1、第第4章章 软件软件设计设计4.1 设计过程4.2 设计原理4.3 描绘软件结构的图形工具4.4 两种设计方法4.5 软件体系结构4.6 人机界面设计4.7 小结 设计的基本目的就是回答“概括地说，系统应该如何实现?”软件设计大致分为总体设计和详细设计。（1）总体设计。总体设计又称为概要设计或初步设计。通过这个阶段的工作将划分出组成系统的物理元素程序、文件、数据库、人工过程和文档等等，但是每个物理元素仍然处于黑盒子级。总体设计阶段的另一项重要任务是设计软件的结构，也就是要确定系统中每个程序是由哪些模块组成的，以及这些模块相互间的关系。（2）详细设计。详细设计阶段的根本目标是确定应该怎样具体地实
2、现所要求的系统，也就是说，经过这个阶段的设计工作，应该得出对目标系统的精确描述，从而在编码阶段可以把这个描述直接翻译成用某种程序设计语言书写的程序。详细设计阶段的任务还不是具体地编写程序，而是要设计出程序的“蓝图”，结果基本上决定了最终的程序代码的质量。总体设计过程通常由两个主要阶段组成：1）系统设计阶段，确定系统的具体实现方案；2）结构设计阶段，确定软件结构。典型的总体设计过程包括下述9个步骤：1.设想供选择的方案在总体设计阶段分析员应该考虑各种可能的实现方案，并且力求从中选出最佳方案。在总体设计阶段开始时只有系统的逻辑模型，分析员有充分的自由分析比较不同的物理实现方案，一旦选出了最佳的方案
3、，将能大大提高系统的性能/价格比。4.1 设计过程2.选取合理的方案应该从前一步得到的一系列供选择的方案中选取若干个合理的方案，通常至少选取低成本、中等成本和高成本的三种方案。在判断哪些方案合理时应该考虑在问题定义和可行性研究阶段确定的工程规模和目标，有时可能还需要进一步征求用户的意见。对每个合理的方案分析员都应该准备下列4份资料：(1)系统流程图；(2)组成系统的物理元素清单；(3)成本/效益分析；(4)实现这个系统的进度计划。3.推荐最佳方案分析员应该综合分析对比各种合理方案的利弊，推荐一个最佳的方案，并且为推荐的方案制定详细的实现计划。用户和有关的技术专家应该认真审查分析员所推荐的最佳系
4、统，如果该系统确实符合用户的需要，并且是在现有条件下完全能够实现的，则应该提请使用部门负责人进一步审批。在使用部门的负责人也接受了分析员所推荐的方案之后，将进入总体设计过程的下一个重要阶段结构设计。4.功能分解为了最终实现目标系统，必须设计出组成这个系统的所有程序和文件(或数据库)。对程序(特别是复杂的大型程序)的设计，通常分为两个阶段完成：1）结构设计。结构设计确定程序由哪些模块组成，以及这些模块之间的关系；2）过程设计。过程设计确定每个模块的处理过程。结构设计是总体设计阶段的任务，过程设计是详细设计阶段的任务。5.设计软件结构通常程序中的一个模块完成一个适当的子功能。应该把模块组织成良好的
5、层次系统，顶层模块调用它的下层模块以实现程序的完整功能，每个下层模块再调用更下层的模块，从而完成程序的一个子功能，最下层的模块完成最具体的功能。6.设计数据库对于需要使用数据库的那些应用系统，软件工程师应该在需求分析阶段所确定的系统数据需求的基础上，进一步设计数据库。7.制定测试计划在软件开发的早期阶段考虑测试问题，能促使软件设计人员在设计时注意提高软件的可测试性。8.书写文档应该用正式的文档记录总体设计的结果，在这个阶段应该完成的文档通常有下述几种：(1)系统说明主要内容包括用系统流程图描绘的系统构成方案，组成系统的物理元素清单，成本/效益分析；对最佳方案的概括描述，精化的数据流图，用层次图
6、或结构图描绘的软件结构，用IPO图或其他工具(例如，PDL语言)简要描述的各个模块的算法，模块间的接口关系，以及需求、功能和模块三者之间的交叉参照关系等等。(2)用户手册根据总体设计阶段的结果，修改更正在需求分析阶段产生的初步的用户手册。(3)测试计划包括测试策略，测试方案，预期的测试结果，测试进度计划等等。(4)详细的实现计划(5)数据库设计结果9.审查和复审最后应该对总体设计的结果进行严格的技术审查，在技术审查通过之后再由使用部门的负责人从管理角度进行复审。模块是由边界元素限定的相邻程序元素（例如，数据说明，可执行的语句）的序列，而且有一个总体标识符代表它。按照模块的定义，过程、函数、子程
