基于變量操作特征分析的軟件缺陷模式研究

左萬(wàn)娟 虞礪琨黃 晨董 燕

1.北京控制工程研究所，北京100190 2.北京軒宇信息技術(shù)有限公司, 北京 100190

軟件缺陷指軟件產(chǎn)品中存在的問(wèn)題，最終表現(xiàn)為用戶所需要的功能沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)，不滿足用戶的需求[1]。從產(chǎn)品內(nèi)部看，軟件缺陷是軟件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)或維護(hù)過(guò)程中存在的錯(cuò)誤、毛病等各種問(wèn)題；從產(chǎn)品外部看，軟件缺陷是系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的某種功能的失效或違背[2]。

在目前的軟件測(cè)試工程實(shí)踐中，針對(duì)代碼審查環(huán)節(jié)，一般都是通過(guò)對(duì)缺陷的分類、建模，形成代碼檢查單，并依據(jù)代碼檢查單開(kāi)展代碼審查活動(dòng)，從而查找軟件中的未知缺陷。其相關(guān)研究參見(jiàn)文獻(xiàn)[3-13]。但是，通過(guò)該方式形成的代碼檢查單，大部分是面向全部代碼的，缺乏與特定代碼操作特征之間的關(guān)聯(lián)性，導(dǎo)致在工程實(shí)踐中，未能充分發(fā)揮檢查單的最大效能。

從作為代碼基本構(gòu)成要素的變量出發(fā)，專注于研究基于變量操作特征分析的軟件缺陷模式。通過(guò)對(duì)變量的共性操作特征以及分類操作特征的分析，分別提取與之相關(guān)聯(lián)的缺陷模式，建立了缺陷模式與變量操作特征之間的關(guān)聯(lián)性，構(gòu)建了基于變量操作特征分析的軟件缺陷模式集。依據(jù)該缺陷模式集，在軟件測(cè)試的工程實(shí)踐中，可以針對(duì)變量的特定操作開(kāi)展分析，按圖索驥，查找特定的缺陷，從而使軟件測(cè)試活動(dòng)更加有的放矢，提高測(cè)試質(zhì)量和效率。在編碼階段，軟件開(kāi)發(fā)人員也可以參考該模式集，在編碼階段有效規(guī)避缺陷。

1 研究必要性分析

為使研究工作有的放矢，對(duì)中國(guó)空間技術(shù)研究院軟件產(chǎn)品保證中心航天器軟件第三方評(píng)測(cè)缺陷數(shù)據(jù)庫(kù)[14]中的萬(wàn)余條軟件缺陷的處理方式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1。

表1 缺陷處理方式統(tǒng)計(jì)分析

從缺陷相關(guān)因素的角度，對(duì)表1中以修改程序方式更正的缺陷進(jìn)行分類分析，結(jié)果如表2。

表2 修改程序缺陷分析

對(duì)表2中的缺陷相關(guān)因素說(shuō)明如下：

1)需求相關(guān)：將文實(shí)不一致(即，代碼實(shí)現(xiàn)與需求規(guī)定不符)、需求未實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)無(wú)依據(jù)等軟件缺陷，均歸類為需求相關(guān)缺陷。此類軟件缺陷主要通過(guò)核對(duì)軟件需求來(lái)識(shí)別；

2)變量相關(guān)：將與變量操作相關(guān)的軟件缺陷，均歸類為變量相關(guān)缺陷。此類軟件缺陷主要通過(guò)分析變量操作來(lái)識(shí)別，缺陷本身與需求關(guān)聯(lián)性較小。具體可見(jiàn)本文第2-3節(jié)的闡述；

3)邏輯相關(guān)：將與代碼邏輯相關(guān)的軟件缺陷，均歸類為邏輯相關(guān)缺陷。比較典型的邏輯相關(guān)缺陷包括代碼設(shè)計(jì)存在自相矛盾、if-else分支結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致if和else工況并發(fā)時(shí)的處理缺失及循環(huán)計(jì)數(shù)變量的計(jì)數(shù)周期與循環(huán)處理函數(shù)調(diào)用周期不一致導(dǎo)致未能實(shí)現(xiàn)所有計(jì)數(shù)情況下的遍歷處理，等等。此類軟件缺陷主要通過(guò)分析代碼邏輯來(lái)識(shí)別，缺陷本身與需求關(guān)聯(lián)性較小；

