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Wednesday, January 11, 2012

A Concise Introduction to Software Engineering






Contents
1. The Software Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Cost, Schedule, and Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Scale and Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Self-Assessment Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2. Software Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 Process and Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Component Software Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Software Development Process Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 Waterfall Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.2 Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.3 Iterative Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.4 Rational Unified Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.5 Timeboxing Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.6 Extreme Programming and Agile Processes . . . . . . . . . . . . 28
2.3.7 Using Process Models in a Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4 Project Management Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Self-Assessment Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3. Software Requirements Analysis and Specification . . . . . . . . . . 37
3.1 Value of a Good SRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 Requirement Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3 Requirements Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.1 Desirable Characteristics of an SRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.2 Components of an SRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.3 Structure of a Requirements Document . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Functional Specification with Use Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.2 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.3 Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.4 Developing Use Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5 Other Approaches for Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5.1 Data Flow Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.2 ER Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.6 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Self-Assessment Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4. Planning a Software Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1 Effort Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.1 Top-Down Estimation Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1.2 Bottom-Up Estimation Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2 Project Schedule and Staffing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3 Quality Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4 Risk Management Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.1 Risk Management Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.2 Risk Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4.3 Risk Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.4 A Practical Risk Management Planning Approach . . . . . . 84
4.5 Project Monitoring Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.5.1 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.5.2 Project Monitoring and Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.6 Detailed Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Self-Assessment Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5. Software Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.1 Role of Software Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2 Architecture Views . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.3 Component and Connector View . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3.1 Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3.2 Connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.3.3 An Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.4 Architecture Styles for C&C View . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.4.1 Pipe and Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.4.2 Shared-Data Style . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.4.3 Client-Server Style . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.4.4 Some Other Styles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.5 Documenting Architecture Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.6 Evaluating Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Self-Assessment Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6. Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.1 Design Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.1.1 Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.1.2 Cohesion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.1.3 The Open-Closed Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2 Function-Oriented Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.2.1 Structure Charts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2.2 Structured Design Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.2.3 An Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3 Object-Oriented Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.3.1 OO Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.3.2 Unified Modeling Language (UML) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.3.3 A Design Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.3.4 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.4 Detailed Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.4.1 Logic/Algorithm Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.4.2 State Modeling of Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.5 Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.6 Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.6.1 Complexity Metrics for Function-Oriented Design . . . . . . 173
6.6.2 Complexity Metrics for OO Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Self-Assessment Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7. Coding and Unit Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.1 Programming Principles and Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.1.1 Structured Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.1.2 Information Hiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.1.3 Some Programming Practices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7.1.4 Coding Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.2 Incrementally Developing Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.2.1 An Incremental Coding Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.2.2 Test-Driven Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.2.3 Pair Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.3 Managing Evolving Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.3.1 Source Code Control and Build . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.3.2 Refactoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.4 Unit Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
7.4.1 Testing Procedural Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.4.2 Unit Testing of Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.5 Code Inspection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
7.5.1 Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.5.2 Self-Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.5.3 Group Review Meeting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.6 Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.6.1 Size Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.6.2 Complexity Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Self-Assessment Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8. Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.1 Testing Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
8.1.1 Error, Fault, and Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
8.1.2 Test Case, Test Suite, and Test Harness . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.1.3 Psychology of Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8.1.4 Levels of Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
8.2 Testing Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
8.2.1 Test Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
8.2.2 Test Case Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
8.2.3 Test Case Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.3 Black-Box Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
8.3.1 Equivalence Class Partitioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.3.2 Boundary Value Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
8.3.3 Pairwise Testing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
8.3.4 Special Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
8.3.5 State-Based Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.4 White-Box Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
8.4.1 Control Flow-Based Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.4.2 Test Case Generation and Tool Support . . . . . . . . . . . . . . . 251
8.5 Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
8.5.1 Coverage Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
8.5.2 Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
8.5.3 Defect Removal Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
8.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Self Assessment-Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

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