实用软件工程 第7章 软件建模.ppt
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1、实用软件工程,第7章 软件建模,软件开发的主要工作是软件需求和软件设计,软件需求和软件设计的关键问题是软件建模。 建模的工具很多,最时尚的是UML提供的九种图:类图、对象图、用例图、时序图、协作图、状态图、活动图、构件图和实施图,重点是建立系统的用例图、时序图和类图。 UML不是一种建模方法,而只是一种建模语言或建模工具而已。,本章导读:,提出了“业务模型、功能模型、数据模型” 三个模型的建模思想与建模方法,以及这三个模型的描述方式与“用例图、时序图和类图”之间的关系。 论述数据库设计的理论、方法、技巧与艺术,即数据模型的设计方法与艺术。,软件建模,要求了解 (1)软件建模的概念 (2) UM
2、L的建模思想 要求理解 (1)UML的支撑环境Rose (2)UML建模思想的优缺点 (3)三个模型建模思想的优缺点 要求掌握 (1)业务模型的概念及表示方式 (2)功能模型的概念及表示方式 (3)数据模型的概念及表示方式 (4)数据库设计的方法、技巧,7.1 三个模型的建模思想 7.1.1 三个模型概论,功能模型FM(Function Model) 描述系统能做什么,即对系统的功能、性能、接口和界面进行定义。 业务模型OM(Operation Model) 对系统的操作流程进行定义(怎么做)。 数据模型DM(Data Model) 对系统的数据结构进行定义(数据怎么组织) 。,三个模型概论(
3、续),数据模型:Power Designer、ER win、Oracle Designer 或Class Diagram 功能模型:功能点列表、Use Case Diagram 业务模型:自然语言加上流程图、Sequence Diagram,1、建模时机:,功能模型和业务模型(需求分析时建模) 数据模型 (软件设计),2、三个模型建模工具,思考:三种模型建模思想是否适合系统软件建模?,问题: 1. 操作系统的三个模型是什么? 2. 编译系统的三个模型是什么? 3. 解释系统的三个模型是什么?,7.1.2 业务模型,系统的业务流程图加上相应的业务规则。这里的业务流程图,是指企业在业务流程再造BP
4、R(Business Process Reengineering)之后形成的操作流程和业务规则。,1、业务模型:,2、业务模型的范围: 企业的组织结构,部门职责及岗位(或角色)职能,岗位操作流程,岗位业务规则,每个流程的输入、响应、输出。,3、业务模型的描述方法: 组织结构图,岗位(或角色)职能表,业务流程图加上业务规则说明。,4、业务流程图,业务流程图也可以用业务操作步骤来描述,还可以用类似于程序流程图的图形来表达。,在UML中,完整的业务模型由用例图、时序图、交互图、状态图、活动图来表述。但是,时序图在表述中起到核心作用。 业务模型有时称为动态模型或操作模型。 业务模型的作用,既是功能模型
5、设计的基础,又是用户操作手册编写的依据。,取100元人民币的时序图,取100元人民币的交互图,“开户”的活动图,7.1.3 功能模型,1、功能模型是什么?, 系统功能需求列表(用户角度), 系统内部功能模块(功能部件)的有机排列 和组合 (设计者), 系统的用例的集合 (ROSE), 用户操作手册 (产品), 功能菜单 (操作菜单),总之,功能模型描述系统能做什么,是系统所有功能的集合,具体表现在系统的功能、性能、接口和界面上。,2、功能模型的表示方法,系统功能需求列表 性能需求列表 接口需求列表 界面需求列表 UML规定采用用例图来描述功能模型。,3、功能模型的设计实现方法,将相同的功能归并
6、,设计为构件或组件(部件),将不同的功能设计成模块,然后用面向对象的语言将这些离散的部件或模块组装起来,形成一个完整的系统,供最终用户使用。,4、功能模型的特点,功能模型既是动态的,又是静态的。因为有的功能与系统运行的时间序列有关。,5、功能模型的作用,功能模型既是数据库和数据结构设计的基础,又是功能模块(功能部件)设计、编程实现和测试验收的依据。,7.1.4 数据模型,企业信息系统中的数据模型,是指它的E-R图及其相应的数据字典。这里的数据字典,包括实体字典、属性字典、关系字典。,1、数据模型是什么?,数据模型分为概念数据模型CDM和物理数据模型PDM两个层次。CDM就是数据库的逻辑设计,即
