軟件設(shè)計“內(nèi)聚度”“耦合度”介紹
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一、聯(lián)系
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??? 當(dāng)個程序段或語句(指令)引用了其它程序段或語句(指令)中所定義或使用的數(shù)據(jù)名(即存貯區(qū)、地址等)或代碼時，他們之間就發(fā)生了聯(lián)系。一個程序被劃分為若干模塊時，聯(lián)系既可存在于模塊之間，也可存在于一個模塊內(nèi)的程序段或語句之間，即模塊內(nèi)部。聯(lián)系反映了系統(tǒng)中程序段或語句之間的關(guān)系，不同類型的聯(lián)系構(gòu)成不同質(zhì)量的系統(tǒng)。因此，聯(lián)系是系統(tǒng)設(shè)計必須考慮的重要問題。
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??? 系統(tǒng)被分成若干模塊后，模塊同模塊的聯(lián)系稱為塊間聯(lián)系；一個模塊內(nèi)部各成份的聯(lián)系稱為塊內(nèi)聯(lián)系。顯然，模塊之間的聯(lián)系多，則模塊的相對獨(dú)立性就差，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就混亂；相反，模塊間的聯(lián)系少，各個模塊相對獨(dú)立性就強(qiáng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就比較理想。同時，一個模塊內(nèi)部各成份聯(lián)系越緊密，該模塊越易理解和維護(hù)。
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二、評判模塊結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)
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1.模塊獨(dú)立性
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??? 模塊化是軟件設(shè)計和開發(fā)的基本原則和方法，是概要設(shè)計最主要的工作。模塊的劃分應(yīng)遵循一定的要求，以保證模塊劃分合理，并進(jìn)一步保證以此為依據(jù)開發(fā)出的軟件系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，易于理解和維護(hù)。根據(jù)軟件設(shè)計的模塊化、抽象、信息隱蔽和局部化等原則，可直接得出模塊化獨(dú)立性的概念。所謂模塊獨(dú)立性，即：不同模塊相互之間聯(lián)系盡可能少，應(yīng)盡可能減少公共的變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；一個模塊應(yīng)盡可能在邏輯上獨(dú)立，有完整單一的功能。
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??? 模塊獨(dú)立性(Moduleindependence)是軟件設(shè)計的重要原則。具有良好獨(dú)立性的模塊劃分，模塊功能完整獨(dú)立，數(shù)據(jù)接口簡單，程序易于實(shí)現(xiàn)，易于理解和維護(hù)。獨(dú)立性限制了錯誤的作用范圍，使錯誤易于排除，因而可使軟件開發(fā)速度快，質(zhì)量高。
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??? 為了進(jìn)一步測量和分析模塊獨(dú)立性，軟件工程學(xué)引入了兩個概念，從兩個方面來定性地度量模塊獨(dú)立性的程度，這兩個概念是模塊的內(nèi)聚度和模塊的耦合度。
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??? 2.塊內(nèi)聯(lián)系的度量——內(nèi)聚度
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??? 軟件概要設(shè)計是以需求分析所產(chǎn)生的文檔為依據(jù)，著手解決實(shí)現(xiàn)“需求”的軟件體系結(jié)構(gòu)，簡稱軟件結(jié)構(gòu)。這一階段確定軟件結(jié)構(gòu)的具體任務(wù)是將系統(tǒng)分解成模塊，確定各模塊的功能及調(diào)用關(guān)系，將用戶的需求分配到適當(dāng)?shù)奈恢蒙先ィ贸鱿到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
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??? 軟件概要設(shè)計的原則是模塊化、抽象化和信息隱藏，要達(dá)到這些原則，就要求模塊具有獨(dú)立性。模塊內(nèi)聚度用于衡量模塊內(nèi)部各成分之間彼此結(jié)合的緊密程度，模塊內(nèi)聚度由強(qiáng)到弱的順序如圖：
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??? 高<----------------------------- 內(nèi)聚度 -----------------------------低
??? | 功能內(nèi)聚 | 信息內(nèi)聚 | 通信內(nèi)聚 | 過程內(nèi)聚 | 時間內(nèi)聚 | 邏輯內(nèi)聚 | 巧合內(nèi)聚 |
??? 強(qiáng)<--------------------------- 模塊獨(dú)立性 ----------------------------弱
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??? 1> 功能內(nèi)聚 (Functional Cohesion)
