论软件的可靠性设计<br />现代军事和商用系统中，随着系统中软件成分的不断增加，系统..

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第3题

知识点：程序设计军事可靠性可靠性设计软件设计软件设计阶段设计过程设计阶段性能需求

论软件的可靠性设计
现代军事和商用系统中，随着系统中软件成分的不断增加，系统对软件的依赖性越来越强。软件可靠性已成为软件设计过程中不可或缺的重要组成部分。实践证明，保障软件可靠性域有效、最经济、最重要的手段是在软件设计阶段采取措施进行可靠性控制，由此提出了可靠性设计的概念。可靠性设计就是在常规的软件设计中，应用各种方法和技术，使程序设计在兼顾用户的功能和性能需求的同时，全面满足软件的可靠性要求。

问题：3.1 请围绕“软件的可靠性设计”论题，依次从以下三个方面进行论述。
1.概要叙述你参与管理和开发的软件项目以及你在其中所担任的主要工作。
2.简要说明目前比较主流的软件可靠性设计技术，结合项目实际情况，阐述所选择的可靠性设计技术及其原因。
3.结合你具体参与管理和开发的实际项目，举例说明所选取的软件可靠性技术的具体实施过程，并详细分析实施效果。


知识点讲解
· 程序设计 · 军事 · 可靠性 · 可靠性设计 · 软件设计 · 软件设计阶段 · 设计过程 · 设计阶段 · 性能需求

程序设计

类和继承

1）类

一个类是一些属性和方法的封装体，类的定义用关键字class声明，用关键字public、protected、 private指定类的成员的存取控制属性：private（私有）成员只有类内部的方法才能访问，protected（保护）成员派生类和同一文件夹下的类可以访问，public（公有）成员可以从类的外部访问。默认是public。这体现了面向对象的以下指导思想：尽量将类内部的细节隐藏起来，对类的属性的操作应该通过类的方法来进行。

另外，public还可以用来修饰类，public类能够被其他文件夹下的类访问，非public类只能被同一文件夹下的类访问。一个.java文件中可以包含多个类，会被编译成多个.class文件，但只能有一个public类，而且该类名要和文件名一样。

2）继承

Java中用关键字extends表示类间的继承关系。父类的公有属性和方法成为子类的属性和方法，子类如果有和父类的同名、同参数类型的方法，那么子类对象在调用该方法时，调用的是子类的方法，亦即方法的重置。如果想要调用父类的同名方法，需要用super关键字（属性同理）。

子类的对象可以作为祖先类的对象使用，即所谓类的向上转换，反之则不行。具体表现在：可以用子类对象来对祖先类对象赋值，可以用子类对象作为实参去调用以父类对象为形参的函数。

对象的引用本质

Java中的对象实际上是对象的引用，本质上和C语言中的指针是一样的；但也和C语言指针不尽相同，例如，不能自增、自减，不能强制转换成其他类型。

例如：

构造方法

构造方法就是类的对象生成时会被调用的方法。每个类至少有一个构造方法（Constructor），也称构造函数。构造方法的名字和类名相同，没有任何返回类型。每个类都有一个默认的构造方法，但当用户自定义了构造方法后，默认的构造函数就不再有效了。

重载

同一个类中的两个或两个以上方法，名字相同，而参数个数不同或参数类型不同，称为重载。注意：不能有各方法名字和参数都一样，而仅仅返回值类型不同。

静态属性和静态方法

静态属性和静态方法的声明用关键字static实现，一个类的静态属性只有一份，由所有该类的对象共享。不需要创建对象也能访问类的静态属性和方法，访问方式为"类名．静态属性或静态方法"，静态方法与对象无关，因此不能在静态方法中访问非静态属性和调用非静态方法。

this和super关键字

这两个关键字颇为重要。this代表当前对象，super代表当前对象的父类的东西。

this主要用途有以下两个。

（1）一个构造函数调用另一个构造函数，对构造函数的调用必须是第一条语句。

（2）将对象自身作为参数来调用一个函数。

super的用途如下：在子类中调用父类的同名方法，或在子类的构造函数中调用父类的构造函数，此时亦必须是第一条语句。

多态

所谓多态，是指通过基类对象调用一个基类和派生类都有的方法时，在运行时才能确定到底调用的是基类的方法还是派生类的方法。多态的好处是增加了程序的可扩展性。多态是通过动态联编实现的，即编译时不确定，程序运行时才确定调用哪个函数。

