章节概述
对于架构设计师而言，系统设计是其"看家本领"，而设计是在对系统进行分析的基础上进行的。本章系统阐述了从问题定义到系统设计的完整方法论，涵盖了定义问题与归结模型、需求分析与软件设计、结构化分析与设计（SA/SD）、面向对象分析与设计（OOA/OOD）、用户界面设计以及工作流参考模型六大主题。需求分析解决"做什么"的问题，系统设计解决"怎么做"的问题，两者构成了软件生存期中最关键的两个步骤。
根据 Standish Group 对 23000 个项目的研究结果，28% 的项目彻底失败，46% 的项目超出经费预算或工期，仅约 26% 获得成功。在这些高达 74% 的不成功项目中，约 60% 的失败源于需求问题。这一数据凸显了需求分析在整个软件开发生命周期中的极端重要性。本章首先介绍问题分析的方法（鱼骨图、帕累托图），然后分别深入讲解结构化方法和面向对象方法两大分析与设计体系，最后延伸到界面设计与工作流管理。
结构化分析方法以数据流图（DFD）为核心，采用自顶向下逐层分解的策略；面向对象方法以UML 统一建模语言为标准，通过对象、类、继承、多态等概念构建与现实世界贴近的模型。两种方法各有侧重，架构设计师需要根据项目特点灵活选择。此外，本章还涉及模块设计中的高内聚低耦合原则、信息隐蔽原则，以及分布式系统设计和系统过渡计划等实践性内容。
知识结构框架
- 8.1 定义问题与归结模型 — 问题分析五步骤（达成共识→理解本质→确定干系人→定义边界→确定约束）、因果鱼骨图、帕累托图、上下文范围图与用例模型、系统约束
- 8.2 需求分析与软件设计 — 需求分类（功能/非功能/设计约束；业务/用户/系统需求）、需求工程=需求开发+需求管理、需求分析方法演进（结构化→软系统→面向对象→面向问题域）、软件设计两阶段（概要设计+详细设计）
- 8.3 结构化分析与设计 — DFD四大元素与层次（Context图→0层图→1层图）、数据字典符号规则、结构图（模块/调用/数据）、变换流与事务流、模块设计（信息隐蔽、内聚7种/耦合7种）
- 8.4 面向对象的分析与设计 — 对象/类（实体类/控制类/边界类）、继承与泛化、多态4种（参数/包含/重载/强制）、UML构造块与14种图、用例图（包含/扩展关系）、类图4种关系（依赖/泛化/关联[聚合/组合]/实现）、交互图（顺序/通信/定时）、状态图与活动图
- 8.5 用户界面设计 — 三大黄金法则（置用户于控制之下、减少记忆负担、保持界面一致）、界面设计四活动（用户分析→界面设计→实现→界面确认）
- 8.6 工作流设计 — 工作流管理系统WFMC参考模型六大模块（流程定义工具、工作流执行服务、其他执行服务、客户应用程序、被调用应用程序、管理和监控工具）
核心概念
问题分析
开发前对问题透彻理解的五步法：在问题定义上达成共识、理解问题本质（根本原因分析）、确定项目干系人和用户、定义系统边界、确定系统实现的约束。鱼骨图和帕累托图是常用的分析工具。
数据流图（DFD）
图形化系统模型，展示信息系统输入、输出、处理、数据存储。包含5个基本元素：过程（加工）、外部实体（源/宿）、数据存储（文件）、数据流、实时连接。采用自顶向下逐层分解策略。
数据字典
对所有与系统相关的数据元素的有组织列表和精确定义，使开发人员对输入、输出、存储成分有共同理解。条目包括名称、何处使用/如何使用、内容描述、补充信息。
变换流与事务流
变换流：信息沿输入通路进入系统，转换为内部表示，经变换中心处理后沿输出通路离开。事务流：信息进入系统后，事务中心根据输入信息类型在若干动作序列中选择一个执行。
模块独立性（高内聚低耦合）
模块独立指每个模块完成相对独立的特定子功能，与其他模块联系最简单。用耦合（模块间联系紧密度）和内聚（模块内元素联系紧密度）两个标准衡量。设计目标：高内聚、低耦合。
信息隐蔽
将每个程序成分封装在单一设计模块中，尽可能少地暴露内部处理。将难的决策、可能修改的决策、数据结构内部连接、硬件相关细节等隐蔽起来，以提高软件可修改性、可测试性和可移植性。
对象与类
