基于失效數(shù)據(jù)的軟件可靠性測試方法

顧吉堂

摘要：結(jié)合軟件可靠性測試流程，分析了軟件可靠性數(shù)據(jù)獲取、處理辦法，最后提出一種基于軟件失效數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件可靠性測試的方法。

關(guān)鍵詞：軟件可靠性；軟件失效；可靠性測試

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）01-0122-02

Abstract：Combining software testing process， the paper studies software reliability data acquisition and processing methods， a way of testing software reliability Based on its failure data is proposed.

Key words：software reliability； software failure； reliability test

計(jì)算機(jī)軟件日趨復(fù)雜，影響其質(zhì)量的因素也越來越多，盡管人們采用了軟件工程、軟件質(zhì)量保證等一系列技術(shù)提高其可靠性水平，但在當(dāng)前技術(shù)下做到軟件零缺陷幾乎是不可能的，用戶對運(yùn)行穩(wěn)定、交互順暢、性能良好的計(jì)算機(jī)軟件的不斷追求為深入開展軟件可靠性測試研究提供了不竭動(dòng)力。

可靠性作為衡量軟件質(zhì)量的重要指標(biāo)，越來越受到人們的重視，軟件可靠性測試已成為軟件可靠性工程的核心內(nèi)容。

美國IEEE計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)軟件工程技術(shù)委員會(huì)于1983年對軟件可靠性作出如下的定義：

1） 在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)不引起系統(tǒng)失效的概率；

2） 在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)，所述條件下程序執(zhí)行預(yù)定功能的能力。

其中，“規(guī)定條件”包括軟件運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行剖面；“規(guī)定時(shí)間”分為執(zhí)行時(shí)間、日歷時(shí)間和時(shí)鐘時(shí)間等。

當(dāng)軟件失效時(shí)，就說明軟件不可靠，軟件失效次數(shù)越多或者發(fā)生失效時(shí)間間隔越短，認(rèn)為軟件越不可靠。軟件失效的機(jī)理可用圖1表示。

其中：

錯(cuò)誤（error）：指軟件生存期內(nèi)出現(xiàn)的不希望或不可接受的人為錯(cuò)誤，其結(jié)果導(dǎo)致軟件缺陷產(chǎn)生，相對于軟件本身，錯(cuò)誤是一種外部行為；

缺陷（defect）：指存在于軟件文檔、數(shù)據(jù)、程序中的偏差導(dǎo)致軟件運(yùn)行于特定條件下出現(xiàn)故障；

故障（fault）：指軟件在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的系統(tǒng)不能夠執(zhí)行規(guī)定功能的狀態(tài)，故障是一種動(dòng)態(tài)行為，具有較強(qiáng)的不確定性；

失效（failure）：指程序的運(yùn)行偏離了需求，產(chǎn)生了一種不希望或不可接受的外部行為結(jié)果。

軟件失效機(jī)理可概括為：軟件錯(cuò)誤通常是人為原因造成的，一個(gè)軟件錯(cuò)誤必定會(huì)產(chǎn)生軟件缺陷；軟件缺陷被激活時(shí)，軟件故障就會(huì)隨之而來；軟件故障若未及時(shí)處理便會(huì)導(dǎo)致軟件失效。

1 軟件可靠性測試流程

軟件可靠性測試指的是對特定時(shí)間和環(huán)境下軟件無故障運(yùn)行概率的分析判斷，一般情況下，可按軟件運(yùn)行剖面隨機(jī)檢查其各項(xiàng)指標(biāo)，通過收集測試數(shù)據(jù)并運(yùn)用可靠性模型確定軟件的可靠性水平。

軟件可靠性測試流程通常分可靠性測試準(zhǔn)備、可靠性測試執(zhí)行和可靠性結(jié)果分析三個(gè)階段，軟件可靠性測試的一般流程如圖2所示。

1） 構(gòu)造運(yùn)行剖面：“軟件的運(yùn)行剖面”是指由軟件所有可能的輸入值構(gòu)成的軟件運(yùn)行的輸入空間及其分布概率。粗略地說，運(yùn)行剖面是用來描述軟件實(shí)際使用情況的，可根據(jù)軟件的需求規(guī)格說明及設(shè)計(jì)文檔確定軟件功能點(diǎn)、提取操作點(diǎn)、明確操作點(diǎn)相互關(guān)系和操作概率等。

2） 選取測試用例：測試用例一般包括測試項(xiàng)功能、輸入數(shù)據(jù)和預(yù)期結(jié)果等，要使其輸入環(huán)境與軟件典型使用環(huán)境在統(tǒng)計(jì)特性上盡可能保持一致，也要根據(jù)軟件運(yùn)行剖面隨機(jī)選取與用戶的使用概率分布相吻合的測試用例，確保軟件可靠性估計(jì)的準(zhǔn)確性和客觀性。

