软件实现

(第四部分：软件实现与测试，第9章)

李欣

Created: 2022-05-24 Tue 00:22

0.1. 互动课堂

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0.2. 本次课的目标

第四部分：软件实现与测试

第9章：软件实现

  • 程序设计语言
  • 程序设计风格
  • 编码规范
  • 程序效率与性能分析

1. 程序设计语言

程序编码阶段的 任务 是：

将软件的 详细设计 转换成用程序设计语言实现的 程序代码 。

因此，程序设计语言的 性能 和 设计风格 对于程序设计的 效能 和 质量 有着直接的关系。 语言的 工程特性 对 软件开发项目的成功与否 也有着重要的影响。

1.1. 程序设计语言的性能

从以下 角度 对程序设计语言的 性能 进行讨论：

performance.png

1.1.1. 软件心理学的观点

软件心理学 研究的任务是：

关注人们对软件所关心的某些方面， 如 使用方便 、 简明易学 、 可靠性 、 减少故障发生率 ，以及 使用户更加满意 等。

从 心理学的观点 ，影响程序员心理的语言 特性 有以下几方面：

  • 一致性 ：它表示一种语言所使用符号的 兼容程度 ，以及 允许随意规定限制、允许对语法或语义破例的程度 。
  • 二义性 ：虽然语言的 编译程序 总是以一种机械的规则来解释语句，但 读者 则可能用不同的方式来理解语句。
  • 简洁性 ：表示为了用该语言编写程序 必须记忆 的关于代码的 信息量 。在语言的属性中， 简洁性的标志 是：
    • 语言支持 BLOCK 构造和 结构化程序 的 能力强 ；
    • 可使用的 保留字 和 缩写字 的 种类少 ；
    • 数据类型 的 种类少 ，提供 缺省说明 ；
    • 算术运算符 和 逻辑运算符 的 种类少 。
  • 局部性 ：程序设计语言的 综合特性 。
  • 传统性 ：人们学习一种新的程序设计语言的能力受到 传统的影响 。

1.1.2. 软件工程的观点

从 软件工程的观点 ，程序设计语言的 特性 应着重考虑软件开发项目的需要。 为此，对于程序编码有如下一些 工程上的性能要求 ：

  • 详细设计 应能 直接容易地 翻译成 代码程序
  • 源程序 应具有 可移植性
    • 对源程序 不做修改 或 少做修改 就可以实现 处理器上的移植 或 编译程序上的移植 ；
    • 即使程序的 运行环境改变 （例如，改用一个新版本的操作系统），也 不用修改源程序 ；
    • 源程序的许多模块可以 不做修改 或 少做修改 就能 集成为功能性的各种软件包 ，以 适应不同的需要 。
  • 编译程序 应具有 较高的效率
  • 尽可能应用 代码生成的自动工具
  • 可维护性
    • 源程序的 可读性
    • 语言自身的 文档化特性

1.2. 程序设计语言的分类

  • 第一代语言 ：从属于机器的语言
  • 第二代语言 ：汇编语言
  • 第三代语言 ：高级程序设计语言
  • 第四代语言（Fourth Generation Language, 4GL）

1.2.1. 4GL的缺点

虽然4GL具有很多 优点 ，成为目前应用开发的主流工具，但也存在以下方面的 缺点 ：

  • 4GL在 整体能力 上与3GL具有 一定的差距
    • 由 语言抽象级别提高 导致的
    • 许多4GL 只面向专项应用
  • 由于4GL的 抽象级别较高 ，因此系统运行的 开销大 、 效率低 。
  • 由于 缺乏统一的工业标准 ，因此4GL产品 种类繁多 ， 用户界面差异很大 。
  • 目前4GL主要面向 基于数据库应用的领域 ，不宜于 科学计算 、 实时系统 和 系统软件开发 。