对象由对象标识（名称）、属性（状态/数据）、服务（操作/方法）三要素组成，封装为整体以接口对外提供服务。类是对具有相同属性和服务的对象的抽象。类分三种：实体类（永久存储）、控制类（协调用例行为）、边界类（系统与外界交互）。
继承与泛化
继承说明特殊类（子类）与一般类（父类）的关系；泛化说明一般类与特殊类的关系，是一对多关系。子类与父类完全一致（关联、属性、操作），还可包含额外信息，且父类实例可用处也可用子类实例。
多态（4种形式）
一般类中定义的属性或服务被特殊类继承后，可具有不同数据类型或行为。参数多态和包含多态合称通用多态；重载多态和强制多态合称特定多态。重载=编译时静态绑定，改写=运行时动态绑定。
UML 四种关系
依赖（虚线箭头）：修改X可能引起Y修改；泛化（空心箭头实线）：父类与子类关系；关联（实线）：语义联系，含聚合（空心菱形，生命周期可不同）和组合（实心菱形，生命周期相同）；实现（空心箭头虚线）：接口与实现类关系。
用例图
描述外部参与者所理解的系统功能。参与者代表与系统接口的角色（虚拟概念），用例定义一组用例实例，应给参与者带来可见价值。用例间关系：包含（<<include>>，提取公共行为）和扩展（<<extend>>，分离不同场景）。
关键公式与规则
数据字典符号规则
DFD 层次编号规则
内聚度排序（从高到低）
耦合度排序（从低到高）
多态分类规则
聚合 vs 组合（生命周期规则）
考试要点
- DFD 四大元素与层次：过程（加工）、外部实体（源/宿）、数据存储（文件）、数据流，外加实时连接。层次编号：Context图→0层图（1,2,3）→1层图（1.1,1.2…）。0层图输入输出须与Context图一致。
- Context 图 = 0 层图的顶层：将整个系统表示为一个过程，所有外部实体和进出系统的数据流都画在一张图中，描述系统最高层结构。
- 变换流 vs 事务流：变换流=信息经输入→变换中心→输出；事务流=事务中心根据输入类型选择若干动作序列之一执行。需根据流类型分别实施变换分析或事务分析。
- 内聚/耦合 7 种排序（必考）：内聚从高到低：功能>顺序>通信>时间内>逻辑>偶然；耦合从低到高：非直接>数据>标记>控制>外部>公共>内容。设计目标是高内聚低耦合。
- 信息隐蔽目的：将可能变化的因素隐藏在模块内部，提高软件可修改性、可测试性和可移植性，是现代软件设计的关键性原则。
- 面向对象三大特性：封装（对象=标识+属性+服务）、继承/泛化（子类与父类关系）、多态（不同类对象对同一消息的不同响应）。
- 多态 4 种及通用/特定分类：参数多态、包含多态属通用多态；重载多态、强制多态属特定多态。
- 重载 vs 改写：重载=编译时静态绑定（静态分派）；改写=运行时动态绑定（动态分派）。这是两者本质区别。
- UML 14 种图分类：静态模型（类图、对象图、包图、构件图、部署图、制品图）；动态模型（用例图、顺序图、通信图、定时图、状态图、活动图、交互概览图，对象图兼属静态/动态）。UML 2.0 共 14 种。
- 类图 4 种关系及聚合 vs 组合：依赖（虚线箭头）、泛化（空心箭头实线）、关联（实线，含聚合与组合）、实现（空心箭头虚线）。聚合=部分与整体生命周期可不同；组合=生命周期相同。
- 用例的包含与扩展关系：<<include>>=从多个用例提取公共行为（抽象用例），强制包含；<<extend>>=分离不同场景为主用例+辅用例，条件性扩展。
- 顺序图 vs 通信图区别：顺序图强调消息传递的时间顺序（垂直轴=时间，水平轴=对象）；通信图强调对象间的静态链接关系。两者语义等价，排版不同。
关键图示
图8-5 数据流图(DFD)的基本元素
DFD 包含过程（加工）、外部实体（源/宿）、数据存储（文件）、数据流、实时连接五个基本元素，是结构化分析的核心工具。
图8-12 用例图示例
用例图描述外部参与者所理解的系统功能，包含参与者（小人图标）和用例（椭圆），是需求分析阶段的核心模型。
图8-15 类图实例
类图展示类的三格结构（类名、属性、操作）及类间关系（依赖、泛化、关联、实现），是面向对象建模的核心。
图8-19 状态图实例
状态图描述特定对象的所有可能状态及引起状态转移的事件，包含初始状态、结束状态、中间状态和状态转移箭头。