軟件工程的主要環(huán)節(jié)包括人員管理、項目管理、需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、程序設(shè)計、測試、維護(hù)等，如圖1.5所示。軟件開發(fā)模型是對軟件過程的建模，即用一定的流程將各個環(huán)節(jié)連接起來，并可用規(guī)范的方式操作全過程，好比工廠的生產(chǎn)線。
圖1.5 軟件工程的主要環(huán)節(jié)
邊做邊改模型（Build-and-Fix Model）
遺憾的是，許多產(chǎn)品都是使用"邊做邊改"模型來開發(fā)的。在這種模型中，既沒有規(guī)格說明，也沒有經(jīng)過設(shè)計，軟件隨著客戶的需要一次又一次地不斷被修改，如圖1.6所示。
圖1.6 邊做邊改模型
在這個模型中，開發(fā)人員拿到項目立即根據(jù)需求編寫程序，調(diào)試通過后生成軟件的第一個版本。在提供給用戶使用后，如果程序出現(xiàn)錯誤，或者用戶提出新的要求，開發(fā)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(fā)方式，對編寫幾百行的小程序來說還不錯，但這種方法對任何規(guī)模的開發(fā)來說都是不能令人滿意的，其主要問題在于：
（1） 缺少規(guī)劃和設(shè)計環(huán)節(jié)，軟件的結(jié)構(gòu)隨著不斷的修改越來越糟，導(dǎo)致無法繼續(xù)修改；
（2） 忽略需求環(huán)節(jié)，給軟件開發(fā)帶來很大的風(fēng)險；
（3） 沒有考慮測試和程序的可維護(hù)性，也沒有任何文檔，軟件的維護(hù)十分困難。
瀑布模型（Waterfall Model）
1970年Winston Royce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采用的軟件開發(fā)模型。
瀑布模型如圖1.7所示，它將軟件生命周期劃分為制定計劃、需求分析、軟件設(shè)計、程序編寫、軟件測試和運行維護(hù)等六個基本活動，并且規(guī)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。
圖1.7 瀑布模型
在瀑布模型中，軟件開發(fā)的各項活動嚴(yán)格按照線性方式進(jìn)行，當(dāng)前活動接受上一項活動的工作結(jié)果，實施完成所需的工作內(nèi)容。當(dāng)前活動的工作結(jié)果需要進(jìn)行驗證，如果驗證通過，則該結(jié)果作為下一項活動的輸入，繼續(xù)進(jìn)行下一項活動，否則返回修改。
瀑布模型強(qiáng)調(diào)文檔的作用，并要求每個階段都要仔細(xì)驗證。但是，這種模型的線性過程太理想化，已不再適合現(xiàn)代的軟件開發(fā)模式，幾乎被業(yè)界拋棄，其主要問題在于：
（1） 各個階段的劃分完全固定，階段之間產(chǎn)生大量的文檔，極大地增加了工作量；
（2） 由于開發(fā)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(fā)成果，從而增加了開發(fā)的風(fēng)險；
（3） 早期的錯誤可能要等到開發(fā)后期的測試階段才能發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而帶來嚴(yán)重的后果。
我們應(yīng)該認(rèn)識到，"線性"是人們最容易掌握并能熟練應(yīng)用的思想方法。當(dāng)人們碰到一個復(fù)雜的"非線性"問題時，總是千方百計地將其分解或轉(zhuǎn)化為一系列簡單的線性問題，然后逐個解決。一個軟件系統(tǒng)的整體可能是復(fù)雜的，而單個子程序總是簡單的，可以用線性的方式來實現(xiàn)，否則干活就太累了。線性是一種簡潔，簡潔就是美。當(dāng)我們領(lǐng)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(yīng)該用活它。例如增量模型實質(zhì)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。
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(xiàn)客戶或未來的用戶與系統(tǒng)的交互，用戶或客戶對原型進(jìn)行評價，進(jìn)一步細(xì)化待開發(fā)軟件的需求。通過逐步調(diào)整原型使其滿足客戶的要求，開發(fā)人員可以確定客戶的真正需求是什么；第二步則在第一步的基礎(chǔ)上開發(fā)客戶滿意的軟件產(chǎn)品。
顯然，快速原型方法可以克服瀑布模型的缺點，減少由于軟件需求不明確帶來的開發(fā)風(fēng)險，具有顯著的效果。
快速原型的關(guān)鍵在于盡可能快速地建造出軟件原型，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(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不重要，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。
