基于ＥＭ算法的軟件可靠性研究

摘要：結(jié)合邊界值和等價類的方法對輸入域的提取和輸入點的選取作了詳細分析。在考慮軟件復(fù)雜性、缺陷后果嚴重性和信息不足等因素的基礎(chǔ)上，提出了基于測試用例的軟件可靠性模型，并結(jié)合EM算法和數(shù)理統(tǒng)計知識對該模型進行了相應(yīng)的理論證明。實驗表明，新模型具有較好的適用性。

關(guān)鍵詞：測試準則；期望最大化算法；測試用例復(fù)雜性；軟件可靠性模型

中圖分類號：TP311文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)01－0148－03

0引言

隨著軟件應(yīng)用的日益廣泛及重要性的不斷增強，人們對軟件質(zhì)量的要求也越來越高。可靠性作為衡量軟件質(zhì)量的重要特性，其定量評估和預(yù)測已成為人們關(guān)注和研究的焦點。軟件可靠性模型作為可靠性評測的核心和關(guān)鍵，可用于軟件生命周期的不同階段，定量地估計和預(yù)測軟件可靠性行為。一個好的可靠性模型可以準確評估和預(yù)測軟件可靠性行為，這對于軟件資源分配、軟件市場決策有著重要的意義。

軟件可靠性模型這一領(lǐng)域的研究在 20 世紀 70 年代獲得較大發(fā)展后，很多可靠性模型已經(jīng)投入實用。可以說，軟件可靠性模型已經(jīng)從研究階段發(fā)展到了工程階段。但是，面對軟件自身及其開發(fā)過程日益復(fù)雜的情形，它仍然呈現(xiàn)出其自身的不足：a）在軟件可靠性建模方面，傳統(tǒng)的軟件可靠性模型大多是從時間域或輸入域來考慮軟件缺陷發(fā)生的概率或缺陷總數(shù)，很少從缺陷自身的因素論述；b)在軟件可靠性建模過程中，基本上是根據(jù)測試結(jié)果直接來推導(dǎo)模型，很少關(guān)注軟件測試的設(shè)計過程；c)在軟件可靠性模型應(yīng)用方面，存在嚴重的應(yīng)用不一致性。所謂不一致性，就是這些模型只是有時非常精確，換一個環(huán)境，應(yīng)用到其他工程項目中，其精度就不能滿足要求了。 

目前看來，要建立比較適用的軟件可靠性模型，必須改變傳統(tǒng)可靠性建模思路，采用新的觀點、方法和新的數(shù)學(xué)工具來研究軟件故障過程。鑒于此，筆者對此進行了相關(guān)的研究，將測試用例的設(shè)計融入到軟件可靠性建模過程中，在充分考慮軟件缺陷影響因子和復(fù)雜性等因素的基礎(chǔ)上，采取合適的數(shù)學(xué)處理方法構(gòu)建出一個基于測試用例的軟件可靠性模型，并結(jié)合EM算法對該模型的可靠性作了驗證。該模型不但考慮了失效出現(xiàn)的概率，還考慮到失效后可能產(chǎn)生后果的嚴重性。

1測試用例模型的構(gòu)建

測試用例的設(shè)計是軟件測試過程中最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，一個軟件測試成功與否與其測試用例設(shè)計成功與否有很大的關(guān)系。所謂測試用例，也就是為特定目標開發(fā)的測試輸入、執(zhí)行條件和預(yù)期結(jié)果的集合。也可以說是對軟件運行過程中所有可能存在的目標、運動、行動、環(huán)境和結(jié)果的描述，這些特定目標可以是驗證一個特定的程序路徑或核實是否符合特定需求。而測試活動要建立必要的前提條件，提供測試用例輸入、觀察輸出，然后將這些輸入與輸出進行比較，以確定測試是否通過測試某個程序路徑或何時滿足軟件規(guī)定的要求。簡言之，測試用例就是設(shè)定輸入數(shù)據(jù)，運行被測試函數(shù)，然后判斷實際輸出是否符合預(yù)期結(jié)果。

通常造成軟件缺陷的主要原因有：軟件設(shè)計文檔規(guī)范不一；測試用例設(shè)計過程中引入了人為的錯誤；測試執(zhí)行后，復(fù)雜的決策條件、循環(huán)和分支的覆蓋率目標并沒有達到等。而一個完整的測試應(yīng)該包含正面測試（positive testing）和負面測試（negative testing）。正面測試是驗證程序應(yīng)該執(zhí)行的工作，而負面測試是驗證程序不應(yīng)該執(zhí)行的工作。只有面面俱到，才能保證測試的充分性。要保證測試用例設(shè)計質(zhì)量，必須遵循四個原則：a)測試準則，每個測試用例應(yīng)當(dāng)有一組有限可枚舉的待測目標的判定準則；b)測試用例輸入域的劃分和輸入點集的提取；c)測試目標的復(fù)雜性問題，應(yīng)盡量化復(fù)雜為簡單；d)對測試用例進行測試的力度，就是在特定輸入條件下進行測試的細分程度和測試的次數(shù)。在黑盒測試中，不可能采取窮舉式測試，只能選取輸入域中有代表性樣本點來運行程序，然后通過程序運行的結(jié)果（成功率或失效率）來推斷出軟件可靠性。綜上可知，一個好的測試用例既要有完善的輸入域，也要有代表性的輸入點集。

輸入域主要來源于需求規(guī)格說明、程序觀察和額外的屬性規(guī)約。假設(shè)D表示輸入域，S表示規(guī)格說明，P表示程序觀察，T表示額外的屬性規(guī)約，則輸入域可表示為D=S∪P∪T。其中：額外的屬性規(guī)約主要是指規(guī)格說明中沒有但滿足負面測試或可能用到的那部分數(shù)據(jù)。

2測試用例可靠性評估

2．1基本概念

軟件可靠性模型通常分為三種，即時間域、輸入域和混合可靠性模型。實際上，軟件黑盒測試的過程是從輸入域著手，反復(fù)有選擇性地隨機抽取輸入點集，通過觀察其輸入與輸出之間的映射關(guān)系得出其可靠性。下面給出一些測試過程中常用到的概念和度量。

定義1測試準則。它是關(guān)于一組有限可枚舉的待測試目標（待測試的軟件部分）的判定規(guī)則，如果測試通過了判定規(guī)則的判定，則認為達到了測試準則；否則就沒有。假設(shè)i表示輸入數(shù)據(jù)，且i∈D，output表示輸出數(shù)據(jù)，也就是說如果輸入數(shù)據(jù)i滿足output=f(i)(i∈D)，就認為達到了判定準則；否則就沒有。

5結(jié)束語

本文將測試設(shè)計過程中各個環(huán)節(jié)融入到軟件可靠性模型的構(gòu)建過程中，從測試用例的輸入域和測試點集著手，在充分考慮了軟件復(fù)雜性和缺陷影響因子等因素前提下，結(jié)合數(shù)學(xué)方法構(gòu)建了基于測試用例的可靠性模型。為了確保模型的可靠性，采用EM算法對該模型進行可靠性檢驗。通過理論和實驗表明，該模型具有一定的優(yōu)勢，其結(jié)果更加符合測試人員和使用人員的期望值，在精度和適應(yīng)性方面均有一定的提高。但是，其中仍有些問題需要進一步研究，如將新模型應(yīng)用于更多的工程數(shù)據(jù)，對新模型的適用性作進一步分析等。總之，基于測試用例的可靠性模型很值得作進一步的研究。

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