软件工程

前面各课里，程序多半装在一个文件里：写完、跑通、读懂即可。真实世界里的软件往往更大——多人接力、长期修改、出错代价更高。软件工程要回答的不是「还能不能再写一行」，而是：怎样把可执行的思想组织成可分工、可检验、可演进的形态。

本节课介绍几件贯穿现代软件的骨架：模块化与分层（含常见的 B/S 结构）、单元测试、编程框架、版本管理。目标是建立概念地图，而不是立刻搭起一整套工程。下一课讲氛围编程时，你会看见这些骨架如何被工具加速——也如何被草稿悄悄绕开。

一份课堂作业可以只有一个 .py。一款要上线的应用，却通常拆成许多文件、约定许多接口、留下许多「怎样才算做对」的检查，并且每一次改动都要能回看、能回退。

清单之所以能堆到身高，不是因为有人喜欢纸张，而是因为思想必须被拆开、编号、复核。软件工程继承的正是这种纪律：把「能跑」升级为「别人接得住、机器查得了、历史说得清」。

模块化的想法你在第 10 课已经见过：共用的能力放进模块，当前页面只处理当前问题。工程尺度上，它还意味着：

• 按职责拆文件：画图的放一处，计算的放一处，读配置的放一处。
• 用接口交接：别人只需要知道「调用什么、传入什么、返回什么」，不必打开你文件的每一行。
• 改一处，别处尽量不碎：修正 shapes.py 里的正方形，不应逼你重抄三份粘贴出来的副本。

下面是一个极小的示意——不是完整项目，只说明「拆」与「接」：

# shapes.py（示意：几何）
def square_side_count():
    return 4


# main.py（示意：使用方）
import shapes

print('正方形边数', shapes.square_side_count())

抄函数进许多文件，和 import 不是一回事。模块化要消灭的，正是「同一规则的许多份失同步副本」。

模块化解决「拆成哪些盒子」。分层解决「盒子之间谁可以叫谁」——通常只允许上层依赖下层，避免所有人互相牵扯。

一个常见的三层说法（名字因领域而异，结构相似）：

1. 表现层：人看见、点选、输入的地方（网页、窗口、海龟画布旁的按钮）。
2. 业务层：规则与流程（如何计分、如何生成下一帧、何种输入合法）。
3. 数据层：保存与读取（文件、数据库、远程接口）。

B/S 结构（Browser / Server，浏览器—服务器）是分层在网络上的一种落地：浏览器负责展示与交互，服务器负责业务与数据。你打开的网页是 B 端；算分、存档、鉴权往往在 S 端。同校同学的成绩不应只存在某台浏览器的临时内存里——那是分层要保护的边界。

对照本课的在线环境：编辑与画布在浏览器一侧；解释器也可能在远端执行。即便只有你一人使用，「谁看见结果、谁保存状态」 仍然是工程问题。大系统用防火墙与接口把边界写硬；小程序用文件与函数把边界写清。

分层不是越多越好。多一层，就多一处交接与命名。问题变大时再分层；问题仍小却先搭三层空架子，属于写法带来的负担。

人眼看一次输出，容易漏。单元测试把「这一小块在这些输入下应得到什么」写成可再跑的程序。改完代码后整批重跑，哪一条红了，就知道哪一块被碰坏。

Python 里可以用最朴素的 assert，也可以用 unittest / pytest 等工具。下面用 assert 说明思想——测的是一个小函数，不是整幅画布：

def exterior_angle(sides):
    return 360 / sides


assert exterior_angle(4) == 90
assert exterior_angle(6) == 60
# exterior_angle(0) 应如何失败？测试也会逼你想清楚边界。

测试写的是契约：合法输入的结果、非法输入是否拒绝。它不替代阅读，但把验收从「我记得昨天好像对」变成「现在再跑一遍仍对」。

编程框架是别人写好的结构与约定：你按它的插槽填入自己的逻辑，而不是从空白文件发明全部流程。Web 框架规定请求如何进来、响应如何出去；游戏框架规定每帧如何更新；GUI 框架规定按钮如何挂上事件。

框架与模块的差别可以这样记：

• 模块像工具箱：你决定何时拿起哪把扳手。
• 框架像装配线：主流程由它驱动，你的代码被「叫进去」干活（所谓控制反转）。

学框架要付的学费是：先读懂它的地图（目录、入口、生命周期），再写自己的三行。跳过地图直接粘贴示例，短期能跑，长期迷路。氛围编程尤其容易生成「某个流行框架的完整脚手架」——即便你的目标只是课堂海龟动画。

版本管理（常见工具是 Git）记录每一次有意义的改动：谁、何时、改了什么、为何改。它让你能：

• 回到「昨天还能画对五角星」的那一版；
• 并行尝试两个方案再合并；
• 看清一行可疑代码是哪次提交引进的。

一次提交应当是一个说得清的意图，而不是「下午随便保存」。提交说明写的是思想，不是心情：「修好左枝未后退」比「update」有用。

课堂练习未必强制使用 Git，但要建立这个概念：没有历史的工程，只能靠人脑记忆；人脑不是可靠的备份介质。

不必写完整程序。在纸上为「由一组雨量求出平均值」画一张最小草图：计算放在一个模块里，入口只负责把读数交进去并取出结果。契约用这组数据：读数为 1、2、3 时，平均值应为 2。边界也写死：读数为空列表 [] 时，不计算平均值，而是说明「没有读数」。一份来源、一条可再跑的验收，比把同一公式抄进多处更接近工程。

• 软件工程把「能跑」扩展为可分工、可检验、可演进。
• 模块化按职责拆分并用接口交接；分层规定依赖方向，B/S 是网络上的常见分层。
• 单元测试把验收写成可重复执行的契约。
• 框架提供主流程骨架；版本管理给改动留下可回退的历史。