21、深入探索用于软件质量保证的敏捷软件开发方法

深入探索用于软件质量保证的敏捷软件开发方法

1. 引言

在软件开发中，质量保证活动是整个过程的核心，对提升产品质量起着关键作用。传统开发模式下，有专门的团队负责质量保证工作。但随着敏捷开发的兴起，质量保证的流程发生了显著变化，不再仅仅局限于满足客户需求、验证和确认。敏捷软件开发能够有效应对客户需求的不断变化，直至产品发布。

强调软件质量保证在各种敏捷方法中的重要性十分必要。在敏捷开发里，虽然重点是提升产品质量，但也需要提高过程质量，以获得更规范、标准化的产品。尽管敏捷方法在软件开发项目中取得了显著成效，如提高了产品相关性和交付速度，但仍有部分人因对敏捷方法的基本概念理解不足，而未采用这种创新的开发方式。因此，有必要全面介绍敏捷方法在软件开发生命周期中的整体情况，并系统阐述其在软件质量保证方面的特点。同时，找出每个敏捷方法中影响软件成败的关键独立和相关质量因素，并建议在敏捷项目中增加质量保证这一补充层，以更好地理解和评估敏捷方法，从而提高开发过程的质量和产品质量。

2. 背景知识

2.1 软件质量的定义

软件质量一直是备受关注的话题。不同人对软件质量有不同的理解。例如，Deming 认为软件质量是符合客户需求和适合客户使用；Fournier 指出在软件系统中，质量对不同人有不同的含义。IEEE 给出了软件质量的两个定义：一是系统、组件或过程满足指定要求的程度；二是满足客户或用户需求及期望的程度。Philip B. Crosby 从用户需求角度定义软件质量为“符合要求”，而 Joseph M. Juran 则认为质量包括产品符合用户需求并提供满意度的特性，以及消除不足。此外，软件工程师们也从不同角度对软件质量进行了定义，如 Meyer 根据 McCall 定义的改进质量因素来描述软件质量，Pressman 认为软件质量是符合明确的功能需求、明确记录的开发标准以及专业开发软件应具备的隐含特性。

2.2 敏捷与软件质量保证

在文献中，敏捷通常意味着随时准备行动，质量是敏捷项目管理的内在组成部分。从功能角度看，“敏捷”包含灵活性、快速性、任务及时性、任务熟练性和适应性等含义。Beck 从科学角度认为敏捷方法是一种低风险、轻量级、可预测、高效、灵活、技术先进的软件开发方法。一些从业者对敏捷中的质量保证也有不同的定义，如 McBreen 认为敏捷中的质量保证是软件能够根据客户需求进行调整，定期部署经过测试、功能正常且得到客户认可的软件是敏捷开发中质量保证的重要特征；Ambler 则认为敏捷开发中的质量是有效协作、迭代开发的结果，通过建模、测试驱动开发、重构和积极沟通等实践来实现。

2.3 敏捷中质量保证的因素

多种敏捷方法会考虑多个但并非全部的质量因素，这些因素多为系统的非功能属性，较难定义。以下是 14 个影响软件质量的因素：
1. 正确性 ：系统按预定规格执行的能力。由于多种敏捷方法强调高客户参与度，因此能确保需求和开发系统行为的正确性。
2. 健壮性 ：系统在未在规格中提及的场景下的适当性能，与正确性相辅相成，可通过遵循开发标准来保证。
3. 可扩展性 ：系统易于适应新规格的能力，敏捷方法通常采用面向对象（OOP）设计来实现。
4. 可复用性 ：软件组件可用于构建各种应用程序的特性，OOP 设计基于可复用性原则。
5. 兼容性 ：软件组件能够轻松与其他组件关联的能力，可通过 OOP 设计实现。
6. 效率 ：系统对硬件资源（如内存、处理器时间等）施加有限负载的能力。
7. 可移植性 ：软件在不同硬件和软件平台上易于安装的特性，敏捷中可通过分布式计算和 Web 服务设计来提高。
8. 及时性 ：在客户需要之前或按时交付软件，可通过增量开发和小迭代来实现。
9. 完整性 ：保护软件程序和数据免受未经授权访问的能力，低耦合的设计迭代有助于实现数据和系统的完整性。
10. 验证和确认 ：系统易于测试的特性，通常通过接口测试、回归测试和单元测试来确认。
11. 易用性 ：不同背景的人学习和使用软件的难易程度，通过积极的客户参与和简单的界面设计可以提高。
12. 可维护性 ：为纠正缺陷或满足新需求而更改软件功能的难易程度，Crystal 方法和特性驱动开发在这方面起着重要作用。
13. 性能 ：系统对资源的最佳利用、响应时间短、故障和恢复时间短等特性，OOP 设计、Sprint 和代码所有权有助于提高性能。
14. 成本效益 ：系统在指定预算内完成的能力，迭代和增量开发有助于实现这一目标。