1.2.2. 4GL的分类

按照4GL的 功能 可以将它们划分为 以下几类 ：

  • 查询语言和报表生成器
    • 查询语言 是 数据库管理系统 的主要工具，它提供 用户对数据库进行查询 的功能。
    • 报表生成器 是为用户提供的 自动产生报表 的重要工具，它提供 非过程化的描述手段 ， 让用户很方便地 根据数据库中的数据生成报表 。
  • 图形语言 ： 数据流图 、 模块结构图 、 程序流程图 。
  • 应用生成器
    • 交互式应用生成器 ：允许用户以可见的交互方式在终端上创建文件、报表等。
    • 编程式应用生成器 ：为建造复杂系统的专业程序人员而设计。
  • 形式化规格说明语言 ：解决了自然语言的 歧义性 、 不精确性 等问题，是 软件自动化的基础 。

1.3. 程序设计语言的选择

为某个特定开发项目选择编程语言时， 既要从 技术角度 、 工程角度 、 心理学角度 评价和比较各种语言的 适用程度 ， 又必须考虑 现实可能性 。 在选择编程语言时，可以考虑以下几个方面的因素：

  • 应用领域
    • 科学与工程计算机领域 ： FORTRAN 、 C 、 C++
    • 商业数据处理领域 ： COBOL 、 Java 、 SQL
    • 系统程序设计和实时应用领域 ： 汇编语言 或一些新的派生语言，如 Ada 、 C++
    • 人工智能领域以及问题求解、组合应用领域 ： Lisp 、 Prolog 、 PHP 、 Python
  • 系统用户的要求
  • 编程语言自身的功能
  • 编码和维护成本及开发环境
  • 编程人员的技能
  • 软件可移植性

2. 程序设计风格

阅读程序 是 软件开发和维护 过程中的一个重要组成部分， 而且 读程序的时间比写程序的时间还要多 。 因此， 程序实际上也是一种供人阅读的文章 。

2.1. 源程序文档化

源程序文档化 包括 标识符的命名 、 安排注释 以及 程序的视觉组织 等。

2.1.1. 标识符的命名

标识符 包括：

模块名 、 变量名 、 常量名 、 标号名 、 子程序名 、 数据区名 、 缓冲区 等。

命名 时应考虑：

  • 名字应能 反映它所代表的实际东西 ，使其能够 见名知意 ，有助于对程序功能的理解
  • 应当选择 精炼的 、 意义明确的 名字，才能简化程序语句，改善对程序功能的理解
  • 可使用 缩写名字 ，但需注意 缩写规则要一致 ，并且要给每个名字加 注释
  • 在一个程序中， 一个变量 只应用于 一种用途

2.1.2. 程序的注释

注释 分为：

  • 序言性注释 ：通常置于每个程序模块的 开头部分 ，它应当给出程序的 整体说明 ， 对于理解程序本身具有 引导作用 。
    • 程序（模块）标题
    • 有关本模块 功能和目的的说明
    • 主要算法
    • 接口说明 ，包括调用形式、参数描述、子程序清单
    • 有关程序描述 ，包括重要的变量及其用途、约束或限制条件，以及其他有关信息
    • 模块位置 ，说明在哪一个源文件中，或隶属于哪一个软件包
    • 开发简历 ，包括模块设计者、复审者、复审日期、修改日期及有关说明等
  • 功能性注释 ：嵌在 源程序体中 ，用以描述 其后的语句或程序段 ， 也就是解释下面要 做什么 ，或是执行了下面的语句会怎么样。
    • 用于描述 一段程序 ，而不是每一个语句
    • 用 缩进和空行 ，使程序与注释容易区别
    • 注释要正确

例如，下面的注释行仅仅重复了后面的语句， 对于理解它的工作并没有什么作用。 

/* Add amount to total */
total = amount + total;

如果注明把 月销售额 计入 年度总额 ，便使读者理解了下面语句的意图。 

/* Add monthly sales to annual total */
total = amount + total;

