基于Ｍａｒｋｏｖ鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷慕M件復(fù)用的統(tǒng)計(jì)測試

摘要：提出了用Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ蛠砟M具體環(huán)境中組件的使用方式，對組件的復(fù)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測試，詳細(xì)論述了提出的組件復(fù)用統(tǒng)計(jì)測試的思想框架和測試步驟，并進(jìn)一步指出了每個測試步驟具體的研究細(xì)節(jié)。最后給出了提出的方法與現(xiàn)有方法的對比分析，說明提出的方法是組件復(fù)用自動化測試的一種經(jīng)濟(jì)可行的方法。

關(guān)鍵詞：Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ停?組件復(fù)用； 統(tǒng)計(jì)測試； 自動化測試

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)04－1051－03

組件軟件系統(tǒng)的開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)今軟件開發(fā)方法中的研究熱點(diǎn)。對于復(fù)雜、大型軟件系統(tǒng)的開發(fā)，不再是單純地從頭開始進(jìn)行開發(fā)，而是從現(xiàn)有組件庫中選用或購買滿足要求的組件，按照已經(jīng)定義好的軟件體系結(jié)構(gòu)，通過基于組件的軟件工程過程對這些組件進(jìn)行裝配來開發(fā)一個軟件系統(tǒng)。今天，雖然通過復(fù)用現(xiàn)有的組件可以節(jié)省軟件開發(fā)的時間和工作量，但是在大部分情況下，組件用戶對商用組件沒有進(jìn)行分析和測試就進(jìn)行復(fù)用。由于以下三個原因，如果對組件不進(jìn)行一定程度的測試，組件的復(fù)用可能存在潛在的危險(xiǎn)：a)組件被開發(fā)時，測試集中于它們假定的目標(biāo)環(huán)境，而組件被復(fù)用時，它們新的使用環(huán)境可能不同于它們最初的目標(biāo)環(huán)境；b)組件被復(fù)用時，接受標(biāo)準(zhǔn)也可能不同，如組件被復(fù)用在有嚴(yán)格安全性要求的環(huán)境中，組件的可靠性要求較高；c)在具體的環(huán)境中使用的可能是組件的一個功能子集。歐洲的Ariane 5發(fā)射失敗的例子就是一個很好的教訓(xùn)。Ariane 5發(fā)射失敗的原因就是復(fù)用了Ariane 4系統(tǒng)中的組件，而沒有重新進(jìn)行測試。所以，即使組件在最初的環(huán)境下已經(jīng)通過了測試，在新的環(huán)境下復(fù)用組件仍然可能存在問題。

雖然目前CORBA、EJB、COM等組件技術(shù)在工業(yè)界得到了廣泛的應(yīng)用，但這一領(lǐng)域的研究還遠(yuǎn)沒有完善，很多研究課題有待解決[1]。例如，文獻(xiàn)[2]提出了組件復(fù)用測試的技術(shù)挑戰(zhàn)，即在新的復(fù)用環(huán)境下，如何產(chǎn)生組件復(fù)用的測試用例？如何完成組件的充分性測試？當(dāng)復(fù)用的組件升級或部分修改時，如何高效地測試更新的部分而減少冗余測試？軟件工程師手工分析和完成組件復(fù)用的測試是非常耗時的工作，如何用一種經(jīng)濟(jì)可行的方法使組件復(fù)用的自動化測試成為可能？只有很好地解決了這些問題，組件軟件系統(tǒng)的可靠性得到了保證，組件復(fù)用帶來的優(yōu)勢才會得到充分地體現(xiàn)。

由于大量商用組件的源代碼不公開，這給組件復(fù)用的測試帶來很大困難。目前，已有一些文獻(xiàn)專注于組件復(fù)用的測試，而現(xiàn)有的組件復(fù)用的測試方法都沒有很好地解決這些問題，本文在第3章進(jìn)行了討論。

1基于Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷慕y(tǒng)計(jì)測試原理

在軟件統(tǒng)計(jì)測試中，軟件測試被看做是一個統(tǒng)計(jì)方法的問題。它產(chǎn)生軟件所有可能使用的一個子集，并以這個子集所表現(xiàn)的性能作為依據(jù)來考慮軟件的整體使用性能，以度量軟件的可靠性，即通過樣本推斷總體。

