软件工程

1. 软件工程概述

1.1 软件危机

1968年 NATO 会议提出”软件危机”概念：

• 软件项目经常超时、超预算
• 软件质量低劣、维护困难
• 缺乏系统化的开发方法

1.2 软件生命周期

需求分析 → 系统设计 → 详细设计 → 编码实现 → 测试 → 部署 → 维护

1.3 软件过程模型

2. 需求工程

2.1 需求分类

• 功能需求：系统应该做什么
• 非功能需求：系统应该做到什么程度
  • 性能需求：响应时间、吞吐量
  • 安全需求：认证、授权、加密
  • 可靠性需求：MTBF、MTTR
  • 可用性需求：并发用户数

2.2 需求获取方法

2.3 用例建模

用例图要素：

• 参与者（Actor）：与系统交互的外部实体
• 用例（Use Case）：系统提供的功能
• 关系：包含（include）、扩展（extend）、泛化（generalization）

2.4 需求规格说明

SRS（Software Requirements Specification）应满足：

• 完整性：覆盖所有需求
• 一致性：需求之间不矛盾
• 可验证性：每条需求可测试
• 可追踪性：需求可追溯到来源

3. 软件设计

3.1 设计原则（SOLID）

3.2 设计模式分类

创建型模式：

结构型模式：

行为型模式：

3.3 架构模式

4. 敏捷开发

4.1 敏捷宣言

• 个体和互动 高于 流程和工具
• 工作的软件 高于 详尽的文档
• 客户合作 高于 合同谈判
• 响应变化 高于 遵循计划

4.2 Scrum 框架

4.3 看板方法

• 可视化工作流
• 限制在制品（WIP）
• 管理流动
• 显式化策略
• 实施反馈环

4.4 极限编程（XP）

5. 软件测试

5.1 测试层次

5.2 白盒测试

语句覆盖：每条语句至少执行一次。

分支覆盖：每个分支至少执行一次。

路径覆盖：每条路径至少执行一次。

条件覆盖：每个条件的真假至少各取一次。

覆盖强度：路径 > 分支 > 语句

5.3 黑盒测试

等价类划分：将输入分为有效和无效等价类。

边界值分析：测试边界附近的值。

因果图：分析输入条件之间的逻辑关系。

正交实验法：减少测试用例数量。

5.4 测试金字塔

        /  E2E测试  \        少量，慢
       /  集成测试    \      适量
      /   单元测试      \    大量，快

5.5 度量指标

$\text{缺陷密度} = \frac{\text{缺陷数}}{\text{代码行数（KLOC）}}$

$\text{测试覆盖率} = \frac{\text{已覆盖项}}{\text{总项}} \times 100\%$

$\text{MTBF} = \frac{\text{总运行时间}}{\text{故障次数}}$

6. 软件度量

6.1 面向规模度量

$\text{生产率} = \frac{\text{KLOC}}{\text{人月}}$

$\text{质量} = \frac{\text{缺陷数}}{\text{KLOC}}$

6.2 面向对象度量（CK度量集）

6.3 功能点分析

$\text{FP} = \text{UFP} \times \text{VAF}$

其中 UFP 为未调整功能点，VAF 为价值调整因子。

7. 软件维护

7.1 维护类型

7.2 技术债务

技术债务是选择快速方案而非更好方案所产生的额外工作：

$\text{技术债务成本} = \text{当前妥协成本} + \text{未来修复成本}$

管理策略：定期重构、代码审查、自动化测试。