软考-系统架构设计师 系统分析与设计详细讲解

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一、核心概念：分析与设计的区别与联系

• 系统分析 (System Analysis)：解决“做什么”的问题。核心任务是理解、建模和定义业务需求和信息需求，创建一个逻辑模型。它关注的是业务领域，独立于任何具体的技术实现。
• 系统设计 (System Design)：解决“怎么做”的问题。核心任务是将分析阶段得到的逻辑模型转换为技术性的、可实现的方案，即物理模型。它关注的是技术解决方案。

关系：分析是设计的基础和输入，设计是分析的实现和输出。架构师的角色贯穿两者，但更侧重于设计阶段。

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二、系统分析详解：构建逻辑模型

系统分析的目标是产生一个完整、清晰、无二义性的需求规格说明书，其核心手段是建模。

1. 结构化分析方法 (Structured Analysis)

采用“自顶向下，逐层分解”的思想，典型代表是Yourdon方法。

• 核心模型：
  • 数据流图 (DFD - Data Flow Diagram)：描述系统的逻辑功能和数据流动。
    • 要素：
      • 外部实体 (External Entity)：与系统交互的人、物或系统。
      • 过程 (Process)：对数据进行变换的操作。
      • 数据流 (Data Flow)：数据的流动方向。
      • 数据存储 (Data Store)：逻辑上存储数据的地方。
    • 层次：顶层图（上下文图） -> 0层图 -> 1层图… 逐级分解。
  • 数据字典 (DD - Data Dictionary)：定义DFD中所有数据的组成和结构。是DFD的补充，确保数据含义的唯一性。
  • 实体关系图 (ERD - Entity-Relationship Diagram)：描述系统内部的静态数据结构及其关系。
    • 要素：实体、属性、关系（1:1, 1:N, M:N）。
  • 状态转换图 (STD - State Transition Diagram)：描述系统或实体状态如何对外部事件做出响应。适用于实时控制系统。

2. 面向对象分析方法 (Object-Oriented Analysis)

将系统看作一系列相互作用的对象，使用UML（统一建模语言） 进行建模。

• 核心模型：
  • 用例图 (Use Case Diagram)：从用户视角描述系统功能，是捕获功能需求的最佳工具。包含参与者 (Actor) 和用例 (Use Case)。
  • 用例描述 (Use Case Description)：用例图的文字补充，详细描述每个用例的基本流、备选流、前置/后置条件等。
  • 类图 (Class Diagram)：描述系统的静态结构，显示类、类的属性、方法以及类之间的关系（关联、泛化、聚合、组合、依赖）。是OO设计的基石。
  • 活动图 (Activity Diagram)：描述业务过程或用例内部的详细操作流程，类似于流程图。
  • 序列图 (Sequence Diagram)：按时间顺序描述对象间的交互过程，清晰展示一次交互中消息的传递顺序，对理解复杂流程非常有用。

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三、系统设计详解：构建物理模型

系统设计分为概要设计（总体架构设计）和详细设计（模块内部设计）。架构师主要负责概要设计。

1. 概要设计 / 总体设计

• 任务：将系统划分为若干组成部分（模块/组件），并定义这些部分之间的相互关系。
• 核心工作：
  1. 设计架构风格：选择系统的基本结构组织模式（如分层架构、微服务架构等）。
  2. 子系统/模块划分：遵循高内聚、低耦合的原则，将系统分解为更小、更易管理的部分。
  3. 数据库设计：将逻辑模型（ERD）转化为物理数据库表结构，进行反规范化、索引设计等以优化性能。
  4. 用户界面设计：设计人机交互的流程和界面原型。
  5. 制定设计规范：定义接口标准、编码规范、数据交换格式等。

2. 详细设计

• 任务：细化概要设计的结果，为每个模块设计其内部的算法、数据结构、接口细节等，使其能够直接指导编码。
• 方法：
  • 结构化设计：使用程序流程图、盒图（N-S图）、PAD图、伪代码等描述算法逻辑。
  • 面向对象设计：细化类图，补充类的详细属性和方法签名，可能使用状态图来描述某些复杂对象的状态变迁。

