軟件工程之系統設計概述(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 供了處理更復雜問題的有效工具，所以高效率的程序永遠不會過時。設計高效率的程序是基于良好的數據結構與算法，而不是基于編程小技巧。大多數計算機科學系在設置課程時，都重視學習基本的軟件工程原理，以及數據結構與算法設計。一般說來，數據結構與算法就是一類數據的表示及其相關的操作（這里算法不是指數值計算的算法）。從數據表示的觀點來看，存儲在數組中的一個有序整數表也是一種數據結構。算法是指對數據結構施加的一些操作，例如對一個線性表進行檢索、插入、刪除等操作。一個算法如果能在所要求的資源限制（Resource Constraints）范圍內將問題解決好，則稱這個算法是有效率（Efficient）的。例如一個資源限制可能是“用于存儲數據的內存有限”，或者“允許執行每個子任務所需的時間有限”。一個算法如果比其它已知算法所需要的資源都少，這個算法也被稱為是有效率的。算法的代價（Cost）是指消耗的資源量。一般說來，代價是由一個關鍵資源例如時間或空間來評估的。毋庸置疑，人們編寫程序是為了解決問題。只有通過預先分析問題來確定必須達到的性能目標，才有希望挑選出正確的數據結構。有相當多的程序員忽視了這一分析過程，而直接選用某一個他們習慣使用的，但是與問題不相稱的數據結構，結果設計出一個低效率的程序。如果使用簡單的設計就能夠達到性能目標時，選用復雜的數據結構也是沒有道理的。人們對常用的數據結構與算法的研究已經相當透徹，可以歸納出一些設計原則：（1）每一種數據結構與算法都有其時間、空間的開銷和收益。當面臨一個新的設計問題時，設計者要徹底地掌握怎樣權衡時空開銷和算法有效性的方法。這就需要懂得算法分析的原理，而且還需要了解所使用的物理介質的特性（例如，數據存儲在磁盤上與存儲在內存中，就有不同的考慮）。（2）與開銷和收益有關的是時間——空間的權衡。通常可以用更大的時間開銷來換取空間的收益，反之亦然。時間——空間的權衡普遍地存在于軟件開發的各個階段中。（3）程序員應該充分地了解一些常用的數據結構與算法，避免不必要的重復設計工作。（4）數據結構與算法為應用服務。我們必須先了解應用的需求，再尋找或設計與實際應用相匹配的數據結構。[Shaffer 1998] 用 戶 界 面 設 計 某個人總有辦法讓自己保持心情愉快、信心十足。有一天，他向一名圍棋九段和一名乒乓球世界冠軍挑戰，結果他全勝了。因為他跟圍棋九段打乒乓球，跟乒乓球冠軍下圍棋。用戶界面的編程技術是人們熟悉得不得了的事，我決定講一講比較陌生的“用戶界面設計美學”。有位愛好書畫的博士后請我欣賞鋼琴演奏會。我從頭到尾只聽到“叮叮咚咚”的聲音，實在享受不到“高雅”，就請這位朋友指點。他雖然也不懂鋼琴，卻從欣賞書法的角度設法解釋如何欣賞音樂。可是我既不懂書法也不懂音樂，真是坐立不安。“美”似乎真的不可言傳。我在讀本科時，特別喜歡編寫用戶界面程序，并且常向同學演示、賣弄。我覺得還不過癮，就寫了一篇“用戶界面設計美學”的短文[林銳 1997]。凡是路過我實驗室的同學都被我逮住，被迫聽完我得意之極的朗讀，茫然者與痛苦者居多。不久我的朗讀便所向披糜，聞聲者逃之夭夭。現在我又把那篇短文摘錄至此，請您忍著點吧。 界面設計中美的需求與導向作用人們對美的向往和追求是與生俱有的。顯然沒有人愿意丑化自己的程序，也沒有用戶嗜好丑陋的界面。軟件開發者要設計美，用戶要享受美，所以界面的美是開發者與用戶的共同需求。界面美的概念很抽象，以致讓人無法說清楚什么是界面的美。但它同時又很現實，以致人人都可以去欣賞和感受界面美，并且挑剔美中之不足。美學不是一種量化的學問，如果因此而輕視美學指導，必將導致在設計過程中光依賴程序員個人的經驗與感覺。由于程序員接受的教育主要是如何使計算機完成工作，而不是人如何工作，因此僅靠程序員主觀想象設計而成的界面往往得不到大眾用戶的認可。美的界面能消除用戶由感覺引起的乏味、緊張和疲勞（情緒低落），大大提高用戶的工作效率，從而進一步為發揮用戶技能和為用戶完成任務作出貢獻。從人機界面發展歷史與趨勢上可以看出人們對界面美的需求，以及美在界面設計中的導向作用。界面設計已經經歷了兩個界限分明的時代。第一代是以文本為基礎的簡單交互，如常見的命令行，字符菜單等。由于第一代界面考慮人的因素太少，用戶興趣不高。