7、序和宏等，都可作为模块。面向对象方法学中的对象是模块，对象内的方法（或称为服务）也是模块。模块是构成程序的基本构件。4.2 设计原理 4.2.1 模块化模块化就是把程序划分成独立命名且可独立访问的模块，每个模块完成一个子功能，把这些模块集成起来构成一个整体，可以完成指定的功能满足用户的需求。设函数C(x)定义问题x的复杂程度，函数E(x)确定解决问题x需要的工作量(时间)。对于两个问题P1和P2，如果C(P1)C(P2)显然E(P1)E(P2)根据人类解决一般问题的经验，另一个有趣的规律是C(P1+P2)C(P1)+C(P2)也就是说，如果一个问题由P1和P2两个问题组合而成，那么它的复杂程度
8、大于分别考虑每个问题时的复杂程度之和。综上所述，得到下面的不等式E(P1+P2)E(P1)+E(P2)这个不等式导致“各个击破”的结论把复杂的问题分解成许多容易解决的小问题，原来的问题也就容易解决了。这就是模块化的根据。由上面的不等式似乎还能得出下述结论：如果无限地分割软件，最后为了开发软件而需要的工作量也就小得可以忽略了。事实上，还有另一个因素在起作用，从而使得上述结论不能成立。当模块数目增加时每个模块的规模将减小，开发单个模块需要的成本(工作量)确实减少了；但是，随着模块数目增加，设计模块间接口所需要的工作量也将增加。根据这两个因素，得出了图中的总成本曲线。每个程序都相应地有一个最适当的模
9、块数目M，使得系统的开发成本最小。模块化和软件成本模块独立的概念是模块化、抽象、信息隐藏和局部化概念的直接结果。开发具有独立功能而且和其他模块之间没有过多的相互作用的模块，就可以做到模块独立。换句话说，希望这样设计软件结构，使得每个模块完成一个相对独立的特定子功能，并且和其他模块之间的关系很简单。4.2.2 模块独立为什么模块的独立性很重要呢?主要有两条理由：第一，有效的模块化(即具有独立的模块)的软件比较容易开发出来。这是由于能够分割功能而且接口可以简化，便于多人分工合作开发同一个软件。第二，独立的模块比较容易测试和维护。这是因为相对说来，修改设计和程序需要的工作量比较小，错误传播范围小，需
10、要扩充功能时能够“插入”模块。总之，模块独立是好设计的关键，而设计又是决定软件质量的关键环节。模块的独立程度可以由两个定性标准度量，这两个标准分别称为内聚和耦合。耦合衡量不同模块彼此间互相依赖(连接)的紧密程度；内聚衡量一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程度。以下分别详细阐述。1.耦合耦合是对一个软件结构内不同模块之间互连程度的度量。耦合强弱取决于模块间接口的复杂程度，进入或访问一个模块的点，以及通过接口的数据。l数据耦合。如果两个模块彼此间通过参数交换信息，而且交换的信息仅仅是数据l控制耦合。如果传递的信息中有控制信息(尽管有时这种控制信息以数据的形式出现)数据耦合是低耦合。系统中至少必须存
11、在这种耦合，因为只有当某些模块的输出数据作为另一些模块的输入数据时，系统才能完成有价值的功能。一般说来，一个系统内可以只包含数据耦合。控制耦合是中等程度的耦合，它增加了系统的复杂程度。控制耦合往往是多余的，在把模块适当分解之后通常可以用数据耦合代替它。l特征耦合。如果被调用的模块需要使用作为参数传递进来的数据结构中的所有元素，那么，把整个数据结构作为参数传递就是完全正确的。但是，当把整个数据结构作为参数传递而被调用的模块只需要使用其中一部分数据元素时，就出现了特征耦合。l公共环境耦合。当两个或多个模块通过一个公共数据环境相互作用时，它们之间的耦合称为公共环境耦合。公共环境可以是全程变量、共享的
12、通信区、内存的公共覆盖区、任何存储介质上的文件、物理设备等等。公共环境耦合的复杂程度随耦合的模块个数而变化，当耦合的模块个数增加时复杂程度显著增加。如果只有两个模块有公共环境，那么这种耦合有下面两种可能：(1)一个模块往公共环境送数据，另一个模块从公共环境取数据。这是数据耦合的一种形式，是比较松散的耦合。(2)两个模块都既往公共环境送数据又从里面取数据，这种耦合比较紧密，介于数据耦合和控制耦合之间。如果两个模块共享的数据很多，都通过参数传递可能很不方便，这时可以利用公共环境耦合。l内容耦合。最高程度的耦合是内容耦合。如果出现下列情况之一，两个模块间就发生了内容耦合：1）一个模块访问另一个模块的
