软件工程笔记 清华大学刘强etc

1. 初识软件工程

• 面向过程 -> 对象 -> 构件 -> 服务，粒度逐渐增大
• 开发过程：需求 – 分析、设计、实现、测试 – 产品

2. 编写高质量代码

• google 推出的针对多种语言的编码规范，建议阅读
• 结对编程
• python IDE pycharm
• 代码静态分析，检查代码是否符合规范：pylint、HTMLHint、CSSLint、JSHint
• 代码优化，提高时间空间性能，流程：分析是否需要优化 – 找出瓶颈 – 优化 – 测试
  • 性能分析工具，分析性能瓶颈，python内置的Profile

3. 单元测试

• 单元测试 Unit Testing，是对软件的最小可测试单元进行检查和验证
• 在开发单元代码前，编写单元测试代码
• 测试工具：
  • 一系列xUnit，如Python – PyUnit，类和函数等简单对象的测试
  • Mock测试，虚拟一个对象，比较复杂的、交互行为的测试
• 测试用例：一组输入值和预期结果
• 黑盒测试，将测试对象看做黑盒子，不考虑内部结构，只关注输入输出
  • 等价类划分，将输入域划分为若干互不相交的子域，每个子域称为一个等价类；从同一个等价类中选取任何一个输入值，会得到相同的结果
  • 要考虑不合理的输入
  • 边界值分析，对输入或输出的边界值进行测试，作为等价类划分的补充
• 白盒测试，根据程序逻辑设计测试用例
  • 控制流图 CFG，Control Flow Graph，程序的流程图，根据路径设计输入值

4. 软件开发过程

• 包括以下阶段：
  • 问题定义：提出问题，技术探索，市场调查 => 可行性研究 告
  • 需求分析：收集用户需求，分析需求，建模 => 软件需求规格说明文档
  • 软件设计：体系结构设计，接口，组件的算法和数据结构，数据库 => 软件设计说明书
  • 软件构造：编写代码，审查，优化 => 源代码
  • 软件测试：单元测试，子系统测试，集成测试，验收测试
  • 软件维护：投入使用后的改进过程
• 瀑布模型：将开发过程看成一系列独立、线性的活动，对需求变更的响应不灵活，文档太多，现已很少使用
• 原型开发，先得到只具有界面和部分功能的产品，以明确需求、帮助开发，可以快速响应
• 迭代式开发，构建、发布、用户使用循环进行
  • 增量模型：优先实现一小部分功能，逐步增加模块；
  • 迭代模型：优先实现基本的整体功能，逐步完善各个功能
• 可转换模型，数学描述，经过转换得到产品，严密准确，适用于嵌入式系统
• 敏捷开发，自适应，增量和迭代，强调：
  • 个体和交互 > 过程和工具
  • 可以工作的软件 > 面面俱到的文档
  • 客户合作（频繁与客户沟通） > 合同谈判
  • 响应变化 > 遵循计划
• Build to Learn -> Show -> Serve -> Win

5. 团队开发管理

• 技术与管理分离
  • 技术经理：技术上的决策
  • 项目经理：过程管理和绩效评价
• 选择合适的沟通方式：
  • 着重及时反馈（面对面、电话）
  • 着重信息的完整丰富（书面）
• 团队分工一般按照模块进行划分，比如前端、后端、数据库等，减少耦合
• PM：人月工作量

6. 敏捷开发与配置管理

• Scrum: feature list -> sprint planning meeting -> sprint (1-2 weeks) -> review
  • 角色
    • Product Owner
    • Scrum Manager (tech lead)
    • Team Member
  • 活动
    • Planning Meeting
    • Daily Meeting
    • Review
    • Retrospective 回顾
  • 制品
    • Product Backlog 产品订单
    • Sprint Backlog 迭代订单
    • Burndown Charts 燃尽图
    • Working Software 可工作软件
• 用户故事 User Story：站在用户角度来看待软件的功能点，角色 + 活动 + 价值
• 配置管理：版本管理
  • 软件配置项，Software Configuration Item，SCI：包括代码、文档和产品
  • Git – Github
    • 教程：try.github.io/levels/1/challenges/1
    • 详细说明：Git Book，git-scm.com/book/zh/v2
    • sourcetreeapp.com 图形化git工具

7. 需求获取

• 需求工程师 Requirements Engineer，负责需求的获取、建模、分析
• 面谈、问卷、群体诱导、原型
• 用例模型，需求数据库
• 软件需求规格说明 Software Requirements Specification, SRS
• 需求是不断变化的

8. 用例建模

• 用例建模是获取需求的方式，是一个迭代的、逐步细化的过程：用例图 -> 用例提纲 -> 用例详细规约
• 用例 Use Case：系统的理想行为、功能，谁 + 做什么
• 用例要有合适的粒度
• 用例按优先级排序，以决定开发顺序
• 要考虑异常状况
• 用例不包括具体实现，相当于系统提供给用户的接口
• CRUD，增查改删，Create Retrieve Update Delete，合并为一个维护用例
• UML, Unified Modeling Language, 统一建模语言，可视化的软件建模方法
• 建模工具：IBM Rational Rose、JUDE、Enterprise Architect

9. 面向对象分析与设计

• 将实体建模为对象
• 对象封装属性和行为
• 类的层次结构：关联、泛化(is-a)，聚集、组合(has-a)、依赖
• CRC卡片分拣法
  • Class 类，Responsibility 责任，Collaboration 协作
• 接口设计：多个分离的小接口要好于一个通用的大接口
• UML类图：对类层次结构的建模，可以根据模型自动生成类的代码

