高等軟體工程

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軟體工程簡介

軟體危機

DEF：軟體開發的速度遠不及軟體的成長速度，因此導致開發成本的提高以及時辰的延誤
SOL：以工程化的方式引入軟體開發，以解決軟體危機

issue

Unrealistic Deadline
Vague(不明確) Requirements
Complex Structure
Numerous Uncertainties (不確定因素)

Fredrick Brooks 提出的軟體本質問題

Complexity
- 複雜程度與程式大小呈非線性或等比級數遞增
Changeability 易變性
- 開發到完成，維護，隨時都需要變更
Invisibility
- 易造成溝通不良
Conformity 一致性
- 各介面模組系統間的介接不一

軟體開發活動

需求分析 Requirements Analysis
- 客戶需求
- 系統可行性
- 需求的一致性及正確性
設計 Software Design
- 將客戶的需求轉換為系統的過程
- Including Architecture, DS, Algorithm, and Database
實作 Implementation （Coding）
- 將設計的內容轉化為程式碼
- Debug
測試與維護 Testing and Maintence
- 檢測程式是否符合要求及效能
- 「軟題維護」確保軟體系統持續滿足客戶需求

軟體測試

單元測試 Unit Test
- 測試單元模組（class）
整合測試 Integration Test
- 測試模組或子系統（sub system）的介面整合
系統測試 System Test
- 測試整體系統的效能，安全性，穩定性
- 包含軟硬體
接受測試 Acceptance Test
- 系統是否符合使用者需求

Activities Common to SW Projects

紅字：Work Product 工作產出

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Requirements and Specification
- 確認需求
Modeling
- Use case modeling
  - 描述軟體的功能性
    - 以user角度看這些軟體的功能
- Structural modeling
  - 描述軟體的資料
    - class 繼承結構關係等等
- Dynamic and behavioral modeling
  - 描述軟體的行為（動態）
    - 藉由屬性method等等如何去描述一個系統的行為
Design
- 確定需求如何被正確實作
- System engineering
  - 決定硬體與軟體
- System architecture
  - 決定子系統及其如何整合
- Internals of subsystems
  - 子系統內部設計（演算法資料結構）
- User interface design
- Database design
Programming
Quality assurance
- Reviews and inspections
  - 靜態測試
  - 軟體測試
- Testing
  - 動態測試
  - 實際執行，以結果驗證測試
    - 白箱黑箱測試
Deployment

Management

Managing sw configurations
- Version Control
Managing sw process
- 預估成本（時間）
- planning -> PEP (project execution plan)

軟體流程模型

軟體流程模型：定義軟體開發流程指引的抽象樣板

瀑布開發 Waterfall Model
統合流程 Unified Process
極限製程 Extreme Programming, XP

瀑布開發 Waterfall Model

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SRS：軟體需求規格書
SDD：系統設計規格書
STD：系統測試報告

瀑布：水往下流，且不往回（往上）流

每一階段沒有完成，就不會進入下一階段
每一階段的產出（work product）是下一階段的輸入

瀑布式開發時程規劃範例

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優點	缺點
清楚的階段分割	需求提供者（早期）無法正確及完整的表達需求
明確的文件產出	使用者系統分析師系統設計師程式設計師溝通上的誤解
null	使用者需求可能會改變

瀑布式開發適合大型專案，且需求變更幅度不大的系統

統合開發 Unified Process

因應物件導向程式語言興起，採用UML為開發方法，提供比起waterfall 更為彈性的開發流程。

以工作流（workflow）貫穿兩個面向

時間面向
內容面向
- 主要工作流
- 支援工作流

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統合流程強調

反覆 Iterative
- 系統分析設計實作測試整合是反覆不斷進行的
遞增 Incremental
- 需求可以是逐步漸增的
演進 Evolutionary
- 系統是不斷演進的，而非後期建置的

統合流程特色為

使用者案例導向 User Case Driven
- 強調使用者價值
以架構為中心 Architecture_centric
- 以元件模組為基礎的架構 component-based approach