抽象类与接口

1）抽象类

抽象类通过关键字abstract实现，抽象类的目的是定义一个框架，规定某些类必须具有的一些共性。

包含抽象方法的类一定是抽象类，所谓抽象方法是指没有函数体的方法。

抽象类的直接派生类必须实现其抽象方法；抽象类只能用于继承，不能创建对象。

2）接口（Interface）

接口用关键字interface声明，只能用于继承。注意：此时关键字为implements（实现）。接口用于替代多继承的概念，能实现多继承的部分特点，又避免了多继承的混乱，还能起到规定程序框架的作用。注意：接口也可以用于多态。

直接继承了接口的类，必须实现接口中的抽象方法；间接的则可以实现，也可以不实现。

3）抽象类与接口的异同

接口和抽象类都不能创建对象。

抽象类不能参与多继承，抽象类可以有非静态的成员变量，可以有非抽象方法；接口可以参与多继承，所有属性都是静态常量，所有方法都是public抽象方法。

异常处理

1）异常概念

异常，即出错，比如0作为除数、找不到类、打开文件错误、数组越界等。异常如果不进行处理，那么程序运行就会结束；如果进行处理，那么会在执行完异常处理代码后继续运行。

Java中所有异常类均继承自类Exception。

Java中的异常类层次结构如下：

此外，还有EOFException、 FileNotFoundException、 MalformedURLException等。

2）捕获异常

异常处理的典型用法如下，将可能出现异常的代码放在try块中，其后由一个或多个catch捕获相应异常进行处理，注意只执行第一个匹配的catch块，忽略后面的。

如果某个方法中所产生的异常该方法自己没有处理，那么可以在调用该方法的方法中进行处理，如果自己处理了，那么调用它的方法就无法得到该异常。

3）抛出异常

异常除了运行中系统产生的之外，也可以主动抛出异常，用关键字throw，如throw new Exception（）。注意：throw只能抛出Throwable子类的异常。

4）带throws关键字的方法

带throws关键字的方法声明如下：

强制调用该方法的方法必须处理可能发生的异常，或者将异常重新定向。假定方法A带throws关键字，而方法B中调用了方法A，则方法B中必须有处理方法A中可能产生的异常的语句，或者方法B也带throws关键字，指明调用方法B的方法必须处理异常。

final关键字

用final关键字定义的常量，在其初始化或第一次赋值后，其值不能被改变。常量必须先有值，然后才能使用。对于常量的第一次赋值只能在构造函数中进行。

final对象的值不能被改变，指的是该对象不能再指向其他对象，而不是指不能改变当前对象内部的属性值。

函数参数声明为final后，函数中不能改变其值。

final方法是不能被重置的方法。

final类不能被继承，其所有方法都是final的，但属性可以不是final的。

军事

立体显示技术在军事领域的应用广泛，3D虚拟军事就是通过虚拟世界进行的军事活动，例如军事演习。用户在其中可以锻炼自己的团队配合能力、提高军事能力等。3D虚拟世界可以为装备赋予相应的属性，如厚度、材质（钢铁、钛合金等）、速度等，既可以进行新概念型武器的性能测试，又可以进行模拟军事演习，不费一兵一卒而掌握到关键的数据。

另外，现代战争对官兵的心理素质提出了更高的要求。为锤炼官兵适应未来战场的过硬心理素质，众多国家引入了3D技术以强化心理训练的效果，他们利用3D心理训练室制作出了惊险刺激、紧张激烈的画面，剪辑制作成“防暴体验”“战争感受”“心理抗压”等专题，利用3D技术和环绕立体声技术构建虚拟战场，通过体验逼真的战场环境开展心理训练，加强官兵的军事素质。

