基于執(zhí)行序列的嵌入式軟件時(shí)序異常檢測探究

何銀川 周翔 鄧任鋒

摘要：時(shí)序特性是嵌入式軟件的重要特性，實(shí)時(shí)嵌入式軟件運(yùn)行的正確性不僅依賴于任務(wù)執(zhí)行結(jié)果，更依賴于任務(wù)執(zhí)行時(shí)間。執(zhí)行任務(wù)往往具有多個(gè)時(shí)間約束，且相互之間可能存在制約關(guān)系，對時(shí)間約束進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)是嵌入式軟件測試過程中一個(gè)非常重要問題，因而文章提出了一種基于執(zhí)行片段的嵌入式軟件時(shí)序特性檢測方法，簡單地說，即通過執(zhí)行片段對軟件的時(shí)序進(jìn)彳亍特性檢測。

關(guān)鍵詞：執(zhí)行片段；時(shí)序缺陷檢測；軟件測試；嵌入式軟件

時(shí)序特性是否滿足設(shè)計(jì)要求將對實(shí)時(shí)嵌入式軟件的正常運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響，因?yàn)闀r(shí)序異常極有可能會造成任務(wù)執(zhí)行的失敗，甚至在很多時(shí)候還會造成系統(tǒng)的極大破壞，因此正確的嵌入式軟件時(shí)序的設(shè)計(jì)不僅是軟件開發(fā)的重中之重，更是軟件正常實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

1 研究背景

要想準(zhǔn)確地掌握目標(biāo)系統(tǒng)的時(shí)序特征、合理地對時(shí)序序列缺陷進(jìn)行檢測都是要建立在精確、完整建模的基礎(chǔ)上。接口自動機(jī)（Interface Automata，IA）作為一種輕量級的形式模型，其主要是通過狀態(tài)機(jī)的相關(guān)接口去實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件間通信以及交互過程的描述，并且還可以進(jìn)行對構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的隱藏，實(shí)現(xiàn)對外部環(huán)境有關(guān)行為特性的刻畫，同時(shí)在這個(gè)環(huán)境下，還可以自動地進(jìn)行相容性檢測和精化檢驗(yàn)，因而是一種可組合的、非常適合軟件系統(tǒng)建模的常用工具。

2 時(shí)序缺陷檢測關(guān)于相關(guān)性的分析

在對時(shí)序進(jìn)行缺陷檢測的時(shí)候，需要借助清除、簡化、整合、自動化（Eliminate Simplify Integrate Automate，ESIA）模型和執(zhí)行路徑在時(shí)間約束方面的相關(guān)性進(jìn)行分析，因此需要對執(zhí)行片段中預(yù)先提取的各類信息進(jìn)行自動檢測，以排查軟件在執(zhí)行過程中各種時(shí)序錯(cuò)誤，并借此檢查軟件相關(guān)的異常處理機(jī)制是否符合設(shè)計(jì)需求。本文為了更好地對序列的執(zhí)行過程進(jìn)行描述，把其定義為一個(gè)行為執(zhí)行序列。

在對執(zhí)行片段進(jìn)行提取的過程中也有一些注意事項(xiàng)，比如可能會有信息不存在的情況，這時(shí)只需要讓相應(yīng)元素空缺即可，而又如某一項(xiàng)執(zhí)行片段缺失時(shí)間信息，那么這時(shí)也就沒有與之相關(guān)聯(lián)的任何信息進(jìn)行描述的必要[1]。此外，在基于執(zhí)行片段的嵌入式軟件時(shí)序特性檢測（Trace-BasedTemporal Defect Detection，TBTDD）方法中，應(yīng)當(dāng)保證執(zhí)行片段相關(guān)記錄的規(guī)范性和完整性，以幫助后續(xù)的解析和檢測任務(wù)的順利進(jìn)行。并且對于軟件異常時(shí)序機(jī)制處理的檢測和驗(yàn)證也是必不可少的，以此來避免非預(yù)期結(jié)果的出現(xiàn)。

