淺析計算機軟件可靠性設計

【文章摘要】

本文介紹了軟件可靠性設計的基本概念，軟件故障產生的機理，軟件質量的可靠性參數，并且著重介紹了軟件可靠性設計方法。

【關鍵詞】

計算機軟件；可靠性設計；參數

隨著科學技術的不斷進步，軟件可靠性成為我們關注的一個問題，軟件系統規模越做越大越復雜，其可靠性越來越難保證。在許多項目開發過程中，對可靠性沒有提出明確的要求，開發商（部門）也不在可靠性方面花更多的精力，往往只注重速度、結果的正確性和用戶界面的友好性等，而忽略了可靠性。

1 軟件可靠性設計的基本概念

1.1 軟件及軟件故障

軟件的可靠性工作也是貫穿于軟件的整個壽命周期的。軟件的壽命周期，是指從軟件任務的提出一直到它完成使命，因陳舊而被廢棄為止的整個時間歷程，這個壽命周期包括了提出要求/規格說明、設計、實現、檢驗、維護等五個階段，前四個階段為開發期，維護階段為使用期。

1.2 軟件可靠性

關于軟件可靠性的定義是什么。較多的人認為軟件的可靠性與“概率統計的可靠性”的概念密切相關，軟件的可靠性是軟件在規定的條件下、規定的時間周期內執行所要求功能的能力。軟件的可靠度是軟件在規定的條件下、規定的時間內不引起系統故障的概率，該概率是系統輸入與系統使用的函數。

2 軟件質量的可靠性參數

2.1 系統平均不工作間隔時間（MTBSD或MTBD）。設d為軟件正常工作總時間，d為系統由于軟件故障而停止工作的次數，則定義TBSD=Tv/（d+1）。式中，TBSD—MTBSD；Tv—軟件正常工作總時間（h）；d—系統由于軟件故障而停止工作的次數。MTBSD反映了系統的穩定性。

2.2 系統不工作次數（一定時期內）。由于軟件故障而停止工作，必須由操作者介入再啟動才能繼續工作的次數。

2.3 可用度A。設Tv為軟件正常工作總時間，TD為由于軟件故障使系統不工作的時間，則定義A=TV/（TV+TD）。它反映了系統的穩定性，亦可表達為A=TBD/（TBD+TDT）。式中，TBD—MTBD（h），TDT—平均不工作時間，以下簡稱MDT（h）。對一般生產用計算機系統，要求A≥99.8%；銀行計算機系統，要求A>99.9%。

2.4 MTTR。它反映了出現軟件缺陷后采取對策的效率。在一定程度上也反映了軟件企業對社會服務的責任心。對于在線系統而言，MTT只要求不超過2天，變差系數應小于1。一般的MTTR也應小于7天，變差系數小于1。

2.5 平均不工作時間（MDT）。即由于軟件故障，系統不工作的均值。對在線系統而言。MDT要求不超過10min一般的MDT<30min。

2.6 初期故障。一般以軟件交付使用后的三個月內為初期故障期。初期故障率的大小取決于軟件設計水平、檢查項日數、軟件規模、軟件調試徹底與否等因素。

2.7 偶然故障率。一般以軟件交付給使用方四個月后為偶然故障期，偶然故障率以每1000h的故障數為單位，它反映了軟件處于穩定狀態下的質量。

2.8 使用方誤用率。使用方不按照軟件規范及說明等使用造成的錯誤叫使用方誤用。在總使用次數中，使用方誤用次數占的百分率叫使用方誤用率。造成使用方誤用的原因之一是使用方對說明理解不深，操作不熟練，但也有可能是說明沒有講得很清楚而引起誤解。

2.9 用戶提出補充要求數。這反映軟件未能充分滿足用戶的需要，有時要求是特定用戶的特定要求，生產方為了更好地為社會服務，應該盡力滿足他們的要求。

2.10 處理能力。處理能力有各種指標。例如可用每小時平均處理多少文件、每項工作的反應時間多少秒等來表示，根據需要而定。在評價軟件及系統的經濟效益時需用這項指標。