此外，3D技术还能够真实地展现自然场景的实际情况，适用于飞行模拟训练、控制系统显示以及潜艇水下领航等方面。3D技术在航空立体侦察、星际遥感／遥测成像分析、风洞试验和空气动力学模型等方面也具有重要的使用价值。

可靠性

（1）完备性。完备性评价指标及测量，如下表所示。

完备性评价指标及测量

（2）连续性。连续性评价指标及测量，如下表所示。

连续性评价指标及测量

（3）稳定性。稳定性评价指标及测量，如下表所示。

稳定性评价指标及测量

（4）有效性。有效性评价指标及测量，如下表所示。

有效性评价指标及测量

（5）可追溯性。可追溯性评价指标及测量，如下表所示。

可追溯性评价指标及测量

可靠性设计

嵌入式系统硬件相关的可靠性设计往往是为“在有限的资源下尽可能提高可靠性”。因此可靠性设计通常需要考虑如下因素，以平衡不同因素对可靠性的影响：

.有效的散热，降低高温对系统的危害；

.尽量减少高敏感元器件的使用；

.更多的使用可靠度高、质量好的元器件；

.指定采用屏蔽性好或者内嵌的测试方法；

.使用最少的元器件设计出来简单的电路；

.在电子元器件级别进行冗余。

温度是影响所有电子元器件的重要因素之一，而所有元器件都会产生热量。过高的温度会对元器件造成不可逆转的损伤，并阻碍电流流动。而且高温也是元器件损害的最主要的原因。同时过低温也会损坏电子设备。一般来说设备需要工作在所设计的环境中，不同级别的设备会对不同环境的耐受级别不同，因此根据不同用途要选择合适的设备，同时使用适当的散热或者保温措施。

重要的是，元器件工作在标称额定值（环境）以内对电子设备的可靠性会有较大的提升。对于电容、电阻等元器件和各类芯片，都会对电压、电阻、功率、频率等有着严格的规定。保证电子元器件、电路工作在合理的环境中可以有效的保护元器件、降低故障发生的可能，提高可用性。此外选用高可靠的元器件也可以有效地提高可靠性。在选用可靠的元器件并对环境做出保证后，还应当进行筛选和老化实验保证元器件的一部分不合格元器件筛除。

根据概率论的相关知识，若假设所有元器件出错的概率为p，而n个元器件中任意元器件出错都会导致系统崩溃，则整个系统出错的概率为1-（1-p）ⁿ。当n增加时，出错的概率会以指数形式增长。因此，降低元器件个数、简化设计可以有效地降低故障发生的概率从而提高可靠性。当一个部件的故障率为p而同时有n个冗余部件时，其整体故障的概率为pⁿ。可以看出，当冗余元器件增多的时候，整体的故障概率会成指数形式降低。因此，有效的冗余设计可以保证系统的可靠性提高。