出于這些因素考量，本文中又將時(shí)序片段分為正常和異常兩個(gè)部分，其具體定義如下。

2.1 正常時(shí)序片段

如果該執(zhí)行片段僅包含正常的時(shí)序序列和與之對應(yīng)的執(zhí)行分支，則被叫作正常片段。

2.2 異常時(shí)序片段

如果該執(zhí)行片段包含異常時(shí)序和與之相對應(yīng)的異常處理分支，則被叫作異常片段。

但需要注意的是，在對執(zhí)行片段的提取上應(yīng)當(dāng)盡可能地對各種正常或者異常的時(shí)序進(jìn)行覆蓋，以達(dá)到對目標(biāo)軟件的所有異常時(shí)序充分檢測的目的。

3 執(zhí)行片段注意事項(xiàng)

3.1 對執(zhí)行片段進(jìn)行匹配

如果所執(zhí)行片段中的序列信息能夠與ESIA模型中的執(zhí)行路徑相符，則就稱該執(zhí)行片段能夠被ESIA模型所接受。因此制定出相關(guān)的可接受準(zhǔn)則是首要解決的事，并在此準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上提出一種基于廣度優(yōu)先算法的候選狀態(tài)選取策略，然后再逐項(xiàng)地對執(zhí)行片段上的各種信息進(jìn)行匹配，通過這種方法找到所有能與ESIA模型相匹配的執(zhí)行路徑，如果不能找到正確的匹配路徑則把不能匹配的片段進(jìn)行濾除。由于ESIA模型中既有正常的時(shí)序信息也有異常的時(shí)序判斷，所以在對可接受準(zhǔn)則的制定上應(yīng)當(dāng)以能夠適應(yīng)這兩種匹配過程的準(zhǔn)則為先導(dǎo)。以下是對相關(guān)可接受準(zhǔn)則的一個(gè)定義。

（1）從j=1開始，即從λ1開始，選擇VP中某一個(gè)候選元素作為起始狀態(tài)，啟動Trace進(jìn)行匹配。

（2）如果候選集合中存在著與λ1相一致的狀態(tài)遷移，則對該狀態(tài)移動以及相應(yīng)的目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行記錄。通過這種方法，讓λ1對所有的候選狀態(tài)基于該過程進(jìn)行匹配，并把匹配過后所得到的記錄狀態(tài)的集合對當(dāng)前的狀態(tài)候選集合進(jìn)行更新，到此λ1完成所有匹配過程。

（3）根據(jù)執(zhí)行片段的順序，使Trace重復(fù)進(jìn)行步驟（2）。如果Trace中的所有過程均能夠被正確匹配，則表示能夠找到一組與之相符的ESIA執(zhí)行路徑，反之，則不行。但值得注意的是，往往在匹配的過程中不是只有一個(gè)候選狀態(tài)能與執(zhí)行片段相匹配，換句話說就是有多個(gè)狀態(tài)遷徙能夠與執(zhí)行片段相匹配，因此與之相符的ESIA執(zhí)行路徑可能不只一條[2]。

但面對ESIA的執(zhí)行路徑存在多條的時(shí)候，則要根據(jù)具體的問題具體進(jìn)行分析，一般從執(zhí)行路徑與時(shí)間約束之間的關(guān)系著手。如果不同的匹配路徑其時(shí)間關(guān)系不同，則不能輕易地判斷該執(zhí)行路徑是符合時(shí)序的相應(yīng)設(shè)計(jì)要求的。針對以上情況，還需要通過對匹配路徑的有關(guān)時(shí)間約束和時(shí)序序列進(jìn)行缺陷檢測來增強(qiáng)準(zhǔn)確判斷的籌碼，如果檢測的結(jié)果是執(zhí)行片段中的相關(guān)時(shí)間信息不能滿足匹配路徑對于時(shí)序的要求，則判定該軟件的時(shí)序存在缺陷或異常，不過具體存在何種問題則還需要進(jìn)一步的進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