7、E-R图。PDM就是数据库的物理设计,即物理表。,2、数据模型的表示方法,系统的概念数据模型CDM和物理数据模型PDM,加上相应的表结构。 UML规定,用类图加上对象图来表述数据模型。在UML的实现工具Rose 2003中,可以建立系统的数据模型。,3、数据模型的特点,数据模型本身是静态的,但是在设计者心目中,应该尽量将它由静态变成动态。 设计者可以想象数据(或记录)在相关表上的流动过程,即增加、删除、修改、传输与处理等。,图书销售系统数据库CDM,7.2 数据模型设计概论,“以不变应万变”,就是当用户的功能需求发生某些变化时,数据库设计的框架不需要做任何改动,就可以适应用户的功能需求。,1、
8、什么是好的数据模型?,(1) 一是满足功能需求 (2) 二是满足性能需求 (3) 三是该模型能长期稳定,尽量做到“以不变应万变”。,数据库设计的难易程度取决于两个要素: (1). “数据关系的复杂程度” (2). “数据量的大小”。,2、数据库设计的主要工作,设计数据库的表,表的结构就是数据的存储结构。,7.2.1 数据库与数据库管理系统,管理用户的数据库及其在数据库上的各种操作,以及数据库对外的各种接口。,1、两者区别?,数据库和数据库管理系统是有区别的,前者是应用软件,后者是系统软件。,2、数据库管理系统基本功能,关系数据库管理系统RDBMS自带许多编程语句(命令),这些语句可分为三大类:
9、数据定义语言DDL,如CREATE,ALTER,DROP;数据操纵语言DML,如SELECT,UPDATE,INSERT,DELETE;数据控制语言DCL,如分支语句、循环语句。,7.2.2 数据库的组成,数据库是表的集合,表由字段组成,表中存放着记录。由于记录的数据可以是原始数据、信息代码数据、统计数据和临时数据4种,所以又可将表划分为基本表、代码表、中间表和临时表4种。,1、组成,一个数据库由一台数据库服务器、一个数据库管理系统DBMS、一个数据库管理员DBA、多张表(每张表中有许多条记录)、表上的视图和索引、许多用户和角色所组成。,2、表的划分,原始数据和信息代码数据,统称为基础数据。本
10、表和代码表,统称为基表。 数据库设计主要是指基本表设计,包括代码表、中间表、临时表和视图的设计,基本表的设计较难,代码表、中间表、临时表和视图的设计较易。,3、数据库的表,(1)存放原始数据的表,称为基本表。 (2)存放信息代码数据的表,称为代码表。 (3)存放统计数据的表,称为中间表。 (4)存放临时数据的表,称为临时表。,基本表与中间表、临时表不同,有如下4个特性: (1)原子性。基本表中的字段是不可再分解的。 (2)原始性。基本表中的记录是原始数据的记录。 (3)演绎性。由基本表与代码表中的数据,可以派生出所有的输出数据。 (4)稳定性。基本表的结构是相对稳定的,表中的记录是需要长期保存
11、的。,4、基本表的性质,基表和中间表由DBA维护,临时表由程序员自己用程序自动维护。,5、其他表,代码表又称为“数据字典”,它是存放单位代码、物资代码、人员代码、科目代码等等信息编码的表。,中间表是存放统计数据的表,它是为数据仓库、输出报表或查询结果而设计的。,临时表是程序员个人设计的,存放临时记录,为个人所用。,视图是一种虚表,它依赖数据源的实表而存在,这些实表是基本表和代码表。,6、数据库视图,视图是供程序员使用数据库的一个窗口,是基表数据综合的一种形式, 是数据处理的一种方法,是用户数据保密的一种手段。,7.2.3 数据库设计的内容与步骤 (三项内容,十大步骤),数据库需求分析的步骤:
12、(1) 收集系统所有的原始单据(信息源产生的数据)和统计报表 (2) 弄清楚两者之间的关系,写明输出数据项中的数据来源与算法 (3) 若原始单据覆盖了所有需要的业务内容,并且能满足所有统计报表的输出数据要求,则需求分析完毕 (4) 反之继续分析,重复步骤(1)-(3)。,1、数据库需求分析,【例7-1】 “姓名,性别,身高,体重,民族”这一组相关元数据的集合,就组成人这个实体。而“张三,男,1.8,90,汉族” 就是人这个实体的一次表现,它不是一个实体,而是一个实例。如果将“体重”改为“毛重”,则“姓名,性别,身高,毛重,民族”就不是一个实体,因为人不能用毛重、净重描述,猪和货物可以用毛重、净
