ソフトウェア工学１第5回 設計（2）

2017年5月23日

中島

1

授業内容

• 前編– 設計とは

– 設計プロセス

– 設計で重要なこと

• アーキテクチャ記述

• 抽象データ型

• 後編– 手法

– パターン

2

設計プロセス： ２つのプロセス（おさらい）

抽象から詳細へ、論理から物理へ

ソフトウェア要求仕様書

ソフトウェア外部設計 ソフトウェアの方式的記述

・アーキテクチャ・コンポーネント・外部インタフェース・コンポーネント間インタフェース・データ

プログラムの仕様記述・モジュール構成・モジュール仕様・データ構造とアルゴリズム

ソフトウェア内部設計

ソフトウェア外部設計書

ソフトウェア内部設計書

3

良い設計を行うためには

設計知識を利用する

– 設計手法に則ること

• 記述法： 作るものの記述法

• 手順： 作るためのステップ

• 品質基準： 各ステップでの確認事項

– パターンを使うこと

• 課題： 解決すべき問題

• 前提： 問題の背景、前提事項、制約

• 解決策： 問題解決の核心的アイデア

4

設計プロセスと設計知識

２つの設計段階と設計知識

ソフトウェア要求仕様

ソフトウェアの方式的記述

ソフトウェア外部設計

プログラム仕様

ソフトウェア内部設計

アーキテクチャコンポーネント

モジュール

設計手法

パターン

ﾓｼﾞｭｰﾙ化手順

ﾓｼﾞｭｰﾙ化基準

ｱｰｷﾃｸﾁｬﾊﾟﾀｰﾝ

ﾃﾞｻﾞｲﾝﾊﾟﾀｰﾝ イディオム

抽象データ型ｱｰｷﾃｸﾁｬ記述

抽象ﾃﾞｰﾀ型カタログ

問題非依存

問題依存

言語知識依存

記述法

品質基準

手順

5

設計手法に則ること： 設計手法例で説明

複合／構造化設計： G. J. Myers データフロー図を使い，段階的に機能の詳細化を行い，プログラムモジュールまで展開する設計手法

記述法： データフロー図モジュール構成図

手順： STS分解

TR分解

品質基準： モジュール強度

モジュール間結合度

6

複合／構造化設計： 記述法

モジュール構成図データフロー図

処理A処理B

処理C

ﾃﾞｰﾀｽﾄｱ

ﾃﾞｰﾀa

ﾃﾞｰﾀbﾃﾞｰﾀc

ﾓｼﾞｭｰﾙA

ﾓｼﾞｭｰﾙB

ﾓｼﾞｭｰﾙC ﾓｼﾞｭｰﾙD

ﾓｼﾞｭｰﾙE ﾓｼﾞｭｰﾙF

7

• データフロー図： 機能の分解に用いる図

• モジュール構成図： モジュールの呼び出し関係図

複合／構造化設計：手順１ （１）

STS分解

A B入力A 出力B

入力部 処理部 出力部

処理 A処理 B

処理 C

ﾃﾞｰﾀｽﾄｱ

ﾃﾞｰﾀ a

入力Aﾃﾞｰﾀ c

出力B

入力Aの最大抽象点

ﾓｼﾞｭｰﾙA.1

ﾓｼﾞｭｰﾙA.2

ﾓｼﾞｭｰﾙA.3 ﾓｼﾞｭｰﾙ

A.1ﾓｼﾞｭｰﾙ

A.2ﾓｼﾞｭｰﾙ

A.3

ﾓｼﾞｭｰﾙA

出力Bの最大抽象点

入力A

A’ B’出力B

A’ B’

機能をデータの変換過程と捉え、機能を入力(Source)、処理(Transform)、出力(Sink) ３つの機能に分解する方法

8

複合／構造化設計：手順１ （２）

TR (Transaction) 分解

入力データに応じて処理が変わる場

合に用いるモジュール分割方法

C＜０

C＝０

C＞０

処理 A処理 B

処理C

ﾃﾞｰﾀｽﾄｱ

ﾃﾞｰﾀ a

入力Aﾃﾞｰﾀ c

出力B

ﾃﾞｰﾀC

処理1

処理2

処理3

ﾓｼﾞｭｰﾙC.1

ﾓｼﾞｭｰﾙC.2

ﾓｼﾞｭｰﾙC.3

ﾃﾞｰﾀD

ﾓｼﾞｭｰﾙC.1

ﾓｼﾞｭｰﾙC.2

ﾓｼﾞｭｰﾙC.3

ﾓｼﾞｭｰﾙC

ﾃﾞｰﾀDﾃﾞｰﾀD

ﾃﾞｰﾀD

9

複合／構造化設計： 品質基準その1

モジュール間結合度： ２つのモジュール間の結合の強さ

弱

強

①データ結合（引数直接渡し）

②スタンプ結合（構造体渡し）

③制御結合（制御変数を渡す）

④外部結合（外部データを参照）

⑤共有結合（共有データ領域を参照）

⑥内容結合

必要なデータが明示的に渡される

10

データ結合（引数直接渡し）の例

#include <stdio.h>

struct student {char name[40];char id[8];char birthday[9];char school;

