基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

摘" 要： 為了解決面向開源軟件缺陷自定位系統(tǒng)存在定位精準(zhǔn)度低的問(wèn)題，在保留原定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)。在硬件結(jié)構(gòu)部署方面，采用AM2301型號(hào)芯片設(shè)計(jì)信號(hào)傳感器，聯(lián)合校準(zhǔn)系數(shù)，設(shè)置總線接口，實(shí)現(xiàn)信號(hào)自動(dòng)傳輸。下位機(jī)內(nèi)部鑲嵌Galileo GN100型號(hào)定位芯片，通過(guò)NMEA?0183V4.1協(xié)議獲取數(shù)據(jù)信息，設(shè)置固定標(biāo)記點(diǎn)，集合線性部件進(jìn)行軟件缺陷位置定位與控制。通過(guò)通信接口電路，使上位機(jī)RS 232串口通信接收下位機(jī)傳送的信息。依據(jù)下位機(jī)執(zhí)行軌跡組織、軌跡選擇、懷疑率計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)，獲取缺陷位置坐標(biāo)，經(jīng)由上位機(jī)顯示具體缺陷位置信息。在Windows平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，由測(cè)試結(jié)果可知，該系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度最高可達(dá)到93%，滿足人們對(duì)軟件可信度高標(biāo)準(zhǔn)的要求。

關(guān)鍵詞： 執(zhí)行軌跡; 軟件缺陷定位; 信號(hào)傳感器; 軟件設(shè)計(jì); 硬件設(shè)計(jì); 精準(zhǔn)度測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN919?34; TP391" " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2019）21?0094?05

Abstract： In order to solve the problem of low positioning accuracy in open source software defect self?positioning system， a software defect self?positioning system based on execution trajectory is designed on the premise of retaining the original positioning system structure. In terms of hardware structure deployment， AM2301 chip is used to design signal sensor and， joint calibration coefficient， and set up the bus interface to realize signal automatic transmission. Galileo GN100 positioning chip is embedded in the lower computer， obtain data information according to NMEA?0183V4.1 protocol， and set the fixed marker points. The linear components are assembled to achieve location and control of software defects. With the communication interface circuit， the upper computer RS 232 serial communication is used to receive the information transmitted by the lower computer. According to the results of executive trajectory organization， trajectory selection and suspicion rate calculation of the lower computer， the evaluation report standard is designed， so as to obtain the coordinates of defect location. The specific defect location information is displayed by means of upper computer. The system test was carried out on Windows platform." The test results show that the positioning accuracy of the system can reach 93%， which meets people′s high standard requirement of software reliability.

Keywords： executive trajectory; software defect; localization; signal sensor; software design; hardware design; precision test

0" 引" 言

軟件可靠性是軟件研發(fā)的重點(diǎn)，用戶對(duì)于軟件可信度要求隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展越來(lái)越高。軟件中隱含的缺陷數(shù)目與系統(tǒng)可靠性具有直接關(guān)系，缺陷定位是軟件應(yīng)用可持續(xù)發(fā)展的主要步驟[1]。采用面向開源軟件缺陷自定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要程序員對(duì)目前軟件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，直到找到缺陷位置[2]。該系統(tǒng)不僅要求程序員熟練掌握軟件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且定位精準(zhǔn)度較低，無(wú)法滿足人們要求。

一個(gè)良好的設(shè)計(jì)方案需要通過(guò)測(cè)試分析階段所產(chǎn)生的信息來(lái)確定軟件中缺陷的位置，因此，提出基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。從缺陷不同角度發(fā)現(xiàn)軟件存在的不同缺陷，由于程序員對(duì)程序進(jìn)行了一定修改，并引入一定缺陷，導(dǎo)致程序版本間的差異分解為修改集合形式，通過(guò)對(duì)集合中的原程序進(jìn)行修改，可定位到缺陷位置。

1" 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

硬件結(jié)構(gòu)由故障定位裝置、信號(hào)傳感器、定位主機(jī)、顯示屏組成，通過(guò)定位裝置中的記錄模塊接收軟件缺陷故障信號(hào)，一旦到達(dá)初始位置，啟動(dòng)定位系統(tǒng)時(shí)鐘單元記錄信號(hào)到達(dá)時(shí)間。確定軟件存在缺陷后，定位裝置將缺陷記錄到定位裝置中，通過(guò)下位機(jī)采集相關(guān)缺陷信息，再傳至上位機(jī)中，由顯示屏顯示具體信息[3]。

