基于Java編譯器的MC/DC測試覆蓋方法設(shè)計(jì)

周睿

摘 要：基于Java編譯器的MC/DC測試覆蓋方法設(shè)計(jì)，主要對(duì)Java文件中存在的條件表達(dá)式實(shí)現(xiàn)MC/DC測試覆蓋算法，并對(duì)其條件語句進(jìn)行插樁，生成插樁文件，針對(duì)后續(xù)的具體測試用例檢查是否滿足MC/DC測試覆蓋算法以及覆蓋率統(tǒng)計(jì)。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：Java編譯器；MC/DC；插樁技術(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.161755

中圖分類號(hào)：TP312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2016）008-0039-03

0 引言

測試工作日益重要，越來越多的公司使用自動(dòng)化測試工具。正確選擇和使用自動(dòng)化測試工具，能提高測試效率和質(zhì)量，降低測試成本。根據(jù)測試方法的不同，自動(dòng)化測試工具分為白盒測試工具、黑盒測試工具和測試管理工具。這些工具主要是Mercury Intera ctive（MI）、Segue、IBM/Rational Compuware Empirix 等公司的產(chǎn)品[1]。

國內(nèi)外主流的白盒測試工具中都有MC/DC測試覆蓋分析，如McCabe、C++ Test、CodeCover等。與白盒測試邏輯覆蓋相比，MC/DC 覆蓋強(qiáng)度高于語句、判定和條件覆蓋，覆蓋范圍大于條件判定組合覆蓋，測試性能接近多條件覆蓋，但測試用例數(shù)卻只是線性增加，遠(yuǎn)小于多條件覆蓋的指數(shù)級(jí)增加，符合精簡高效原則。因此，很有必要在白盒測試中對(duì)程序?qū)崿F(xiàn)MC/DC 測試覆蓋算法，生成最小測試用例集，達(dá)到自動(dòng)測試程序目的。

1 核心技術(shù)

1.1 插樁技術(shù)

程序插樁技術(shù)最早由J.C.Huang 教授[1]提出，它是在保證被測程序原有邏輯完整性的基礎(chǔ)上在程序中插入一些探針，通過探針的執(zhí)行并拋出程序運(yùn)行的特征數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，可以獲得程序的控制流和數(shù)據(jù)流信息，進(jìn)而得到邏輯覆蓋等動(dòng)態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)測試目的。

插樁就是在代碼中插入一段自定義的代碼。

由于插入的代碼會(huì)一起編譯到可執(zhí)行文件中，所以可執(zhí)行文件在運(yùn)行過程中必然會(huì)執(zhí)行插入的自定義代碼，這樣就可以記錄我們希望得到的信息，例如函數(shù)的調(diào)用信息、軟件測試的覆蓋率等。插樁難點(diǎn)在于要學(xué)習(xí)目標(biāo)語言的語法，能夠?qū)ζ浣馕龊驼Z義理解；確定插入代碼內(nèi)容和位置。

程序插樁技術(shù)是在被測程序中插入探針，然后通過探針的執(zhí)行獲得程序的控制流和數(shù)據(jù)流信息，以此實(shí)現(xiàn)測試目的。可以根據(jù)探針插入的時(shí)間分為目標(biāo)代碼插樁和源代碼插樁。

（1）目標(biāo)碼上插樁。在經(jīng)過編譯的目標(biāo)碼上插入記錄測試覆蓋率的語句，以記錄各個(gè)程序分支或者語句的測試覆蓋率數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)在于不需要源程序，只要有目標(biāo)程序即可；編譯時(shí)間非常短；比較容易用于處理多種計(jì)算機(jī)語言編寫的軟件。缺點(diǎn)是程序執(zhí)行時(shí)的附加開銷很大；在沒有源碼的情況下，只能告知各模塊的測試覆蓋率是多少，無法顯示哪些語句或程序分支沒有測試到，從而無法有效地改進(jìn)測試覆蓋率。

（2）源代碼插樁。在程序編譯之前直接在源代碼中插入記錄測試覆蓋率的語句，以達(dá)到記錄各程序分支或者組合條件的測試覆蓋率數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)是程序執(zhí)行時(shí)的附加開銷很小；不僅能告知各模塊的測試覆蓋率是多少，還能顯示哪些語句或者程序分支和條件組合是否測試到，能有效提高測試覆蓋率。缺點(diǎn)是編譯時(shí)間較長，處理不同計(jì)算機(jī)語言需要不同的詞法語法分析器。本文采用基于源碼的白盒測試技術(shù)，如果沒有源程序，即使通過目標(biāo)碼插樁方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)測試，也無法顯示具體哪個(gè)語句或哪個(gè)分支被測試到，這就失去了測試價(jià)值。