};

void make_initial(char* name, char* initial) // 直接処理に使うデータのみ渡す{

char first[20], last[20];sscanf(name, "%s %s", first, last);sprintf(initial, "%c%c", first[0], last[0]);

}

int main(void) {struct student s = {"Taro Shibaura", "AL15126", "19960331", 'L'};char initial[3];

make_initial(s.name, initial);printf("%s's initial is %s¥n", s.name, initial);printf("%s's initial is %s¥n", s.name, to_lower(initial));

return 0;}

11

関数A 関数B

直接必要なデータを渡す

必要

スタンプ結合（構造体渡し）の例

#include <stdio.h>

struct student {char name[40];char id[8];char birthday[9];char school;

};

void make_initial(struct student *s, char* initial) // 構造体を丸ごと渡す{

char first[20], last[20];sscanf(s->name, "%s %s", first, last);sprintf(initial, "%c%c", first[0], last[0]);

}

int main(void) {struct student s = {"Taro Shibaura", "AL15126", "19960331", 'L'};char initial[3];

make_initial(&s, initial);printf("%s's initial is %s¥n", s.name, initial);

return 0;}

12

関数A 関数B

構造体丸ごとデータを渡す必要

不要

外部結合（外部データを参照）の例

#include <stdio.h>

struct student {char name[40];char id[8];char birthday[9];char school;

} s = {“Taro Shibaura”, “AL15126”, “19960331”, ‘L’}; // 外部変数の定義（関数外）

void make_initial(char* initial){

extern struct student s; // 外部変数の参照宣言char first[20], last[20];sscanf(s.name, "%s %s", first, last);sprintf(initial, "%c%c", first[0], last[0]);

}

int main(void) {extern struct student s; // 外部変数の参照宣言char initial[3];

make_initial(initial);printf("%s's initial is %s¥n", s.name, initial);

return 0;}

13

関数A 関数B

外部変数 外部データで渡す

共有結合（共有データ領域を参照）の例

#include <stdio.h>

char s[100]; // 共有データ領域の定義

void make_initial(){

sscanf(&s[0], “%s %s”, &s[61], &s[81]); // 決められた番地にアクセス！sprintf(&s[58], "%c%c", s[61], s[81]);

}

int main(void) {sprintf(&s[0], "Taro Shibaura");sprintf(&s[40],"AL15126");sprintf(&s[48],"1996331");s[57] = 'L';

make_initial();printf("%s's initial is %s¥n", &s[0], &s[58]);

return 0;}

14

関数A 関数B

共有データ領域

制御結合例

#include <stdio.h>#include <ctype.h>

struct student { char name[40]; char id[8]; char birthday[9]; char school };

void make_initial(char* name, char* initial, int lflag) // 制御指令をフラグで渡す！

{char first[20], last[20];sscanf(name, "%s %s", first, last);if (lflag == 1)

sprintf(initial, "%c%c", tolower(first[0]), tolower(last[0]));else

sprintf(initial, "%c%c", first[0], last[0]);}

int main(void) {struct student s = {"Taro Shibaura", "AL15126", "19960331", 'L'};char initial[3];

make_initial(s.name, initial, 0);printf("%s's initial is %s¥n", s.name, initial);make_initial(s.name, initial, 1);printf("%s's initial is %s¥n", s.name, initial);

return 0;} 15

プログラムにおける主な依存関係

• 関数間： 呼び出し関係

• 関数ｰ変数間： 外部変数参照

• クラス間（C++,Java)： 継承関係

• ファイル間： インクルード関係

16

参照を追加するのは簡単だが・・・

→ 複雑になると、修正の影響が思わぬところ発生する場合がある

⇒ しっかり設計しよう！

複合／構造化設計： 品質基準その２

モジュール強度： モジュール内の機能間の関連性

強

弱

①情報的強度

②機能的強度

③連絡的強度（手順的強度＋データ依存のあるもの）

④手順的強度（手順として起動する機能群）

⑤時間的強度（ある特定のタイミングに起動する機能群）

⑥論理的強度（制御フラグで機能選択される機能群）

⑦暗号的強度（独立した機能の寄せ集め）

単機能であること

カプセル化していること優劣はない

17

情報強度例： double型のキュー

#ifndef _MYQUEUE#define _MYQUEUE

// Double型のキューの仕様を記述

extern double queueGet(void); // キューからデータを取り出す

extern int queuePut(double); // キューにデータを入れる

//（-1:オーバーフロー, 0:正常）

extern int isQueueEmpty(void); // キューが空かどうかを調べる

// (1:True, 0:false)

#endif

18

抽象データ型「キュー」の仕様 myqueue.h

情報強度例： double型のキュー

double queueGet(void){

double value = 0;// 頭が縮みデータを取り出すif (isQueueEmpty() == 0) {

value = queue[head];head = (head + 1) % MY_QUEUE_SIZE;

