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计算机应用基础实验 之外：软件工程与系统设计 图书名称：软件工程与系统设计 内容简介 本书旨在为计算机科学、软件工程及相关专业领域的学生和从业者提供一个全面而深入的视角，探讨构建高质量、可维护、高性能软件系统的理论基础、设计原则与实践方法。本书内容紧密围绕软件生命周期展开，涵盖了从需求分析到系统部署和维护的各个关键阶段，强调理论与工程实践的紧密结合。 第一部分：软件工程基础与方法论 本部分将深入探讨软件工程的核心概念及其发展历程，为理解现代软件开发奠定坚实的理论基础。 第一章 软件工程导论与范式演进 本章首先界定了软件工程的学科范畴、目标与挑战。我们将追溯软件工程的发展脉络，从早期的瀑布模型（Waterfall Model）到迭代与增量模型（Iterative and Incremental Models）的演变。重点分析结构化方法（如SSADM）的局限性，并引入面向对象范式（Object-Oriented Paradigm）作为现代软件开发的基础。本章将讨论软件过程的成熟度模型（如CMMI），强调过程改进对软件质量的决定性作用。 第二章 敏捷开发方法与精益思想 本章聚焦于适应性、快速响应变化的敏捷开发方法。我们将详细阐述《敏捷宣言》的十二项原则，并深入剖析主流敏捷框架：Scrum、极限编程（XP）和看板（Kanban）。对于Scrum，我们将细致解析角色（Product Owner, Scrum Master, Development Team）、工件（Product Backlog, Sprint Backlog, Increment）及事件（Sprint Planning, Daily Scrum, Sprint Review, Sprint Retrospective）的运作机制和最佳实践。同时，本章也将探讨精益软件开发（Lean Software Development）的核心思想，如消除浪费、构建知识和延迟决策。 第三章 软件需求工程 需求是软件的基石。本章致力于软件需求工程的系统化处理，确保系统满足用户和利益相关者的真实期望。内容涵盖需求的获取技术（如访谈、原型法、观察法、用户故事映射），需求的分析与建模技术（如结构化分析、面向对象分析中的用例图、活动图）。重点讨论需求的规格说明，包括功能需求（Functional Requirements）和非功能需求（Non-Functional Requirements，如性能、安全性、可用性）的精确表述，并介绍需求管理中的变更控制流程。 第二部分：系统设计与架构 本部分是全书的核心，着重于如何将抽象的需求转化为具体、可实现的系统结构，并探讨不同层次的架构模式。 第四章 面向对象设计原理与UML 本章系统介绍面向对象设计（OOD）的基本原则，即SOLID原则（单一职责、开放-封闭、里氏替换、接口隔离、依赖反转）。深入解析设计模式（Design Patterns）的应用，包括创建型（如工厂、单例）、结构型（如适配器、装饰器）和行为型（如观察者、策略）三大类，并结合实际案例展示其解决特定设计问题的能力。同时，详细阐述统一建模语言（UML）2.x，重点掌握类图、序列图、状态图在设计文档中的应用。 第五章 软件架构设计与模式 软件架构是系统宏观的结构蓝图。本章探讨架构设计的重要性、质量属性（Quality Attributes）和架构驱动开发（Architecture-Driven Development）。内容将覆盖多种经典的架构风格：单体架构（Monolithic）、分层架构（Layered Architecture）、面向服务架构（SOA）和微服务架构（Microservices）。针对高并发、高可用场景，我们将分析事件驱动架构（EDA）和基于消息队列的通信机制。本章将引入架构评估方法，如ATAM（Architecture Tradeoff Analysis Method）。 第六章 持久化设计与数据模型 本章关注数据存储层的设计与实现。我们将对比关系型数据库（RDBMS）的范式理论和事务处理（ACID特性），并探讨非关系型数据库（NoSQL）的适用场景（如键值存储、文档型、图数据库）。重点讲解对象关系映射（ORM）工具的使用及其带来的挑战（如“阻抗不匹配”问题）。此外，还将讨论数据一致性、事务隔离级别以及分布式系统中的数据分区策略。 第三部分：软件实现、测试与质量保证 本部分关注代码层面的工程化实践、质量保证机制以及部署策略。 第七章 高效编码实践与代码质量 本章超越了基础的编程语法，强调工程化的代码实践。内容包括代码的可读性、简洁性原则（KISS, DRY, YAGNI）。我们将探讨静态代码分析工具（如SonarQube）的应用，用于自动检测代码异味（Code Smells）和潜在的缺陷。重点分析重构技术（Refactoring Techniques），介绍如何安全地在不改变外部行为的前提下改进内部结构，保持代码的长期健康度。 第八章 软件测试与验证 软件测试是确保质量的关键环节。本章系统地介绍测试的金字塔模型，并详细阐述不同级别的测试策略：单元测试（Unit Testing）、集成测试（Integration Testing）和系统测试（System Testing）。对于单元测试，我们将讨论测试驱动开发（TDD）的流程与优势。在集成测试层面，重点讨论接口测试和契约测试。此外，还将介绍性能测试（负载与压力测试）和安全测试的基础概念。 第九章 配置管理与持续交付/部署（CI/CD） 本章聚焦于如何实现高效的软件发布流程。我们将深入讲解版本控制系统Git的高级操作，包括分支策略（如Git Flow, Trunk-Based Development）。随后，详细介绍持续集成（CI）和持续交付/部署（CD）的理念和工具链（如Jenkins, GitLab CI）。讨论如何自动化构建、测试和部署流程，实现快速、可靠的版本发布，并引入DevOps文化中“基础设施即代码”（IaC）的概念。 第四部分：现代软件系统的高级主题 本部分探讨在当前云原生和分布式环境下，软件系统面临的新挑战与解决方案。 第十章 分布式系统设计考量 随着应用规模的扩大，分布式系统成为主流。本章探讨分布式系统的核心难题：网络延迟、部分失效。我们将深入分析CAP理论（一致性、可用性、分区容错性）的选择与权衡。内容包括分布式事务处理（如Saga模式）、服务间通信机制（RESTful API, gRPC, 消息队列）的选取，以及服务发现、负载均衡的实现原理。 第十一章 云原生架构与容器化技术 本章关注现代云计算环境下的应用部署模式。详细介绍容器化技术Docker的核心概念（镜像、容器、Dockerfile），以及容器编排工具Kubernetes（K8s）的基本组件（Pod, Service, Deployment）和工作原理。我们将讨论如何设计和部署云原生的、弹性伸缩的应用程序，包括服务网格（Service Mesh）在流量管理和可观测性方面的作用。 第十二章 软件的可观测性与维护 软件上线后，监控和维护至关重要。本章探讨可观测性（Observability）的三大支柱：指标（Metrics）、日志（Logging）和追踪（Tracing）。我们将介绍如何通过分布式追踪系统（如Zipkin, Jaeger）诊断跨服务调用链中的性能瓶颈。最后，讨论软件维护的类型、成本分析以及如何通过定期的架构评审和重构来应对技术债务（Technical Debt）。 本书结构严谨，逻辑清晰，既有对软件工程核心理论的深刻阐述，又有对当前业界主流技术栈的工程实践指导，是构建扎实系统思维和提升工程能力的理想读物。
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