13、重描述。 概念设计的特点是:与具体的数据库管理系统和网络系统无关,它就是数据库的逻辑设计。,2、数据库概念设计,数据库概念设计是指设计出数据库的概念数据模型CDM,以及相应的数据字典(DD)。 所谓实体,就是一组相关元数据的集合。所谓实例,就是实体的一次表现。,数据库物理设计的方法是: (1)确定关系数据库管理系统平台,即选定具体的RDBMS。 (2)利用数据库提供的命令和语句,建立表、索引、触发器、存储过程、视图等。 (3)列出表与功能模块之间的关系矩阵,便于详细设计。,3、数据库物理设计,数据库物理设计是指设计出数据库的物理数据模型PDM,包括数据库服务器物理空间上的表、字段、索引、视图、
14、储存过程、触发器,以及相应的数据字典。,数据库设计十大步骤,7.3 数据库设计的理论与方法,原始单据与实体之间关系在一般是一对一的关系,即一张原始单据对应且只对应一个实体。在特殊情况下,它们可能是一对多或多对一的关系。这里的实体可以理解为基本表。 【例7-2】 在人力资源信息系统中,一份员工履历对应三个基本表:员工基本情况表、社会关系表、工作简历表。这就是“一张原始单据对应多个实体”的典型例子。,1、数据库原始单据与实体之间的关系,实体在哪儿呢?即如何发现、找到、抽象出实体呢?其实,实体就蕴涵在原始单据中!,主张主键原子化,即只用一个字段做主键。其中外键必须对应主键。,2、主键与外键,一个实体
15、不能既无主键 (PK),又无外键 (FK)。在E-R图中, 处于叶子部位的实体, 可以不定义主键(因为它无子孙), 但必须要有外键(因为它有父亲)。,PK是供程序员使用的表间连接工具,可以是一个无物理意义的数字串, 由程序自动加1来实现;也可以是有物理意义的字段名或字段名的组合,不过前者比后者好。,第三范式:3NF是对字段冗余性的约束,即任何字段不能由其他字段派生出来,它要求字段没有冗余。,3、通俗地理解范式理论,第一范式:1NF是对属性的原子性约束,要求属性具有原子性,不可再分解。,第二范式:2NF是对记录的惟一性约束,要求记录有惟一标识,即实体的惟一性。 在数据库设计时,作为惟一性标志的主
16、键,最好是一个字段,而不是组合字段,这就是主键的原子性。,数据库设计规范化理论的实质,就是引导并帮助设计人员实现“实体、属性、主键的原子化”!,其他更高级的范式:BCF、4NF、5NF等各级范式,研究的内容是解决实体本身的原子性问题。,“只要实现了属性、主键、实体三者的原子化,就从根本上符合了各级范式的要求了”。这就是范式理论的实质!,降低范式就是增加字段,允许冗余。常称“降低范式的过程”为“反规范化设计过程”。,没有冗余的数据库设计,为了提高运行效率,必须降低范式标准,适当保留冗余数据,这就是用空间换时间。具体做法是:在概念数据模型设计时遵守第三范式,降低范式标准的工作放到物理数据模型设计时
17、考虑。,低级冗余和高级冗余,主键与外键在多表中的重复出现, 不属于数据冗余。非键字段的重复出现, 才是数据冗余,而且是一种低级冗余,即重复性的冗余。高级冗余不是字段的重复出现,而是字段的派生出现。 低级冗余会导致数据的不一致!,【例7-3】 有一张存放商品的基本表,如P163表7-3所示。“金额”这个字段的存在,表明该表的设计不满足第三范式,因为“金额”可以由“单价”乘以“数量”得到,说明“金额”是冗余字段。但是,增加“金额”这个冗余字段,可以提高查询统计的速度,这就是以空间换时间的做法。,在Rose 2002中,规定列有两种类型:数据列和计算列。“金额”这样的列被称为“计算列”,而“单价”和
18、“数量”这样的列被称为“数据列”。,4数据库设计中的两大窍门,窍门之二:要建立稳定的数据模型,就要掌握“以不变应万变”的设计技巧,这个技巧就是“列变行”。,站在IT企业的数据库开发上讲,数据库设计的核心窍门只有两个:,窍门之一:如果两个实体(或多个实体)之间的关系非常复杂,那么它们之间就可能存在多对多的关系。对于这种情况,我们不但要善于认别它,而且要正确处理它(增加第三者)。,增加第三者的实质,是解决关系的原子化问题。 在现实生活中,到处存在多对多的关系。例如:老师与课程、学生与课程、读者与图书、旅客与客房、司机与车辆、船舶与货物、飞机与机场、运动员与项目等。,增加第三者,寻找“笛卡尔积的子集
