常見的軟體開發模型

軟體工程的主要環節包括人員管理、專案管理、需求分析、系統設計、程式設計、測試、維護等，1.5所示。軟體開發模型是對軟體過程的建模，即用一定的流程將各個環節串連起來，並可用規範的方式操作全過程，好比工廠的生產線。

圖1.5 軟體工程的主要環節

邊做邊改模型（Build-and-Fix Model）
　　遺憾的是，許多產品都是使用"邊做邊改"模型來開發的。在這種模型中，既沒有規格說明，也沒有經過設計，軟體隨著客戶的需要一次又一次地不斷被修改，1.6所示。

 

圖1.6 邊做邊改模型

　　在這個模型中，開發人員拿到項目立即根據需求編寫程式，調試通過後產生軟體的第一個版本。在提供給使用者使用後，如果程式出現錯誤，或者使用者提出新的要求，開發人員重新修改代碼，直到使用者滿意為止。
這是一種類似作坊的開發方式，對編寫幾百行的小程式來說還不錯，但這種方法對任何規模的開發來說都是不能令人滿意的，其主要問題在於：
（1） 缺少規劃和設計環節，軟體的結構隨著不斷的修改越來越糟，導致無法繼續修改；
（2） 忽略需求環節，給軟體開發帶來很大的風險；
（3） 沒有考慮測試和程式的可維護性，也沒有任何文檔，軟體的維護十分困難。

瀑布模型（Waterfall Model）
　　1970年Winston Royce提出了著名的"瀑布模型"，直到80年代早期，它一直是唯一被廣泛採用的軟體開發模型。
瀑布模型1.7所示，它將軟體生命週期劃分為制定計劃、需求分析、軟體設計、程式編寫、軟體測試和運行維護等六個基本活動，並且規定了它們自上而下、相互銜接的固定次序，如同瀑布流水，逐級下落。

 

圖1.7 瀑布模型

　　在瀑布模型中，軟體開發的各項活動嚴格按照線性方式進行，當前活動接受上一項活動的工作結果，實施完成所需的工作內容。當前活動的工作結果需要進行驗證，如果驗證通過，則該結果作為下一項活動的輸入，繼續進行下一項活動，否則返回修改。
瀑布模型強調文檔的作用，並要求每個階段都要仔細驗證。但是，這種模型的線性過程太理想化，已不再適合現代的軟體開發模式，幾乎被業界拋棄，其主要問題在於：
（1） 各個階段的劃分完全固定，階段之間產生大量的文檔，極大地增加了工作量；
（2） 由於開發模型是線性，使用者只有等到整個過程的末期才能見到開發成果，從而增加了開發的風險；
（3） 早期的錯誤可能要等到開發後期的測試階段才能發現，進而帶來嚴重的後果。

我們應該認識到，"線性"是人們最容易掌握並能熟練應用的思想方法。當人們碰到一個複雜的"非線性"問題時，總是千方百計地將其分解或轉化為一系列簡 單的線性問題，然後逐個解決。一個軟體系統的整體可能是複雜的，而單個子程式總是簡單的，可以用線性方式來實現，否則幹活就太累了。線性是一種簡潔，簡 潔就是美。當我們領會了線性精神，就不要再呆板地套用線性模型的外表，而應該用活它。例如增量模型實質就是分段的線性模型，螺旋模型則是接連的彎曲了的 線性模型，在其它模型中也能夠找到線性模型的影子。

快速原型模型（Rapid Prototype Model）
　　快速原型模型的第一步是建造一個快速原型，實現客戶或未來的使用者與系統的互動，使用者或客戶對原型進行評價，進一步細化待開發軟體的需求。通過逐步調整原型使其滿足客戶的要求，開發人員可以確定客戶的真正需求是什麼；第二步則在第一步的基礎上開發客戶滿意的軟體產品。
顯然，快速原型方法可以克服瀑布模型的缺點，減少由於軟體需求不明確帶來的開發風險，具有顯著的效果。

快速原型的關鍵在於儘可能快速地建造出軟體原型，一旦確定了客戶的真正需求，所建造的原型將被丟棄。因此，原型系統的內部結構並不重要，重要的是必須迅速建立原型，隨之迅速修改原型，以反映客戶的需求。