時間面向

起始階段
- plan
分析階段
- demand analysis
建構階段
- design, coding and testing
移交階段
- user document

內容面向

企業模組工作流
- Domain analysis
- 了解與評估企業的背景與動機
- 建立溝通管道
需求工作流
- 了解與確認該系統所需的功能
分析設計工作流
- modeling
- design
- DS, algo, database
實作工作流
- model to codes
- unit test
- 可及早發現可能的設計錯誤
測試工作流
- 確認單元可以整合
- 確認單元介面相容
- 可測試到缺失（Defects）
佈署工作流
- release version

Construction 階段採回合制，每一個回合都可能檢視需求與設計並修正

每一回合產生minor release以供使用，最後再產生final production release

統合流程開發時程規劃範例

優點

具瀑布開發優點，並強調反覆，遞增與演進
以使用者觀點，藉由use case diagram確認使用者需求
反覆的系統展示與架構檢視減少客戶與系統的落差
- by minor release

極限製程 Extreme Programming, XP

「擁抱改變」

特色

客戶駐點
- 隨時溝通
- 快速回饋
漸進式規劃
- Story Card
頻繁改版
簡單設計
測試先行
- 事先撰寫單元測試
- Test-driven development (TDD)
- 事先設計測試案例
- 自動化測試

極限製程開發時程規劃範例

優缺點

非常具備彈性，較敏捷
測試程式若不完整，容易造成危機

需求工程

需求是甚麼

– 描述系統必須做甚麼事情
– 描述系統有甚麼限制或品質

相關人員：Stakeholders

開發人員
開發主管
客戶
使用者

由需求文件(requirements document)確認需求

需求種類

對象

使用者需求(user requirements)
系統需求(system requirements)

軟體功能

功能性需求
非功能性需求

使用者需求

抽象的想法
口語陳述為主
企業目的為導向

系統需求

比較明確
文字規格
系統導向的思考與分析

*** 軟體需求規格書(System Requirements Specification, SRS) ***

功能性需求

指具體提出系統應該提供的服務項目
非常明確，只有有或沒有，沒有程度差異

非功能性需求

強調系統品質與限制
系統的特性
ex 可靠度安全性
相依於功能性需求
- 快 on 搜尋
- 良好 on 使用者介面
使用者關心
- 正確性可靠性效率性
開發者關心
- 可維護性可測試性再使用性
不同需求提出者關心的可能有所衝突 ex 效率VS可再使用性

軟體品質

產品操作

正確性
可靠性
效率性
整合性
可使用性

產品開發

可維護性
可測試性
彈性

產品移交

可移植性
再利用性
互助運作性

建議盡量量化非功能性需求，使其成為可測試性的非功能性需求

ex 良好的UI -> 最多2步驟即可完成功能
ex 快速的搜尋 -> 2秒內有搜尋結果

需求工程

指將待開發的系統需求由需求端擷取出來，加以分析及建置，以供開發端依此開發

Process for Developing Requirements

Domain Analysis

使SW針對所要開發系統的領域有一定程度的瞭解
ex 銀行 -> 存提款，借貸
domain expert: 銀行經理

how
- domain expert
- 已存在的軟體及文件
advantage
- faster development
- better system
- 擴充性

定義問題與範圍

Problem:
- 遇到的困難
- 改善生產力

問題描述需短及簡潔

scope
- 列出所有系統需要完成的事情
- 移除太廣泛的
  - ex 註冊系統 (可以註冊，瀏覽課程，…)
- 也不要定義的太瑣碎
  - Ex 考試教室安排，註冊費用繳交(屬於別的系統)