統(tǒng)計(jì)測試最成功的就是基于Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷慕y(tǒng)計(jì)測試。基于使用模型的統(tǒng)計(jì)測試更經(jīng)濟(jì)有效，并且能獲得軟件的高可靠性[3]。在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用表明，基于Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷慕y(tǒng)計(jì)測試方法可以成功地測試軟件。文獻(xiàn)[4]給出了基于Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷慕y(tǒng)計(jì)測試的成功應(yīng)用案例的一個列表。

描述軟件使用的Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ投x如下：軟件Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ投x為一個五元組M=〈S，Γ，δ，s0，f〉。其中：S是軟件使用的狀態(tài)集合；

Γ是轉(zhuǎn)換標(biāo)記的集合，狀態(tài)轉(zhuǎn)換標(biāo)記通常有轉(zhuǎn)換輸入和轉(zhuǎn)換概率構(gòu)成；

δ表示軟件執(zhí)行過程中軟件狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移函數(shù)，δ：S×Γ→S；

s0∈S，是初始狀態(tài)，它代表軟件激活的狀態(tài)；

f∈S，是終止?fàn)顟B(tài)，它代表軟件終止執(zhí)行時進(jìn)入的狀態(tài)。

另外，對狀態(tài)s∈S，如果δ(s，γj)=s′。其中：s′∈S，那么∑j(γi×probability)=1。

Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ涂梢钥坍嬡浖氖褂眠^程，它將軟件的使用特征以數(shù)學(xué)模型的方法表示出來。軟件的每一次使用都從Markov鏈的初態(tài)開始經(jīng)過若干個中間態(tài)，最后到達(dá)終態(tài)。一個簡單的Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷膱D形化表示如圖1所示。

用Markov鏈來描述軟件的使用方式，任何下一個發(fā)生的事件只與當(dāng)前的狀態(tài)有關(guān)，不涉及歷史信息。只有滿足這個條件才可以使用數(shù)學(xué)的方法對Markov鏈進(jìn)行分析和驗(yàn)證，觀察軟件預(yù)期的使用，指導(dǎo)測試計(jì)劃。筆者可以根據(jù)Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ彤a(chǎn)生軟件的隨機(jī)測試用例，并基于測試的充分性標(biāo)準(zhǔn)完成統(tǒng)計(jì)測試計(jì)劃并執(zhí)行隨機(jī)測試用例，最后按照數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)模型對測試結(jié)果進(jìn)行分析，獲取軟件的可靠性度量。

2組件復(fù)用的統(tǒng)計(jì)測試框架的提出

關(guān)于軟件組件(software component)存在多種定義，目前被業(yè)界普遍接受的是由Clemens Szyperski[5]定義的，即一個軟件組件就是一個組合單元，它具有一組按契約或合同說明的特定的接口和清晰的上下文依賴關(guān)系。一個軟件組件可以被獨(dú)立地部署，以便被第三方組裝。本文將軟件組件簡稱為組件。

為了度量復(fù)用組件的可靠性，在新的上下文環(huán)境中覆蓋重要的組件使用模式，以及完成組件的黑盒測試以驗(yàn)證在新的復(fù)用環(huán)境中組件功能和行為。筆者提出了基于組件規(guī)格說明的組件復(fù)用的統(tǒng)計(jì)測試框架（圖2），以便于對組件進(jìn)行自動化測試和度量其可靠性。表1闡明了本文的方案可以很好地解決引言中提出的組件復(fù)用測試的技術(shù)難題。

在統(tǒng)計(jì)測試的框架下，本文提出了基于Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷慕M件復(fù)用的統(tǒng)計(jì)測試步驟：

a)選擇一種在軟件分析和設(shè)計(jì)中用途較廣的組件的規(guī)格說明，如軟件結(jié)構(gòu)描述語言（architecture description language，ADL）描述的組件的規(guī)格說明或UML描述的組件的規(guī)格說明等。用組件的規(guī)格說明以及組件在新的環(huán)境中的使用信息作為構(gòu)建Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷脑夹畔ⅲ匾獣r可加入合理的統(tǒng)計(jì)測試約束條件。

b)由步驟a)中獲取的信息構(gòu)建Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ汀＊?/p>

c)用數(shù)學(xué)的方法對Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ瓦M(jìn)行分析和驗(yàn)證，指導(dǎo)測試計(jì)劃的進(jìn)行，對Markov鏈分析的結(jié)果可能導(dǎo)致重新建立Markov鏈或?qū)ζ涫褂媚Ｐ偷霓D(zhuǎn)換概率重新賦值。