软件设计

软件设计的任务

在给定系统的需求规格说明书后，需要对软件的结构进行设计，并对设计的过程进行管理。在嵌入式系统的软件设计过程中，需要完成以下一些任务。

准备工作计划

在软件设计之前，首先要制订详细的工作计划，其内容包括：

.过程管理方案：包括软件开发的进度管理、软件规模和所需人年的估算、开发人员的技能培训等；

.开发环境的准备方案：包括开发工具的准备、开发设备的准备、测试装备的准备、分布式开发环境下的开发准则等；

.软硬件联机调试的方案：联调的起始时间、地点、人员和具体的准备工作；

.质量保证方案：包括质量目标计划、质量控制计划等；

.配置控制方案：包括配置控制文档的编写、配置控制规则的制订等。

确定软件的结构

设计软件的各个组成部分，包括：

.任务结构的设计：使用操作系统提供的函数，设计出一个最佳的任务结构；

.线程的设计；

.公共数据结构的设计：在确保系统一致性的基础上，设计出所需的公共数据；

.操作系统资源的定义；

.类的设计；

.模块结构设计：在设计时要充分考虑模块的划分、标准化、可重用和灵活性等；

.内存的分配与布局。

设计评审

对于软件设计的结果，进行一次设计评审，并在必要时对设计进行修正。具体内容包括：

.确认每件工作的执行方法是否恰当，其内容是否完善；

.确认该设计完成了系统需求规格说明书所要求的功能和服务；

.评估任务结构设计、评估类的设计、评估模块结构设计；

.对软件设计的结果进行总结，编写出相应的文档。

维护工作计划

执行软件设计工作控制，在每日、每周和每月的时间粒度上对进度进行控制，确保软件设计能够如期完成。

与硬件部门密切合作、相互协调

根据工作计划中的安排，定期与硬件部门召开会议，协调各自的进展。如果软件规格说明书发生了变化，立即进行调整，重新进行软件设计。

控制工作的结果，把工作记录存档

掌握当前的工作进展情况，尽早地发现和分析问题，并采取相应的措施。对各种事件进行跟踪记录，包括：

.执行过程控制，跟踪进展情况并定期记录、存档。

.执行质量控制，保留质量记录。

.记录产品的配置、版本变化、bug的发现和处理等信息。

软件架构设计

软件架构也称为软件体系结构，需要考虑如何对系统进行分解，对分解后的组件及其之间的关系进行设计，满足系统的功能和非功能需求。软件架构形成过程如下图所示。

架构的形成过程概要

软件架构设计需要从用户业务需求、未来应用环境、需求分析、硬件基础、接口输入、数据处理、运算或控制规律、用户使用等方面进行综合、权衡和分析基础上产生。面向某种问题的架构一旦确定就很难改变，随后的架构设计需要通过一系列的迭代开发完善，使得软件架构日趋成熟、稳定。

软件架构的重要作用也在于控制一个软件系统的使用、成本和风险。好的架构要求是和谐的软件架构，包括与上一级系统架构相互和谐、与系统中同一级的其他组件架构互相和谐，确保系统满足性能、可靠性、安全性、信息安全性和互操作性等方面的关键要求，也具有可扩展、可移植性，从而为一个软件带来长久的生命力。

在大量开发实践中，有很多广泛使用并被普遍接受的软件架构设计原则，这些原则独立于具体的软件开发方法，主要包括抽象、信息隐藏、强内聚和松耦合、关注点分离等。

（1）抽象：这是软件架构的核心原则，也是人们认识复杂客观世界的基本方法。抽象的实质是提取主要特征和属性，从具体的事务中通过封装来忽略细节，并且运用这些特征和属性，描述一个具有普遍意义的客观世界。软件架构设计中需要对流程、数据、行为等进行抽象。复杂系统含有多层抽象，从而有多个不同层次架构。

（2）信息隐藏：包括局部化设计和封装设计。局部化设计就是将一个处理所涉及到的信息和操作尽可能地限制在局部的一个组件中，减少与其他组件的接口。而封装设计是将组件的外部访问形式尽可能简单、统一。

（3）强内聚和松耦合：强内聚是指软件组件内的特性，即组件内所有处理都高度相关，所有处理组合在一起才能组成一个相对完整的功能。而松耦合是指软件组件之间的特性，软件组件之间应尽量做到没有或极少的直接关系，使其保持相对独立，这样使得未来的修改、复用简单，修改之后带来的影响最小。

（4）关注点分离：所谓关注点是软件系统中可能会遇到的多变的部分。如为适应不同运行接口条件，需要进行适应性的参数调整和驱动配置。关注点分离设计是将这部分组件设计成为相对独立的部分，使未来的系统容易配置和修改。而核心的部分可以保持一个相对独立的稳定状态。如果功能分配使得单独的关注点组件足够简单，那么就更容易理解和实现。但“展示某些关注点得到满足时，可能会影响到其他方面的关注点，但架构师必须能够说明所有关注点都已得到满足”。

以上的原则中，删除需求细节或对细节进行抽象是最重要的工作，为用户的需求创建抽象模型，通过抽象将特殊问题映射为更普遍的问题类别，并识别各种模式。

软件架构设计使用纵向分解和横向分解两种方式。纵向分解就是分层，横向分解就是将每一个层面分成相对独立的部分。经过分解之后，可以将一个完整的问题分解成多个模块来解决。模块是其中可分解、可组装，功能独立、功能高度内聚、之间低耦合的一个组件。