3 軟件可靠性設計方法

從軟件可靠性的概念可知，軟件的缺陷可以導致錯誤并造成系統的故障，因此，缺陷是一切錯誤的根源。軟件的缺陷來自軟件壽命周期的各個階段，因此應想方設法在壽命周期的各個階段減少缺陷。缺陷在一定的環境條件下暴露，導致系統運行中出現錯誤。軟件的錯誤概括地說可能由規范（要求/規格說明）、軟件系統設計及編碼過程產生。

3.1 要求/規格說明

只要在規格說明與用戶要求說明之間存在誤差，就會產生規范錯誤。規范它不僅規定程序的要求，還規定所用的結構、研制及試驗中需要的程序試驗要求和文件，以及程序語言、輸入和輸出的基本要求。通過對這些方面作出適當的規定，就可以建立使產生錯誤的可能性最小、并保證錯誤能被發現和改正的程序生成的結構。

3.2 軟件設計

軟件系統是根據要求/規格說明（規范）設計的，通過設計將確定程序結構、測試點及限制等。為設計出可靠的軟件，需要在考慮諸如機型、資源、語言、模型及數據結構等實際問題的基礎上，采取一些有效的設計方法。

3.2.1 “自頂向下設計”法。這種設計方法是處理分級問題最有效的設計技術。它是以一個系統功能的最抽象描述開始作為最高層次；從它出發，設計一系列較詳細的子系統。由這些子系統來完成員高層次的功能；再以每個子系統為基礎，設計出一系列更詳細的子系統，等等。如此逐次向下作功能分解，直到最低層次的子系統能夠比較方便用計算機程序設計語言來實現為止。自頂向下設計方法的價值在于，它在設計的同時，指出了復雜性不同的處理層次，而且各種設計要素之間的關系是比較清楚的。通過這樣一種結構化構造途徑，有可能在早期就洞察出設計問題，從而避免了不必要地先去考慮較低層次的細節問題。

3.2.2 結構化程序設計。軟件結構對軟件的可靠性具有重要的意義。結構良好的程序易于編寫、檢查，便于查錯定位、修改和維護。結構化程序設計把程序要求分成若干獨立的、更小的程序要求或模塊化的功能要求，分別提出各自的要求/規格說明，并注明是如何與程序中的其他部分接口，還必須指出所有的輸入與輸出，以及測試要求。對每一個更小的程序和模塊，可分別編程和測試，使得模塊間高度分離。

3.2.3 容錯設計。對軟件錯誤所引起的后果特別嚴重的情況，如飛機的飛行控制系統、空中交通管制系統、核反應堆安全系統等，需采用容錯軟件。容錯設計的途徑有：（1）加強軟件的健壯性；使程序設計得能夠緩解錯誤的影響，不致造成諸如死鎖或崩潰這樣的嚴重后果，并能指出錯誤源。（2）采用N（>2）版本編程法：即盡可能用不同的算法與編程語言，經不同的班組編制，以提高各軟件版本的獨立性。這N個軟件版本同時在N臺計算機上運行，各計算機間能進行高效通信，并作出快速比較，當結果不一致時，按多數表決或預定的策略選擇輸出。（3）恢復塊法：給需要作容錯處理的塊（基本塊）提供備份塊，并附加錯誤檢測和恢復措施。

3.3 軟件編碼

在軟件結構設計的基礎上就可以進行編碼，編碼產生的缺陷是軟件錯誤的主要來源。一般的編碼錯誤是：鍵入錯代碼；數值錯誤；丟失代碼；用了被零除這樣不定值的表達式等。為了減少編碼錯誤，實現設計與生產分離，首先由高水平的軟件工程師完成結構設計，再由程序設計員完成程序的編制是合理的、必要的，并在編碼過程中盡早地查出缺陷予以改正。

4 結束語

軟件可靠性設計工程是一門雖然得到普遍承認，但還處于不成熟的正在發展確立階段的新工程學科，任然存在很多問題，需要去探索、研究和解決。本文介紹只在軟件可靠性設計方面拋磚引玉，提供借鑒。

【參考文獻】

曾福萍，靳慧亮，陸民燕.軟件缺陷模式的研究[J].計算機科學，2011，02.

【作者簡介】

王韻涵（1988—），女，遼寧省沈陽市人，同濟大學軟件學院碩士研究生。