}return value;

}

int isQueueEmpty(void){

return (head == tail) ? 1 : 0;}

19

抽象データ型「キュー」の実装 myqueue.c#include "myqueue.h"#define MY_QUEUE_SIZE 100

// 配列を循環的に使うことによるキューの実現static double queue[MY_QUEUE_SIZE];static int tail = 0; // キューの最後尾static int head = 0; // キューの最前列

int queuePut(double d){

int stat = 0;// 尾が伸びてデータが入るif ((tail + 1) % MY_QUEUE_SIZE == head) {

stat = -1;}else {

queue[tail] = d;tail = (tail + 1) % MY_QUEUE_SIZE;

}return stat;

}

パターンを用いること

パターン：

– 型、思考や行動の様式、見本

– ボキャブラリを提供すること （例： ゴシック様式）

– 繰返し使われること

– 問題ドメイン固有の知識の蓄積

• 要求

• 制約

• 解決策

20

パターンの記述内容

名称： パターンを識別するための名称

前提: 課題が生じる文脈（利用可能な状況）や制約

課題： 前提下で繰り返し現れる要求

解決策： 課題に対する解決策。以下の側面から記述：

– 構造： 構成要素と構成要素間の関係

– ふるまい： 実行時のプログラムの構造と実行シナリオ

– 設計根拠：要求と制約が、解決策でどのように達成するか

– 具体的な適用例

21

パターンの利用例

アーキテクチャパターンの例：

– 名称： Model-View-Controller (MVC)– 前提： 人間とコンピュータ間のインタフェースに柔軟性を

持たせた対話型アプリケーション

– 課題：

[課題1] 入力手段と表示手段を頻繁に変更したい

[課題2] 同一情報を異なる表示手段で表示したい

[課題3] データの変化を、即時に表示手段に反映したい

0

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 月 2 月 3 月 4 月

東京

名古屋

大阪

1 月 2 月 3 月 4 月東京 20.4 27.4 90 20.4名古屋 30.6 38.6 34.6 31.6大阪 45.9 46.9 45 43.9

入力手段表示手段

データ

データ処理

22

Model-View-Controller (MVC)の例

解決策： コンポーネント間の静的な構造

Model

コアデータ

データ処理

データ

0

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 月 2 月 3 月 4 月

東京

名古屋

大阪

1 月 2 月 3 月 4 月東京 20.4 27.4 90 20.4名古屋 30.6 38.6 34.6 31.6大阪 45.9 46.9 45 43.9

処理(Model) - 出力(View) - 入力(Controller)の３つの部分に分割する

入力UI部品

出力UI部品

Controller

View表示データ

イベント-処理変換

*

*

23

Model-View-Controller (MVC)の例

[課題1] 入力手段と表示手段を頻繁に変更したい

解決策： ユーザインタフェースを動的に切り替える– Modelから、ViewとControllerへの接続を、ユーザ操作で切り

替えできるようにする。

利点： ユーザインタフェース（入力と表示の形態）は頻繁に変更できる

0

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 月 2 月 3 月 4 月

東京

名古屋

大阪

1 月 2 月 3 月 4 月東京 20.4 27.4 90 20.4名古屋 30.6 38.6 34.6 31.6大阪 45.9 46.9 45 43.9

Model入力の変更

表示の変更

Controller１

View1

View2

Controller2購読者

操作者

データ

24

Model-View-Controller (MVC)の例

[課題2] 同一情報を異なる表示手段で表示したい

解決策：表示用部品をデータの表示用として登録する

– Modelの購読者として、異なる種類のViewを複数個登録できる。

利点： 同一情報を異なる形式で表示できる

0

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 月 2 月 3 月 4 月

東京

名古屋

大阪

1 月 2 月 3 月 4 月東京 20.4 27.4 90 20.4名古屋 30.6 38.6 34.6 31.6大阪 45.9 46.9 45 43.9

同一データを2種類のViewで表示

Controller１

View1

View2

Model

購読者

登録

登録

グラフ

表データ

25

Model-View-Controller (MVC)の例

[課題3] データの変化を、即時に表示手段に反映したい

解決策： 出力UI部品に変更を伝え、部品が表示更新する– Modelからデータを参照している部品（購読者）に向けてデータの

更新を連絡し、購読者のViewは自ら表示を更新する

利点： データが変更すると、それを直ちに表示に反映できる

Model

データ0

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 月 2 月 3 月 4 月

東京

名古屋

大阪

1 月 2 月 3 月 4 月東京 20.4 27.4 90 20.4名古屋 30.6 38.6 34.6 31.6大阪 45.9 46.9 45 43.9

Controller１

View1

View2

②データ更新通知

①データ更新

③表示更新

購読者

26

今日のまとめ

• 再利用可能な設計知識の2つの形

– 手法： 記述法、手順、品質基準

– パターン： 名称、課題、前提、解決策

27