【愚公系列】软考高级-架构设计师 076-系统设计

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🚀前言

系统设计是指在构建软件系统或计算机系统时，对系统整体结构、组件之间的交互、数据流和功能实现等方面进行规划和设计的过程。系统设计的目标是确保系统能够满足用户需求，具有良好的性能、可靠性、可扩展性和安全性。

🚀一、系统设计

🔎1.系统设计主要目的

系统设计的主要目的是为系统制定蓝图，在各种技术和实施方法中权衡利弊，精心设计，合理地使用各种资源，最终勾画出新系统的详细设计方法。简单来说，系统设计就是告诉你该怎么做。需求分析是找到你要做什么，而系统设计则是告诉你如何做。系统设计通过以下方式实现其目的：

1. 制定系统蓝图：系统设计阶段帮助确立系统的整体结构、关键模块和组件之间的交互方式，为后续开发工作奠定基础。
2. 权衡利弊：在系统设计过程中，需要评估不同的技术选型、架构设计方案等，权衡各种选择的利弊，以找到最适合项目需求的方案。
3. 精心设计：精心设计系统的各个方面，包括架构设计、数据设计、界面设计等，以确保系统具有良好的性能、可维护性和扩展性。
4. 合理使用资源：在系统设计中需要合理规划和利用各种资源，包括硬件资源、软件资源、人力资源等，以确保系统的高效运行和开发成本的控制。
5. 勾画详细设计方法：系统设计阶段需要详细规划系统的实现细节，包括具体的算法设计、数据结构设计、接口设计等，为开发人员提供清晰的指导。

系统设计是将需求分析阶段得出的用户需求转化为可实现的系统设计方案，为软件开发提供具体的指导和计划。通过系统设计，开发团队能够更好地理解项目目标，规划开发工作，并最终实现一个符合需求、高效稳定的系统。

🔎2.系统设计方法

当然可以。在系统设计中，结构化设计方法和面向对象设计方法是两种主要的设计范式。以下是这两种方法的简要整理：

🦋2.1 结构化设计方法

结构化设计方法是一种自顶向下的方法，强调系统的模块化和分解。它的核心思想是将复杂系统分解为更小、更易管理的模块。

特点：

1. 自顶向下分解：从最高层次的功能开始，逐步分解到具体的子功能。
2. 模块化：系统被分解为多个模块，每个模块完成特定的任务。
3. 数据流图（DFD）：使用数据流图来表示系统的功能模块和数据流动。
4. 结构图：使用结构图来表示系统的模块及其层次关系。
5. 规范化：通过数据字典和过程规范化来确保系统的一致性和完整性。
6. 可维护性：由于模块化设计，系统更易于维护和更新。

过程：

1. 需求分析：确定系统的功能需求和性能要求。
2. 系统设计：创建数据流图和结构图，明确系统的模块和数据流。
3. 详细设计：为每个模块编写详细设计说明，包括算法和数据结构。
4. 实现：将设计转换为代码，实现各个模块。
5. 测试和验证：对系统进行测试，确保其符合需求。

🦋2.2 面向对象设计方法

面向对象设计方法是一种自底向上的设计方法，强调系统中的对象和类，通过对象的交互来实现系统的功能。

特点：

1. 对象：系统由多个对象组成，每个对象包含属性和方法。
2. 类：对象是类的实例，类是对一组对象的抽象。
3. 封装：对象的内部状态和实现细节对外部隐藏，只通过公开的方法进行交互。
4. 继承：通过继承机制，类可以继承其他类的属性和方法，增强代码复用性。
5. 多态：通过多态性，可以在运行时决定调用哪个方法，提高系统的灵活性和可扩展性。
6. 交互：通过对象之间的消息传递和方法调用来实现系统功能。

过程：

1. 需求分析：确定系统的功能需求和性能要求，识别关键对象和类。
2. 系统设计：确定类及其关系，绘制类图和对象交互图。
3. 详细设计：为每个类和对象定义详细的属性和方法。
4. 实现：将类和对象转换为代码，编写方法实现。
5. 测试和验证：对系统进行测试，确保其符合需求。