许多研究表明，使用敏捷方法可以提高软件质量。

3. 理解敏捷软件开发方法

敏捷方法基于迭代式增强，每个迭代包含需求分析、设计、测试和实现等活动。每次迭代结束时，会有一个迭代版本发布，它包含所有软件，是最终系统的一个不断演进的子部分。小迭代的好处是可以根据前一个迭代的反馈来改进后续迭代。客户根据对开发中软件的观察来指定下一个版本的需求，而不是在项目开始时进行猜测。在敏捷开发中，迭代长度通常为 1 - 4 周，相比传统开发的 3 - 6 个月，降低了复杂性和风险，提高了生产率、成功率，并能提供更好的反馈。

敏捷方法有很多种，包括敏捷统一过程（AUP）、自适应软件开发（ASD）、动态系统开发方法（DSDM）、极限编程（XP）、特性驱动开发（FDD）、Crystal 方法、精益软件开发（LSD）、看板和 Scrum 等。这些方法的共同点是都重视人员在过程中所扮演的不同角色，并且都基于经验主义。

4. 敏捷方法评估框架

4.1 极限编程（XP）

极限编程适用于客户需求频繁变化、软件规模为中小规模的项目，是一种轻量级方法。它有五个阶段：探索、规划、迭代到发布、生产化、维护和结束。在项目开始时，客户提出描述软件功能的用户故事（探索阶段），编码和测试大约需要 1 - 2 周。编码人员为故事提供估算（规划阶段），客户根据成本和价值对故事进行优先级排序。XP 采用迭代式增强，每两周开发人员向客户提供可运行的故事，然后客户决定接下来两周的工作。在生产化阶段会进行额外的测试，维护阶段则处理客户快速变化的需求，并注重质量保证活动的实施。在结束阶段，产品完全交付。

以下是极限编程的评估框架：
| 项目 | 详情 |
| — | — |
| 重点 | 软件开发 - 技术视角 |
| 范围 | 一个房间内最多 10 名开发人员，可扩展到更大团队 |
| 技术 | 结对编程、系统隐喻、重构、持续集成、测试驱动开发 |
| 过程 | 步骤 1：编写用户故事；步骤 2：估算工作量，对故事进行优先级排序；步骤 3：编码和测试（单元和集成）；步骤 4：小版本发布；步骤 5：修订版本发布；步骤 6：最终版本发布 |
| 输出 | 可运行的系统 |
| 质量保证因素及活动 | 正确性：用户故事、客户反馈、单元测试；健壮性：标准 OOP 设计实践；效率：简单，有结对编程和编码标准；可移植性：采用 OOP 和通用设计实践；兼容性：OOP 系统固有的特性；可复用性：采用 OOP 和通用设计实践；可扩展性：简单设计；完整性：采用 OOP 和通用设计实践；可验证性和确认：单元测试、持续集成；及时性：迭代增量开发（IID）；易用性：现场客户和简单设计；成本效益：开发是迭代的，交付速度快；可维护性：迭代开发 |

4.2 Scrum

Scrum 是一种广泛使用的敏捷方法，与 XP 类似。它认为“定义明确且可重复的过程仅适用于解决定义明确、可重复的问题，在定义明确、可重复的环境中与定义明确、可重复的人员合作”这种情况是不现实的。Scrum 有三个阶段：赛前阶段、开发阶段和赛后阶段。为了解决明确和重复过程的问题，项目被划分为为期 30 天的 Sprint。在 Sprint 开始时确定要交付的软件功能，然后由团队负责交付。