  增量模型（Incremental Model）
與建造大廈相同，軟體也是一步一步建造起來的。在增量模型中，軟體被作為一系列的增量構件來設計、實現、整合和測試，每一個構件是由多種相互作用的模組所形成的提供特定功能的程式碼片段構成，1.8所示。
增量模型在各個階段並不交付一個可啟動並執行完整產品，而是交付滿足客戶需求的一個子集的可運行產品。整個產品被分解成若干個構件，開發人員逐個構件地交 付產品，這樣做的好處是軟體開發可以較好地適應變化，客戶可以不斷地看到所開發的軟體，從而降低開發風險。但是，增量模型也存在以下缺陷：
（1） 由於各個構件是逐漸併入已有的軟體體繫結構中的，所以加入構件必須不破壞已構造好的系統部分，這需要軟體具備開放式的體繫結構。
（2） 在開發過程中，需求的變化是不可避免的。增量模型的靈活性可以使其適應這種變化的能力大大優於瀑布模型和快速原型模型，但也很容易退化為邊做邊改模型，從而是軟體過程的控制失去整體性。

圖1.8 增量模型

　　在使用增量模型時，第一個增量往往是實現基本需求的核心產品。核心產品交付使用者使用後，經過評價形成下一個增量的開發計劃，它包括對核心產品的修改和一些新功能的發布。這個過程在每個增量發布後不斷重複，直到產生最終的完善產品。
例如，使用增量模型開發文書處理軟體。可以考慮，第一個增量發布基本的檔案管理、編輯和文檔產生功能，第二個增量發布更加完善的編輯和文檔產生功能，第三個增量實現拼字和文法檢查功能，第四個增量完成進階的頁面配置功能。

螺旋模型（Spiral Model）
　　1988年，Barry Boehm正式發表了軟體系統開發的"螺旋模型"，它將瀑布模型和快速原型模型結合起來，強調了其他模型所忽視的風險分析，特別適合於大型複雜的系統。
1.9所示，螺旋模型沿著螺線進行若干次迭代，圖中的四個象限代表了以下活動：
（1） 制定計劃：確定軟體目標，選定實施方案，弄清項目開發的限制條件；
（2） 風險分析：分析評估所選方案，考慮如何識別和消除風險；
（3） 實施工程：實施軟體開發和驗證；
（4） 客戶評估：評價開發工作，提出修正建議，制定下一步計劃。
螺旋模型由風險驅動，強調可選方案和約束條件從而支援軟體的重用，有助於將軟體品質作為特殊目標融入產品開發之中。但是，螺旋模型也有一定的限制條件，具體如下：
（1） 螺旋模型強調風險分析，但要求許多客戶接受和相信這種分析，並做出相關反應是不容易的，因此，這種模型往往適應於內部的大規模軟體開發。
（2） 如果執行風險分析將大大影響項目的利潤，那麼進行風險分析毫無意義，因此，螺旋模型只適合於大規模軟體項目。
（3） 軟體開發人員應該擅長尋找可能的風險，準確地分析風險，否則將會帶來更大的風險。

圖1.9 螺旋模型

　　一個階段首先是確定該階段的目標，完成這些目標的選擇方案及其約束條 件，然後從風險角度分析方案的開發策略，努力排除各種潛在的風險，有時需要通過建造原型來完成。如果某些風險不能排除，該方案立即終止，否則啟動下一個開 發步驟。最後，評價該階段的結果，並設計下一個階段。

各種模型的比較
　　每個軟體開發組織應該選擇適合於該組織的軟體開發模型，並且應該隨著當前正在開發的特定產品特性而變化，以減小所選模型的缺點，充分利用其優點，下表列出了幾種常見模型的優缺點。

模型	優點	缺點
瀑布模型	文檔驅動	系統可能不滿足客戶的需求
快速原型模型	關注滿足客戶需求	可能導致系統設計差、效率低，難於維護
增量模型	開發早期反饋及時，易於維護	需要開放式體繫結構，可能會設計差、效率低
螺旋模型	風險驅動	風險分析人員需要有經驗且經過充分訓練

 

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