类似于建筑架构，软件架构也决定了软件产品的好用、易用、可靠、信息安全、可扩展、可重用等特性，好的软件架构也给人完整、明确、清晰等赏心悦目的感觉，具有较长的生命力。

架构设计是围绕业务需求带来的问题空间到系统解决空间第一个顶层设计方案。按照抽象原则，在这个阶段进行的架构设计关注软件设计环节抽象出来的重要元素，而不是所有的设计元素。在架构设计时将软件这些要素看作是黑盒，架构设计需要满足黑盒的外部功能和非功能需求的目标。一个软件的架构设计首先为软件产品的后续开发过程提供基础，在此基础上可将一个大规模的软件分解为若干子问题和公共子问题。而一般意义的软件设计是软件的底层设计，开发人员需要关注各子问题或要素的进一步分解和实现，是根据架构设计所定义的每个要素的功能、接口，进一步实现要素组件内部的配置、处理和结构。在遵守组件外部属性前提下，考虑实现组件内部的细节及其实现方法。对于其中的公共子问题，形成公共类和工具类，从而可以达到重用的目的。

一般的软件构架是根据需求自上而下方式来设计，即首先掌握和研究利益相关方的关键需求，基本思路是首先进行系统级的软件架构设计，需要将软件组件与其外部环境属性绑定在一起，关注软件系统与外部环境的交联设计；其次将一个大的系统划分成各组成部分，这些部分可以按照架构设计的不同方法，分为层次或成为模块；之后再开始研究所涉及到的要素，再实现这些要素以及定义这些要素之间的关系。

在实际工作中，软件构架也可采用自底向上的方法，前提是已经建立了一个成熟稳定的软件架构，也可以称之为“模式”。模式是组织一级设计某一类具体问题的顶层思路，是为了解决共有问题解的方案模板，但并不是一个问题的设计或设计算法。

模式常常整合在一起使用，提供解决更大、更复杂问题的解决方案，而组成一个解决问题的通用框架。框架往往提供统一平台和开发工具，而且已经高效地利用了已经经过验证的模式、技术和组件。在新软件系统的设计中指定沿用或重用这种架构框架，这时其他重要元素可以在这个架构基础上针对新的需求进行扩展，有时是针对性地进行参数化设计。所以在架构设计中可以借用模式的概念进行设计，采用成熟的先进的设计框架和工具提高开发的效率，保证设计正确性。

下图所示是针对架构设计中非功能需求的多维度分析，从中可知任何一个因素的变化都会带来对其他因素的影响。实际上软件架构设计属于软件设计过程的一部分，但超越了系统内部的算法和数据结构的详细设计。

架构的多维度分析

在架构设计阶段，需要定义边界条件、描述系统组织结构、对系统的定量属性进行约束、帮助对模型进行描述并基本构造早期的原型、更准确地描述费用和时间的评估。

软件设计方法

在将系统分解为各个组件的过程中，需要采取不同的策略，而每个策略则关注不同的设计概念。根据分解过程中所采用的不同策略，设计方法有基于功能分解的设计方法、基于信息隐藏的设计方法和基于模型驱动开发的设计方法等分类。

（1）基于功能分解的设计方法。实时结构化分析与设计采用了功能分解，系统被分解为多个函数，并且以数据流或控制流的形式定义函数之间的接口；基于并发任务结构化的设计（Design Approach for Real-Time Systems，DARTS）提供了任务结构化标准，辅助人员确定系统中的并发任务，并指导定义任务接口。

（2）基于信息隐藏的设计方法。面向对象（Object Oriented，OO）设计方法将数据和数据上操作封装在对象实体中，对象外界不能够直接对对象内部进行访问和操作，只能通过消息间接访问对象，符合人类思维方式，提高软件的扩展性、维护性和重用性。