此外，如果沒有一條與該執(zhí)行片段相符合的執(zhí)行路徑，則過濾該執(zhí)行片段，也不再對其進(jìn)行其他的相關(guān)障礙檢測，在這種情況下有兩種可能性，一種就是ESIA模型描述的場景不全面，另一種就是軟件存在著功能性障礙，具體是哪一種情況，還需要對相應(yīng)執(zhí)行片段及其功能設(shè)計(jì)進(jìn)一步的進(jìn)行審查，但不能篤定地說軟件一定存在著時(shí)序缺陷。

3.2 對時(shí)序進(jìn)行缺陷分析

對嵌入式軟件進(jìn)行故障檢測、定位、隔離、重構(gòu)以及修復(fù)是故障管理的5個(gè)主要方面。如果目標(biāo)軟件存在著較多的時(shí)序缺陷或者故障的時(shí)候，其檢測、定位也將更加復(fù)雜，并且常常由于故障之間的某種關(guān)系或者作用，使得許多故障在檢測的過程中極有可能被掩蓋，因而本文主要針對的是目標(biāo)軟件中某一個(gè)單一的時(shí)序序列，通過檢測、識別、定位等步驟對其故障進(jìn)行排查。所以，首先要對軟件在執(zhí)行過程中有可能會出現(xiàn)的類似于時(shí)序異常、功能性障礙等情況進(jìn)行分析和判斷，根據(jù)分析結(jié)果確定相關(guān)的時(shí)序缺陷類型[3]，并以此為基礎(chǔ)有針對性的制定出檢測過程中的特性檢測準(zhǔn)則，從而達(dá)到對異常時(shí)序檢測、識別有效性和可靠性的目的。此外，如果目標(biāo)軟件程序在ESIA模型之上不存在與之相匹配的執(zhí)行路徑，則該軟件在程序的實(shí)現(xiàn)上可以判斷為有功能性缺陷，甚至在運(yùn)行的過程中極有可能有以下時(shí)序異常的發(fā)生。

（1）違反特定的時(shí)間約束，即對于時(shí)間變量的取值不符合特定的時(shí)間約束，或者是在對其狀態(tài)匹配的過程中未能找到與之相對應(yīng)的時(shí)間約束。

（2）違反相關(guān)的時(shí)間約束，簡單地說就是在時(shí)間變量的取值上不滿足時(shí)間約束之間的關(guān)系。

（3）違反計(jì)時(shí)起點(diǎn)設(shè)置要求，即對某些時(shí)間變量進(jìn)行計(jì)時(shí)起點(diǎn)設(shè)計(jì)的過程中不滿足有關(guān)設(shè)計(jì)要求。

（4）錯(cuò)誤的異常時(shí)序處理，也就是說對于異常時(shí)序的相關(guān)處理機(jī)制不符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 對時(shí)序進(jìn)行缺陷檢測

通常通過執(zhí)行片段中的時(shí)間信息與檢測過程中所制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系來判斷所設(shè)計(jì)的軟件時(shí)序是否滿足設(shè)計(jì)要求。因此，在TBTDD方法中，首先需要分析和掌握時(shí)序的缺陷類型，并根據(jù)該類型制定滿足時(shí)序特征的相關(guān)準(zhǔn)則，再由此把ESIA模型中對于時(shí)間需求的描述當(dāng)作檢測的一個(gè)度量，然后檢測正在執(zhí)行中的有關(guān)片段的時(shí)間信息和異常處理機(jī)制，并且對異常時(shí)序機(jī)制的檢測還可以保證軟件運(yùn)行的可靠性和健壯性。此外，這種方法還可以通過ESIA的有關(guān)執(zhí)行路徑對有缺陷的時(shí)序進(jìn)行定位，對違反相關(guān)或者特定時(shí)間約束的、不符合設(shè)計(jì)特定時(shí)序異常處理機(jī)制要求的、計(jì)時(shí)起點(diǎn)設(shè)置錯(cuò)誤的等缺陷情況，都能夠非常有效和充分地進(jìn)行檢查和測試。

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