🦋2.3 对比

结构化设计方法适用于功能明确、需求稳定的项目，而面向对象设计方法更适合于需求变化较多、需要高复用性和可扩展性的项目。选择哪种方法应根据具体项目的特点和需求来决定。

🔎3.系统设计的主要内容

系统设计主要包括两个阶段：概要设计和详细设计。

🦋3.1 概要设计

基本任务：

1. 系统总体结构设计：将系统的功能需求分配给软件模块，确定每个模块的功能和调用关系。
2. 形成模块结构图：创建系统结构图，明确各模块及其相互关系。
3. 概要设计说明书：编写概要设计说明书，记录设计过程和结果。

具体内容：

• 模块划分：根据功能需求，将系统分解为若干独立的模块。
• 模块功能定义：确定每个模块的具体功能和职责。
• 模块调用关系：明确模块之间的调用关系和交互方式。
• 系统结构图：绘制系统的模块结构图，展示各模块及其关系。
• 接口设计：初步设计模块间的接口，确定模块之间的数据交换方式。
• 概要设计说明书：记录上述内容，包括模块划分、功能定义、调用关系、结构图和接口设计等。

🦋3.2 详细设计

基本任务：

1. 模块内详细算法设计：设计每个模块内部的具体算法。
2. 模块内数据结构设计：设计每个模块内部的数据结构。
3. 数据库的物理设计：设计数据库的物理结构，包括表结构、索引等。
4. 其他设计：
   • 代码设计：详细设计每个模块的代码结构。
   • 输入/输出格式设计：设计系统的输入和输出格式。
   • 用户界面设计：设计系统的用户界面。
5. 编写详细设计说明书：记录详细设计过程和结果。
6. 评审：对详细设计进行评审，确保设计的正确性和完整性。

具体内容：

• 算法设计：为每个模块设计具体的算法，详细描述算法逻辑和步骤。
• 数据结构设计：设计模块内部的数据结构，包括变量、数据类型和数据存储方式。
• 数据库设计：
  • 物理设计：确定数据库的物理存储结构，包括表、索引、视图等。
  • 数据库关系图：绘制数据库的关系图，展示各表之间的关系。
• 代码设计：
  • 代码结构：设计模块的代码结构和布局。
  • 编码规范：定义编码规范和命名规则。
• 输入/输出设计：详细设计系统的输入和输出格式，包括数据格式、报表格式等。
• 用户界面设计：设计系统的用户界面，包括界面布局、导航结构和交互方式。
• 详细设计说明书：记录上述内容，包括算法设计、数据结构设计、数据库设计、代码设计、输入/输出设计和用户界面设计等。
• 设计评审：组织评审会议，对详细设计进行审查，确保设计符合需求和规范。

🦋3.3 总结

系统设计中的概要设计和详细设计是确保系统开发顺利进行的关键步骤。概要设计侧重于系统的总体结构和模块分配，而详细设计则关注每个模块的具体实现和细节。通过详细的设计和评审，确保系统设计的正确性和可行性，从而为后续的实现和测试提供坚实的基础。

🔎4.系统设计基本原理

当进行系统设计时，有一些基本原则可以帮助我们更好地规划和构建软件系统。以下是这些原则的通俗解释：

🦋4.1 抽象化

概念：将复杂的问题分成更小、更易管理的部分。

通俗解释：就像画家将一幅画分成不同的图层，系统设计中也会将复杂的问题分成更小、更易管理的部分。这样做能让我们关注重要的细节，同时不被不必要的复杂性所困扰。

🦋4.2 自顶而下，逐步求精

概念：从整体框架入手，然后逐步添加细节。

通俗解释：想象你在建立一座高楼大厦，你首先会构想整体的结构，然后一层一层地逐步建造。在系统设计中也是如此，我们先考虑整体框架，然后逐步添加细节，以确保每个部分都被仔细设计和优化。