1.2 MC/DC測試覆蓋方法準(zhǔn)則

MC/DC（修訂的條件/判定覆蓋，Modified Condition/Decision Coverage）準(zhǔn)則[4]是一種實(shí)用的軟件結(jié)構(gòu)覆蓋率測試準(zhǔn)則，廣泛應(yīng)用于軟件驗(yàn)證和測試過程中。

MC/DC定義為在每個(gè)判定條件都曾獨(dú)立影響判定結(jié)果至少一次。 其中獨(dú)立影響意思是在其它條件不變的情況下，改變一個(gè)條件。根據(jù)DO-178B，MC/DC（Modified Condition/Decision Coverage）有如下要求：判定中每個(gè)條件的所有可能結(jié)果至少出現(xiàn)一次，每個(gè)判定本身的所有可能結(jié)果也至少出現(xiàn)一次，每個(gè)入口點(diǎn)和出口點(diǎn)至少要執(zhí)行一次，并且每個(gè)條件都能單獨(dú)影響判定結(jié)果。這里條件是指不含任何邏輯操作符的布爾表達(dá)式，由關(guān)系操作符構(gòu)成。判定是指包含邏輯操作符的布爾表達(dá)式。如果同一個(gè)布爾表達(dá)式在一個(gè)判定中出現(xiàn)多次，那么該表達(dá)式應(yīng)算作多個(gè)條件[5-6]。

1.3 JDBC技術(shù)

JDBC技術(shù)是Java DataBase Connectivity的縮寫，它是SUN公司提供的一種支持基本SQL功能的通用應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface）。它由一組用Java語言編寫的類和接口組成。通過這些類和接口，程序開發(fā)人員可以在Java語言中方便地建立與數(shù)據(jù)庫的鏈接，通過執(zhí)行相應(yīng)SQL語句，完成對(duì)不同數(shù)據(jù)庫的訪問。

JDBC能完成3件工作：①數(shù)據(jù)庫建立連接；②向數(shù)據(jù)庫建立連接；③處理數(shù)據(jù)庫返回結(jié)果。

數(shù)據(jù)庫連接處理實(shí)現(xiàn)如下：

//建立JDBC——ODBC

sun.jdbc.odbc.JdbcOdbcDriver；

//建立失敗時(shí)的錯(cuò)誤處理

catch（ClassNotFoundException event）{}

//創(chuàng)建SQL查詢語句，將結(jié)果保存到rs對(duì)象中

Con=建立JDBC——ODBC橋

Sql=SQL查詢語句

執(zhí)行查詢

Rs=返回結(jié)果

//SQL出錯(cuò)處理

catch（SQLException e1）{}

1.4 XML文檔存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

可擴(kuò)展的標(biāo)識(shí)語言XML（Extensible Markup Language）是一種元標(biāo)注語言，即定義特定領(lǐng)域有關(guān)語義的、結(jié)構(gòu)化的標(biāo)記語言，這些標(biāo)記語言將文檔分成許多部件并對(duì)這些部件加以標(biāo)識(shí)[7]。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 技術(shù)路線

具體如下：①利用插樁技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)Java文件基于源碼的插樁；

②利用MC/DC 準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)算法流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)Java文件中所有滿足MC/DC條件語句的測試覆蓋算法，并生成最小測試用例集；

③利用JDBC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將測試用例集存儲(chǔ)到MYSQL中；

④利用XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)Java文件中的條件語句原型的相關(guān)信息存儲(chǔ)，和存在數(shù)據(jù)庫中的測試用例集形成一個(gè)相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系，以方便后續(xù)頁面顯示。

2.2 基于源碼的條件插樁技術(shù)

插樁點(diǎn)識(shí)別過程中的詞法、語法分析只需識(shí)別有限的程序結(jié)構(gòu)即可。而對(duì)程序中所有的詞法、語法進(jìn)行分析，是因?yàn)閺闹虚g代碼生成匯編代碼時(shí)，需要以詞法、語法分析作為基礎(chǔ)，識(shí)別出所有的程序結(jié)構(gòu)。插樁點(diǎn)識(shí)別程序的輸入為預(yù)處理后的源代碼文件，輸出是插樁后的源代碼文件，這樣只對(duì)有限的程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行插樁，減少了膨脹性，提高了效率，如圖1所示。

