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非功能需求對計算機軟件體系結(jié)構(gòu)的影響
1、引言
軟件的發(fā)展離不開幕后眾多的編程人員、測試人員、文檔撰寫員，需求分析師、系統(tǒng)工程師、軟件架構(gòu)師等。在IT界，軟件架構(gòu)師是豐富軟件項目經(jīng)驗及具有廣博而精鉆技術(shù)知識的象征。
軟件架構(gòu)師在軟件工程的生命周期中，起著承上啟下的關(guān)鍵作用。一名好的軟件架構(gòu)師的知識結(jié)構(gòu)中，需要具備系統(tǒng)開發(fā)全過程的經(jīng)驗，對于IT建設(shè)生命周期各個環(huán)節(jié)有深入了解，其中包括：系統(tǒng)膜塊邏輯設(shè)計、物理設(shè)計、代碼開發(fā)、項目管理、測試、發(fā)布、運行維護等;需要深入掌握一到兩種主流技術(shù)平臺上開發(fā)系統(tǒng)的方法;了解多種應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);了解架構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的主要理論、流派、框架。另外，在業(yè)務(wù)知識領(lǐng)域中，架構(gòu)師也要十分清楚并深入了解系統(tǒng)建設(shè)的業(yè)務(wù)需求;了解系統(tǒng)的非功能需求和運行維護需求;了解企業(yè)IT公共設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、外部系統(tǒng)。圖1中列舉了架構(gòu)師的基本知識結(jié)構(gòu)，其中，涉及到了非功能需求。顧名思義，此需求乃軟件功能需求以外的需求，用“非功能需求”來概括之，便是它難以全面概括的事實。
2、概念
在系統(tǒng)工程和需求工程中，非功能需求(Non—functiona1Requirement，NFR)確定了衡量的尺度，用于對系統(tǒng)運行的判斷，而不是具體的系統(tǒng)行為。可以這樣理解，非功能需求是指軟件產(chǎn)品為滿足用戶業(yè)務(wù)需求(即功能需求)而必須具有且除功能需求以外的特性。
比如設(shè)計一款手機，那么，這個手機必須要滿足的功能需求就包括打電話、發(fā)短信、手機上網(wǎng)等。但是，在設(shè)計的過程中，也同樣不能忽略的是：它是否易用(是否要仔細閱讀說明書才可以使用);它的性能(儲存空間大小、電池壽命長短、待機時間長短);它的外觀(美觀、時尚、大方，能否抓住消費者的心理)。這些不能忽略的內(nèi)容便構(gòu)成了非功能需求。手機的特性類似軟件的非功能需求，雖然與其功能不直接相關(guān)，但是都會左右消費者的選購。
軟件工程與建筑工程非常類似，軟件系統(tǒng)的需求種類也不少，如圖2所示。既然有非功能需求，便有功能需求。功能需求是大家比較熟悉的一類需求。功能需求描述要開發(fā)的軟件系統(tǒng)應(yīng)該做什么，它可以包括為用戶提供哪些服務(wù)，也可以包括本系統(tǒng)為其他系統(tǒng)提供哪些服務(wù)。非功能需求中分為質(zhì)量屬性和約束。約束需求規(guī)定了開發(fā)軟件系統(tǒng)時必須遵守的限制條件。例如，要采用什么操作系統(tǒng)，要采用哪種開發(fā)技術(shù)，是否需要與遺留的老系統(tǒng)進行互操作等。當(dāng)然，還要考慮軟件用戶所在的行業(yè)中必須遵守的法律法規(guī)、政策方針和行業(yè)標(biāo)準、企業(yè)標(biāo)準。質(zhì)量屬性作為非功能需求的一個分支，同樣包含眾多內(nèi)容。例如性能、安全性、易用性、可靠性等眾多屬性如何分類的問題。如圖3所示，將軟件質(zhì)量的屬性分類為“產(chǎn)品修改”、 “產(chǎn)品改型”和“產(chǎn)品操作”，其中包含了相對應(yīng)的質(zhì)量屬性。事實上，這樣的分類模型存在著一個缺點，即關(guān)注了產(chǎn)品的本身，而忽略了軟件產(chǎn)品在開發(fā)過程中所存在的非功能需求。例如，軟件開發(fā)中的代碼可重用性、代碼的易理解性等等。
鑒于此，非功能需求中的質(zhì)量屬性也可以從如此的角度進行分類： “運行期質(zhì)量屬性”和“開發(fā)期質(zhì)量屬性”。運行期質(zhì)量屬性是軟件系統(tǒng)在運行期間，最終用戶可以直接感受到的一類屬性;開發(fā)期質(zhì)量屬性包含和軟件開發(fā)、維護和移植這3類活動相關(guān)的所有質(zhì)量屬性。
3、來源
有人把需求喻為軟件開發(fā)的起跑線，需求工程是否順利和成功，能夠為軟件的最終成功奠定扎實的基礎(chǔ)。調(diào)研完成的需求可能與相關(guān)領(lǐng)域緊密結(jié)合，則需要了解這些領(lǐng)域背景;需求可能來自于多方，則需要征求和總結(jié)各種想法和意見等等。可以根據(jù)圖2的分類方法，將軟件的需求細分到功能需求和非功能需求，其中非功能需求包含了質(zhì)量屬性和約束。再考慮需求提出的不同級別，可以得到軟件需求空間分割。