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??? 功能內(nèi)聚是內(nèi)聚度最高的一種模塊類型。如果模塊僅完成一個單一的功能，且該模塊的所有部分是實(shí)現(xiàn)這一功能所必須的，沒有多余的語句，則該模塊為功能內(nèi)聚。功能內(nèi)聚模塊的結(jié)構(gòu)緊湊、界面清晰，易于理解和維護(hù)，因而可靠性強(qiáng)；又由于其功能單一，故復(fù)用率高。所以它是模塊劃分時應(yīng)注意追求的一種模塊類型。
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??? 2> 信息內(nèi)聚 (Informational Cohesion)
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??? 這種模塊完成多個功能，各個功能都在同一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上操作，每一項(xiàng)功能都一個唯一的入口。這個模塊將根據(jù)不同的要求，確定該執(zhí)行哪一個功能。由于這個模塊的所有功能都是基于同一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(符號表)，因此它是一個信息內(nèi)聚模塊。
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??? 信息內(nèi)聚模塊可以看作多個功能內(nèi)聚模塊的組合，并且達(dá)到信息的隱蔽。即把某個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、資源或設(shè)備隱蔽在一個模塊內(nèi)，不為別的模塊所知曉。如果一個模塊的各個成分和同一個功能密切相關(guān)，而且一個成分的輸出作為另一個成分的輸入，則稱為順序內(nèi)聚。
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??? 順序內(nèi)聚的模塊內(nèi)，后執(zhí)行的語句或語句段往往依賴先執(zhí)行的語句或語句段，以先執(zhí)行的部分為條件。由于模塊內(nèi)各處理元素間存在著這種邏輯聯(lián)系，所以順序內(nèi)聚模塊的可理解性很強(qiáng)，屬高內(nèi)聚度類型模塊。
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??? 3> 通信內(nèi)聚 (Communication Cohesion)
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??? 若一個模塊中的各處理元素需引用共同的數(shù)據(jù)(同一數(shù)據(jù)項(xiàng)、數(shù)據(jù)區(qū)或文件)，即使用了相同的輸入數(shù)據(jù)或輸出數(shù)據(jù)，則稱其元素間的聯(lián)系為通信內(nèi)聚。通信內(nèi)聚的各部分間是借助共同使用的數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起的，故有較好的可理解性。通常內(nèi)聚模塊是通過數(shù)據(jù)流圖來定義的。
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??? 4> 過程內(nèi)聚 (Procedural Cohesion)
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??? 如果一個模塊內(nèi)的各個處理元素是相關(guān)的，而且必須按固定的次序執(zhí)行，這種內(nèi)聚就叫做過程內(nèi)聚。過程內(nèi)聚的各模塊內(nèi)往往體現(xiàn)為有次序的流程。
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??? 在使用流程圖作為工具設(shè)計程序時，把流程圖中的某一部分劃出組成模塊，就得到過程內(nèi)聚模塊。例如把流程圖中的循環(huán)部分、判定部分、計算部分分成三個模塊，則這三個模塊都是過程內(nèi)聚的。
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??? 5> 時間內(nèi)聚 (Classical Cohesion)
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??? 時間內(nèi)聚又稱為經(jīng)典內(nèi)聚或瞬時內(nèi)聚。時間內(nèi)聚是指一個模塊中包含的任務(wù)需要在同一時間內(nèi)執(zhí)行(如初始化，結(jié)束等所需操作)。與巧合內(nèi)聚和邏輯內(nèi)聚相比，這種內(nèi)聚類型要稍強(qiáng)些，因?yàn)橹辽僭跁r間上，這些任務(wù)可以一起完成。但時間內(nèi)聚和偶然內(nèi)聚、邏輯內(nèi)聚一樣，都屬低內(nèi)聚度類型。
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??? 6> 邏輯內(nèi)聚 (Logical Cohesion)
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??? 一個模塊完成的任務(wù)在邏輯上屬于相同或相似的一類(例如用一個模塊產(chǎn)生各種類型的輸出)，則該種模塊內(nèi)的聯(lián)系稱為邏輯內(nèi)聚。每次調(diào)用模塊時，由傳送給模塊的判定參數(shù)來確定該模塊應(yīng)執(zhí)行哪一種功能。
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??? 邏輯內(nèi)聚的模塊各成分之間在功能上并無關(guān)系，即使局部功能的修改有時也會影響全局，因此主要的困難有：
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??? ① 修改困難，調(diào)用模塊中有一個要對其改動，還要考慮到其它調(diào)用模塊；
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② 模塊內(nèi)需要增加開關(guān)，以判別是誰調(diào)用，因而增加了塊間聯(lián)系；