d)由Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ彤a(chǎn)生測試用例。

e)給出合理的測試停止的標(biāo)準(zhǔn)。

f)分析測試結(jié)果，用統(tǒng)計(jì)原理對組件復(fù)用進(jìn)行可靠性評估。

表1解決組件復(fù)用測試技術(shù)難題的方法

面向用戶的組件復(fù)用測試的技術(shù)難題本文的解決方法

在新的復(fù)用環(huán)境下，如何產(chǎn)生組件復(fù)用的測試用例采用和使用模型關(guān)聯(lián)的概率來產(chǎn)生隨機(jī)測試用例，并在測試期間根據(jù)需要動態(tài)調(diào)整與關(guān)鍵操作相關(guān)的轉(zhuǎn)移弧上的概率

在新的復(fù)用環(huán)境下，如何完成組件的充分性測試采用使用鏈與測試鏈之間的差異以及組件復(fù)用的可靠性指標(biāo)共同來作為測試停止的標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)復(fù)用的組件升級或部分修改時，如何高效地測試更新的部分而減少冗余測試1)商用組件升級時，在原來維護(hù)的Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷幕A(chǔ)上進(jìn)行修改和調(diào)整，增加組件的使用狀態(tài)或/和調(diào)整使用模型轉(zhuǎn)換弧上的概率，體現(xiàn)軟件修改部分的使用，在原來已產(chǎn)生的測試用例的基礎(chǔ)上進(jìn)一步生成測試用例

2)用戶定制或部分修改商用組件時，定制后的組件是復(fù)用組件和修改部分的一個合成。對于組件修改的部分，由于知道源碼，可以結(jié)合源代碼的信息來重新構(gòu)造組件復(fù)用的Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ?/p>

如何用一種經(jīng)濟(jì)可行的方法使組件復(fù)用的自動化測試成為可能只要提供組件規(guī)格說明和組件復(fù)用的具體環(huán)境的相關(guān)信息，本文測試的每一個步驟都可以自動化。基于使用模型的統(tǒng)計(jì)測試是經(jīng)濟(jì)有效的[5]，從已有的規(guī)格說明技術(shù)到基于Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷慕y(tǒng)計(jì)測試，該測試過程可以自動化，它在測試領(lǐng)域提供了獨(dú)特的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的前景[6]，所以本文的方案是可行的

2．1組件Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷淖詣訕?gòu)建算法

盡管統(tǒng)計(jì)測試得到了廣泛的認(rèn)可，但是由于使用模型通常由程序員依賴經(jīng)驗(yàn)直接從軟件規(guī)范創(chuàng)建，缺乏成熟的軟件使用模型的建立方法，限制了統(tǒng)計(jì)測試技術(shù)的使用和發(fā)展，Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷淖詣訕?gòu)造方法是統(tǒng)計(jì)測試獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。國內(nèi)外對這方面的研究還處于起步階段，主要的研究工作集中在使用面向?qū)ο筌浖_發(fā)和設(shè)計(jì)中構(gòu)造的UML模型(即UML用例圖、狀態(tài)圖、序列圖等)來生成Markov使用模型[7~10]，對面向?qū)ο筌浖M(jìn)行統(tǒng)計(jì)測試。

筆者的想法是研究基于組件的規(guī)格說明自動生成Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷募夹g(shù)。可以通過為Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷幕≠x予轉(zhuǎn)換概率來體現(xiàn)該組件新的使用環(huán)境。使用模型中的狀態(tài)代表組件的使用狀態(tài)，使用模型中的弧通常代表運(yùn)用到軟組件上的輸入，輸入可以來自用戶、系統(tǒng)或其他的組件。當(dāng)組件復(fù)用在新的環(huán)境下時，可以創(chuàng)建一個新的Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ蛠砟M組件新的使用環(huán)境。

假設(shè)用戶提供的組件的規(guī)格說明是以組件狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的形式給出（文獻(xiàn)[11]提出的組件軟件的測試技術(shù)就是假設(shè)組件的規(guī)格說明以組件狀態(tài)機(jī)的形式給出）。例如有一商用組件cdPhonograph模擬便攜式的CD唱機(jī)，cdPhonograph有三個狀態(tài)：stopped、playing和paused；在任何一種狀態(tài)下，包括三個可能發(fā)生的事件：pause_is_pressed、stop_is_pressed和play_is_pressed。組件cdPhonograph規(guī)格說明的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示。