增量模型（Incremental Model）
與建造大廈相同，軟件也是一步一步建造起來的。在增量模型中，軟件被作為一系列的增量構(gòu)件來設(shè)計、實現(xiàn)、集成和測試，每一個構(gòu)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(gòu)成，如圖1.8所示。
增量模型在各個階段并不交付一個可運行的完整產(chǎn)品，而是交付滿足客戶需求的一個子集的可運行產(chǎn)品。整個產(chǎn)品被分解成若干個構(gòu)件，開發(fā)人員逐個構(gòu)件地交付產(chǎn)品，這樣做的好處是軟件開發(fā)可以較好地適應(yīng)變化，客戶可以不斷地看到所開發(fā)的軟件，從而降低開發(fā)風(fēng)險。但是，增量模型也存在以下缺陷：
（1） 由于各個構(gòu)件是逐漸并入已有的軟件體系結(jié)構(gòu)中的，所以加入構(gòu)件必須不破壞已構(gòu)造好的系統(tǒng)部分，這需要軟件具備開放式的體系結(jié)構(gòu)。
（2） 在開發(fā)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(yīng)這種變化的能力大大優(yōu)于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，從而是軟件過程的控制失去整體性。
圖1.8 增量模型
在使用增量模型時，第一個增量往往是實現(xiàn)基本需求的核心產(chǎn)品。核心產(chǎn)品交付用戶使用后，經(jīng)過評價形成下一個增量的開發(fā)計劃，它包括對核心產(chǎn)品的修改和一些新功能的發(fā)布。這個過程在每個增量發(fā)布后不斷重復(fù)，直到產(chǎn)生最終的完善產(chǎn)品。
例如，使用增量模型開發(fā)字處理軟件。可以考慮，第一個增量發(fā)布基本的文件管理、編輯和文檔生成功能，第二個增量發(fā)布更加完善的編輯和文檔生成功能，第三個增量實現(xiàn)拼寫和文法檢查功能，第四個增量完成高級的頁面布局功能。
螺旋模型（Spiral Model）
1988年，Barry Boehm正式發(fā)表了軟件系統(tǒng)開發(fā)的"螺旋模型"，它將瀑布模型和快速原型模型結(jié)合起來，強(qiáng)調(diào)了其他模型所忽視的風(fēng)險分析，特別適合于大型復(fù)雜的系統(tǒng)。
如圖1.9所示，螺旋模型沿著螺線進(jìn)行若干次迭代，圖中的四個象限代表了以下活動：
（1） 制定計劃：確定軟件目標(biāo)，選定實施方案，弄清項目開發(fā)的限制條件；
（2） 風(fēng)險分析：分析評估所選方案，考慮如何識別和消除風(fēng)險；
（3） 實施工程：實施軟件開發(fā)和驗證；
（4） 客戶評估：評價開發(fā)工作，提出修正建議，制定下一步計劃。
螺旋模型由風(fēng)險驅(qū)動，強(qiáng)調(diào)可選方案和約束條件從而支持軟件的重用，有助于將軟件質(zhì)量作為特殊目標(biāo)融入產(chǎn)品開發(fā)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(qiáng)調(diào)風(fēng)險分析，但要求許多客戶接受和相信這種分析，并做出相關(guān)反應(yīng)是不容易的，因此，這種模型往往適應(yīng)于內(nèi)部的大規(guī)模軟件開發(fā)。
（2） 如果執(zhí)行風(fēng)險分析將大大影響項目的利潤，那么進(jìn)行風(fēng)險分析毫無意義，因此，螺旋模型只適合于大規(guī)模軟件項目。
（3） 軟件開發(fā)人員應(yīng)該擅長尋找可能的風(fēng)險，準(zhǔn)確地分析風(fēng)險，否則將會帶來更大的風(fēng)險。
圖1.9 螺旋模型
一個階段首先是確定該階段的目標(biāo)，完成這些目標(biāo)的選擇方案及其約束條件，然后從風(fēng)險角度分析方案的開發(fā)策略，努力排除各種潛在的風(fēng)險，有時需要通過建造原型來完成。如果某些風(fēng)險不能排除，該方案立即終止，否則啟動下一個開發(fā)步驟。最后，評價該階段的結(jié)果，并設(shè)計下一個階段。
6.演化模型(incremental model)
主要針對事先不能完整定義需求的軟件開發(fā)。用戶可以給出待開發(fā)系統(tǒng)的核心需求，并且當(dāng)看到核心需求實現(xiàn)后，能夠有效地提出反饋，以支持系統(tǒng)的最終設(shè)計和實現(xiàn)。軟件開發(fā)人員根據(jù)用戶的需求，首先開發(fā)核心系統(tǒng)。當(dāng)該核心系統(tǒng)投入運行后，用戶試用之，完成他們的工作，并提出精化系統(tǒng)、增強(qiáng)系統(tǒng)能力的需求。軟件開發(fā)人員根據(jù)用戶的反饋，實施開發(fā)的迭代過程。第一迭代過程均由需求、設(shè)計、編碼、測試、集成等階段組成，為整個系統(tǒng)增加一個可定義的、可管理的子集。