4)其它：將無(wú)法歸入以上3類的軟件缺陷，歸類為其它缺陷。

可以看出，除了需求相關(guān)缺陷之外，變量相關(guān)缺陷占比最大。因此，有必要針對(duì)變量相關(guān)的軟件缺陷開(kāi)展專題研究，建立軟件缺陷與變量操作特征之間的關(guān)聯(lián)性，以提高變量相關(guān)缺陷的檢出效率，提高軟件質(zhì)量。

2 變量共性操作特征分析及缺陷建模

定義、初始化及讀寫(xiě)操作，這些是所有變量都具有的共性操作。針對(duì)這些共性操作，需要根據(jù)其操作特點(diǎn)，分別加以分析。

2.1 變量共性操作特征分析

2.1.1 變量定義的操作特征分析

變量定義確定了變量的數(shù)據(jù)類型，個(gè)別變量定義時(shí)還指定了變量的絕對(duì)存儲(chǔ)地址。針對(duì)變量定義，應(yīng)重點(diǎn)分析如下操作特征：

1)變量定義的數(shù)據(jù)類型是否滿足變量所要表示的數(shù)據(jù)范圍和精度的要求；

2)指針變量所指向的地址區(qū)域是否滿足指針變量的使用要求。比如，軟件利用指針變量實(shí)現(xiàn)外部RAM區(qū)自檢，但是定義該指針變量指向內(nèi)部RAM區(qū)，導(dǎo)致外部RAM區(qū)自檢未實(shí)現(xiàn)；

3)變量定義時(shí)所指定的絕對(duì)存儲(chǔ)地址是否正確。比如，絕對(duì)地址相互覆蓋導(dǎo)致變量被意外改寫(xiě)、絕對(duì)地址定義順序與遙測(cè)組包順序不符導(dǎo)致按地址順序取數(shù)組包后遙測(cè)結(jié)果錯(cuò)誤，等等。

2.1.2 變量初始化的操作特征分析

變量初始化是正確使用變量的前提，針對(duì)變量初始化，應(yīng)重點(diǎn)分析如下操作特征：

1)變量使用前是否被賦予了特定的初值。即代碼中不應(yīng)存在變量未初始化就使用的情況；

2)初值設(shè)置是否合理。某些情況下，變量的初值不是由需求規(guī)定的，而是由變量的使用邏輯所決定。此類情況下，初值設(shè)置應(yīng)與變量使用邏輯相符。比如，當(dāng)需要根據(jù)上位機(jī)指令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行某項(xiàng)功能時(shí)，則應(yīng)初始化設(shè)置標(biāo)志變量為FALSE，在收到上位機(jī)指令后再修改標(biāo)志變量為TRUE，從而在指令驅(qū)動(dòng)下使能該項(xiàng)功能的執(zhí)行。

2.1.3 變量讀寫(xiě)的操作特征分析

讀寫(xiě)操作是對(duì)變量的基本操作，針對(duì)變量讀寫(xiě)，應(yīng)重點(diǎn)分析如下操作特征：

1)操作完整性：代碼中應(yīng)當(dāng)有對(duì)變量的讀和寫(xiě)操作。僅讀和僅寫(xiě)是典型的操作不完整的體現(xiàn)；

2)操作位置準(zhǔn)確性：代碼中應(yīng)在恰當(dāng)?shù)奈恢脤?duì)變量進(jìn)行讀、寫(xiě)操作，以正確實(shí)現(xiàn)變量所承載的物理意義。比如，狀態(tài)變量設(shè)置位置不當(dāng)，導(dǎo)致變量未能正確記錄軟件運(yùn)行狀態(tài)，等等；