13、内部数据；2）一个模块不通过正常入口而转到另一个模块的内部；3）两个模块有一部分程序代码重叠(只可能出现在汇编程序中)；4）一个模块有多个入口(这意味着一个模块有几种功能)。应该坚决避免使用内容耦合。事实上许多高级程序设计语言已经设计成不允许在程序中出现任何形式的内容耦合。总之，耦合是影响软件复杂程度的一个重要因素。应该采取下述设计原则：l尽量使用数据耦合l少用控制耦合和特征耦合l限制公共环境耦合的范围l完全不用内容耦合。2.内聚内聚标志一个模块内各个元素彼此结合的紧密程度，它是信息隐藏和局部化概念的自然扩展。简单地说，理想内聚的模块只做一件事情。设计时应该力求做到高内聚，通常中等程度的内聚也
14、是可以采用的，而且效果和高内聚相差不多；但是，低内聚很坏，不要使用。内聚和耦合是密切相关的，模块内的高内聚往往意味着模块间的松耦合。内聚和耦合都是进行模块化设计的有力工具，但是实践表明内聚更重要，应该把更多注意力集中到提高模块的内聚程度上。低内聚有如下几类：l偶然内聚。如果一个模块完成一组任务，这些任务彼此间即使有关系，关系也是很松散的，就叫做偶然内聚。有时在写完一个程序之后，发现一组语句在两处或多处出现，于是把这些语句作为一个模块以节省内存，这样就出现了偶然内聚的模块。l逻辑内聚。如果一个模块完成的任务在逻辑上属于相同或相似的一类，则称为逻辑内聚。l时间内聚。如果一个模块包含的任务必须在同一
15、段时间内执行，就叫时间内聚。在偶然内聚的模块中，各种元素之间没有实质性联系，很可能在一种应用场合需要修改这个模块，在另一种应用场合又不允许这种修改，从而陷入困境。事实上，偶然内聚的模块出现修改错误的概率比其他类型的模块高得多。在逻辑内聚的模块中，不同功能混在一起，合用部分程序代码，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。时间关系在一定程度上反映了程序的某些实质，所以时间内聚比逻辑内聚好一些。中内聚主要有两类：如果一个模块内的处理元素是相关的，而且必须以特定次序执行，则称为过程内聚。使用程序流程图作为工具设计软件时，常常通过研究流程图确定模块的划分，这样得到的往往是过
16、程内聚的模块。如果模块中所有元素都使用同一个输入数据和(或)产生同一个输出数据，则称为通信内聚。高内聚也有两类：如果一个模块内的处理元素和同一个功能密切相关，而且这些处理必须顺序执行(通常一个处理元素的输出数据作为下一个处理元素的输入数据)，则称为顺序内聚。根据数据流图划分模块时，通常得到顺序内聚的模块，这种模块彼此间的连接往往比较简单。如果模块内所有处理元素属于一个整体，完成一个单一的功能，则称为功能内聚。功能内聚是最高程度的内聚。功能内聚 10分时间内聚3分顺序内聚 9分逻辑内聚1分通信内聚 7分偶然内聚0分过程内聚 5分事实上，没有必要精确确定内聚的级别。重要的是设计时力争做到高内聚，并
17、且能够辨认出低内聚的模块，有能力通过修改设计提高模块的内聚程度降低模块间的耦合程度，从而获得较高的模块独立性。1.改进软件结构提高模块独立性设计出软件的初步结构以后，应该审查分析这个结构，通过模块分解或合并，力求降低耦合提高内聚。例如，多个模块公有的一个子功能可以独立成一个模块，由这些模块调用；有时可以通过分解或合并模块以减少控制信息的传递及对全程数据的引用，并且降低接口的复杂程度。4.3 改进软件结构的指导原则2.模块规模应该适中经验表明，一个模块的规模不应过大，最好能写在一页纸内(通常不超过60行语句)。有人从心理学角度研究得知，当一个模块包含的语句数超过30以后，模块的可理解程度迅速下降
18、。过大的模块往往是由于分解不充分，但是进一步分解必须符合问题结构，一般说来，分解后不应该降低模块独立性。过小的模块开销大于有效操作，而且模块数目过多将使系统接口复杂。因此过小的模块有时不值得单独存在，特别是只有一个模块调用它时，通常可以把它合并到上级模块中去而不必单独存在。3.深度、宽度、扇出和扇入都应适当深度表示软件结构中控制的层数，它往往能粗略地标志一个系统的大小和复杂程度。深度和程序长度之间应该有粗略的对应关系，当然这个对应关系是在一定范围内变化的。如果层数过多则应该考虑是否有许多管理模块过分简单了，能否适当合并。宽度是软件结构内同一个层次上的模块总数的最大值。一般说来，宽度越大系统越复
19、杂。对宽度影响最大的因素是模块的扇出。扇出是一个模块直接控制(调用)的模块数目，扇出过大意味着模块过分复杂，需要控制和协调过多的下级模块；扇出过小(例如总是1)也不好。经验表明，一个设计得好的典型系统的平均扇出通常是3或4(扇出的上限通常是59)。扇出太大一般是因为缺乏中间层次，应该适当增加中间层次的控制模块。扇出太小时可以把下级模块进一步分解成若干个子功能模块，或者合并到它的上级模块中去。当然分解模块或合并模块必须符合问题结构，不能违背模块独立原理。4.模块的作用域应该在控制域之内模块的作用域定义为受该模块内一个判定影响的所有模块的集合。模块的控制域是这个模块本身以及所有直接或间接从属于它的