1.1" 信號(hào)傳感器

傳感器能夠?qū)⒏惺艿降能浖毕菪畔凑找欢ㄒ?guī)律轉(zhuǎn)換為信號(hào)形式，滿足信息傳輸、處理、顯示與記錄要求，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的主要環(huán)節(jié)[4]。因此，采用AM2301型號(hào)芯片為信號(hào)傳感器主要芯片，它是一款含有已經(jīng)校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)復(fù)合傳感器，具有可靠性和穩(wěn)定性。該傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)處理過(guò)程中，調(diào)用校準(zhǔn)系數(shù)，設(shè)置總線接口，使系統(tǒng)變得簡(jiǎn)易[5]。

1.2" 故障定位裝置

故障定位裝置主要應(yīng)用于小電流接地形式，一旦系統(tǒng)檢測(cè)出軟件缺陷，那么該裝置能夠快速、準(zhǔn)確地獲取缺陷位置信息。該裝置包括記錄模塊、下位機(jī)和上位機(jī)，依據(jù)記錄的缺陷信息，利用下位機(jī)進(jìn)行缺陷信息收集與定位，并將結(jié)果傳至上位機(jī)中[6]。

1.2.1" 下位機(jī)

下位機(jī)能夠直接控制裝置獲取裝置狀況，讀取裝置狀態(tài)模擬量，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)形式反饋給上位機(jī)。下位機(jī)內(nèi)部鑲嵌Galileo GN100型號(hào)定位芯片，通過(guò)NMEA?0183V4.1協(xié)議能夠精準(zhǔn)獲取數(shù)據(jù)信息，同時(shí)了解軟件運(yùn)行狀態(tài)信息[7?9]。

當(dāng)有不規(guī)則遮擋物存在時(shí)，該芯片可通過(guò)運(yùn)營(yíng)商基站信息進(jìn)行快速定位[10]。芯片參數(shù)如表1所示。

在Galileo GN100型號(hào)定位芯片支持下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路。系統(tǒng)電路主要由定位控制電路和通信電路組成，具體設(shè)計(jì)如下所示。

1） 定位控制電路

設(shè)置固定標(biāo)記點(diǎn)，集合線性部件進(jìn)行軟件缺陷位置定位與控制，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2中設(shè)置穩(wěn)定環(huán)路電路，縮短動(dòng)力響應(yīng)時(shí)間，通過(guò)功率運(yùn)算放大器修正輸出數(shù)據(jù)。采用三相異步電動(dòng)機(jī)具有較高的電動(dòng)勢(shì)，在晶體管處施加50 V電壓，適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)方向，能夠保證兩個(gè)光電管電流大小一致[11]。

如果瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)切換到放大器輸入端時(shí)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)按照順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，輸出正常電動(dòng)勢(shì);如果瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)未達(dá)到設(shè)定的標(biāo)記點(diǎn)時(shí)，[C2]上電荷需為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，此時(shí)電動(dòng)機(jī)應(yīng)按照逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，輸出高電動(dòng)勢(shì)[12]。依據(jù)不同電容選擇合適阻尼，實(shí)現(xiàn)軟件缺陷精準(zhǔn)定位。

2） 通信電路

通信接口電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

由圖3可知，該電路由從機(jī)、鎖存器、隨機(jī)存取器和接口器件組成。在該電路中，各個(gè)從機(jī)與上位機(jī)直接連接，一旦從機(jī)數(shù)量過(guò)多，那么上位機(jī)就會(huì)出現(xiàn)頻繁的響應(yīng)情況，由此說(shuō)明系統(tǒng)正在定位。

1.2.2" 上位機(jī)

上位機(jī)可根據(jù)下位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的信息操控主機(jī)，通常上位機(jī)具備RS 232串口通信，采用該種通信方式適合工業(yè)控制雙線通信，還可實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)的通信[13]。

1.3" 顯示屏

使用電壓互感器提取軟件缺陷信號(hào)，傳送至客戶端進(jìn)行統(tǒng)一處理，經(jīng)過(guò)AT?16型號(hào)觸發(fā)器可將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)接口與計(jì)算機(jī)接口相連接，可顯示出軟件缺陷信息。

2" 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)路線的設(shè)計(jì)是通過(guò)上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中，上位機(jī)主機(jī)運(yùn)行軟件可接收來(lái)自下位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的定位信息，針對(duì)該信息采用執(zhí)行軌跡方法進(jìn)行軟件缺陷定位。