3） 測試執(zhí)行：即在實(shí)裝真實(shí)條件下或模擬生成的仿真測試環(huán)境中，按軟件操作流程運(yùn)行測試用例，記錄軟件運(yùn)行期間的失效時(shí)間、失效間隔、累積失效數(shù)等測試數(shù)據(jù)。

4） 結(jié)果分析：根據(jù)軟件運(yùn)行結(jié)果判斷被試軟件是否失效并對其中原因定位，除此之外，還要根據(jù)軟件失效數(shù)據(jù)評價(jià)其可靠性指標(biāo)是否滿足預(yù)定要求，為管理決策提供依據(jù)。

5） 糾錯(cuò)與回歸測試：在結(jié)果分析基礎(chǔ)上，針對導(dǎo)致軟件失效的程序要通過糾錯(cuò)措施進(jìn)行糾正，才能實(shí)現(xiàn)軟件可靠性的增長；回歸測試是指對修改錯(cuò)誤程序后的軟件按照測試流程和運(yùn)行剖面再次進(jìn)行的測試，其目的是確認(rèn)糾錯(cuò)措施沒有產(chǎn)生新的錯(cuò)誤。

2 軟件可靠性數(shù)據(jù)采集

軟件可靠性數(shù)據(jù)不僅要滿足軟件可靠性模型要求還要滿足軟件全壽命、全周期可靠性分析要求，數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量、數(shù)量直接影響到軟件可靠性測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。為便于研究，這里將軟件的錯(cuò)誤、缺陷、故障及引起軟件差錯(cuò)的其他數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為軟件可靠性數(shù)據(jù)。

對于一個(gè)計(jì)算機(jī)軟件來說，發(fā)生軟件失效一般是因?yàn)檫\(yùn)行了某一包含缺陷的軟件模塊的原因。為了討論方便，這里把那些驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件模塊運(yùn)行的因素為操作，并用操作序列來表達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行的所有活動(dòng)。同時(shí)，軟件失效又具有相對獨(dú)立性，其發(fā)生的時(shí)間與系統(tǒng)先前工作狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)長及累積失效等因素均無關(guān)。

一般來說，可以把軟件在某一次可靠性測試過程中的所有操作用一個(gè)操作序列來表示，其失效時(shí)間序列為，這里為系統(tǒng)開機(jī)時(shí)間。為方便研究，我們在時(shí)間軸上用操作軸和操作序列、失效軸和失效序列來直觀反映軟件在一次測試過程中發(fā)生失效的情況，如圖3所示。

引入操作序列的概念，有利于按時(shí)間先后順序獲取軟件在實(shí)際使用中的失效數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)能直觀反映出測試周期中的軟件可靠性數(shù)據(jù)，有利于開展軟件的可靠性分析。

所謂失效序列，通常認(rèn)為其中的任意一次失效，意味著運(yùn)行了某個(gè)包含缺陷的軟件模塊，測試中可以通過記錄失效時(shí)間來構(gòu)建其失效序列。

當(dāng)軟件進(jìn)行修改后，其失效數(shù)據(jù)的獲取可以根據(jù)修改缺陷模塊的運(yùn)行反推出該模塊操作可能失效現(xiàn)象，在先前失效序列中去掉已修改的失效數(shù)據(jù)，加上該操作在更新后發(fā)生的失效數(shù)據(jù)就可以獲得新的、可利用的軟件可靠性數(shù)據(jù)了。

3 軟件可靠性測試模型

現(xiàn)有的軟件可靠性測試模型有很多種，這里采用G-O非齊次Poisson過程模型，根據(jù)軟件可靠性測試中采集的軟件失效數(shù)據(jù)預(yù)測其最終的失效總數(shù)，為可靠性分析奠定基礎(chǔ)。

作如下假設(shè)：

1） 時(shí)刻t被發(fā)現(xiàn)的軟件失效數(shù)據(jù)服從泊松分布；

2） 軟件錯(cuò)誤相互獨(dú)立且被發(fā)現(xiàn)概率基本相同；

3） 軟件糾錯(cuò)過程中不會(huì)產(chǎn)生新的錯(cuò)誤。

累積錯(cuò)誤數(shù)m（t）為軟件運(yùn)行到t時(shí)刻的累積錯(cuò)誤總數(shù)，a為最終可能被檢測出的錯(cuò)誤總數(shù)，則有：

對于一個(gè)被測軟件，在獲取軟件失效數(shù)及失效間隔時(shí)間基礎(chǔ)上，可通過上述模型計(jì)算出軟件累積錯(cuò)誤，為該軟件的可靠性測試奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

本文從軟件失效數(shù)據(jù)采集、分析入手，結(jié)合軟件可靠性評估模型，針對軟件可靠性測試技術(shù)進(jìn)行了研究，對提高計(jì)算機(jī)軟件可靠性測試水平具有指導(dǎo)意義。

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