3)操作銜接性：變量均承載了特定的物理意義。特殊情況下，當(dāng)一個(gè)變量承載多個(gè)物理意義時(shí)，要求操作上必須做好銜接，避免因多個(gè)物理意義導(dǎo)致的操作混亂。

2.2 變量共性操作缺陷模式集

通過(guò)上述變量共性操作的特征分析，建立與變量共性操作特征相關(guān)聯(lián)的缺陷模式集如表3。

表3 基于變量共性操作特征的缺陷模式集

3 變量分類操作特征分析及缺陷建模

本節(jié)從變量的使用特點(diǎn)及其所承載的物理意義出發(fā)，對(duì)變量進(jìn)行了分類，并基于各類變量的操作特征，進(jìn)行了分析及缺陷建模。

3.1 變量分類操作特征分析

3.1.1 標(biāo)志變量的操作特征分析

標(biāo)志變量指用于表征軟件特定運(yùn)行條件、或運(yùn)行狀態(tài)是否有效的變量，在代碼中通常表現(xiàn)為2種狀態(tài)：有效和無(wú)效。針對(duì)標(biāo)志變量，應(yīng)重點(diǎn)分析如下操作特征：

1)標(biāo)志變量設(shè)置位置分析：標(biāo)志變量應(yīng)在恰當(dāng)?shù)奈恢帽辉O(shè)置為有效，以正確表征軟件運(yùn)行狀態(tài)；

2)標(biāo)志變量清除位置分析：標(biāo)志變量的有效狀態(tài)應(yīng)在恰當(dāng)?shù)奈恢帽挥枰郧宄哉_表征軟件運(yùn)行狀態(tài)；

3)標(biāo)志變量讀狀態(tài)分析：通過(guò)對(duì)標(biāo)志變量寫(xiě)操作的全局分析，確認(rèn)標(biāo)志變量讀操作時(shí)是否可以讀到相應(yīng)的狀態(tài)。比如，標(biāo)志變量的置TRUE與置FALSE操作存在相互覆蓋，導(dǎo)致讀變量時(shí)讀到的始終是TRUE、或始終是FALSE；

4)標(biāo)志變量操作完整性分析：一般來(lái)說(shuō)，針對(duì)標(biāo)志變量，代碼中應(yīng)進(jìn)行置TRUE、置FALSE和判斷設(shè)計(jì)。否則，極有可能存在設(shè)計(jì)缺陷。

3.1.2 計(jì)數(shù)變量的操作特征分析

計(jì)數(shù)變量是指用于實(shí)現(xiàn)特定條件下計(jì)數(shù)功能的變量。針對(duì)計(jì)數(shù)變量，應(yīng)重點(diǎn)分析如下操作特征：

1)計(jì)數(shù)條件是否具備：不具備計(jì)數(shù)條件，意味著計(jì)數(shù)變量未實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的。比如，計(jì)數(shù)操作在定時(shí)器中斷中完成，由于初始化階段尚未開(kāi)啟定時(shí)器中斷，即，計(jì)數(shù)條件不具備，計(jì)數(shù)未能累加，導(dǎo)致初始化階段以計(jì)數(shù)閾值作為while循環(huán)退出條件的設(shè)計(jì)失效；

2)計(jì)數(shù)條件與計(jì)數(shù)操作是否匹配：即，是否在特定條件下執(zhí)行了特定的計(jì)數(shù)操作；

3)是否進(jìn)行了必要的清零設(shè)計(jì)：多數(shù)情況下，計(jì)數(shù)變量需要在特定條件下清零；

4)清零設(shè)計(jì)是否合理：計(jì)數(shù)變量的清零操作是否滿足特定條件；

5)是否采取了計(jì)數(shù)溢出的保護(hù)措施：計(jì)數(shù)溢出必將導(dǎo)致對(duì)計(jì)數(shù)變量的判斷結(jié)果錯(cuò)誤，因此，必須分析計(jì)數(shù)溢出的可能性并設(shè)計(jì)必要的保護(hù)措施。

3.1.3 運(yùn)算變量的操作特征分析

運(yùn)算變量是指參與加、減、乘和除等各類數(shù)學(xué)運(yùn)算的變量。針對(duì)運(yùn)算變量，應(yīng)重點(diǎn)分析如下操作特征：

