嵌入式軟件運行剖面建模及測試用例生成

航天應(yīng)用中的大部分軟件都是嵌入式軟件，可靠性要求很高，因此，對其進行充分測試顯得尤為重要。但是，嵌入式軟件運行環(huán)境同硬件有著密切的關(guān)系，使得嵌入式軟件測試過程非常復(fù)雜，目前存在的一些測試工具偏重于白盒測試且價格昂貴，針對黑盒測試，目前還是以人工測試為主。由于軟件的復(fù)雜程度越來越高，導(dǎo)致人為設(shè)計測試用例數(shù)量巨大且無法保證測試充分性。而對航天軟件來說，是否滿足任務(wù)要求是軟件的重點，因此，從用戶的角度對軟件運行剖面進行數(shù)學(xué)建模，對系統(tǒng)是怎樣的以及它會怎樣被使用做出一個定量描述，根據(jù)這些量值可以對軟件中至關(guān)重要的、生命攸關(guān)的、關(guān)系到系統(tǒng)成敗的部分給與充分的測試。通過任務(wù)剖面模型可獲取測試用例和測試數(shù)據(jù)的等價類信息，自動生成測試用例，大大減輕測試人員的工作量，提高了測試工作的效率和質(zhì)量。本文中采用帶標(biāo)記的Markov鏈對軟件運行剖面進行描述，并據(jù)此生成測試用例。

　　1．軟件運行剖面

　　軟件運行剖面是用來描述軟件的實際使用情況的。1993年，MUSA在IEEE發(fā)表了一篇題為《軟件可靠性工程中的運行剖面》的文章，開創(chuàng)了軟件運行剖面的研究，文中MUSA給出了實施軟件運行剖面的一般步驟。MUSA（參考文章[1]）對軟件分析的原則，不僅適用于嵌入式軟件，對一般的應(yīng)用軟件也適用。首先對軟件的使用者進行分類，不同類型的使用者可能以不同的方式來使用軟件，根據(jù)對使用者的劃分將軟件劃分成不同的模式剖面。其次，模式剖面又可以劃分為不同的功能剖面，即每個模式下都有許多不同的功能。最后，每一個功能又由許多運行組成。這些運行的集合便構(gòu)成了運行剖面。上述的每一次劃分都是依據(jù)概率發(fā)生的，這些概率估計主要是基于如下幾個方面： ① 從現(xiàn)有系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)， ② 與用戶的交談或?qū)τ脩暨M行觀察獲得的信息， ③ 原型使用與試驗分析的結(jié)果， ④ 相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业囊庖姟６x使用概率的最佳方法是使用實際的用戶數(shù)據(jù)，如來自原型系統(tǒng)、前一版本的使用數(shù)據(jù)；其次是由該軟件應(yīng)用領(lǐng)域的用戶和專家提供的預(yù)期使用數(shù)據(jù)。軟件的運行剖面是定量描述用戶實際使用軟件方式的有效方法。MUSA的軟件劃分原則簡單且容易實施，只要按照步驟逐步實行就可以得出軟件的比較準(zhǔn)確的運行剖面。但是，也要看到，MUSA的軟件分析原則只是提供了一個分析軟件的方法，在特定的應(yīng)用中，有些步驟可以簡化處理，根據(jù)具體的實際情況，靈活運用。

　　2．運行剖面的構(gòu)造過程

　　2.1 運行的表示方法

　　首先來定義兩種圖，第一種圖用來描述分解后的運行，即運行圖，定義為TF={P1，P2，……Pn}，其中，P1，P2……Pn表示構(gòu)成運行的各個狀態(tài)，Pi的下一個狀態(tài)為Pi+1，Pi的上一個狀態(tài)為Pi-1，這些狀態(tài)表示的是一個任務(wù)從開始到結(jié)束的一個過程，即P1-〉P2……-〉Pn。我們可以用這個圖來描述經(jīng)分析得到的運行。當(dāng)運行圖中某個狀態(tài)中可以有幾種不同的路徑到達下一個狀態(tài)時，僅用運行圖就不能準(zhǔn)確表達該運行，此時，就要用到狀態(tài)細化圖，狀態(tài)細化圖用來描述運行圖中狀態(tài)的內(nèi)部細節(jié)，定義為一個三元組DTF= ，其中，sequence={Bi|Bi=TFi}， i=1……n。start為此細化圖的公共開始節(jié)點，end為此細化圖的公共終止節(jié)點。被測軟件中所有的運行，只要劃分的足夠細，都可以由上面兩種圖準(zhǔn)確的表示出來。