2.1" 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件工作流程如下所示：

1） 初始化程序

中斷服務(wù)開啟驅(qū)動(dòng)，設(shè)置源地址。

2） 基于執(zhí)行軌跡的缺陷自定位

定位過(guò)程分為三步，分別是執(zhí)行軌跡組織、軌跡選擇、懷疑率計(jì)算，通過(guò)整理初始源地址信息，按照一定組織方式測(cè)試信息執(zhí)行軌跡。選擇用于定位的執(zhí)行軌跡濾除信息中存在的噪聲信息，分析選定的執(zhí)行軌跡，計(jì)算語(yǔ)句塊中的懷疑率，由此實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)缺陷自定位。具體執(zhí)行方案如下所示：

① 執(zhí)行軌跡組織

執(zhí)行軌跡是測(cè)試所執(zhí)行語(yǔ)句塊中的序列，通過(guò)動(dòng)態(tài)切片技術(shù)收集被測(cè)試的序列。如果出現(xiàn)信息量過(guò)大的問(wèn)題，需按照代碼靜態(tài)結(jié)構(gòu)組織執(zhí)行軌跡。

將程序看成一個(gè)向量，其中每一維對(duì)應(yīng)的程序是一個(gè)語(yǔ)句塊，按照二值向量和多值向量組織缺陷定位執(zhí)行軌跡。

二值向量：分析該向量中的語(yǔ)句塊是否被執(zhí)行，如果被執(zhí)行，則向量中的維數(shù)值為1;否則，為0。設(shè)[sus]為懷疑率，[j]為測(cè)試用例，則執(zhí)行公式為：

[w1j=1，sus" is" executed" by" j0，sus" is" not" executed" by" j] （1）

多值向量：如果該向量中語(yǔ)句塊被執(zhí)行了[λ]次，那么對(duì)應(yīng)維數(shù)的值為[λ];否則，為0，執(zhí)行公式為：

[w2j=λ，sus" is" executed" by" j0，sus" is" not" executed" by" j] （2）

以下執(zhí)行軌跡，都是按照上述兩種向量方式組織執(zhí)行的。

② 軌跡選擇

在執(zhí)行過(guò)程中，存在大量冗余測(cè)試用例，由此形成大量冗余信息，降低了系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度。為了對(duì)程序中存在的多個(gè)缺陷進(jìn)行高精準(zhǔn)定位，可通過(guò)測(cè)試用例執(zhí)行的相似性執(zhí)行軌跡。

執(zhí)行軌跡間距離越小，執(zhí)行軌跡越相似，對(duì)于多值向量可以按照向量元素值大小進(jìn)行排序。通過(guò)計(jì)算排列間相互轉(zhuǎn)換步數(shù)，獲取執(zhí)行軌跡間距離。由于選擇的軌跡只能關(guān)注語(yǔ)句塊之間的關(guān)系，因此，需計(jì)算執(zhí)行軌跡間排序距離。

設(shè)執(zhí)行軌跡為：

對(duì)向量元素排序后為：

直接利用次數(shù)參數(shù)計(jì)算，受到語(yǔ)句塊循環(huán)影響較大，及時(shí)發(fā)現(xiàn)執(zhí)行次數(shù)相對(duì)關(guān)系，能夠完整體現(xiàn)執(zhí)行軌跡間的相似性。

③ 懷疑率計(jì)算

將測(cè)試用例中與某個(gè)語(yǔ)句塊相關(guān)的用例組成一個(gè)集合，分析該集合中通過(guò)測(cè)試和未通過(guò)測(cè)試的懷疑率。如果集合中未通過(guò)測(cè)試用例執(zhí)行比例大，則說(shuō)明該語(yǔ)句塊具有較高的懷疑率;否則，懷疑率較低。

各語(yǔ)句塊懷疑率計(jì)算公式如下：

式中：[Raj]表示語(yǔ)句塊[aj]所在的模塊;[Tfb]表示經(jīng)過(guò)執(zhí)行[b]模塊未通過(guò)測(cè)試的數(shù)量;[Tgb]表示經(jīng)過(guò)執(zhí)行[b]模塊通過(guò)測(cè)試的數(shù)量;[Tfaj]為執(zhí)行[aj]未通過(guò)測(cè)試的數(shù)量;[Tgaj]為執(zhí)行[aj]通過(guò)測(cè)試的數(shù)量。

依據(jù)上述計(jì)算的[sus]懷疑率結(jié)果，將語(yǔ)句塊按照大小順序排列。

3） 計(jì)算坐標(biāo)

將獲取的懷疑率結(jié)果進(jìn)行歸一化整理，計(jì)算出缺陷位置坐標(biāo)。

4） 定位報(bào)告評(píng)價(jià)