需求擷取

如何將使用者需求擷取出來

擷取方法

面談
- 最直接，口述
問卷
- 客觀，多方面，符合多數使用者的期望
使用者觀察
- 實地考察，耗時
研討會
- 具經驗的主持人，提前準備，適合系統的使用者來自不同單位或組織
腦力激盪
- 創意型的開發
使用案例
- 情境思考
- 站在使用者角色思考
- 使用案例（User Case）
雛型法(Rapid Prototyping)
- 初步雛型系統視覺化展示以確認需求
  - 捨棄式雛型法（Throwaway Prototyping）
    - 針對一開始沒有把握的系統需求做確認
    - 用完就丟
  - 漸進式雛型法（Evolutionary Prototyping）
    - 從最有把握的需求開始開發
    - 進而擴充其他功能需求
    - 不會丟棄

需求分析

目的：需求是否

正確
- 是否可行，符合企業目標
完整
- 是否有遺漏
沒有衝突
- 是否有矛盾及衝突

資料流程的分析（Data Flow Analysis）

以系統功能面的角度切入
利用資料流程圖（Data Flow Diagram, DFD）

圈圈：process
箭頭：Data flow
一個process的output可能是別的process的input
資料會儲存到Data Store裡

實體關聯的分析（Entity Relation Analysis）

實體關聯分析（Entity Relation Analysis）
- 以系統資料面切入
  - 實體資料（Entity）-> 名詞
    - Entity Type , ex class
    - Entity Instance, ex instance from class
  - 關聯（Relation）-> 動詞
- 實體關聯分析圖（Entity Relation Diagram, ERD）
  ex 線上考試系統 ERD
- 實體具有許多屬性 Attribute
- 可利用關鍵屬性（Key Attribute）來取得特定的實體
  - 關鍵屬性（Key Attribute）：唯一性及不變性
  - ex
    - 國民（Entity）
    - 性別（Attribute）
    - 戶籍（Attribute）
    - 身份證（Key Attribute）
擴充實體關聯分析圖（Extended Entity Relationship Diagram, EERD）
- 目的：透過實體關聯分析將資料庫裡實體的邏輯內容定義出來
  - 針對實體的 1. 2. 做擴充
    1. 屬性
    2. 關係
- 屬性擴充
  - 主要鍵值 Primary Key
  - 外部索引鍵值 Foreign Key
  - 屬性資料型態 Type
  - 寬度 Width
  - 可否允許空值 Null OK
  - ex 學生實體屬性定義
- 關係擴充
  - 選擇性關係（Optionality）
    - 可有可無
    - ex 修課關係
      - 左圖
        
        學生可以選不修課
        
        課程必須要有學生
      - 右圖
        
        學生必須要有推薦人
  - 生存相依關係（Existence Dependency）
    - 描述某一實例是否必須依賴另一實例的存在
    - 課程相依於開課班級
    - 利用箭頭表示
  - 抽象關係（Abstraction）
    - 抽象關係之重疊關係（Overlay）
      - 學生可以是運動員，同時也是樂手
      - 粗體線段箭頭表示
    - 抽象關係之互斥關係（Mutual Exclusion）
      - 只能是其一
      - 學生只能是大學生，或是研究生
- 以相交實體（Intersection Entity）來表示多對多的關係
  - 學生可以修很多課
  - 課程有很多學生
  - 多對多實體關係下，特定實體實例之間的對應關係

狀態行為的分析（Behavior Analysis）

狀態轉換圖（State Transition Diagram, STD）
ex 線上考試簡易狀態轉換圖
ex 線上考試系統復合狀態轉換圖
- 目的：隱藏一些複雜的狀態

企業流程的分析（Business Process Analysis）

分析作業流程
企業流程模組（Business Process Model）
流程應考慮不同的組織或角色
ex 線上考試的企業流程模組

需求規格文件

Software Requirements Specification，SRS

ex 線上考試系統之SRS
ex IEEE 830 建議的SRS

要有version control

需求確認與需求管理

需求確認 Validation

確認定義的需求是不是使用者要的
- 規格書審查
- 雛型展示
- 確認需求之重要性
Do Right Thing

需求驗證 Verifiable

設計的系統是否符SRS的規範
- 建立測試案例
Do Thing Right

需求管理

開發中的需求會變更
制定及遵循變更的程序
需求追溯表(Requirements Traceability Matrix, RTM)
- 水平追溯(Horizontal Traceability)
  - 紀錄需求與需求之間的關係
- 垂直追溯(Vertical Traceability)
  - 追溯需求的來源與其相對應的程式