20、模块的集合。例如，模块A的控制域是A、B、C、D、E、F等模块的集合。在一个设计得很好的系统中，所有受判定影响的模块应该都从属于做出判定的那个模块，最好局限于做出判定的那个模块本身及它的直属下级模块。模块的作用域和控制域5.力争降低模块接口的复杂程度模块接口复杂是软件发生错误的一个主要原因。应该仔细设计模块接口，使得信息传递简单并且和模块的功能一致。接口复杂或不一致(即看起来传递的数据之间没有联系)，是紧耦合或低内聚的征兆，应该重新分析这个模块的独立性。6.设计单入口单出口的模块这条启发式规则警告软件工程师不要使模块间出现内容耦合。当从顶部进入模块并且从底部退出来时，软件是比较容易理解的，因此
21、也是比较容易维护的。7.模块功能应该可以预测模块的功能应该能够预测，但也要防止模块功能过分局限。如果一个模块可以当做一个黑盒子，也就是说，只要输入的数据相同就产生同样的输出，这个模块的功能就是可以预测的。带有内部“存储器”的模块的功能可能是不可预测的，因为它的输出可能取决于内部存储器(例如某个标记)的状态。由于内部存储器对于上级模块而言是不可见的，所以这样的模块既不易理解又难于测试和维护。Yourdon提出的结构图是进行软件结构设计的另一个有力工具。结构图和层次图类似，也是描绘软件结构的图形工具，图中一个方框代表一个模块，框内注明模块的名字或主要功能；方框之间的箭头(或直线)表示模块的调用关系
22、。因为按照惯例总是图中位于上方的方框代表的模块调用下方的模块，即使不用箭头也不会产生二义性，为了简单起见，可以只用直线而不用箭头表示模块间的调用关系。4.4.2 结构图判定为真时调用A，为假时调用B模块M循环调用模块A、B、C1.面向数据流的设计方法2.面向数据结构设计方法4.5 两种设计方法面向数据流的设计方法的目标是给出设计软件结构的一个系统化的途径。在软件工程的需求分析阶段，信息流是一个关键考虑，通常用数据流图描绘信息在系统中加工和流动的情况。面向数据流的设计方法定义了一些不同的“映射”，利用这些映射可以把数据流图变换成软件结构。因为任何软件系统都可以用数据流图表示，所以面向数据流的设计
23、方法理论上可以设计任何软件的结构。通常所说的结构化设计方法(简称SD方法)，也就是基于数据流的设计方法。4.5.1 面向数据流的设计方法面向数据流的设计方法把信息流映射成软件结构，信息流的类型决定了映射的方法。信息流有下述两种类型。1.变换流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。当数据流图具有这些特征时，这种信息流就叫作变换流。概念 变换流2.事务流当数据流是“以事务为中心的”，也就是说，数据沿输入通路到达一个处理T，这个处理根据输入数据的类型在若干个动作序列中选出一个来执行。这类数据流应该划为一
24、类特殊的数据流，称为事务流。(1)接收输入数据(输入数据又称为事务)；(2)分析每个事务以确定它的类型；(3)根据事务类型选取一条活动通路。事务流变换分析是一系列设计步骤的总称，经过这些步骤把具有变换流特点的数据流图按预先确定的模式映射成软件结构。设计步骤第1步 复查基本系统模型。复查的目的是确保系统的输入数据和输出数据符合实际。第2步 复查并精化数据流图。应该对需求分析阶段得出的数据流图认真复查，并且在必要时进行精化。不仅要确保数据流图给出了目标系统的正确的逻辑模型，而且应该使数据流图中每个处理都代表一个规模适中相对独立的子功能。变换分析第3步 确定数据流图具有变换特性还是事务特性。一般地说
25、，一个系统中的所有信息流都可以认为是变换流，但是，当遇到有明显事务特性的信息流时，建议采用事务分析方法进行设计。在这一步，设计人员应该根据数据流图中占优势的属性，确定数据流的全局特性。此外还应该把具有和全局特性不同的特点的局部区域孤立出来，以后可以按照这些子数据流的特点精化根据全局特性得出的软件结构。第4步 确定输入流和输出流的边界，从而孤立出变换中心。输入流和输出流的边界和对它们的解释有关，也就是说，不同设计人员可能会在流内选取稍微不同的点作为边界的位置。当然在确定边界时应该仔细认真，但是把边界沿着数据流通路移动一个处理框的距离，通常对最后的软件结构只有很小的影响。第5步 完成“第一级分解”