（3）基于模型驱动开发的设计方法。通过借助有效的（Model Driven Development，MDD）工具，构建和维护复杂系统的设计模型，直接产生高质量的代码，将开发的重心从编码转移到设计。当前使用较为广泛的MDD工具有IBM公司的Rhapsody。

软件设计阶段

从工程管理角度来看，软件设计可分为概要设计和详细设计两个阶段。

概要设计

概要设计也称为高层设计，即将软件需求转化为数据结构和软件的系统结构。例如，如果采用结构化设计，则从宏观的角度将软件划分成各个组成模块，并确定模块的功能及模块之间的调用关系。

概要设计主要包括设计软件的结构、确定系统由哪些模块组成，以及每个模块之间的关系。它采用的是结构图（包括模块、调用和数据）来描述程序的结构，还可以使用层次图和HIPO（层次图加输入／处理／输出图）。整个过程主要包括复查基本系统模型、复查并精化数据流图、确定数据流图的信息流类型（包括交换流和事务流）、根据流类型分别实施变换分析或事务分析，以及根据软件设计原则对得到的软件结构图进一步进行优化。

详细设计

详细设计也称为低层设计，即对结构图进行细化，得到详细的数据结构与算法。同样，如果采用结构化设计，则详细设计的任务就是为每个模块进行设计。

详细设计确定应该如何具体地实现所要求的系统，得出对目标系统的精确描述。它采用自顶向下、逐步求精的设计方式和单入口单出口的控制结构。经常使用的工具包括程序流程图、盒图、PAD图（问题分析图）及PDL（伪码）。

总的来说，在整个软件设计过程中，需完成以下工作任务。

（1）制定规范，作为设计的共同标准。

（2）完成软件系统结构的总体设计，将复杂系统按功能划分为模块的层次结构，然后确定模块的功能，以及模块间的调用关系和组成关系。

（3）设计处理方式，包括算法、性能、周转时间、响应时间、吞吐量和精度等。

（4）设计数据结构。

（5）可靠性设计。

（6）编写设计文档，包括概要设计说明书、详细设计说明书、数据库设计说明书、用户手册和初步的测试计划等。

（7）设计评审，主要是对设计文档进行评审。

在设计阶段，必须根据要解决的问题做出设计的选择。例如，半结构化决策问题就适合由交互式计算机软件来解决。

设计过程

结构化设计的过程如下。

（1）精化DFD。

（2）确定DFD的信息流类型（变换流或事务流）。

（3）根据流类型分别将变换流或事务流转换成程序结构图。

（4）根据软件设计的原则对程序结构图做优化。

（5）描述模块功能、接口及全局数据结构。

（6）复查。

设计阶段

设计阶段监理进行质量控制的要点如下。

（1）了解建设单位的建设需求和对信息系统安全性的要求，协助建设单位制定项目质量目标规划和安全目标规划。

（2）对各种设计文件提出设计质量标准。

（3）进行设计过程跟踪，及时发现质量问题，并及时与承建单位协调解决。审查阶段性成果，并提出监理意见。审查承建单位提交的总体设计方案，审查承建单位对关键部位的测试方案。

（4）协助承建单位建立质量保障体系。

（5）协助承建单位完善现场质量管理制度。

（6）组织设计文件及设计方案交底会，制定质量要求标准。

性能需求

在需求分析中要分析网络的多种性能特性，包括响应时间、延迟、等待时间、利用率、带宽、容量、吞吐量、可用性、可靠性、可恢复性、冗余度、适应性、可伸缩性、效率和费用等。有些需求用户不是很关心，但对于设计者却是必须考虑的。随着计算机网络数量的增长、规模的扩大，如何提高网络性能成为十分重要的问题。与衡量单机系统的性能不同，网络性能是衡量多台计算机系统的性能。了解网络用户的需要，设定恰当的性能目标，合理选择网络结构和组成，便能得到满足用户需求且性能比较好的网络。

网络用户关心的网络性能是能否获得最快的响应，网络管理员关心的网络性能是能否获得最高的资源利用率，两者需要很好地平衡。这种平衡包括两个方面：一方面是性能和价格的折中，另一方面是吞吐量和响应时间的平衡。

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