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③ 實(shí)際上每次調(diào)用只執(zhí)行模塊中的一部分，而其它部分也一同被裝入內(nèi)存，因而效率不高。
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??? 7> 巧合內(nèi)聚(Coincidental Cohesion)
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??? 塊內(nèi)的各個任務(wù)(通過語句或指令來實(shí)現(xiàn)的)沒有什么有意義的聯(lián)系，它們之所以能構(gòu)成一個模塊完全是偶然的原因。
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??? 這類模塊內(nèi)部沒有實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系，很可能在某種情況下一個調(diào)用模塊需要對它修改而別的模塊不需要。這時就很難處理。同時，這種模塊的含義也不易理解，甚至難以為它取一個合適的名字，偶然內(nèi)聚的模塊也難于測試。所以，在空間允許的情況下，不應(yīng)使用這種模塊。
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??? 3.塊間聯(lián)系的度量——耦合度
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??? 耦合度是對一個軟件結(jié)構(gòu)內(nèi)不同模塊之間互連程度的度量。耦合強(qiáng)弱取決于模塊間接口的復(fù)雜程度、進(jìn)入訪問一個模塊的點(diǎn)及通過接口的數(shù)據(jù)。在軟件設(shè)計中應(yīng)該追求盡可能松散的耦合系統(tǒng)，在這樣的系統(tǒng)中可以研究、測試或修改、維護(hù)任何一個模塊，而不需要對系統(tǒng)的其它模塊有很多的了解或影響其它模塊的實(shí)現(xiàn)。此外，當(dāng)某處發(fā)生錯誤時，低耦合度系統(tǒng)的錯誤傳播的范圍相對小些。
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??? 耦合度取決于各個模塊間接口的復(fù)雜程度、調(diào)用模塊的方式，以及哪些信息通過接口。耦合度的強(qiáng)弱依賴以下幾個因素：
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??? (1)一個模塊對另一個模塊的調(diào)用
??? (2)一個模塊向另一個模塊傳遞的數(shù)據(jù)量
??? (3)一個模塊施加到另一個模塊的控制的多少
??? (4)模塊之間接口的復(fù)雜度
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??? 一般模塊之間可能的連接方式有以下幾種，耦合度由低到高如下所示：
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??? 低<------------------------------ 耦合性 ------------------------------低
??? | 非直接耦合 | 數(shù)據(jù)耦合 | 標(biāo)記耦合 | 控制耦合 | 外部耦合 | 公共耦合 | 內(nèi)容耦合 |
??? 強(qiáng)<---------------------------- 模塊獨(dú)立性 -----------------------------弱
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??? 1> 非直接耦合 (Nondirective Coupling)
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??? 指兩個模塊彼此完全獨(dú)立，沒有直接聯(lián)系。它們之間的唯一聯(lián)系僅僅在于它們同屬于一個軟件系統(tǒng)或同有一個上層模塊。這是耦合程度最低的一種。當(dāng)然，系統(tǒng)中只可能有一部分模塊屬此種聯(lián)系，因?yàn)橐粋€程序系統(tǒng)中不可能所有的模塊都完全沒有聯(lián)系。
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??? 2> 數(shù)據(jù)耦合 (Data Coupling)
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??? 兩個模塊彼此交換數(shù)據(jù)，如一個模塊的輸出數(shù)據(jù)是另一個模塊的輸入數(shù)據(jù)，或一個模塊帶參數(shù)調(diào)用另一個模塊，下層模塊又返回參數(shù)，則稱為數(shù)據(jù)耦合。注意這里的數(shù)據(jù)指的是簡單數(shù)據(jù)，而不包括控制參數(shù)、公共數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或外部變量。
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??? 應(yīng)該說，在一個軟件系統(tǒng)中，此種耦合是不可避免的，且有其積極意義。因?yàn)槿魏喂δ艿膶?shí)現(xiàn)都離不開數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、表示和傳遞。數(shù)據(jù)耦合的聯(lián)系程度也較低。
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??? 3> 標(biāo)記耦合 (Stamp Coupling)
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??? 如果一組模塊通過參數(shù)傳遞記錄信息，這稱為標(biāo)記耦合。這個記錄是某一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)，而不是簡單變量。
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??? 4> 控制耦合 (Control Coupling)