26、。软件结构代表对控制的自顶向下的分配，所谓分解就是分配控制的过程。对于变换流的情况，数据流图被映射成一个特殊的软件结构，这个结构控制输入、变换和输出等信息处理过程。第6步 完成“第二级分解”。所谓第二级分解就是把数据流图中的每个处理映射成软件结构中一个适当的模块。完成第二级分解的方法是，从变换中心的边界开始沿着输入通路向外移动，把输入通路中每个处理映射成软件结构中控制下的一个低层模块；然后沿输出通路向外移动，把输出通路中每个处理映射成直接或间接受模块控制的一个低层模块；最后把变换中心内的每个处理映射成受控制的一个模块。第7步 使用设计度量和启发式规则对第一次分割得到的软件结构进一步精化。虽然在
27、任何情况下都可以使用变换分析方法设计软件结构，但是在数据流具有明显的事务特点时，也就是有一个明显的“发射中心”(事务中心)时，还是以采用事务分析方法为宜。事务分析的设计步骤和变换分析的设计步骤大部分相同或类似，主要差别仅在于由数据流图到软件结构的映射方法不同。事务分析由事务流映射成的软件结构包括一个接收分支和一个发送分支。映射出接收分支结构的方法和变换分析映射出输入结构的方法很相像，即从事务中心的边界开始，把沿着接收流通路的处理映射成模块。发送分支的结构包含一个调度模块，它控制下层的所有活动模块；然后把数据流图中的每个活动流通路映射成与它的流特征相对应的结构。事务分析的映射方法一般说来，如果数
28、据流不具有显著的事务特点，最好使用变换分析；反之，如果具有明显的事务中心，则应该采用事务分析技术。但是，机械地遵循变换分析或事务分析的映射规则，很可能会得到一些不必要的控制模块，如果它们确实用处不大，那么可以而且应该把它们合并。反之，如果一个控制模块功能过分复杂，则应该分解为两个或多个控制模块，或者增加中间层次的控制模块。考虑设计优化问题时应该记住，“一个不能工作的最佳设计的价值是值得怀疑的”。软件设计人员应该致力于开发能够满足所有功能和性能要求，而且按照设计原理和启发式设计规则衡量是值得接收的软件。应该在设计的早期阶段尽量对软件结构进行精化。可以导出不同的软件结构，然后对它们进行评价和比较，
29、力求得到“最好”的结果。这种优化的可能，是把软件结构设计和过程设计分开的真正优点之一。设计优化注意，结构简单通常既表示设计风格优雅，又表明效率高。设计优化应该力求做到在有效的模块化的前提下使用最少量的模块，以及在能够满足信息要求的前提下使用最简单的数据结构。对于时间是决定性因素的应用场合，可能有必要在详细设计阶段，也可能在编写程序的过程中进行优化。软件开发人员应该认识到，程序中相对说比较小的部分(典型地，10%20%)，通常占用全部处理时间的大部分(50%80%)。用下述方法对时间起决定性作用的软件进行优化是合理的。(1)不考虑时间因素前提下开发并精化软件结构；(2)在详细设计阶段选出最耗费时
30、间的那些模块，仔细地设计它们的处理过程(算法)，提高效率；(3)使用高级程序设计语言编写程序；(4)在软件中孤立出大量占用处理机资源的模块；(5)必要时重新设计或用依赖于机器的语言重写上述大量占用资源的模块的代码，以求提高效率。上述优化方法遵守了一句格言：“先使它能工作，然后再使它快起来。”在许多应用领域中信息都有清楚的层次结构，输入数据、内部存储的信息(数据库或文件)以及输出数据都可能有独特的结构。数据结构既影响程序的结构又影响程序的处理过程，重复出现的数据通常由具有循环控制结构的程序来处理，选择数据(即，可能出现也可能不出现的信息)要用带有分支控制结构的程序来处理。层次的数据组织通常和使用
31、这些数据的程序的层次结构十分相似。5.4.2 面向数据结构的设计方法面向数据结构的设计方法的最终目标是得出对程序处理过程的描述。这种设计方法并不明显地使用软件结构的概念，模块是设计过程的副产品，对于模块独立原理也没有给予应有的重视。因此，这种方法最适合于在详细设计阶段使用，也就是说，在完成了软件结构设计之后，可以使用面向数据结构的方法来设计每个模块的处理过程。Jackson方法和Warnier方法是最著名的两个面向数据结构的设计方法虽然程序中实际使用的数据结构种类繁多，但是它们的数据元素彼此间的逻辑关系却只有顺序、选择和重复3类，因此，逻辑数据结构也只有这3类。1.顺序结构顺序结构的数据由一个