2.1.3. 视觉组织：空格、空行和移行

  • 空格 ：恰当地利用空格，可以突出 运算的优先性 ， 避免发生运算错误 。
  • 空行 ： 自然的程序段之间可用空行隔开 。
  • 移行 ：也叫做 向右缩格 ，对于 选择语句 和 循环语句 ，把其中的程序段语句 向右做阶梯式移行 。
float n, s = 0, t = 1;

for (n = 1; n <= 20; n++) {
  t *= n;
  s += t;
}

printf("1! + 2! + 3! + ... + 20! = %e\n", s);

1! + 2! + 3! + ... + 20! = 2.561327e+18

2.2. 数据说明标准化

为了使程序中 数据说明 更易于 理解 和 维护 ，在编写程序时， 需要注意 数据说明的风格 。具体需要注意以下几点：

  • 数据说明的次序 应当 规范化 ，使数据属性容易查找，也有利于测试、排错和维护。
    • 常量说明 、 简单变量类型说明 、 数组说明 、 公用数据块说明 、 所有的文件说明
    • 整型量说明 、 实型量说明 、 字符量说明 、 逻辑量说明 。
  • 当多个变量名用一个语句说明时，应当对这些 变量按字母顺序排列 。
    • int size, length, width, cost, price;
    • int cost, length, price, size, width;
  • 对于 复杂的数据结构 ，应当使用 注释 对其进行说明。

2.3. 语句结构简单化

  • 在 一行内只写一条语句 ，并且采取适当的移行格式，使程序的逻辑和功能变得更加明确。
  • 程序编写首先应当考虑 清晰性 ，不要刻意追求技巧性，使程序编写得过于紧凑。
  • 程序编写要 简单 、 清楚 ，直截了当地说明程序员的用意。
  • 除非对效率有特殊的要求，否则程序编写的原则使 清晰第一，效率第二 。
  • 避免使用临时变量而使可读性下降 。
  • 让编译程序做简单的优化 。
  • 尽可能使用库函数 。
  • 避免不必要的转移 ，如果能保持程序的可读性，则不必用GOTO语句。
  • 尽量只采用 3种基本的控制结构 来编写程序。
  • 避免使用空的 else 语句和 if-then-if 语句 。
  • 避免采用过于复杂的条件测试 。
  • 尽量减少使用否定条件的条件语句 。

2.4. 输入/输出规范化

  • 对所有的输入数据都进行 检验 ，从而识别错误的输入，以 保证每个数据的有效性 。
  • 检查输入项的各种重要组合的 合理性 ，必要时报告 输入状态信息 。
  • 使得输入的步骤和操作尽可能简单，并 保持简单的输入格式 。
  • 输入数据时，应允许使用 自由格式输入 。
  • 应允许 缺省值 。
  • 输入一批数据时，最好使用 输入结束标志 ，而不要由用户指定输入数据数目。
  • 在以交互式输入/输出方式进行输入时，要在屏幕上使用提示符 明确提示交互输入的请求 ， 指明 可使用选择项的种类 和 取值范围 。
  • 当程序设计语言对输入/输出格式有严格要求时，应保持 输入格式 与 输入语句 的要求 一致 。
  • 给所有的输出加 注解 ，并设计 输出报表格式 。

3. 编码规范

规范 涉及 版面 、 注释 、 标识符命名 、 变量使用 、 代码可测性 、 程序效率 、 质量保证 、 代码编译 、 单元测试 、 程序版本与维护 。

4. 程序效率与性能分析

程序的效率 是指 程序的执行速度 及 程序所需占用内存的存储空间 。

程序效率的几条准则：

  • 效率是一个性能要求 ，应当在 需求分析阶段 给出。软件效率 以需求为准 ，不应以人力所及为准。
  • 好的设计可以提高效率 。
  • 程序的效率与程序的简单性相关 。

任何 对效率无重要改善 ，且 对程序的 简单性 、 可读性 和 正确性 不利 的程序设计方法都是 不可取 的。

5. 课后作业

  1. （习题9.2） 一般情况下，程序的效率和清晰性相比哪一个更重要？
  2. （习题9.3） 程序中的注释是否越多越好？
  3. （习题9.4） 如何提高表达式的可读性？
  4. 程序的效率受哪些因素的影响？如何降低这些因素对程序效率的影响？