物件導向與UML

UML

使用案例（Use Case Model）

Use Case :以使用者角度出發思考系統功能

目的

使用者如何與系統互動
如何達到使用者目的

內容

full sequence steps
user's interaction (不在乎如何系統設計)
independent with UI
only include actions actor interact with

ex
1. Bank system
1. Sales report system
Use Case View 使用案例觀點
Actor 行為者
- class
- system
- subsystem
- outside system interact directly
- 可以有繼承關係
  - 個人與公司都是繼承自銀行客戶
Use case 使用案例
- a sequence of actions
- relatonship
  - Association
    - actor與use case的關係
    - 非use case間的
  - Extend
    - use case 與另一 use case 的擴充關係
    - - 額外的功能，少了並不會導致原use case失去意義
  - Include
    - 在 use case中常被使用的另一 use case
    - - reuse 的概念
      - 如果沒有pw use case，那提存款等use case就沒有意義了
  - Generalization
    - use case間的繼承關係
    - 少用
- 使用案例規格樣板 (斜體為建議要有，highlight為一定要有)
  - ID
  - Description
  - Actors
  - Assumptions
  - Constraints (使用限制)
  - Priority
  - Pre-Conditions (執行前須符合之條件)
  - Post-Conditions
  - Basic Flow (基本流程)
  - Alternative Flows (備胎)
  - Exceptional Flows (意外狀況處理)
  - Include Use Cases(其他Use Case)
  - Business Rules
  - Special Requirements
  - Artifacts
  - Use Case Glossary

類別圖（Class Diagram）

描述Data

Class
Associations
- class間的關係
Attribute
- class及instance間的關係
Operation
- class的功能
Generalization
- class的繼承

Class

class 表示法

operation 表示法

Associations

描述class的關係及 multiplicity(*, 1, 0, …)
- '*' : zero to more
Label
- 可具方向性
Role name
- 腳色

many to one
many to many

Implementation

multiplicity
- use vector

避免 one to one
default雙向

Generalization

Aggreation 聚合關係

whole part
isPartOf
whole：擁有者，part：被擁有者
ex
when to use
- are part of
- is kind of

Composition 組合關係

strong of aggregation
part/whole不存在，whole/part就沒有存在的意義

Interfaces

class without operaction
visible behavior

Note

Example

http://140.136.149.35/courses/SoftwareEngineering/2015-10-14-SE-CH3-U03.ecm.mp4/index.html
第22小節

動態塑模

互動圖（Intersaction Diagram）

動態觀點
視覺化
從use case 與 class disgram 建立

Sequence Diagram 循序圖

時間軸表示
class
actors
message
ex
- :有底線就是物件
由來
Object deletion
Iteration
- loop
- opt
- alt 多選一
  - ref: 副函式
  - [] : 判斷condition

Communication Diagram 溝通圖

class之間的平面關係
好處：一目了然每個class之間的互動

how to choose

Sequence diagram
1. 時間軸 base
2. 更多詳細資訊
  - return value
  - loop
Communication diagram
1. a project from class diagram
2. validating class diagram

狀態機（State Machine Diagram）

元素
- State
- Event
- Transition
- Action
ex
- time out and condition
  - 馬路紅綠燈
  - 課程選課階段
- from class
Activity
- a period of time
- after activity, run into another state
- may be interrupted
Action
- 立即的改變
Nested Substate
- 開車換檔

活動圖（Activity Diagram）

flow of work
解讀不同 use case 間的互動
concurrnt activities
ex.
- 課程註冊
Representing Concurrency
- fork
  - 一進多出
- rendezvous
  - 多進多出
- join
  - 多進一出
- ex
Swimlanes
- 分隔不同腳色的視角
- 適用 business process model
- ex