19、”的窍门,就是“要善于认别与正确处理实体之间的多对多关系”。 两者之间增加第三个实体。这样,原来一个多对多的关系,现在变为两个一对多的关系。 剩下的问题是:要将原来两个实体的共同属性分配到第三个实体中去,还要将原来两个实体的主键当作第三个实体的外键。这里的第三个实体,就是“笛卡尔积的子集”,它是一个实体,对应一张基本表。,多对多关系,多对多关系,具体做法,请看P165【例7-7】 学生成绩单的管理,就是一个“列变行”的例子。,列变行,所谓“列变行”,就是将第一个表中的某些列,变为第二个表中的某些行。将原来设计不科学的一个表,变为现在设计很科学的两个表:其中一个为主表或父表,另一个为从表或子表(
20、又称明细表),通过主键与外键,两个表进行连接,共同完成相关的操作。,(1). “列变行”之前的表结构,(2). “列变行”之后的表结构,列变行之后的输出方案- 建立“学生成绩表”视图,Create View 学生成绩表 As Select 学生表 .学号,姓名,课程名称,成绩 From 学生表 ,成绩表 Where 学生表 .学号=成绩表.学号,“列变行”的实质,“列变行”的实质是解决实体的原子性问题。 在现实生活中,到处存在需要“列变行”的例子,因为到处有主表与明细表的关系。例如:部门与员工、员工基本情况与个人简历、月基本工资与月补贴、订单头与订单体等等。,“列变行”之后的表结构设计中的优点
21、,就是“实事求是”。第一,在四年级之前,他们没有学完三十门课程,这种设计也不会浪费一点存储空间;第二,到四年级时,即使个别学生修了两个学位,共计有三十多门课程,这种设计也不需要改动表结构,达到了“以不变应万变”的目的。,5西瓜理论和西瓜方法,【定义7-5】 所谓西瓜方法,就是在数据库设计时,如果将属性比作芝麻,将主要实体比作大西瓜,将次要实体比作小西瓜,那么在用CASE工具设计E-R图时,应先画出大西瓜,后画出小西瓜,用西瓜统帅芝麻,用大西瓜统帅小西瓜。,【定义7-4】 所谓西瓜理论,就是在数据库分析时,如果将属性比作芝麻,将主要实体比作大西瓜,将次要实体比作小西瓜,那么芝麻必须围绕西瓜转,小
22、西瓜必须围绕大西瓜转。,“西瓜理论和西瓜方法”排除了“属性主导型”方法,主张“实体主导型”方法。,“实体主导型”方法只是提出了“以实体统帅属性”的思想,在数据库分析与设计时,首先要抓住实体,从实体出发去寻找、发现、确定属性,而不要采取本末倒置的“属性主导型”方法,即从属性出发,通过属性的分解与归约,来寻找、发现、确定实体。,(1) 在数据库需求分析和设计时,一方面要以实体去统帅属性,另一方面要以主要实体去统帅次要实体; (2) 不但要使属性围绕实体转,而且要使次要实体围绕主要实体转; (3) 在任何信息系统的全局E-R图中,其主要实体的数目都是有限的,数据库分析与设计的任务,就是善于发现、捕获
23、主要实体,并用主要实体去组织、规划、设计全局E-R图。,“西瓜理论和西瓜方法”除了继承“实体主导型”方法的特点之外,还更进一步地提出:,画E-R图的步骤,在西瓜理论和西瓜方法的指导下,利用CASE工具画E-R图的步骤是: (1) 先画主要实体 (抓大西瓜) ,用大西瓜来统帅中小西瓜; (2) 再画次要实体 (抓中西瓜) ,使中西瓜围绕大西瓜转 ; (3) 后画代码实体 (抓小西瓜) ,使小西瓜围绕中西瓜转; (4) 最后分配或补充实体的属性 (捡芝麻) ; (5) 画关系,调整E-R图的部署,检查数据库设计是否实现了四化(属性、实体、主键、关系的原子化)。,6完整性约束表现在三个方面,(3)用
24、户定义完整性:它是用户单位规定的一些业务规则,这些业务规则有时用存储过程实现,有时用触发器来实现,有时用定义域(对字段的取值范围进行定义)来实现。业务规则反映用户单位的业务逻辑,必须在数据库需求分析时彻底搞清。,(1)实体完整性:每个实体必须有唯一性标志,这个唯一性标志是用实体的主键(PK)来实现。,(2)参照完整性。就是由主表到从表的方向是参照关系,由从表到主表的方向是依赖关系。参照和依赖关系,是通过主键(PK)、外键(FK)和触发器来加以实现。关系数据库的本质,就是分析、研究、处理主表与从表的关系,即主键与外键的关系。,7防止数据库设计打补丁的方法是“三少原则”,(3)一个表中的字段个数越
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