第4章 形式化说明技术.ppt

计算机科学与工程系 第4章 形式化说明技术 4.1 概述 4.2 有穷状态机 4.3 Petri网 4.4 Z语言 按照形式化的程度，软件工程使用的方法可分成3类： ① 非形式化 典型的非形式化方法是：用自然语言描述需求规格说明。 ② 半形式化 典型的半形式化方法是：用数据流图或实体-联系图建立模型 。 ③ 形式化 所谓形式化方法，是描述系统性质的基于数学的技术，也就是说，如果一种方法有坚实的数学基础，那么它就是形式化的。 一、非形式化方法的缺点 用自然语言书写的系统规格说明书，可能存在矛盾、二义性、含糊性、不完整性及抽象层次混乱等问题。 所谓矛盾是指一组相互冲突的陈述。 二义性是指读者可以用不同方式理解的陈述。 系统规格说明书是很庞大的文档，几乎不可避免地会出现含 糊性（笼统陈述） 。 系统规格说明中功能需求细节描述的不完整性。 抽象层次混乱是指在非常抽象的陈述中混进了一些关于细节的低层次陈述。这样的规格说明书使得读者很难了解系统的整体功能结构。 二、 形式化方法的优点 开发大型软件系统的过程中应用数学，能够带来下述的几个优点： （1）它能够简洁准确地描述物理现象、对象或动作的结果，是理想的建模工具。数学特别适合于表示状态，也就是表示“做什么”。 （2）可以在不同的软件工程活动之间平滑地过渡。不仅功能规格说明，而且系统设计也可以用数学表达，当然，程序代码也是一种数学符号(虽然是一种相当繁琐、冗长的数学符号)。 （3）它提供了高层确认的手段。可以使用数学方法证明，设计符合规格说明，程序代码正确地实现了设计结果。 三、应用形式化方法的准则 应该仔细选择一种适用于当前项目的形式化说明方法。 应该形式化，但不要过分形式化。(目前的形式化技术还不适于描述系统的每个方面) (3) 应该预先估算使用形式化方法的成本。 (4) 应该有形式化方法顾问随时提供咨询。 (5) 尽量与传统方法结合起来使用。（把形式化方法和结构化方法或面向对象方法集成起来，取长补短往往能获得很好的效果） (6) 应该建立详尽的文档。（建议使用自然语言注释形式化的规格说明书，以帮助用户和维护人员理解系统） (7) 不应该放弃质量标准。形式化方法并不能保证软件的正确性， 只是有助于开发出高质量软件的一种手段，在系统开发过程中必须一如既往地实施其他质量保证活动。 不要盲目依赖形式化方法。形式化方法不能保证开发出的软件绝对正确，必须用其他方法（评审、测试）来验证软件正确性。 (9) 应该测试、测试再测试。形式化方法不仅不能保证软件系统绝对正确，也不能证明系统性能或其他质量指标符合需要，因此，软件测试的重要性并没有降低。 (10) 应该坚持软件重用。（软件重用仍然是降低软件成本和提高软件质量的惟一合理的方法，而且用形式化方法说明的软件构件具有清晰定义的功能和接口，使得它们有更好的可重用性。） 4.2 有穷状态机 一、概念 例：一个保险箱上装了一个复合锁，锁有三个位置， 分别标记为1、2、3，转盘可向左（L）或向右（R）转动。这样，在任意时刻转盘都有6种可能的运动，即1L、1R、2L、2R、3L和3R。保险箱的组合密码是1L、3R、2L，转盘的任何其他运动都将引起报警。 图4.1描绘了保险箱的状态转换情况。 图4.1 保险箱的状态转换图 状态转换并不一定要用图形方式描述，表4.1的表格形式也可以表达同样的信息。 表4.1 保险箱的状态转换表 通过例子可知： 一个有穷状态机包括下述5个部分：状态集J、输入集K、由当前状态和当前输入确定下一个状态（次态）的转换函数T、初始态S和终态集F。 对于保险箱的例子，相应的有穷状态机的各部分如下： 状态集J：｛保险箱锁定，A，B，保险箱解锁，报警｝ 输入集K：｛1L，1R，2L，2R，3L，3R｝ 转换函数T：如表4.1所示 初始态S：保险箱锁定 终态集F：｛保险箱解锁，报警｝ 定义：一个有穷状态机可以表示为一个5元组：(J，K，T，S，F) 其中：J 是一个有穷的非空状态集； K是一个有穷的非空输入集； T是一个从(J-F)×K → J 的转换函数； S∈J，是一个初始状态； FJ，是终态集。 为了对一个系统进行规格说明，通常需要对有穷状态机进行扩展，即在5元组中加入第6个组件——谓词集P，扩展为一个6元组，其中每个谓词都是系统全局状态Y的函数。转换函数T现在是一个从(J-F)×K×P