耦合与内聚

4.2.3　耦合与内聚

一、耦合

耦合的定义：它是衡量模块间联系紧密程度的度量。耦合度高则模块之间的接口复杂，不利于后续的软件编码、测试、维护，松散耦合是一种好的设计。因此，软件设计人员应该尽量设计松散耦合的软件系统。常见的耦合有下面几种：

1.非直接耦合

模块之间没有直接的调用关系，而是通过它们共同的父模块发生了非直接关系，则这些模块之间的耦合属于非直接耦合。此耦合的耦合度最低，且软件中必包含该耦合。

如下图的某软件的软件结构中，（A、B、C）这组模块彼此之间未发生直接的模块调用关系，但它们却有一个共同的父模块“主模块”，因此，它们之间是一种非直接耦合关系，类似的还有（E、F、G）和（U、V、W）这两组模块。

图4.6　非直接耦合的例子

2.数据耦合

模块之间存在直接的模块调用关系，且模块间通过传递简单参数（不是控制参数、公共数据结构或外部变量）发生关系，实现相关功能，则这些模块之间的耦合是数据耦合。此耦合的耦合度较低。软件系统中也必包含该耦合。

在下图的软件结构中，“开发票”模块和“计算水费”模块发生了直接的调用关系，且通过传递简单参数“单价”和“数量”完成这种调用关系，故这两个模块间就发生了数据耦合。

图4.7　数据耦合的例子

3.特征耦合

模块之间通过参数传递复杂数据结构而发生调用关系，则这些模块间的耦合是特征耦合。例如模块间通过传递数据库记录、数组结构元素、链表结构元素等数据，则它们之间的耦合已不是简单的数据耦合，而是特征耦合。故特征耦合的耦合度较数据耦合高。特征耦合有时也称为标记耦合。

在下图的软件结构中，“计算水电费”模块和“计算水费”模块、“计算水电费”模块和“计算电费”模块均是通过在模块间传递“住户情况”数据完成了调用关系，由于“住户情况”是数据库表中的一条数据记录，故“计算水电费”和“计算水费”之间以及“计算水电费”和“计算电费”之间的耦合关系变得复杂，是一种特征耦合。

图4.8　特征耦合的例子

4.控制耦合

模块之间通过传递控制参数发生调用关系，则模块间的耦合属于控制耦合。控制耦合高于特征耦合，已属于中等程度的耦合。该耦合增加了模块之间的依赖性，也使系统变得很复杂。软件设计人员需要通过合理的模块分解，将其耦合度降低。

在下图的软件结构中，A模块和B模块通过传递控制参数“平均分或最高分”发生了调用关系。当该参数传递到B模块中后，B模块根据它的值来选择执行“计算平均分”或“计算最高分”模块，因此，A模块和B模块间发生了控制耦合。作为被调用模块B，其对父模块A的依赖程度要远远高于数据耦合和特征耦合。

图4.9　控制耦合的例子

5.公共环境耦合

模块之间通过一个公共数据环境（全局变量、共享的通信区、内存的公共覆盖区等）相互作用时，则它们之间属于公共环境耦合。公共环境耦合的耦合度已经非常高，且随耦合模块数量的增加而显著增加。

若只有两个模块发生了公共环境耦合，则公共环境耦合又可分为：

（1）松散公共环境耦合：一个模块向公共环境传送数据，另一个模块仅从公共环境中获取数据，它属于一种数据耦合，耦合度较低。

（2）紧密公共环境耦合：两个模块都既向公共环境传送数据，又从其中获取数据，则这是一种比较紧密的耦合，其耦合度介于数据耦合和控制耦合之间。

如下图所示，A模块和B模块通过一个公共数据区相互作用，它们之间是公共环境耦合。（a）图中A模块仅向公共数据区传送数据，而B模块仅从公共数据区获取数据，故它们之间是一种松散的公共环境耦合。而（b）图中A模块和B模块都既向公共数据区传送数据，又从公共数据区获取数据，彼此之间的联系非常紧密，是一种紧密的公共环境耦合。

图4.10　公共耦合的例子

6.内容耦合

如果两个模块之间出现下面的情况之一，则发生了内容耦合：

（1）一个模块访问另一个模块的内部数据。

（2）一个模块通过非正常入口进入另一个模块内部。

（3）两个模块有部分代码重叠（一般在汇编语言中）。

（4）一个模块有多个入口。

内容耦合的耦合度相当高，应该坚决避免。

对于模块间的耦合可遵循如下原则进行优化设计：非直接耦合必然存在，数据耦合尽可能多使用，控制耦合和特征耦合少用，限制公共环境耦合的应用范围，完全不用内容耦合。

二、内聚

内聚的定义：它是衡量模块内部各个组成部分彼此联系紧密程度的度量。内聚高则模块内部联系紧密，模块的信息隐蔽和局部化设计好，模块的每一部分都是为实现一个特定的功能而结合在一起的，高内聚是一种好的设计。常见的内聚有下面几种：