隨著技術的發展，出現了第二代直接操縱的界面。它大量使用圖形、語音和其它交互媒介，充分地考慮了人對美的需求。直接操縱的界面使用視聽、觸摸等技術，讓人可以憑借生活常識、經歷和推理來操縱軟件，愉快地完成任務。更高層次的界面甚至模擬了人的生活空間，例如虛擬現實環境。界面的美充分體現了人機交互作用中人的特性與意圖，越來越多的用戶將通過具有吸引力而令人愉快的人機界面與計算機打交道。 界面美的內涵本節從合適性、風格和廣義美三個方面論述界面美的內涵。一、界面的合適性界面的合適性是指界面是否與軟件功能相融洽。如果界面不適合于軟件的功能，那么界面將毫無用處，界面美的內涵就無從談起。所以界面的合適性是界面美的首要因素，它提醒設計者不要片面追求外觀漂亮而導致失真或華而不實。界面的合適性既提倡外美內秀，又強調恰如其分。合適性差的界面無疑會混淆軟件意圖，致使用戶產生誤解。即使它不損害軟件功能與性能，也會使用戶產生不該有的情緒波動。例如一些軟件開發者喜歡為其作品加一段動畫演示，以便吸引更多用戶的關注。這本是無可非議的，問題在于這演示是否合情合理。如果運行一個程序，它首先表演一套復雜的動畫，在后臺演奏雄壯的進行曲，電閃雷鳴之后出來的卻是一個普通的文本編輯器。整個過程讓用戶置身于云里霧里，而結果卻讓用戶感到驚諤而不是驚喜。合適性差的界面只會給軟件帶來厄運。二、界面的風格界面的風格有兩類，一是“一致性”，二是“個性化”。商業應用軟件的界面設計注重一致性。設計者必須密切注意在相同應用領域中最流行的軟件的界面，必須尊重用戶使用這些軟件的習慣。例如商業軟件習慣于設置F1鍵為幫助熱鍵，如果某個設計者別出心裁地讓F1鍵成為程序終止的熱鍵，那么在用戶渴望得到幫助而伸手擊F1鍵的一剎那，他的工作就此完蛋。相信這個用戶“一朝被蛇咬，十年怕井繩”。目前流行的軟件開發工具如Visual C++、Visual Basic、Delphi、C++ Builder、Power Builder等，都能夠快速地開發出非常相似的圖形用戶界面。在Internet/Intranet領域，瀏覽器幾乎成了唯一的客戶機程序，因為用戶希望用完全一致的軟件來完成千變萬化的應用任務。在娛樂領域的軟件中，有個性化的界面自然比泯然于眾的界面更具有吸引力。一般說來，計算機專業人員玩過的軟件不計其數。界面看多了，真有種“曾經滄海難為水”的感覺。不過當我看到一個叫Sonique的放音樂的軟件時，不禁對其界面的創意嘖嘖稱贊，忍不住象貼美女像那樣把它貼到書中。 Sonique軟件的幾種界面人們經常搞不清楚什么情況下應該追求“一致性”或“個性化”。在大白天，當人們都穿戴整齊時，有些人喜歡只掛幾片遮羞布。而當大家都赤條條地在共公浴室洗澡時，卻也有人喜歡穿著衣服。三、界面的廣義美盡管界面的美并沒有增加軟件的功能與性能，卻又是必為可少的。用戶使用界面時，除了直接的感官美感外，還有很大一部分美感是間接的，它們存在于人們的使用體驗中，例如方便，實用等。與圖形用戶界面相比，命令行是最原始的界面，它難記又難看。但對于熟練的用戶而言，他們樂于使用命令行以獲得高效率。命令行因具有高效率而贏得了專業人士的喜愛，早期的Unix系統就是徹頭徹尾的命令系統。可以說，一切有利于人機交互的界面設計因素都具有廣義美。界面設計的一些特殊考慮也體現了廣義美，如設法使殘障人也可以使用軟件。IBM公司在1985年已經創建了殘障人國家支持中心。Apple公司的專門教育辦公室則提供了一些有利于殘障人使用的計算機信息產品。 系統設計示例——支持協同工作的交互式三維圖形軟件開發系統本節論述“支持協同工作的交互式三維圖形軟件開發系統”的系統設計，作為本章的示例（ 取材于作者的博士論文工作[林銳 2000]）。 設計背景圖形標準在圖形領域有著重要的地位，它不僅加速了3D應用程序的開發，而且使3D應用程序的可移植性更好。歷史上曾出現的圖形標準（或API）有Core、GKS、PHIGS、PEX、GL、Dore、RenderMan、Hoops、OpenGL等等。經過競爭與淘汰，目前OpenGL成為國際上公認的3D圖形工業標準，在Unix與PC平臺得到廣泛應用。OpenGL提供了數百個庫函數，可以方便地繪制具有真實感的3D圖形。但是在開發交互式的3D圖形應用程序時，圖形的繪制只是一部分工作，更多的工作集中在場景數據結構、圖形對象、三維交互和圖形用戶界面的設計上。由于Ope