在開發(fā)模式上采取分批循環(huán)開發(fā)的辦法，每循環(huán)開發(fā)一部分的功能，它們成為這個產(chǎn)品的原型的新增功能。于是，設(shè)計就不斷地演化出新的系統(tǒng)。 實際上，這個模型可看作是重復(fù)執(zhí)行的多個“瀑布模型”。
“演化模型”要求開發(fā)人員有能力把項目的產(chǎn)品需求分解為不同組，以便分批循環(huán)開發(fā)。這種分組并不是絕對隨意性的，而是要根據(jù)功能的重要性及對總體設(shè)計的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響而作出判斷。有經(jīng)驗指出，每個開發(fā)循環(huán)以六周到八周為適當(dāng)?shù)拈L度。
7.噴泉模型（fountain model, (面向?qū)ο蟮纳嫫谀Ｐ? OO模型)）
噴泉模型與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化生存期比較，具有更多的增量和迭代性質(zhì)，生存期的各個階段可以相互重疊和多次反復(fù)，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。
噴泉模型是一種以用戶需求為動力，以對象為驅(qū)動的模型，主要用于采用對象技術(shù)的軟件開發(fā)項目。該模型認(rèn)為軟件開發(fā)過程自下而上周期的各階段是相互迭代和無間隙的特性。軟件的某個部分常常被重復(fù)工作多次，相關(guān)對象在每次迭代中隨之加入漸進(jìn)的軟件成分。無間隙指在各項活動之間無明顯邊界，如分析和設(shè)計活動之間沒有明顯的界限，由于對象概念的引入，表達(dá)分析、設(shè)計、實現(xiàn)等活動只用對象類和關(guān)系，從而可以較為容易地實現(xiàn)活動的迭代和無間隙，使其開發(fā)自然地包括復(fù)用。
噴泉模型不像瀑布模型那樣，需要分析活動結(jié)束后才開始設(shè)計活動，設(shè)計活動結(jié)束后才開始編碼活動。該模型的各個階段沒有明顯的界限，開發(fā)人員可以同步進(jìn)行開發(fā)。其優(yōu)點是可以提高軟件項目開發(fā)效率，節(jié)省開發(fā)時間，適應(yīng)于面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)過程。由于噴泉模型在各個開發(fā)階段是重疊的，因此在開發(fā)過程中需要大量的開發(fā)人員，因此不利于項目的管理。此外這種模型要求嚴(yán)格管理文檔，使得審核的難度加大，尤其是面對可能隨時加入各種信息、需求與資料的情況。
8.智能模型(四代技術(shù)（4GL）)
智能模型擁有一組工具（如數(shù)據(jù)查詢、報表生成、數(shù)據(jù)處理、屏幕定義、代碼生成、高層圖形功能及電子表格等），每個工具都能使開發(fā)人員在高層次上定義軟件的某些特性，并把開發(fā)人員定義的這些軟件自動地生成為源代碼。這種方法需要四代語言（4GL）的支持。4GL不同于三代語言，其主要特征是用戶界面極端友好，即使沒有受過訓(xùn)練的非專業(yè)程序員，也能用它編寫程序；它是一種聲明式、交互式和非過程性編程語言。4GL還具有高效的程序代碼、智能缺省假設(shè)、完備的數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序生成器。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目前主要限于事務(wù)信息系統(tǒng)的中、小型應(yīng)用程序的開發(fā)。
9.混合模型（hybrid model）
過程開發(fā)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(fā)展，這就是過程開發(fā)模型（或混合模型）。實際上，一些軟件開發(fā)單位都是使用幾種不同的開發(fā)方法組成他們自己的混合模型。
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各種模型的比較
每個軟件開發(fā)組織應(yīng)該選擇適合于該組織的軟件開發(fā)模型，并且應(yīng)該隨著當(dāng)前正在開發(fā)的特定產(chǎn)品特性而變化，以減小所選模型的缺點，充分利用其優(yōu)點，下表列出了幾種常見模型的優(yōu)缺點。
|
模型
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優(yōu)點
|
缺點
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| 瀑布模型 |
文檔驅(qū)動 |
系統(tǒng)可能不滿足客戶的需求 |
| 快速原型模型 |
關(guān)注滿足客戶需求 |
可能導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計差、效率低，難于維護(hù) |
| 增量模型 |
開發(fā)早期反饋及時，易于維護(hù) |
需要開放式體系結(jié)構(gòu)，可能會設(shè)計差、效率低 |
| 螺旋模型 |
風(fēng)險驅(qū)動 |
風(fēng)險分析人員需要有經(jīng)驗且經(jīng)過充分訓(xùn)練 |