1.功能内聚

模块内部所有元素都属于一个整体，它们组合在一起是为了完成某一个独立的功能，则该模块的内聚是功能内聚。功能内聚的内聚度最高，评分10分。

例如，在每个类中均会封装一些Get和Set方法，这些方法完成了类属性的读/写操作。它们均能满足功能内聚。

2.顺序内聚

模块内部各部分彼此紧密联系，为实现某一个功能结合在一起，并按照顺序方式执行，则该模块的内聚是顺序内聚。顺序内聚仍属于高聚度，仅次于功能内聚，评分9分。

例如，某模块逐条地读入学生的软件工程课程的百分制成绩，然后根据成绩的评定标准评定出“优”“良”“中”“及格”和“不及格”。该模块必包含了“读学生成绩”和“评定学生等级”两个部分，这两个部分彼此紧密联系，即前者的输出直接作为输入提交给后者，故它们的执行是顺序的，而该模块满足顺序内聚。

3.通信内聚

模块内部的所有元素都使用相同的输入数据或产生相同的输出结果，则该模块的内聚是通信内聚。通信内聚属于中等程度的内聚，仅次于顺序内聚，评分7分。

例如，某模块A包括两个部分“产生工资报表”和“计算平均工资”，这两个子模块均需读入职工的工资信息，且它们之间没有顺序关系，彼此较独立，则模块A满足通信内聚。如下图所示：

图4.11　通信内聚的例子

4.过程内聚

模块内部的所有元素彼此相关，但必须遵循特定的过程次序执行，则该模块是过程内聚。过程内聚的另一种描述：将程序流程图中的某一过程部分划分出来，则每一过程部分就满足过程内聚。过程内聚属于中等程度的内聚，仅次于顺序内聚，评分5分。

例如，下图的“统计并打印成绩单”模块有两个部分，这两个部分被划分出来之后变成了“统计成绩”和“打印成绩”两个子模块，这两个子模块组合在一起实现“统计并打印成绩单”，而分解之后，它们虽然都完成单一功能，但只属于其他模块的一个过程。则这些模块属于过程内聚模块。

图4.12　过程内聚的例子

5.时间内聚

模块内部的所有组成部分必须在同一段时间内执行完成（如所有的初始化或终止工作），则该模块是时间内聚。时间内聚是一种低内聚，模块各组成部分之间的联系仅是时间，内聚度很低，评分3分。

例如，某初始化模块由初始化公共数据区、初始化数据表等多个子模块组成，这些子模块彼此独立，但必须在同一个时间段内执行完成，故该模块满足时间内聚。同理，在面向对象程序设计的“构造函数”和“析构函数”有时就是满足时间内聚的。

6.逻辑内聚

模块内部的各组成部分除了通过逻辑变量（也称控制参数）联系之外无任何联系，则该模块是逻辑内聚。逻辑内聚也是一种低内聚。发生逻辑内聚的模块必是从其父模块接收了逻辑变量。因此，一个模块内部发生了逻辑内聚也就意味着模块之间发生了控制耦合，内聚和耦合是相关的，评分1分。

在下图中调用模块向被调用模块传递了一个逻辑变量，该变量在被调用模块中选择“读一个记录”和“写一个记录”的其中之一执行，而“读一个记录”和“写一个记录”两模块之间无任何联系，故被调用模块是一个逻辑内聚的模块。而调用模块和被调用模块之间的耦合则是控制耦合。需要采用一定的方法对其进行改造，以降低模块间的耦合，提高模块的内聚。

图4.13　逻辑内聚的例子

7.偶然内聚

模块内部的所有组成部分完成了一组任务，这些任务间即使有联系，也非常松散，则该模块是偶然内聚。偶然内聚的内聚度最低，组成模块的元素之间没有实质性的联系，其修改、测试、维护都非常困难，应该坚决避免。评分0分。

对于模块内聚在设计时有如下原则：模块内聚更应重视，尽量追求功能内聚，少用逻辑内聚和偶然内聚，顺序内聚和通信内聚可以使用。此外，没有必要精确定义内聚的级别，只要能够识别出低内聚的模块即可。

三、模块独立性

模块独立性的本质就是设计高内聚、低耦合的软件结构。因此，内聚和耦合是衡量模块独立性的定性标准。此外，从上述的分析也可发现耦合和内聚是相互的，在提高模块内聚的同时也可能会降低模块间的耦合。具体提高模块独立性的主要方法是分解和合并。

例如，图4.8的例子是一个特征耦合，现需要降低模块间的耦合。仔细分析模块间的接口发现：“计算水电费”模块仅需传递一个简单参数“本月用水量”给“计算水费”模块即可完成指定功能，故模块接口的改造如图4.14所示。经过改造后模块间的耦合变成了数据耦合。

例如，图4.9的例子中A和B之间属于控制耦合，而B模块则是逻辑内聚的模块，现需要降低模块间的耦合，同时提高B的内聚。仔细分析B模块，由于组成它的两部分彼此不相关，故可将其分解为两个独立的子模块，改造后如图4.15所示。经过改造后模块间的耦合变成数据耦合，而分解后的两个子模块的内聚也必然提高。（请参考4.3.2内容）

图4.14　改造特征耦合为数据耦合

图4.15　改造控制耦合为数据耦合