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??? 如果一個模塊通過開關(guān)、標(biāo)志、名字等控制信息，明顯得控制選擇另一模塊功能，這種耦合稱為控制耦合。控制耦合屬于中等程度的耦合，較之?dāng)?shù)據(jù)耦合模塊間的聯(lián)系更為緊密。但控制耦合不是一種必須存在的耦合。
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??? 當(dāng)被調(diào)用模塊接收到控制信息作為輸入?yún)?shù)時，說明該模塊內(nèi)部存在多個并列的邏輯路徑，即有多個功能。控制變量用以從多個功能中選擇所要執(zhí)行的部分，因而控制耦合是完全可以避免的。排除控制耦合可按如下步驟進(jìn)行：
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??? ① 找出模塊調(diào)用時所用的一個或多個控制變量；
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② 在被調(diào)模塊中根據(jù)控制變量找出所有的流程；
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③ 將每一個流程分解為一個獨(dú)立的模塊；
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④ 將原被調(diào)模塊中的流程選擇部分移到上層模塊，變?yōu)檎{(diào)用判斷。
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??? 通過以上變換，可以將控制耦合變?yōu)閿?shù)據(jù)耦合。由于控制耦合增加了設(shè)計和理解的復(fù)雜程度，因此在模塊設(shè)計時要盡量避免使用。當(dāng)然，如果模塊內(nèi)每一個控制流程規(guī)模相對較小，彼此共性較多，使用控制耦合還是合算的。
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??? 5> 外部耦合 (External Coupling)
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??? 一組模塊都訪問同一全局簡單變量而不是同一全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而且不是通過參數(shù)傳遞該全局變量的信息，則稱之為外部耦合。
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??? 6> 公共耦合 (Common Coupling)
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??? 公共耦合又稱公共環(huán)境耦合或數(shù)據(jù)區(qū)耦合。若多個模塊對同一個數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行存取操作，它們之間的關(guān)系稱為公共耦合。公共數(shù)據(jù)區(qū)可以是全程變量、共享的數(shù)據(jù)區(qū)、內(nèi)存的公共復(fù)蓋區(qū)、外存上的文件、物理設(shè)備等。當(dāng)兩個模塊共享的數(shù)據(jù)很多，通過參數(shù)傳遞可能不方便時，可以使用公共耦合。公共耦合共享數(shù)據(jù)區(qū)的模塊越多，數(shù)據(jù)區(qū)的規(guī)模越大，則耦合程度越強(qiáng)。公共耦合最弱的一種形式是：兩個模塊共享一個數(shù)據(jù)變量，一個模塊只向里寫數(shù)據(jù)，另一個模塊只從里讀數(shù)據(jù)。
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??? 當(dāng)公共耦合程度很強(qiáng)時，會造成關(guān)系錯綜復(fù)雜，難以控制，錯誤傳遞機(jī)會增加，系統(tǒng)可靠性降低，可理解、維護(hù)性差。
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??? 7> 內(nèi)容耦合 (Content Coupling)
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??? 內(nèi)容耦合是耦合程序最高的一種形式。若一個模塊直接訪問另一模塊的內(nèi)部代碼或數(shù)據(jù)，即出現(xiàn)內(nèi)容耦合。內(nèi)容耦合的存在嚴(yán)重破壞了模塊的獨(dú)立性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化，代碼互相糾纏，運(yùn)行錯綜復(fù)雜，程序的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)結(jié)構(gòu)很不一致，其惡劣結(jié)果往往不可預(yù)測。
內(nèi)容耦合往往表現(xiàn)為以下幾種形式：
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??? ①一個模塊訪問另一模塊的內(nèi)部代碼或數(shù)據(jù)；
??? ②一個模塊不通過正常入口而轉(zhuǎn)到另一個模塊的內(nèi)部(如使用GOTO語句或JMP指令直接進(jìn)入另一模塊內(nèi)部)；
??? ③兩個模塊有一部分代碼重迭(可能出現(xiàn)在匯編程序中，在一些非結(jié)構(gòu)化的高級語言，如COBOL中也可能出現(xiàn))；
??? ④一個模塊有多個入口(這意味著一個模塊有多種功能)。
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??? 一般講，在模塊劃分時，應(yīng)當(dāng)盡量使用數(shù)據(jù)耦合。少用控制耦合（盡量轉(zhuǎn)成數(shù)據(jù)耦合），限制公共耦合的范圍，完全不用內(nèi)容耦合。
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