上述組件的規(guī)格說明中的狀態(tài)和輸入可以直接轉(zhuǎn)換為組件使用圖中的狀態(tài)和輸入；至于狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換概率，可以根據(jù)組件使用的具體環(huán)境獲取。例如筆者可以通過軟件原型、類似軟件系統(tǒng)的運(yùn)行、模擬數(shù)據(jù)的監(jiān)控信息或是通過老版本軟件的使用經(jīng)驗(yàn)獲取組件使用的相關(guān)概率信息。最終自動構(gòu)建的Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ腿鐖D4所示。

如今，UML是面向?qū)ο筌浖到y(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)建模語言，而UML應(yīng)用在組件軟件系統(tǒng)的規(guī)格說明才是剛剛開始[1]。筆者正在研究基于UML描述的組件的規(guī)格說明自動構(gòu)造Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷乃惴ā＊?/p>

2．2測試用例的產(chǎn)生方法

目前比較流行的基于使用模型產(chǎn)生測試用例方法是隨機(jī)抽樣的方式產(chǎn)生測試用例，在統(tǒng)計(jì)方法中它是非常流行的黒盒測試方法。由于它采用與使用模型關(guān)聯(lián)的概率來產(chǎn)生測試用例，所以很接近軟件的真實(shí)使用。這種思想的一個擴(kuò)展就是在測試期間動態(tài)改變轉(zhuǎn)移弧上的概率，如推測一些易于引發(fā)故障的關(guān)鍵操作可能需要額外的測試，那么就可以動態(tài)調(diào)整與關(guān)鍵操作相關(guān)的轉(zhuǎn)移弧上的概率。筆者將會在此基礎(chǔ)之上研究更加智能的測試用例產(chǎn)生方法，研究故障模式，動態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)移概率，以便使組件復(fù)用的Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ透玫貪M足測試需求。

2．3測試的充分性

組件復(fù)用的測試充分性問題的研究，即決定組件復(fù)用測試何時停止。測試何時停止通常基于一些標(biāo)準(zhǔn)，例如：

a)可靠性度量被用來作為測試充分性的標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)測試的可靠性達(dá)到可接受的點(diǎn)時，軟件測試停止。

b)測試序列產(chǎn)生后，可以基于測試的歷史信息和相應(yīng)的故障數(shù)據(jù)信息構(gòu)建代表軟件測試環(huán)境的Markov測試鏈，然后通過使用鏈和測試鏈的相似度作為測試停止的標(biāo)準(zhǔn)。

c)基于狀態(tài)、弧或路徑覆蓋度的模型覆蓋標(biāo)準(zhǔn)作為測試停止的標(biāo)準(zhǔn)。

目前，基于使用的統(tǒng)計(jì)測試常采用上述三種方法中的一種作為測試停止的標(biāo)準(zhǔn)。在組件復(fù)用的統(tǒng)計(jì)測試中本文將研究使用多個停止標(biāo)準(zhǔn)，如在下面這種情況下，已完成的測試需要進(jìn)一步評估，如果測試鏈和使用鏈之間的相似性度量表明測試過程近似匹配軟件的預(yù)期使用，然而軟件可靠性評估的偏差較大。所以對于組件復(fù)用的充分性測試，筆者將采用使用鏈和測試鏈之間的差異以及組件復(fù)用的可靠性指標(biāo)共同來作為測試停止的標(biāo)準(zhǔn)。

2．4組件復(fù)用的可靠性評估技術(shù)

基于Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷目煽啃杂?jì)算模型常用的有：

a)柏努利采樣模型，這些模型基于成功和非成功測試的數(shù)量計(jì)算可靠性。

b)故障狀態(tài)模型，這些模型包括Markov測試鏈。當(dāng)測試揭露沒有故障時，這些模型沒有提供故障的概率，而且也沒有考慮先前的測試信息。

c)基于弧的貝葉斯模型。基于Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷臏y試有若干種可靠性模型，但是每一種都有特定的限制，而基于弧的貝葉斯可靠性模型在實(shí)際應(yīng)用中獲得了廣泛的支持。筆者將在基于弧的貝葉斯模型的基礎(chǔ)上來計(jì)算組件復(fù)用的可靠性，進(jìn)一步研究適合組件復(fù)用的可靠性指標(biāo)。

3與現(xiàn)有方法的對比分析

目前，在基于組件的軟件工程領(lǐng)域中，人們大多側(cè)重于基于組件的軟件開發(fā)方法和技術(shù)方面的研究，但是組件軟件系統(tǒng)的測試技術(shù)仍然沒有很好地發(fā)展[12]，只有少數(shù)論文專注于組件軟件的測試。現(xiàn)有的組件復(fù)用的測試方法如表2所示。