10. 行为建模

• UML顺序图：对交互行为建模，消息传递序列，与用例相对应
• UML状态图：对状态变化和触发状态变化的事件建模，对象的存在与否、不同的属性都体现为状态

11. 软件系统设计

• 目标：可复用、可扩展、简单、有效
• 构件组合成系统
• 构件提供服务，通过接口与其他构件进行交互
• 连接件是负责构件之间交互的专用构件，如管道
  • 连接机制：过程调用、事件、进程、同步、并发、API等
  • 连接协议：参数个数类型、消息格式等
• 设计的趋势：分布式、低耦合、开放
• 设计原则：抽象、封装、模块化
  • 高内聚（模块内元素间依赖程度高）
  • 低耦合（模块之间依赖性低）
  • 层次化（以安卓为例，从下到上的层级为：Linux内核 -> 系统运行库 -> 应用框架 -> 应用
  • 复用，是多个层次的概念，包括代码、体系结构、框架、设计模式
• 体系结构风格，构件和连接件的组织方式，常见风格如下：
  • 主程序 – 子程序，树形结构，如C程序
  • 面向对象， 状结构，如CPP/JAVA程序
  • 管道 – 过滤器，通过输入和输出串联，线性结构，如媒体播放器
  • 仓库结构，以数据为中心，放射状结构，如剪贴板、编译器、数据库
  • 层次结构
    • 客户机 – 服务器
    • 表示层 -（功能层）- 数据层
  • MVC结构：Model 模型、视图 View、控制器 Controller，前端给后端AJAX，后端返回给前端JSON
    • REST，REpresentational State Transfer
  • 事件风格，以代码调试为例
    • 调试器设置断点，作为事件源
    • IDE作为事件管理器，事件触发时发出消息
    • 具体实现分为发布订阅模式和观察者模式
• 软件的设计包括交互界面设计、系统设计、模块设计等
• 系统设计要考虑响应时间和吞吐量的权衡、节省内存与提高速度的权衡
• RESTful API
  • 过去的做法是，后端根据 页模板生成响应发送给前端，但会造成前后端的耦合
  • 更好的做法是，把模板从后端剥离，通过GET、PUT、POST、DELETE的方式，后端发送给前端JSON。这样就实现了前后端更好的分离，web和移动端app可以按照相同的方式与后端通信，通用性更好
• AJAX需要前后端有相同的域名和端口，否则会产生跨域，带来安全性问题；可以通过NGINX托管的方式解决，并且支持多个RESTful后端，提高可扩展性
• Celery，异步任务和定时任务框架
• 内存型数据库，通过把数据缓存到内存中，以提高速度，如redis、memcashed
• 数据库的选择
  • 关系型，规整的表格；key-value型，灵活的内容
  • 事务，即对数据库的一次操作确保原子性，完全执行或不执行
  • 一致性，A发照片，好友都能看到；理想情况要求实时，现实中允许一定延迟
  • 主要的数据库类型：
    • MySQL，关系型数据库，支持事务操作，安全性高
    • MongoDB，非关系型数据库，结构灵活，数据模型易扩展易修改，分布式，不支持事务操作，安全性一般
    • Redis，内存数据库，速度快，数据安全性差
  • 需要事务操作 – MySQL，发展中的业务 – MongoDB，频繁读取 – Redis

12. 交互设计

• 可用性：低学习成本、低记忆成本、高交互效率、高满意度
• Steve Jobs 黄金法则
• 人的因素：物理、感知、认知
• ISO 9241 可用性标准
• 所见即所得 What you see is what you get, WYSIWYG
• WIMP, Windows – Icons – Menu – Pointing devices
• Gestalt 格式塔理论，完形心理学，意识对图像的加工
  • 闭合率，自动补全
  • 连续率，自动外延
  • 相似率，相似的元素视为一个整体
  • 接近率，靠近的元素视为一个整体
  • 对称率，对称元素视为一个整体
  • 前景背景分离，自动区分主要对象和背景
• 一致性，遵从人们的习惯，同样的功能 – 同样的外观 – 同样的操作
• 直接映射，虚拟元素与现实元素具有同样的操作
• 有效反馈，提供充足的信息
• KLM效率模型，Keystroke Level Model
  • 操作：按键，鼠标点击、双击、拖拽，以及思考
  • 通过实验得到每种操作的平均操作时间，得出总时间，用来评价设计的好坏
• Fitts定律：移动距离越大，目标越小，则鼠标点击花费的时间越长
  • 设计时，移动距离尽量小，点击目标尽量大
  • 屏幕边缘的元素相当于被放大了
• 设计 – 原型 – 评估，迭代过程

13. 系统测试

• 正常的输入 + 异常、边界、破坏性的输入
• 流程：单元测试 – 集成测试 – 系统测试（功能测试 + 性能测试）- 验收测试（需求）- 安装测试（用户实际使用环境）
• 性能测试：大数据量、高并发、兼容性、安全性，主要因素：
  • 用户数：注册用户、在线用户、并发用户
  • 响应时间
  • 吞吐量
  • 资源利用率
• 测试方法：长时间高负载、破坏性、峰谷交替，注意是否有内存泄漏、崩溃后恢复能力
• HP LoadRunner、Apache JMeter
• 验收测试：
  • alpha测试：公司内部人员模拟用户进行测试
  • beta测试：用户测试

14. 交付与维护

• 软件部署、客户培训、项目验收，完成交付之后进入维护阶段
• 开发人员每天向代码库提交代码，集成服务器自动化的编译、静态检查、单元测试、打包、在预演环境和端对端环境进行功能测试、最终发布
• 单一主干、分支提测形成发布版本
• 软件在使用中不断变化，复杂性增加，结构恶化
• 维护 vs 重构
  • 维护的目的：改正、适应、增加功能，成本高于开发
  • 重构：不改变软件功能，将代码还原为文档，逆向工程