3. 设计原则与理论（软考重点）

(1) 模块化设计原则

• 高内聚 (High Cohesion)：一个模块内部各元素关联的程度。追求功能内聚，即一个模块只完成一个单一的功能。
• 低耦合 (Low Coupling)：模块之间相互依赖的程度。耦合度越低，模块独立性越强，越易于修改和维护。
• 信息隐藏：模块应该只暴露必要的接口，而将其实现细节隐藏起来。

(2) 面向对象设计原则 - SOLID

• S - 单一职责原则 (SRP)：一个类只负责一项职责。
• O - 开闭原则 (OCP)：对扩展开放，对修改关闭。
• L - 里氏替换原则 (LSP)：子类必须能够替换它们的父类。
• I - 接口隔离原则 (ISP)：使用多个专门的接口，而不是一个庞大臃肿的总接口。
• D - 依赖倒置原则 (DIP)：依赖于抽象（接口），而不是具体实现。

(3) 软件设计质量度量

• McCabe圈复杂度：衡量程序逻辑复杂性的指标。V(G) = E - N + 2 (E边数，N节点数)。圈复杂度越高，程序越难理解、测试和维护。通常要求一个模块的圈复杂度不超过10。
• Halstead复杂度度量：基于运算符和操作数的数量来预测程序长度、体积等工作量指标。

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四、系统分析与设计方法总结与对比

方面	结构化方法	面向对象方法
核心思想	自顶向下、功能分解	对象封装、模型映射
分析模型	DFD, ERD, STD, 数据字典	用例图、类图（概念层）、序列图
设计模型	结构图、模块说明书	类图（实现层）、组件图、部署图
设计原则	高内聚、低耦合	高内聚、低耦合 + SOLID原则
系统视角	过程和行为为中心	数据和对象为中心
适用场景	需求稳定、流程驱动的系统（如交易系统）	需求易变、大型复杂系统（现代主流）

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五、软考考点总结与应用

1. 选择题：

   • 直接考查DFD、ERD、用例图、类图等模型的元素和用法。
   • 考查高内聚、低耦合、SOLID原则的含义。
   • 计算McCabe圈复杂度。
   • 区分分析与设计的任务差异。

2. 案例分析题：

   • 题目给出一段系统描述，要求补全DFD或UML图中的缺失部分。
   • 给出一个设计，要求分析其在模块划分或类设计上存在的问题（如耦合度过高、违反开闭原则等）。
   • 问题：请为某个系统设计架构。
     • 答题套路：1. 首先进行模块划分，并阐述划分原则（高内聚低耦合）；2. 说明模块间的接口设计；3. 进行数据库设计（表结构、关键索引）；4. 考虑非功能需求（如性能要求高则引入缓存，安全性要求高则设计加密机制）。

3. 论文题：

   • 可能围绕“论面向对象技术在系统设计中的应用”、“高内聚低耦合原则在某项目中的实践”、“系统架构设计中的权衡策略”等主题。
   • 写作时，必须结合一个具体项目，详细论述：
     • 你是如何从需求分析（用例图）过渡到系统设计（类图、架构图）的。
     • 在设计中如何运用设计原则（如SOLID）来解决复杂性问题。
     • 如何通过度量（如圈复杂度）来评估和控制设计质量。
     • 在满足非功能需求（性能、安全）方面做了哪些关键设计决策。

总结

对于软考架构师，掌握系统分析与设计的关键在于：

• 掌握两种主流方法：既要理解结构化的功能分解思想，更要精通面向对象的建模和设计方法（UML）。
• 熟练运用建模工具：DFD、ERD、用例图、类图、序列图是必须掌握的“语言”。
• 恪守设计原则：将“高内聚、低耦合”和“SOLID”原则作为设计时的最高准则，并能量化评估（圈复杂度）。
• 具备全局视角：分析阶段要全面理解业务，设计阶段要统筹考虑功能、性能、安全、可靠性等各个方面。