插樁具體過程：①對(duì)Java文件編譯，在語法分析過程中，找到需要的插樁點(diǎn)，記錄下此位置的行號(hào)字節(jié)偏移量，并將這些信息存入設(shè)計(jì)的插樁結(jié)構(gòu)對(duì)象JInstru中；②語法分析結(jié)束后，將對(duì)象JInstru 中的信息即屬性值，寫入字節(jié)流DataOutputStream 中，并生成.map 文件；③從DataOutputStream 讀出需要插樁的信息，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)需要插樁的行號(hào)、偏移量、插樁點(diǎn)種類，插入相應(yīng)的代碼，完成整個(gè)Java文件的插樁，最終生成插樁后文件，如圖2所示。

2.3 MC/DC測試覆蓋方法

①從Java編譯器語法分析過程中分析條件語句里的布爾表達(dá)式和它對(duì)應(yīng)的抽象語法樹；②將抽象語法樹以逆波蘭表達(dá)式形式送入FirstProcess，形如AB||C&&，對(duì)其進(jìn)行整形和封裝，最終成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的list；③從FirstProcess 接口輸出的list進(jìn)入SecondProcess接口，對(duì)其后序遍歷，判斷條件的前置條件和默認(rèn)用例值并封裝成對(duì)象，存儲(chǔ)到ArrayList 里，送入下一個(gè)接口；④從SecondProcess接口輸出的 ArrayList 進(jìn)入 ThirdProcess 接口，通過MC/DC 的相關(guān)原則輸出滿足表達(dá)式的最小測試用例。MC/DC測試覆蓋生成過程如圖3所示。

2.4 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

MC/DC 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分為兩部分：①從Java編譯器詞法分析結(jié)束后，要將每個(gè)條件語句的原型存儲(chǔ)起來生成一個(gè)XML文件，用這種標(biāo)記語言來將復(fù)雜的條件語句之間的關(guān)系和條件語句中各條件之間的關(guān)系作清晰的存儲(chǔ)和展現(xiàn)；②每個(gè)條件語句對(duì)應(yīng)的最小測試用例集存入到數(shù)據(jù)庫中。這樣存儲(chǔ)既能保證存儲(chǔ)的可行性，又能保證以后界面化顯示數(shù)據(jù)時(shí)，能方便調(diào)用到正確數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)過程如圖4所示。

2.5 條件原型存儲(chǔ)

XML的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)：

例如： if（a）{

…

}

while（a==2 || b >5）{

…

}

設(shè)計(jì)的Xml結(jié)構(gòu)如下：

0

a

0

a == 2

1

b > 5

Xml的根節(jié)點(diǎn)是ConditionBox，用來存儲(chǔ)分析Java文件中的所有條件語句的條件原型，里面包含了很多Expression節(jié)點(diǎn)。Expression 節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)屬性：commit 是表達(dá)式的原型，例如 a 、 a == 2 這樣的整個(gè)表達(dá)式。index是指該表達(dá)式在Java文件中第幾個(gè)分析條件表達(dá)式，即為索引。而每一個(gè)Expression都有很多個(gè)Condition子節(jié)點(diǎn)， Condition的子節(jié)點(diǎn)包括 ID 和 ConditionField 分別存儲(chǔ)在這個(gè)條件的表達(dá)式中（存入數(shù)據(jù)庫中的測試用例條件就是用該標(biāo)記存儲(chǔ)的）。這樣Xml里面的表達(dá)式原型和SQL里面的最小測試用例能一一對(duì)應(yīng)起來。

元素內(nèi)容中的字符數(shù)據(jù)不能直接使用：< & > ‘ “，因?yàn)檫@些符號(hào)對(duì)XML分析器而言都有特殊意義。為了解決這些問題，可以使用字符引用來表達(dá)這些字符，如要表達(dá)這個(gè)標(biāo)簽：

a <= 2，只能使用字符引用表達(dá)來完成存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，如：

a < = 2。

XML預(yù)定義的實(shí)體引用如表1所示。

2.6 測試用例存儲(chǔ)

Java文件中有多少個(gè)表達(dá)式就有多少個(gè)Table，MC/DC 算法的每一個(gè)條件表達(dá)式形成一張存儲(chǔ)生成的測試用例表。

3 結(jié)語

全球信息化快速推動(dòng)了中國軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了軟件測試業(yè)的發(fā)展。但目前中國在軟件測試認(rèn)識(shí)、軟件測試技術(shù)、軟件測試商業(yè)化等方面，與歐美還存在很大差距。具有高安全性要求的航空航天軟件尤其需要可靠、有效的軟件測試，錯(cuò)誤一旦發(fā)生，結(jié)果往往是災(zāi)難性的。MC/DC準(zhǔn)則是為了只經(jīng)過較少的測試就能達(dá)到完備測試相同的效果。本研究基于Java編譯器設(shè)計(jì)完成了MC/DC測試覆蓋方法，為后期進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)覆蓋率統(tǒng)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）