形式化说明技术

• 一、概述
• • （一） 非形式化方法的缺点
  • （二） 形式化方法的优点
  • （三） 应用形式化方法的准则
  • • 1.应该选用适当的表示方法
    • 2. 应该形式化，但不要过分形式化
    • 3. 应该估算成本
    • 4.应该有形式化方法顾问随时提供咨询
    • 5.不应该放弃传统的开发方法
    • 6. 应该建立详尽的文档
• 二、有穷状态机
• • （一） 概念
• 三、 Petri
• • （一） 概念

一、概述

按照形式化的程度，可以把软件工程使用的方法划分成3类：非形式化 、半形式化、形式化。

• 用自然语言描述需求规格说明，是典型的非形式化方法。
• 用数据流图或实体-联系图建立模型，是典型的半形式化方法。

所谓形式化方法，是描述系统性质的基于数学的技术，也就是说，如果一种方法有坚实的数学基础，那么它就是形式化的。

（一） 非形式化方法的缺点

用自然语言书写的系统规格说明书，可能存在矛盾、二义性、含糊性、不完整性及抽象层次混乱等问题。
所谓矛盾是指一组相互冲突的陈述。
二义性是指读者可以用不同方式理解的陈述。

（二） 形式化方法的优点

为了克服非形式化方法的缺点，人们把数学引入软件开发过程，创造了基于数学的形式化方法。
　　
　　在开发大型软件系统的过程中应用数学，能够带来下述的几个优点：

• 能够简洁准确地描述物理现象、对象或动作的结果，因此是理想的建模工具。

数学特别适合于表示状态，也就是表示“做什么”，数学比自然语言更适于描述详细的需求。
　　在软件开发过程中使用数学的另一个优点是，可以在不同的软件工程活动之间平滑地过渡。
不仅功能规格说明，而且系统设计也可以用数学表达，当然，程序代码也是一种数学符 (虽然是一种相当繁琐、冗长的数学符 )。
　　数学作为软件开发工具的最后一个优点是，它提供了高层确认的手段。可以使用数学方法证明，设计符合规格说明，程序代码正确地实现了设计结果。

（三） 应用形式化方法的准则

对形式化方法应该“一分为二”，既不要过分夸大它的优点也不要一概排斥。
下面给出应用形式化方法的几条准则：

1.应该选用适当的表示方法

通常，一种规格说明技术只能用自然的方式说明某一类概念，如果用这种技术描述其不适于描述的概念，则不仅工作量大而且描述方式也很复杂。因此，应该仔细选择一种适用于当前项目的形式化说明技术。

2. 应该形式化，但不要过分形式化

目前的形式化技术还不适于描述系统的每个方面。带使用之，有助于防止含糊和误解。

3. 应该估算成本

为了使用形式化方法，通常需要事先进行大量的培训。最好预先估算所需的成本并编入预算。

4.应该有形式化方法顾问随时提供咨询

绝大多数软件工程师对形式化方法中使用的数学和逻辑并不很熟悉，而且没受过使用形式化方法的专业训练，因此，需要专家指导和培训。

5.不应该放弃传统的开发方法

把形式化方法和结构化方法或面向对象方法集成起来是可能的，而且由于取长补短往往能获得很好的效果。

6. 应该建立详尽的文档

建议使用自然语言注释形式化的规格说明书，以帮助用户和维护人员理解系统。

• 不应该放弃质量标准
• 不应该盲目依赖形式化方法
• 应该测试、测试再测试
• 应该重用
  　　即使采用了形式化方法，软件重用仍然是降低软件成本和提高软件质量的惟一合理的方法。而且用形式化方法说明的软件构件具有清晰定义的功能和接口，使得它们有更好的可重用性。

二、有穷状态机

（一） 概念

有穷状态机可以准确描述一个系统，是表达规格说明的一种形式化方法。

通过一个简单例子介绍有穷状态机的基本概念：
一个保险箱上装了一个复合锁，锁有三个位置，分别标记为1、2、3，转盘可向左(L)或向右?转动。这样，在任意时刻转盘都有6种可能的运动，即1L、1R、2L、2R、3L和3R。保险箱的组合密码是1L、3R、2L，转盘的任何其他运动都将引起 警。如图描绘了保险箱的状态转换情况。

三、 Petri

（一） 概念

并发系统中需要解决的主要问题是定时问题：包括同步问题、竞争条件以及死锁问题。
定时问题常常是因不好的设计或有错误的实现引起的，归根到底又是由不好的规格说明造成的.
Petri 技术可用于确定系统中隐含的定时问题。
Petri 技术在计算机领域应用较多，已经证明，用Petri 可以有效地描述并发活动。
Petri 包含4种元素：
一组位置P、一组转换T、输入函数I及输出函数O。
如图举例说明了Petri 的组成：
一组位置P为｛P1，P2，P3，P4｝：用圆圈代表；
一组转换T为｛t1，t2｝：图中用短直线表示转换；
两个用于转换的输入函数，用由位置指向转换的箭头表示，它们是：I(t1)=｛P2，P4｝
I(t2)=｛P2｝
两个用于转换的输出函数，用由转换指向位置的箭头表示，它们是：O(t1)=｛P1｝
O(t2)=｛P3，P3｝

如图4.6，P2上有权标，因此t2也可以被激发。当t2被激发时，P2上将移走一个权标，而P3上新增加两个权标（1，1，2，1）。