32、或多个数据元素组成，每个元素按确定次序出现一次。Jackson图2.选择结构选择结构的数据包含两个或多个数据元素，每次使用这个数据时按一定条件从这些数据元素中选择一个。3.重复结构重复结构的数据，根据使用时的条件由一个数据元素出现零次或多次构成。Jackson结构程序设计方法由下述5个步骤组成：(1)分析并确定输入数据和输出数据的逻辑结构，并用Jackson图描绘这些数据结构。(2)找出输入数据结构和输出数据结构中有对应关系的数据单元。所谓有对应关系是指有直接的因果关系，在程序中可以同时处理的数据单元(对于重复出现的数据单元必须重复的次序和次数都相同才可能有对应关系)。(3)用下述3条规则从描
33、绘数据结构的Jackson图导出描绘程序结构的Jackson图：Jackson方法第一，为每对有对应关系的数据单元，按照它们在数据结构图中的层次在程序结构图的相应层次画一个处理框(注意，如果这对数据单元在输入数据结构和输出数据结构中所处的层次不同，则和它们对应的处理框在程序结构图中所处的层次与它们之中在数据结构图中层次低的那个对应)；第二，根据输入数据结构中剩余的每个数据单元所处的层次，在程序结构图的相应层次分别为它们画上对应的处理框；第三，根据输出数据结构中剩余的每个数据单元所处的层次，在程序结构图的相应层次分别为它们画上对应的处理框。总之，描绘程序结构的Jackson图应该综合输入数据结构
34、和输出数据结构的层次关系而导出来。在导出程序结构图的过程中，由于改进的Jackson图规定在构成顺序结构的元素中不能有重复出现或选择出现的元素，因此可能需要增加中间层次的处理框。(4)列出所有操作和条件(包括分支条件和循环结束条件)，并且把它们分配到程序结构图的适当位置。(5)用伪码表示程序。Jackson方法中使用的伪码和Jackson图是完全对应的，下面是和3种基本结构对应的伪码。其中seq和end是关键字：A seqBCDAend其中select、or和end是关键字，cond1、cond2和cond3分别是执行B、C或D的条件：A select cond1BA or cond2CA o
35、r cond3DA end其中iter、until、while和end是关键字，cond是条件：A iter until(或while)condBA end下面结合一个具体例子进一步说明Jackson结构程序设计方法。例一个正文文件由若干个记录组成，每个记录是一个字符串。要求统计每个记录中空格字符的个数，以及文件中空格字符的总个数。要求的输出数据格式是，每复制一行输入字符串之后，另起一行印出这个字符串中的空格数，最后印出文件中空格的总个数。表示输入输出数据结构的Jackson图第一步确定了输入输出数据结构第二步是分析确定在输入数据结构和输出数据结构中有对应关系的数据单元 在输入输出数据结构最高
36、层次的两个单元总是有对应关系的。这一对单元将和程序结构图中最顶层的方框(代表程序)相对应，也就是说经过程序的处理由正文文件得到输出表格。因为每处理输入数据中一个“字符串”之后，就可以得到输出数据中一个“串信息”，它们都是重复出现的数据单元，而且出现次序和重复次数都完全相同，因此，“字符串”和“串信息”也是一对有对应关系的单元。第三步是从数据结构图导出程序结构图。按照前面已经讲述过的规则，这个步骤的大致过程是：在描绘程序结构的Jackson图的最顶层画一个处理框“统计空格”，它与“正文文件”和“输出表格”这对最顶层的数据单元相对应。但是接下来还不能立即画与另一对数据单元(“字符串”和“串信息”)
37、相对应的处理框，因为在输出数据结构中“串信息”的上层还有“表格体”和“空格总数”两个数据单元，在程序结构图的第二层应该有与这两个单元对应的处理框“程序体”和“印总数”。描绘统计空格程序结构的Jackson图第四步是列出所有操作和条件，并且把它们分配到程序结构图的适当位置。首先，列出统计空格个数需要全部操作和条件。其次，经过简单分析不难把这些操作和条件分配到程序结构图的适当位置。统计空格seq打开文件读入字符串totalsum=0程序体iter until文件结束 处理字符串seq印字符串seq 印出字符串印字符串endsum=0pointer=1分析字符串iter until字符串结束 分析字