設計樣式（Design Pattern）

Pattern

Pattern describes problem which occurs over and over again, and then describes the core to the solution
The recurring aspects of the designs are called design patterns

Elements

Context
- 在什麼樣的情況下適用什麼pattern
Problem
Forces
- 一些需考慮的issue or constraints
Solution
Antipattern (optional)
- some patterns will not work
Related patterns (optional)
- some similar pattern will work
References
- refer to or being referred

Example (物件導向語言)

Reources Acquisition Is Initialization
- 把所有初始化都放在constructor做
- complier error instead of running time error
Garbage collection
- 每一個 new 必須要有一個 delete

比較

Idiom
- 特定語言的pattern或技巧
Design pattern
- 與語言無關的
- design level
Framework
- partially completed design to solve a problem
- ex. 視窗程式拖拉（填入參數即可）

Design Patterns

Modeling pattern

The Abstraction-Occurrence Pattern

Context
Problem
Forces
Solution
Antipattern (optional)
Related patterns (optional)
References

The General Hierarchy Pattern

context
- 物件在一個hierarchy的關係中要如何描述其他objects
Solution

The Player-Role Pattern

Context
- 物件在不同context 扮演不同角色
Problem
- 如何model 角色跟物件以使物件可以扮演不同的腳色
Forces
Solution
Antipattern (optional)
Related patterns (optional)
References

GoF Design Patterns

Three type

Creational
- how to new a object
- try to hide the how to
- example
  - Factory Method
  - Abstract Factory
    - 每一種object就是一個只有自己的類別
  - Prototype
    - 可以產生不同的 object copy 並動態替換
  - Builder
  - Singleton
Structural
- 關注 class 與 object 如何組成一個大的 structure
The Adapter Pattern

The Façade Pattern

The Proxy PatternThe Factory Pattern

Behavior

高等軟體工程

tags: Note

軟體工程簡介

軟體危機

issue

Fredrick Brooks 提出的軟體本質問題

軟體開發活動

軟體測試

Activities Common to SW Projects

Management

軟體流程模型

瀑布開發 Waterfall Model

統合開發 Unified Process

統合流程強調

統合流程特色為

時間面向

內容面向

Construction 階段採回合制，每一個回合都可能檢視需求與設計並修正

每一回合產生minor release以供使用，最後再產生final production release

統合流程開發時程規劃範例

優點

極限製程 Extreme Programming, XP

特色

極限製程開發時程規劃範例

優缺點

需求工程

需求是甚麼

需求種類

使用者需求

系統需求

功能性需求

非功能性需求

軟體品質

建議盡量量化非功能性需求，使其成為可測試性的非功能性需求

需求工程

Domain Analysis

定義問題與範圍

需求擷取

擷取方法

需求分析

資料流程的分析 （Data Flow Analysis）

實體關聯的分析 （Entity Relation Analysis）

狀態行為的分析 （Behavior Analysis）

企業流程的分析 （Business Process Analysis）

需求規格文件

Software Requirements Specification，SRS

需求確認與需求管理

需求確認 Validation

需求驗證 Verifiable

需求管理

物件導向與UML

UML

使用案例（Use Case Model）

類別圖（Class Diagram）

Class

Associations

Implementation

Generalization

Aggreation 聚合關係

Composition 組合關係

Interfaces

Note

Example

動態塑模

互動圖（Intersaction Diagram）

Sequence Diagram 循序圖

Communication Diagram 溝通圖

how to choose

狀態機（State Machine Diagram）

活動圖（Activity Diagram）

設計樣式（Design Pattern）

Pattern

Elements

Example (物件導向語言)

比較

Design Patterns

Modeling pattern

The Abstraction-Occurrence Pattern

Context

Problem

tags: `Note`

資料流程的分析（Data Flow Analysis）

實體關聯的分析（Entity Relation Analysis）

狀態行為的分析（Behavior Analysis）

企業流程的分析（Business Process Analysis）