表2現(xiàn)有的組件復(fù)用的測試方法

編號現(xiàn)有的組件復(fù)用的測試技術(shù)測試原理及組件的開發(fā)者需要提供的信息方法的限制

1基于元數(shù)據(jù)(metadata)的測試方法[13]要求組件的開發(fā)提供一些生成測試用例的元數(shù)據(jù)信息制定元數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)非常困難；元數(shù)據(jù)方法未成為一種業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏組件提供者的支持；缺乏充分性測試模型

2組件內(nèi)嵌測試(built－in

test)[14，15]要求組件的開發(fā)者提供組件源代碼中用于內(nèi)嵌測試的成員函數(shù)需要組件源碼，而大部分商用組件的源碼是不公開的；缺乏充分性測試模型

3component test bench[16]組件開發(fā)者提供一個組件測試規(guī)范，并制訂了一系列步驟的測試操作缺乏充分性測試模型

4component interac－tion testing[17]首先基于組件的規(guī)格說明創(chuàng)建組件的使用模型，建立每個構(gòu)件的形式化測試需求，然后由測試需求生成單元測試用例缺乏創(chuàng)建組件使用模型的系統(tǒng)化創(chuàng)建方法；缺乏充分性測試模型

5boundary value analysis[16]將組件的輸入值和輸出值劃分為一定數(shù)量的帶有邊界規(guī)則的集合。使用邊界值分析測試工具來產(chǎn)生測試用例如不能保證輸入變量是真正獨(dú)立的，這類方法將不會產(chǎn)生令人滿意的測試用例

所有現(xiàn)存的測試用例產(chǎn)生方法都有其自己的優(yōu)點(diǎn)，但普遍存在應(yīng)用面狹窄、缺乏組件復(fù)用的充分性測試模型、沒有相關(guān)的計(jì)算可靠性的技術(shù)以及自動化程度不高等缺陷。

統(tǒng)計(jì)測試是剛剛投入工業(yè)實(shí)踐的一個新的研究領(lǐng)域，從已有的規(guī)格說明技術(shù)到基于Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷慕y(tǒng)計(jì)測試，該測試過程可以自動化，它在測試領(lǐng)域提供了獨(dú)特的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)前景[10]。到目前為止，組件復(fù)用的統(tǒng)計(jì)測試僅有極少論文涉及[18~20]。Rakesh Shukla等人[18，19]為組件可靠性評估提出了一個概念框架，但它要求用戶輸入組件復(fù)用的操作剖面、產(chǎn)生的測試用例的數(shù)量或組件要求的可靠性指標(biāo)，這在一定程度上限制了組件可靠性評估的自動化程度。為組件復(fù)用操作剖面提供一種系統(tǒng)化的構(gòu)建方法是一個有待解決的難點(diǎn)。另外，對于組件測試的充分性問題作者也沒有討論。文獻(xiàn)[20]提出了基于Markov鏈?zhǔn)褂媚Ｐ偷能浖?fù)用的統(tǒng)計(jì)測試方法，但是并沒有討論創(chuàng)建使用模型的系統(tǒng)化的具體算法。在這篇論文中，使用模型和測試模型之間的差異被用來作為組件復(fù)用測試的停止標(biāo)準(zhǔn)。使用模型和測試模型之間差異的度量用的是簡單的線性衰減，更多的度量方法需要研究。另外對于組件復(fù)用的可靠性度量沒有討論。

4結(jié)束語

對組件用戶而言，用組件來裝配軟件系統(tǒng)要成為一個切實(shí)可行的有效實(shí)踐，組件復(fù)用的可靠性測試是一個必

不可少的步驟。組件復(fù)用的統(tǒng)計(jì)測試根據(jù)用戶對組件的使用方式展開，對那些使用頻繁的操作會進(jìn)行更多的測試，因此可以有效地發(fā)現(xiàn)組件中那些對所裝配的軟件系統(tǒng)可靠性影響較大的錯誤，以評價組件在實(shí)際運(yùn)行中的可靠性。組件復(fù)用的統(tǒng)計(jì)測試可以在具體應(yīng)用環(huán)境下自動分析組件的可靠性，自動決定組件是否能被復(fù)用，這對于測試工程師而言將具有重要意義。

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