38、符select字符是空格处理空格seq sum=sum+1 pointer=pointer+1处理空格end 分析字符or字符不是空格处理非空格seq pointer=pointer+1处理非空格end 分析字符end分析字符串end印空格数seq印出空格数目印空格数endtotalsum=totalsum+sum读入字符串 处理字符串end程序体end印总数seq 印出空格总数印总数end关闭文件停止统计空格end人机界面设计是接口设计的一个重要的组成部分。对于交互式系统来说，人机界面设计和数据设计、体系结构设计及过程设计一样重要。近年来，人机界面在系统中所占的比例越来越大，在个别系统中人机
39、界面的设计工作量甚至占总设计量的一半以上。人机界面的设计质量，直接影响用户对软件产品的评价，从而影响软件产品的竞争力和寿命，因此，必须对人机界面设计给予足够重视。4.6 人机界面设计在设计人机界面的过程中，涉及下述4个问题：l系统响应时间l用户帮助设施l出错信息处理l命令交互 设计问题1.系统响应时间系统响应时间是许多交互式系统用户经常抱怨的问题。一般说来，系统响应时间指从用户完成某个控制动作(例如，按回车键或点击鼠标)，到软件给出预期的响应(输出信息或做动作)之间的这段时间。系统响应时间有两个重要属性：长度和易变性。1）长度。如果系统响应时间过长，用户就会感到紧张和沮丧。但是，当用户工作速度
40、是由人机界面决定的时候，系统响应时间过短也不好，这会迫使用户加快操作节奏，从而可能会犯错误。2）易变性。易变性指系统响应时间相对于平均响应时间的偏差，在许多情况下，这是系统响应时间的更重要的属性。即使系统响应时间较长，响应时间易变性低也有助于用户建立起稳定的工作节奏。例如，稳定在1秒的响应时间比从0.1秒到2.5秒变化的响应时间要好。用户往往比较敏感，他们总是担心响应时间变化暗示系统工作出现了异常。2.用户帮助设施(1)在用户与系统交互期间，是否在任何时候获得关于系统任何功能的帮助信息?有两种选择：提供部分功能的帮助信息和提供全部功能的帮助信息。(2)用户怎样请求帮助?有3种选择：帮助菜单，特
41、殊功能键和HELP命令。(3)怎样显示帮助信息?有3种选择：在独立的窗口中，指出参考某个文档(不理想)和在屏幕固定位置显示简短提示。(4)用户怎样返回到正常的交互方式中?有两种选择：屏幕上的返回按钮和功能键。(5)怎样组织帮助信息?有3种选择：平面结构，信息的层次结构和超文本结构。3.出错信息处理出错信息和警告信息，是出现问题时交互式系统给出的“坏消息”。出错信息设计得不好，将向用户提供无用的甚至误导的信息，反而会加重用户的挫折感。一般说来，交互式系统给出的出错信息或警告信息，应该具有下述属性。(1)信息应该用用户可以理解的术语描述问题。(2)信息应该从错误中恢复的建设性意见。(3)信息应该指
42、出错误可能导致哪些负面后果(例如，破坏数据文件)，以便用户检查是否出现了这些问题，并在确实出现问题时及时解决。(4)信息应该伴随着听觉上或视觉上的提示，例如，在显示信息时同时发出警告铃声，或者信息用闪烁方式显示，或者信息用明显颜色显示。(5)信息不能带有指责色彩，不能责怪用户。当确实出现了问题的时候，有效的出错信息能提高交互式系统的质量，减轻用户的挫折感。4.命令交互命令行曾经是用户和系统软件交互的最常用的方式，并且也曾经广泛地用于各种应用软件中。现在，面向窗口的、点击和拾取方式的界面已经减少了用户对命令行的依赖，但是，许多高级用户仍然偏爱面向命令行的交互方式。在多数情况下，用户既可以从菜单中
43、选择软件功能，也可以通过键盘命令序列调用软件功能。在提供命令交互方式时，必须考虑下列设计问题。(1)是否每个菜单选项都有对应的命令?(2)采用何种命令形式?有3种选择：控制序列(例如，Ctrl+P)，功能键和键入命令。(3)学习和记忆命令的难度有多大?忘记命令怎么办?(4)用户是否可以定制或缩写命令?在越来越多的应用软件中，人机界面设计者都提供了“命令宏机制”，利用这种机制用户可以用自己定义的名字代表一个常用的命令序列。需要使用这个命令序列时，用户无须依次键入每个命令，只需输入命令宏的名字执行它所代表的全部命令。1.一般交互2.信息显示3.数据输入 3类人机界面设计用户界面设计主要依靠设计者的
44、经验。总结众多设计者的经验得出的设计指南，有助于设计者设计出友好、高效的人机界面。下面介绍3类人机界面设计指南。1.一般交互指南2.信息显示指南3.数据输入指南 3类人机界面设计1.一般交互指南一般交互指南涉及信息显示、数据输入和系统整体控制，因此，这类指南是全局性的，忽略它们将承担较大风险。下面讲述一般交互指南。(1)保持一致性。应该为人机界面中的菜单选择、命令输入、数据显示以及众多的其他功能，使用一致的格式。(2)提供有意义的反馈。应向用户提供视觉的和听觉的反馈，以保证在用户和系统之间建立双向通信。(3)在执行有较大破坏性的动作之前要求用户确认。如果用户要删除一个文件，或覆盖一些重要信息，