Scrum 的评估框架如下：
| 项目 | 详情 |
| — | — |
| 重点 | 开发过程管理 |
| 范围 | 团队规模小于 10 人，但可扩展到更大团队 |
| 技术 | Sprint、Scrum 待办事项 |
| 过程 | 步骤 1：规划、产品待办事项和设计；步骤 2：Sprint 待办事项、Sprint；步骤 3：系统测试、集成、文档编制和发布 |
| 输出 | 可运行的产品 |
| 质量保证因素及活动 | 正确性：可管理的用户故事、待办事项梳理；及时性：迭代增量开发（IID）；健壮性：采用 OOP 和通用设计实践；效率：编码标准、结对编程；可复用性：采用 OOP 和通用设计实践；兼容性：OOP 系统固有的特性；完整性：采用 OOP 和通用设计实践；可移植性：采用 OOP 和通用设计实践；可扩展性：持续改进；可验证性和确认：重复的事件、里程碑和会议；成本效益：迭代开发，快速交付；易用性：轻量级过程框架；可维护性：迭代开发 |

4.3 精益开发

精益开发由 Bob Charette 在 20 世纪 80 年代引入，它借鉴了丰田汽车制造公司的精益思维，基于解决设计和文档中的困难。

精益开发的评估框架如下：
| 项目 | 详情 |
| — | — |
| 重点 | 项目和变更管理 |
| 范围 | 团队规模无特定要求 |
| 技术 | 精益制造技术 |
| 过程 | 无预定义过程 |
| 输出 | 为项目管理提供知识 |
| 质量保证因素及活动 | 正确性：满足客户需求；健壮性：通用 OOP 设计实践；可复用性：取决于具体情况；可扩展性：持续改进；兼容性：可能与消除浪费相冲突；效率：减少库存；完整性：取决于具体场景；及时性：迭代增量开发（IID）、最大化流程、一次做对；可移植性：采用 OOP 和通用设计实践；可验证性和确认：在初始阶段正确完成；成本效益：迭代开发，快速交付；易用性：与供应商合作；可维护性：迭代开发 |

通过以上对不同敏捷方法的介绍和评估框架的分析，可以更全面地了解敏捷方法在软件质量保证方面的特点和优势，从而在实际项目中选择合适的方法来提高软件开发的质量和效率。

深入探索用于软件质量保证的敏捷软件开发方法

5. 敏捷方法的优势与挑战

5.1 优势

敏捷方法在软件开发中展现出了诸多显著的优势：
- 快速响应需求变化 ：敏捷方法的迭代式开发模式使得能够及时根据客户反馈调整开发方向，满足客户不断变化的需求。例如在极限编程（XP）中，客户可以随时根据已完成的用户故事提出新的需求或调整优先级，确保软件最终符合客户期望。
- 降低风险 ：短周期的迭代降低了项目的复杂性和风险。每次迭代结束都有可运行的软件版本，能够及时发现和解决问题，避免问题积累到项目后期导致无法挽回的损失。
- 提高团队协作效率 ：强调人员在过程中的角色和互动，促进了团队成员之间的紧密合作。如在 Scrum 中，每日站会让团队成员及时沟通进展和问题，提高了信息传递的效率，增强了团队的凝聚力。
- 提升软件质量 ：通过各种质量保证活动，如单元测试、持续集成等，确保软件的正确性、健壮性等质量因素。不同的敏捷方法都有相应的措施来保障软件质量，例如极限编程中的单元测试和客户反馈机制。

5.2 挑战

尽管敏捷方法有很多优势，但也面临一些挑战：
- 对人员要求高 ：敏捷方法依赖于团队成员的专业能力和积极参与。如果团队成员缺乏经验或积极性不高，可能会影响项目的进展和质量。
- 需求管理难度大 ：虽然能够响应需求变化，但如果需求变化过于频繁且缺乏有效的管理，可能会导致项目范围蔓延，增加成本和时间。
- 缺乏全面的文档 ：敏捷方法通常强调可运行的软件而不是详尽的文档，这可能会给后期的维护和升级带来困难。

6. 敏捷方法的选择与应用

在选择敏捷方法时，需要考虑多个因素，如项目规模、需求稳定性、团队能力等。以下是一些常见的选择建议：
| 项目特点 | 适用敏捷方法 |
| — | — |
| 客户需求频繁变化、中小规模项目 | 极限编程（XP） |
| 需要高效的开发过程管理、团队协作 | Scrum |
| 注重项目和变更管理，希望借鉴制造业经验 | 精益开发 |

