个衡量bug修复或功能修改的容易程度的指标。高可维护性是模块化和可扩展性的产物。
• 可靠性（软件耐久性）-软件能够在规定的条件下在规定的时间内执行所需的功能。
• 可重用性-在其他项目中使用现有软件的某些或所有方面而不做任何修改的能力。
• 稳健性-软件能够在压力下运行，或容忍不可预测或无效的输入。例如，它可以被设计成具有对低内存条件的弹性。
• 安全性-该软件能够抵御和抵抗敌对行为和影响。
• 可用性-软件用户界面必须对其目标用户/受众可用。必须选择参数的默认值，以便大多数用户都能很好地选择这些值。[6]
• 性能-软件在用户可以接受的时间范围内执行任务，并且不需要太多内存。
• 可移植性-软件应该可以在许多不同的条件和环境下使用。
• 可扩展性-软件很好地适应了不断增长的数据或用户数量。

建模语言

建模语言是一种人工语言，可以用来表达由一组一致的规则定义的结构中的信息、知识或系统。这些规则用于解释结构中的组件。建模语言可以是图形语言或文本语言。软件设计的图形建模语言示例如下：

• 体系结构描述语言（ADL）是描述和表示软件系统体系结构的语言。
• 业务流程建模符号（BPMN）是流程建模语言的一个例子。
• EXPRESS和EXPRESS-G（ISO 10303-11）是一种国际标准通用数据建模语言。
• 扩展企业建模语言（EEML）通常用于跨多个层的业务流程建模。
• 流程图是算法或其他逐步过程的示意图。
• 基础建模概念（FMC）是软件密集型系统的建模语言。
• IDEF是一个建模语言家族，其中最著名的包括用于功能建模的IDEF0、用于信息建模的IDEF1X和用于本体建模的IDEF5。
• Jackson结构化编程（JSP）是一种基于数据流结构和程序结构之间的对应关系的结构化编程方法。
• LeMP3是面向对象的可视化设计描述语言，是一种形式化的规范语言，主要适用于大型面向对象（java，C++，C语言）程序和设计模式的建模。
• 统一建模语言（UML）是一种从结构和行为上描述软件的通用建模语言。它有一个图形符号，允许使用概要文件（UML）进行扩展。
• Alloy（specification language）是一种通用的规范语言，用于表达软件系统中复杂的结构约束和行为。它提供了一种基于一阶关系逻辑的简明语言。
• 系统建模语言（SysML）是一种新的系统工程通用建模语言。
• 面向服务的建模框架（SOMF）[7]

设计模式

软件设计师或架构师可能会发现一个设计问题，这个问题过去曾被其他人访问过，甚至可能被其他人解决过。描述常见问题解决方案的模板或模式称为设计模式。这种模式的重用有助于加快软件开发过程

技术

在软件中使用“设计”一词的困难在于，在某种意义上，程序的源代码就是它所生成的程序的设计。在一定程度上，这是真的，“软件设计”是指设计的设计。Edsger W.Dijkstra将这种语义层次的分层称为计算机编程的“根本新奇之处”[9]，Donald Knuth用他编写TeX的经验来描述在实现之前试图设计程序的徒劳：

如果我仅仅指定了TEX，而没有完全参与它的初始实现，它将是一个彻底的失败。实施过程不断地让我产生意想不到的问题，并对如何改进原始规范有了新的见解

用法

软件设计文档可以在计算机编程之前进行审查或呈现，以允许对约束、规范甚至需求进行调整。重新设计可能发生在程序模拟或原型审查之后。可以在编程过程中设计软件，而无需进行计划或需求分析，[11]，但对于更复杂的项目，这将被认为是不可行的。编程前的独立设计允许多学科设计师和主题专家（SME）与高技能程序员协作，开发既有用又技术可靠的软件。

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