軟體開發模型

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軟體開發模型(Software Development Model)

　　軟體開發模型是指軟體開發全部過程、活動和任務的結構框架。軟體開發包括需求、設計、編碼和測試等階段，有時也包括維護階段。

　　軟體開發模型能清晰、直觀地表達軟體開發全過程，明確規定了要完成的主要活動和任務，用來作為軟體項目工作的基礎。

　　最早出現的軟體開發模型是1970年溫斯頓·羅伊斯（Winston Royce）提出的瀑布模型。該模型給出了固定的順序，將生存期活動從上一個階段向下一個階段逐級過渡，如同流水下瀉，最終得到所開發的軟體產品，投入使用。但計算拓廣到統計分析、商業事務等領域時，大多數程式採用高級語言(如FORTRAN、COBOL等)編寫。瀑布模式模型也存在著缺乏靈活性、無法通過併發活動澄清本來不夠確切的需求等缺點。

　　典型的開發模型有：瀑布模型(waterfall model)、漸增模型/演化/迭代(incremental model)、原型模型(prototype model)、螺旋模型(spiral model)、噴泉模型(fountain model)、智能模型(intelligent model)、混合模型(hybrid model)

　　1、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。

　　在這個模型中，開發人員拿到項目立即根據需求編寫程式，調試通過後生成軟體的第一個版本。在提供給用戶使用後，如果程式出現錯誤，或者用戶提出新的要求，開發人員重新修改代碼，直到用戶滿意為止。

　　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，給軟體開髮帶來很大的風險；

　　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。

　　2、瀑布模型（Waterfall Model）

　　1970年溫斯頓·羅伊斯提出了著名的“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。

　　瀑布模型將軟體生命周期劃分為制定計劃、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。

　　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的，用戶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，可以用線性的方式來實現，否則幹活就太累了。線性是一種簡潔，簡潔就是美。當我們領會了線性的精神，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。

　　3、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，實現客戶或未來的用戶與系統的交互，用戶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，快速原型方法可以剋服瀑布模型的缺點，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。

　　4、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、集成和測試，每一個構件是由多種相互作用的模塊所形成的提供特定功能的代碼片段構成。

　　增量模型在各個階段並不交付一個可運行的完整產品，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幹個構件，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。

　　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。核心產品交付用戶使用後，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佈。這個過程在每個增量發佈後不斷重覆，直到產生最終的完善產品。

　　例如，使用增量模型開發字處理軟體。可以考慮，第一個增量發佈基本的文件管理、編輯和文檔生成功能，第二個增量發佈更加完善的編輯和文檔生成功能，第三個增量實現拼寫和文法檢查功能，第四個增量完成高級的頁面佈局功能。

　　5、螺旋模型（Spiral Model）

　　1988年，巴利·玻姆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。

　　螺旋模型沿著螺線進行若幹次迭代，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持軟體的重用，有助於將軟體質量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

　　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。

　　6、演化模型(evolutionary model)

　　主要針對事先不能完整定義需求的軟體開發。用戶可以給出待開發系統的核心需求，並且當看到核心需求實現後，能夠有效地提出反饋，以支持系統的最終設計和實現。軟體開發人員根據用戶的需求，首先開發核心系統。當該核心系統投入運行後，用戶試用之，完成他們的工作，並提出精化系統、增強系統能力的需求。軟體開發人員根據用戶的反饋，實施開發的迭代過程。第一迭代過程均由需求、設計、編碼、測試、集成等階段組成，為整個系統增加一個可定義的、可管理的子集。

　　在開發模式上採取分批迴圈開發的辦法，每迴圈開發一部分的功能，它們成為這個產品的原型的新增功能。於是，設計就不斷地演化出新的系統。 實際上，這個模型可看作是重覆執行的多個“瀑布模型”。

　　“演化模型”要求開發人員有能力把項目的產品需求分解為不同組，以便分批迴圈開發。這種分組並不是絕對隨意性的，而是要根據功能的重要性及對總體設計的基礎結構的影響而作出判斷。有經驗指出，每個開發迴圈以六周到八周為適當的長度。

　　7、噴泉模型（fountain model, (面向對象的生存期模型, 面向對象（Object Oriented,OO）模型））

　　噴泉模型與傳統的結構化生存期比較，具有更多的增量和迭代性質，生存期的各個階段可以相互重疊和多次反覆，而且在項目的整個生存期中還可以嵌入子生存期。就像水噴上去又可以落下來，可以落在中間，也可以落在最底部。

　　8、智能模型（四代技術（4GL）)

　　智能模型擁有一組工具（如數據查詢、報表生成、數據處理、屏幕定義、代碼生成、高層圖形功能及電子錶格等），每個工具都能使開發人員在高層次上定義軟體的某些特性，並把開發人員定義的這些軟體自動地生成為源代碼。這種方法需要四代語言（4GL）的支持。4GL不同於三代語言，其主要特征是用戶界面極端友好，即使沒有受過訓練的非專業程式員，也能用它編寫程式；它是一種聲明式、互動式和非過程性編程語言。4GL還具有高效的程式代碼、智能預設假設、完備的資料庫和應用程式生成器。目前市場上流行的4GL（如Foxpro等）都不同程度地具有上述特征。但4GL目前主要限於事務信息系統的中、小型應用程式的開發。

　　9、混合模型（hybrid model）

　　過程開發模型又叫混合模型（hybrid model），或元模型（meta-model）,把幾種不同模型組合成一種混合模型，它允許一個項目能沿著最有效的路徑發展，這就是過程開發模型（或混合模型）。實際上，一些軟體開發單位都是使用幾種不同的開發方法組成他們自己的混合模型。

　　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。