在应用敏捷方法时，可以按照以下步骤进行：
1. 明确项目目标和需求 ：与客户充分沟通，确定项目的目标、范围和需求，为后续的开发提供基础。
2. 选择合适的敏捷方法 ：根据项目特点和团队情况选择最适合的敏捷方法。
3. 组建团队 ：确保团队成员具备相应的技能和经验，明确各自的角色和职责。
4. 制定计划 ：制定迭代计划，确定每个迭代的目标、任务和时间安排。
5. 执行迭代开发 ：按照迭代计划进行开发，及时进行测试和反馈，不断改进软件。
6. 监控和评估 ：定期监控项目进展，评估软件质量和团队绩效，及时调整策略。

7. 案例分析

以下是一个采用 Scrum 方法进行软件开发的案例：
某公司要开发一款在线教育平台，项目团队采用 Scrum 方法进行开发。团队规模为 8 人，包括产品负责人、Scrum 大师和开发团队成员。

• 项目启动阶段 ：产品负责人与客户沟通，明确项目的目标和需求，创建产品待办事项列表。
• Sprint 规划 ：每个 Sprint 为期 2 周，在 Sprint 规划会议上，团队从产品待办事项列表中选取适合本 Sprint 的任务，创建 Sprint 待办事项列表。
• Sprint 执行 ：开发团队按照 Sprint 待办事项列表进行开发，每日站会沟通进展和问题。在这个过程中，采用了结对编程、单元测试等技术来保证软件质量。
• Sprint 评审 ：每个 Sprint 结束时，进行 Sprint 评审会议，向客户展示已完成的功能，收集客户反馈。
• Sprint 回顾 ：团队进行 Sprint 回顾会议，总结本 Sprint 的经验教训，提出改进措施。

通过采用 Scrum 方法，该项目按时交付了高质量的在线教育平台，得到了客户的好评。项目过程中，团队成员之间的协作效率显著提高，能够及时响应客户需求的变化。

8. 总结与展望

敏捷方法在软件质量保证方面具有独特的优势，能够有效应对客户需求的变化，提高软件开发的效率和质量。不同的敏捷方法适用于不同的项目场景，在实际应用中需要根据项目特点和团队情况进行选择。

未来，随着软件开发技术的不断发展，敏捷方法也将不断演进和完善。例如，可能会与人工智能、大数据等技术相结合，进一步提高软件开发的自动化程度和智能化水平。同时，对敏捷方法的研究也将更加深入，不断探索如何更好地应用敏捷方法来解决软件开发中的各种问题。

总之，敏捷方法为软件开发带来了新的思路和方法，在未来的软件开发中必将发挥更加重要的作用。我们应该积极学习和应用敏捷方法，不断提升软件开发的能力和水平。

下面是敏捷开发流程的 mermaid 流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px

    A([项目启动]):::startend --> B(明确目标和需求):::process
    B --> C{选择敏捷方法}:::decision
    C -->|Scrum| D(组建 Scrum 团队):::process
    C -->|XP| E(组建 XP 团队):::process
    C -->|精益开发| F(组建精益开发团队):::process
    D --> G(制定 Sprint 计划):::process
    E --> H(制定迭代计划):::process
    F --> I(制定项目计划):::process
    G --> J(执行 Sprint 开发):::process
    H --> K(执行迭代开发):::process
    I --> L(执行项目开发):::process
    J --> M(每日站会沟通):::process
    K --> N(进行单元测试等):::process
    L --> O(监控项目进展):::process
    M --> P(完成 Sprint 功能):::process
    N --> Q(完成迭代功能):::process
    O --> R(完成项目部分功能):::process
    P --> S(进行 Sprint 评审):::process
    Q --> T(进行迭代评审):::process
    R --> U(进行项目评审):::process
    S --> V(收集客户反馈):::process
    T --> W(调整需求和计划):::process
    U --> X(总结经验教训):::process
    V --> Y{是否继续 Sprint}:::decision
    W --> Z{是否继续迭代}:::decision
    X --> AA{是否继续项目}:::decision
    Y -->|是| G
    Z -->|是| H
    AA -->|是| I
    Y -->|否| AB([项目结束]):::startend
    Z -->|否| AB
    AA -->|否| AB

这个流程图展示了不同敏捷方法（Scrum、XP、精益开发）的基本开发流程，包括项目启动、计划制定、开发执行、评审和反馈等环节，以及根据反馈决定是否继续下一个阶段的过程。