　　2.2 將由運行圖、狀態(tài)細化圖表示的運行剖面轉(zhuǎn)化為Markov鏈表示

　　將以上兩種圖描述的運行剖面轉(zhuǎn)化成Markov鏈描述主要基于以下考慮：

　　1．Markov鏈的特點是下一個狀態(tài)只和當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，而與歷史狀態(tài)無關(guān)，在這里就是軟件的當(dāng)前狀態(tài)只和上一狀態(tài)有關(guān)，與更早的歷史狀態(tài)無關(guān)，若上一狀態(tài)正確，則在正確的輸入下，軟件的當(dāng)前狀態(tài)一定正確，否則，軟件一定存在缺陷，這對于定位軟件測試中的錯誤是十分方便的，通過Markov鏈中狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，還能直觀的認識到軟件中各個功能的使用頻率，給出一個定量的描述。

　　2．這里的Markov鏈描述相當(dāng)于編譯中的中間語言，即程序的所有處理都是基于Markov鏈的。使用中間語言便于程序內(nèi)部處理。

　　3．當(dāng)某個節(jié)點內(nèi)部有需要細化的分支時，Markov鏈會綜合內(nèi)部分支，給出一個整體的綜合表述。這對于產(chǎn)生測試用例非常方便。

　　4.算法1：圖描述轉(zhuǎn)化為Markov鏈描述算法：該算法的輸入為運行圖、以及狀態(tài)細化圖，將運行圖進行化簡、并綜合其中的狀態(tài)細化圖，將每一個運行都表示為一Markov鏈。

　　對每一個運行圖，調(diào)用以下算法：

　　1．首先，插入一個開始狀態(tài)，讀入第一個節(jié)點

　　2．對該節(jié)點進行以下判斷：

　　3.1.1 該節(jié)點是否為分支節(jié)點，若是則對該節(jié)點調(diào)用分枝遍歷算法

　　2.1 其次判斷該節(jié)點是否有輸入，若有則插入一個新狀態(tài)，并設(shè)置新狀態(tài)的相關(guān)屬性，并生成一條消息從當(dāng)前狀態(tài)指向新插入的狀態(tài)

　　4．若還有其他節(jié)點，則進入下一個節(jié)點，重復(fù)步驟2，否則，算法結(jié)束

　　5. 算法2：分支遍歷算法：

　　1．讀入一個分支的第一個節(jié)點

　　1．1對該節(jié)點進行以下判斷：

　　1．1.1判斷該節(jié)點是否為分支節(jié)點，若是則調(diào)用分支遍歷算法

　　2．1.1判斷該節(jié)點是否有輸入，若有則插入一個新狀態(tài)，設(shè)置新狀態(tài)的相關(guān)屬性，并生成一條消息從當(dāng)前狀態(tài)指向新插入的狀態(tài)

　　2．1若還有其他節(jié)點，則進入下一個節(jié)點，重復(fù)步驟1.1

　　3．1進行以下判斷：

　　1.3.1若當(dāng)前處理完的為第一個分支，則插入一個新的狀態(tài)，并使最后一個節(jié)點指向這個新插入的節(jié)點

　　2.3.1若不是第一個分支，則使最后一個節(jié)點指向第一個分支的最后一個節(jié)點

　　4.1將當(dāng)前節(jié)點置為算法開始時傳入的節(jié)點，即分支的父節(jié)點，進行判斷：

　　1.4.1當(dāng)前父節(jié)點是否有超過1個的子分支，若有則進行判斷：若超過一個子分支的下一個節(jié)點都是第一個分支的最后一個節(jié)點，則將這些子分支合并成一個子分支，即由父狀態(tài)指向第一個分支的最后一個節(jié)點，概率為各個子分支的和

　　2．若還有其他分支，則進入其他分支，并設(shè)置當(dāng)前分支為算法開始時傳入的父節(jié)點，重復(fù)步驟1

　　經(jīng)以上算法作用后，運行剖面可以表示為｛OPi｜OPi=＜Oi,Pi＞，i=1,2,…，N｝，其中Oi表示組成這個運行剖面的其中一個運行，Pi表示這個運行發(fā)生的概率。