針對(duì)軟件缺陷自定位的意義在于縮短程序員找到缺陷位置的時(shí)間，根據(jù)步驟3）中的缺陷位置坐標(biāo)，報(bào)告定位到實(shí)際缺陷情況，此時(shí)用所必需的審查語(yǔ)句塊來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)定位效果，語(yǔ)句塊數(shù)量越少，則說(shuō)明定位效果越好。

依據(jù)坐標(biāo)，將語(yǔ)句塊按照由近及遠(yuǎn)的方式排序，并依次進(jìn)行編號(hào)處理，根據(jù)實(shí)際缺陷語(yǔ)句塊編號(hào)給系統(tǒng)未定效果進(jìn)行打分，分?jǐn)?shù)越高，則說(shuō)明定位精準(zhǔn)度越高。

如果報(bào)告的分?jǐn)?shù)超過(guò)90分，則說(shuō)明程序員只需審核10%的語(yǔ)句塊就能快速找到軟件中的缺陷位置，計(jì)算公式為：

式中：[p]表示語(yǔ)句塊總數(shù);[q]表示缺陷語(yǔ)句塊總數(shù)。

5） 顯示程序

通過(guò)硬件結(jié)構(gòu)中的顯示屏，顯示程序完成缺陷位置坐標(biāo)。

2.2" 上位機(jī)軟件

上位機(jī)程序流程如圖4所示。

下位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)連接，讀取下位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的信息進(jìn)行解析，形成信息包，讀取下位機(jī)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，顯示軟件缺陷位置信息，實(shí)現(xiàn)顯示功能。

3" 實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)于系統(tǒng)測(cè)試分析就是對(duì)軟件缺陷進(jìn)行自定位精準(zhǔn)度的測(cè)試，在已知缺陷條件下，分析系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度，如果測(cè)試結(jié)果精準(zhǔn)度越高，則說(shuō)明該系統(tǒng)性能越好。

3.1" 軟硬件環(huán)境

在Windows 7.0平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)軟硬件環(huán)境，如表2所示。

3.2" 精準(zhǔn)度測(cè)試結(jié)果與分析

當(dāng)軟件處于正常使用情況下，軟件缺陷定位分別在冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)條件下，將面向開源軟件缺陷自定位系統(tǒng)與基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如下所示。

1） 冷啟動(dòng)

直接按重啟動(dòng)按鈕進(jìn)行冷啟動(dòng)，兩種系統(tǒng)獲取的缺陷信號(hào)波動(dòng)幅值如圖5所示。

面向開源軟件缺陷自定位系統(tǒng)幅值變化較大，在時(shí)間為0.47 ms時(shí)，幅值達(dá)到最低為-0.40;在時(shí)間為0.03 ms時(shí)，幅值達(dá)到最高為0.59;基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)幅值變化較小，在時(shí)間為0.08 ms時(shí)，幅值達(dá)到最低為0;在時(shí)間為0.03 ms時(shí)，幅值達(dá)到最高為0.59。

2） 熱啟動(dòng)

使用鍵盤Ctrl+Alt+Del進(jìn)行熱啟動(dòng)，兩種系統(tǒng)獲取的缺陷信號(hào)波動(dòng)幅值結(jié)果如圖6所示。

面向開源軟件缺陷自定位系統(tǒng)幅值變化在熱啟動(dòng)情況下變化幅度變大，但具有一定規(guī)律性，在[-0.7，0.8]幅值內(nèi)進(jìn)行上下波動(dòng);基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)幅值變化較小，也具有一定規(guī)律性，在[-0.1，0.2]幅值內(nèi)進(jìn)行上下波動(dòng)。

在不同啟動(dòng)模式下，為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)具有精準(zhǔn)的定位效果，需對(duì)這兩種系統(tǒng)再次進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表3所示。

分析表3可知，在冷啟動(dòng)模式下，面向開源軟件缺陷自定位系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度最高為50%，而基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度最高為90%;在熱啟動(dòng)模式下，面向開源軟件缺陷自定位系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度最高為67%，而基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度最高為93%。由此說(shuō)明，基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度較高。

4" 結(jié)" 語(yǔ)

針對(duì)以往采用的面向開源軟件缺陷自定位系統(tǒng)存在定位精準(zhǔn)度低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)，詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能，并把傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，由此證實(shí)本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

目前，軟件缺陷定位系統(tǒng)還需進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，比如，如何在海量數(shù)據(jù)中提高系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度，或者在有限數(shù)據(jù)條件下分析軟件缺陷，并精準(zhǔn)定位缺陷位置，這些問(wèn)題都需要進(jìn)一步完善。

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