45、或终止一个程序的运行，应该给出“您是否确实要”的信息，以请求用户确认他的命令。(4)允许取消绝大多数操作。UNDO或REVERSE功能曾经使众多终端用户避免了大量时间浪费。每个交互式系统都应该能方便地取消已完成的操作。(5)减少在两次操作之间必须记忆的信息量。不应该期望用户能记住在下一步操作中需使用的一大串数字或标识符。应该尽量减少记忆量。(6)提高对话、移动和思考的效率。应该尽量减少用户击键的次数，设计屏幕布局时应该考虑尽量减少鼠标移动的距离，应该尽量避免出现用户问“这是什么意思?”的情况。(7)允许犯错误。系统应该能保护自己不受严重错误的破坏。(8)按功能对动作分类，并据此设计屏幕布局。下
46、拉菜单的一个主要优点就是能按动作类型组织命令。实际上，设计者应该尽力提高命令和动作组织的“内聚性”。(9)提供对用户工作内容敏感的帮助设施。(10)用简单动词或动词短语作为命令名。过长的命令名难于识别和记忆，也会占用过多的菜单空间。2.信息显示指南如果人机界面显示的信息是不完整的、含糊的或难于理解的，则该应用系统显然不能满足用户的需求。可以用多种不同方式“显示”信息：用文字、图形和声音；按位置、移动和大小；使用颜色、分辨率和省略。下面是关于信息显示的设计指南。(1)只显示与当前工作内容有关的信息。用户在获得有关系统的特定功能的信息时，不必看到与之无关的数据、菜单和图形。(2)不要用数据淹没用户
47、，应该用便于用户迅速吸取信息的方式来表示数据。例如，可以用图形或图表来取代庞大的表格。(3)使用一致的标记、标准的缩写和可预知的颜色。显示的含义应该非常明确，用户无须参照其他信息源就能理解。(4)允许用户保持可视化的语境。如果对所显示的图形进行缩放，原始的图像应该一直显示着(以缩小的形式放在显示屏的一角)，以使用户知道当前看到的图像部分在原图中所处的相对位置。(5)产生有意义的出错信息。(6)使用大小写、缩进和文本分组以帮助理解。人机界面显示的信息大部分是文字，文字的布局和形式对用户从中提取信息的难易程度有很大影响。(7)使用窗口分隔不同类型的信息。利用窗口用户能够方便地“保存”多种不同类型的
48、信息。(8)使用“模拟”显示方式表示信息，以使信息更容易被用户提取。例如，显示炼油厂储油罐的压力时，如果简单地用数字表示压力，则不易引起用户注意。但是，如果用类似温度计的形式来表示压力，用垂直移动和颜色变化来指示危险的压力状况，就容易引起用户的警觉，因为这样做为用户提供了绝对和相对两方面的信息。(9)高效率地使用显示屏。当使用多窗口时，应该有足够的空间使得每个窗口至少都能显示出一部分。此外，屏幕大小应该选得和应用系统的类型相配套(这实际上是一个系统工程问题)。3.数据输入指南用户的大部分时间用在选择命令、键入数据和向系统提供输入。在许多应用系统中，键盘仍然是主要的输入介质，但是，鼠标、数字化仪
49、和语音识别系统正迅速地成为重要的输入手段。下面是关于数据输入的设计指南。(1)尽量减少用户的输入动作。最重要的是减少击键次数，这可以用下列方法实现：用鼠标从预定义的一组输入中选一个；用“滑动标尺”在给定的值域中指定输入值；利用宏把一次击键转变成更复杂的输入数据集合。(2)保持信息显示和数据输入之间的一致性。显示的视觉特征应该与输入域一致。(3)允许用户自定义输入。专家级的用户可能希望定义自己专用的命令或略去某些类型的警告信息和动作确认，人机界面应该为用户提供这样做的机制。(4)交互应该是灵活的，并且可调整成用户最喜欢的输入方式。用户类型与喜好的输入方式有关，例如，秘书可能非常喜欢键盘输入，而经
50、理可能更喜欢使用鼠标之类的点击设备。(5)使在当前动作语境中不适用的命令不起作用。这可使得用户不去做那些肯定会导致错误的动作。(6)让用户控制交互流。用户应该能够跳过不必要的动作，改变所需做的动作的顺序(在应用环境允许的前提下)，以及在不退出程序的情况下从错误状态中恢复正常。(7)对所有输入动作都提供帮助。(8)消除冗余的输入。除非可能发生误解，否则不要要求用户指定输入数据的单位；尽可能提供默认值；绝对不要要求用户提供程序可以自动获得或计算出来的信息。程序流程图又称为程序框图，它是历史最悠久、使用最广泛的描述过程设计的方法，然而它也是用得最混乱的一种方法。4.7 过程设计的工具4.7.1 程序