4、功能需求與架構(gòu)設(shè)計
功能需求是重要的，它們包含了幾乎所有用戶所要求實現(xiàn)的業(yè)務(wù)邏輯。當(dāng)然，非功能需求也同樣是決定架構(gòu)成功與否的關(guān)鍵因素。軟件客戶不能嚴格區(qū)分什么是功能需求，什么是非功能需求。事實上，非功能需求中的質(zhì)量屬性與約束是一個復(fù)雜的問題。
(1)功能需求影響架構(gòu)，架構(gòu)必須要適應(yīng)功能需求。但是功能需求不會決定架構(gòu)，是否基于接121編程還是硬編碼實現(xiàn)功能，是否要分層等等問題都不是功能需求所能單獨確定的。
(2)質(zhì)量屬性會從根本上影響架構(gòu)。例如，非常強調(diào)性能的系統(tǒng)軟件會在算法實現(xiàn)上下足功夫，而左右在架構(gòu)設(shè)計中是否避免了性能的損失。
(3)至于約束，它或作為架構(gòu)設(shè)計的限制條件，或轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄枨螅蜣D(zhuǎn)換為質(zhì)量屬性。
5、主要內(nèi)容
客戶要功能也要質(zhì)量。比較功能需求與非功能需求，相對而言，客戶比較擅長提出功能需求。這是所熟悉了解的業(yè)務(wù)領(lǐng)域內(nèi)的知識范疇，而且都是經(jīng)過大量的實踐操作。然而對于非功能需求卻并不是如此，不可能對于每個客戶都要求他們了解和掌握需求工程。所以在需求制作的過程中，要給予他們足夠的引導(dǎo)。架構(gòu)師必須清楚地認識：為客戶而設(shè)計，不僅要滿足客戶要求的功能，也要達到客戶所期望的質(zhì)量。
非功能需求分為“運行期質(zhì)量屬性”和“開發(fā)期質(zhì)量屬性”。
5.1 運行期的質(zhì)量屬性
(1)性能。性能是指軟件系統(tǒng)及時提供相應(yīng)服務(wù)的能力。具體而言，性能包括速度、吞吐量和持續(xù)高速性這三方面的要求。
(2)安全性。指軟件系統(tǒng)同時兼顧向合法用戶提供服務(wù)，又阻止非授權(quán)使用功能的能力。
(3)易用性。指軟件系統(tǒng)易于使用的程度。
(4)可用性。可用性與易用性不相同。可用性指系統(tǒng)長時間無故障運行的能力。
(5)可伸縮性。指當(dāng)用戶增加時，軟件系統(tǒng)維持高服務(wù)質(zhì)量的能力。
(6)互操作性。指本軟件系統(tǒng)與其他系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)和相互調(diào)用服務(wù)的難易程度。
(7)可靠性。軟件系統(tǒng)在一定時間內(nèi)無故障運行的能力。
(8)健壯性。也稱容錯性。是指軟件系統(tǒng)在異常情況仍能夠正常運行的能力。
5.2 開發(fā)期的質(zhì)量屬性
(1)易理解性。是指系統(tǒng)設(shè)計能被開發(fā)人員理解的難易程度。
(2)可擴展性。為適應(yīng)新需求或者需求變化，為軟件增加功能的能力。有些時候，稱之為靈活性。
(3)可重用性。重用軟件系統(tǒng)或其中一部分的能力的難易程度。
(4)可測試性。對軟件測試以證明其滿足需求規(guī)約的難易程度。在實際的項目中，主要指進行單元測試等難易程度。
(5)可維護性。修改Bug，增加功能，提高質(zhì)量屬性。
(6)可移植性。將軟件系統(tǒng)從一個運行環(huán)境轉(zhuǎn)移到另一個不同的運行環(huán)境的難易程度。
6、結(jié)語
非功能需求描述的困難在于很難像功能性需求那樣，可以通過結(jié)構(gòu)化和量化的詞語來描述清楚，在描述這類需求的時候，經(jīng)常采用軟件性能要好，查詢要在多少時間內(nèi)出結(jié)果，軟件健壯性要好等較模糊的描述詞語。這類描述詞語都是脫離了軟件的執(zhí)行環(huán)境，人和相關(guān)的場景描述，因此信息很難體現(xiàn)到軟件架構(gòu)設(shè)計和具體的實現(xiàn)中。在架構(gòu)設(shè)計中關(guān)注的安全，系統(tǒng)開發(fā)框架，并發(fā)和性能，異常日志等不是憑空產(chǎn)生出來的，而是來源于對非功能性需求的分析。
對于非功能需求的描述，在描述過程中必須要強調(diào)到人、業(yè)務(wù)場景、環(huán)境等各方面的內(nèi)容。強調(diào)的目的就是要說明非功能需求不是無限度的，任何一項非功能需求的實現(xiàn)往往會付出更大的研發(fā)人力成本和硬件網(wǎng)絡(luò)成本。比如在描述一個表單的模糊查詢功能的時候，如果簡單地描述為所有查詢都要在多少秒內(nèi)完成，那么這種需求將很難得到滿足。
然而，非功能需求卻著實在架構(gòu)的制定過程中具有可觀的影響力。它是軟件設(shè)計中不能忽視的重點和難點。
參考文獻
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