🦋4.3 信息隐蔽

概念：隐藏复杂的内部细节，只暴露必要的信息给其他部分。

通俗解释：想象你开车时并不需要了解引擎的每个零件如何运作。在系统设计中，我们可以隐藏复杂的内部细节，只暴露必要的信息给其他部分。这样能够降低不同模块之间的相互影响，使系统更易于管理和维护。

🦋4.4 模块独立（高内聚，低耦合）

概念：每个模块都有自己的功能，并且尽可能不依赖其他模块。

通俗解释：就像用乐高积木一样，系统设计中的各个部分应该是独立的。高内聚表示模块内部的元素彼此紧密相关，低耦合表示模块之间的依赖尽可能降低。

衡量模块独立程度的标准有两个：耦合性和内聚性。内聚程度从低到高如下表所示：

耦合程度从低到高如下表所示

🦋4.5 总结

• 抽象化：分层次解决复杂问题，关注重要细节。
• 自顶而下，逐步求精：从整体到局部，逐步优化。
• 信息隐蔽：隐藏内部复杂性，降低模块间依赖。
• 模块独立：实现高内聚低耦合，提高系统的可维护性和灵活性。

这些基本原则能够帮助我们在系统设计过程中保持清晰的思路和高效的工作流程，构建出结构合理、易于维护和扩展的软件系统。

🔎5.系统设计基本原则

在进行系统设计时，一些原则可以帮助我们构建清晰、可维护且高效的软件系统。以下是这些原则的解释：

🦋5.1 保持模块的大小适中

概念：模块应适中，不要太大也不要太小。

通俗解释：就像把一块大蛋糕切成适合一口吃的小块一样，系统中的模块也应该适中。这样做可以使每个模块的功能清晰，并且易于理解、测试和维护。

🦋5.2 尽可能减少调用的深度

概念：减少程序的层层嵌套，以避免复杂的调用关系。

通俗解释：想象你需要找到某本书，如果每次你要找的书都在另一本书的页码里，你需要不断翻书才能找到。在系统设计中，减少调用深度意味着尽量减少程序的层层嵌套，使代码更清晰和高效。

🦋5.3 多扇入，少扇出

概念：模块应允许多个模块调用它（多扇入），但它本身应尽量少调用其他模块（少扇出）。

通俗解释：想像一个火车站，火车到站后乘客下车，站台上的人上车，但火车的出口只有一个。在系统设计中，模块应该允许多个模块调用它，但它本身应尽量少调用其他模块，以减少模块之间的复杂关系。

🦋5.4 单入口，单出口

概念：模块最好只有一个入口和一个出口。

通俗解释：就像你进入一座建筑物只有一个门一样，在模块设计中，最好只有一个入口和一个出口。这样可以使模块的功能和接口更清晰，不容易引入混淆和错误。

🦋5.5 模块的作用域应该在模块之内

概念：模块的功能应该限制在模块内部，不要让外部模块直接访问内部的细节。

通俗解释：就像一个厨房用具只在厨房里使用一样，模块的功能应该限制在模块内部，不要让外部模块直接访问内部的细节。这有助于封装和隐藏内部逻辑，防止外部干扰。

🦋5.6 功能应该是可预测的

概念：模块的功能应该是可预测的，使用者应该能够合理地预期它会发生什么。

通俗解释：就像按下开关会打开灯一样，模块的功能应该是可预测的。使用者在调用一个模块时应该能够合理地预期它会发生什么，从而避免产生混淆和不可预知的结果。

🦋5.7 总结

• 保持模块的大小适中：模块功能清晰，易于理解和维护。
• 尽可能减少调用的深度：减少层层嵌套，使代码更清晰高效。
• 多扇入，少扇出：减少模块之间的复杂关系。
• 单入口，单出口：使模块功能和接口更清晰。
• 模块的作用域应该在模块之内：保护模块的内部逻辑，防止外部干扰。
• 功能应该是可预测的：确保模块功能的可预测性，避免混淆和错误。

这些原则有助于我们在系统设计过程中创建清晰、结构合理且易于维护的软件系统。