第5章：系统设计
系统设计概述
系统设计是一个两部分的迭代过程：
概要设计就像是在地图上规划一条旅行路线，确定主要的城市和途经的方向（主要模块和组件，定义模块之间的接口，以及确定整体的数据流和控制流），
而详细设计则是在每个城市中详细规划具体的行进路线、停留点和行为（数据结构、算法、函数和子程序）
- 概要设计：设计软件的结构，把软件按照一定的原则分解为模块层次，赋予每个模块一定的任务，并确定模块间的调用关系和接口。得到软件结构图或者架构图
- 详细设计：对概要设计的一个细化，详细设计每个模块实现算法，将功能描述变为精确的、结构化的过程描述。得到详细设计说明书
好的设计的特征
耦合度
- 高度耦合：两个构件之间有大量依赖关系的时候
- 松散耦合：两个构件具有某种程度的依赖，但他们的相互连接比较弱
- 非耦合：构件之间不存在相互连接
耦合度的类型
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内容耦合：当一个构件修改了另一个构件的内部数据项的时候，或者一个构件内的分支转移到另一个构件中的时候，可能出现内容耦合。
一个模块直接修改另一个模块中的全局变量。
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公共耦合：对公共数据的改变
假设有一个系统，其中多个模块都共享同一个全局配置文件，包含系统的一些基本配置信息。
如果需要修改这个全局配置文件中的某项设置，那么所有依赖这个配置文件的模块都可能受到影响。
- 数据耦合（Data Coupling）：
- 描述： 模块之间通过参数传递简单的数据类型，如基本数据类型或数据结构。一个模块将数据传递给另一个模块，但不关心数据的内部结构。
- 例子： 一个计算模块接收两个数字并返回它们的和。
- 控制耦合（Control Coupling）：
- 描述： 一个模块通过传递控制信息，如标志或状态，影响另一个模块的执行流程。两个模块之间存在一定程度的控制关系。
- 例子： 一个模块调用另一个模块，并传递一个标志，根据标志的值来决定执行的路径。
- 标记耦合（Stamp Coupling）：
- 描述： 两个模块之间通过共享复杂的数据结构或记录进行通信，但只使用其中的一部分信息。
- 例子： 一个模块传递一个包含多个字段的记录给另一个模块，但只使用其中的几个字段。
- 内容耦合（Content Coupling）：
- 描述： 两个模块之间共享了内部的实现细节，一个模块直接访问另一个模块的内部数据结构或方法。
- 例子： 一个模块直接修改另一个模块中的全局变量。
内聚
如果构件的所有元素都是直接面向执行同一个任务的并且必须的，那么该构件是内聚的。
内聚描述了一个模块内各个部分（（如函数、类、模块等））彼此之间有多么密切地关联。
高内聚意味着一个模块内的元素在逻辑上紧密结合，完成的是相似的任务。
- 内聚强调模块内部的关联性
- 耦合强调模块之间的关系
高内聚低耦合： 表示模块内部各个元素关联紧密，同时不同模块之间相对独立。这是一个理想的设计目标，有助于提高代码的质量和可维护性。
内聚的类型：
- 偶然性内聚（Coincidental Cohesion）：
- 描述： 模块内的元素没有明显的关联，它们仅仅因为偶然地在同一个模块中，没有共同的目标或任务。
- 例子： 一个包含了无关功能的杂乱函数库。
- 逻辑内聚（Logical Cohesion）：
- 描述： 模块内的元素在逻辑上相关，共同完成一个清晰的任务或目标。
- 例子： 一个处理用户认证的模块，包含验证用户名、检查密码等相关逻辑。
- 时间内聚（Temporal Cohesion）：
- 描述： 模块内的元素在时间上相关，它们在同一时间段内执行，但没有直接关联。
- 例子： 一个包含了每周执行的一系列任务的模块。
- 过程内聚（Procedural Cohesion）：
- 描述： 模块内的元素按照一定的顺序执行，它们共同参与完成一个过程或任务。
- 例子： 一个按顺序执行文件读取、处理和写入的数据处理模块。
- 功能内聚（Functional Cohesion）：
- 描述： 模块内的元素按照功能相似性相关联，共同完成一个功能。
- 例子： 一个负责计算数学函数的模块，包含加法、减法等相关功能。
- 顺序内聚（Sequential Cohesion）：
- 描述： 模块内的元素按照顺序执行，一个元素的输出作为下一个元素的输入。
- 例子： 一个数据处理模块，包含按照顺序执行的数据转换步骤。
- 交互内聚（Communicational Cohesion）：
- 描述： 模块内的元素共享相同的数据，但没有直接的逻辑关联。
- 例子： 一个模块包含了对共享数据的读取和写入操作，但这些操作之间没有直接关联。
改善设计的方法
- 降低复杂性（高内聚低耦合）
- 按合同设计
- 原型化设计：详细见需求分析中提及的原型化的优点
- 故障树分析：标识可能的失败，构造图，用节点表示失败，边表示节点之间的关系。
- 文档化设计：设计合理性，系统架构的描述，用户如何与系统进行交互。
故障树（Fault Tree）：图形化工具，用于描述系统故障发生的可能性和原因。
考虑一个飞机系统的故障树，顶事件可能是“飞机系统失效”。通过逻辑门和基本事件的组合，可以得到不同的逻辑路径，如“引擎故障”、”油料耗尽”、”电气系统故障”等。这些基本事件再可以进一步分解，比如“引擎故障”可以分解为“涡轮故障”、“点火系统故障”等。通过分析这些逻辑路径，我们可以识别导致整个系统失效的潜在原因。
改善设计的方法：高内聚低耦合、合同、原型化、故障树、文档化