1)參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)與變量數(shù)據(jù)類型是否匹配：數(shù)據(jù)類型不匹配將導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果未實(shí)現(xiàn)既定的設(shè)計(jì)目的。比如，對(duì)32位無(wú)符號(hào)變量進(jìn)行溢出保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，引入4294967295.0參與運(yùn)算，導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果自動(dòng)提升為浮點(diǎn)型、溢出保護(hù)設(shè)計(jì)失效，此時(shí)應(yīng)引入4294967295(即0xFFFFFFFF)參與運(yùn)算；

2)參與運(yùn)算的多個(gè)變量的數(shù)據(jù)類型是否匹配：變量數(shù)據(jù)類型不匹配將導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果未實(shí)現(xiàn)既定的設(shè)計(jì)目的；

3)運(yùn)算是否溢出：運(yùn)算溢出常見(jiàn)于無(wú)符號(hào)變量的小數(shù)減大數(shù)操作、乘除運(yùn)算順序設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)龋?/p>

4)變量數(shù)據(jù)類型是否滿足運(yùn)算過(guò)程及運(yùn)算結(jié)果的表示范圍；

5)運(yùn)算過(guò)程是否導(dǎo)致精度受損：運(yùn)算過(guò)程設(shè)計(jì)不當(dāng)將導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果達(dá)不到預(yù)期的精度要求。比如，先對(duì)整型變量進(jìn)行除法運(yùn)算，再將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，導(dǎo)致運(yùn)算精度受損；

6)是否存在除0運(yùn)算：代碼中存在除法運(yùn)算時(shí)，應(yīng)分析除數(shù)是否存在等于0的情況。

3.1.4 位操作變量的操作特征分析

位操作變量是指參與移位、位與、位或等操作的變量。針對(duì)位操作變量，應(yīng)重點(diǎn)分析如下操作特征：

1)移位操作是否導(dǎo)致結(jié)果溢出。

2)位與、位或操作是否破壞了不應(yīng)被改變的位值。

3)有符號(hào)變量移位結(jié)果是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的。比如，變量取值為負(fù)時(shí)，右移操作后高位填1，這可能不是預(yù)期的設(shè)計(jì)結(jié)果。

3.1.5 遙測(cè)變量的操作特征分析

遙測(cè)變量是指需要按照遙測(cè)協(xié)議組包后通過(guò)遙測(cè)通道下傳至地面的變量。針對(duì)遙測(cè)變量，應(yīng)重點(diǎn)分析如下操作特征：

1)遙測(cè)拼接分析：大規(guī)模軟件，受遙測(cè)通道的限制，經(jīng)常需要將多個(gè)變量拼接為一路遙測(cè)(比如，8bit字節(jié)，或16bit字)后下傳。針對(duì)遙測(cè)拼接設(shè)計(jì)，首先要分析拼接結(jié)果是否包含了各個(gè)拼接變量的有效位，其次要分析拼接過(guò)程是否存在各個(gè)變量有效位之間的相互覆蓋；

2)遙測(cè)量綱/當(dāng)量分析：為滿足遙測(cè)分配及地面解析的需要，遙測(cè)量綱/當(dāng)量經(jīng)常與參與運(yùn)算及控制過(guò)程的變量量綱/當(dāng)量不同，因此需要特別加以分析；

3)遙測(cè)組包時(shí)機(jī)分析：遙測(cè)組包時(shí)機(jī)應(yīng)確保能取到預(yù)期的遙測(cè)變量值；

4)遙測(cè)設(shè)計(jì)合理性分析：比如，當(dāng)多個(gè)遙測(cè)變量共用一路遙測(cè)時(shí)，通常會(huì)引發(fā)遙測(cè)狀態(tài)的混淆；

5)多路組合遙測(cè)分析：當(dāng)多路遙測(cè)之間具有關(guān)聯(lián)性時(shí)，應(yīng)確保關(guān)聯(lián)性不被破壞。

3.1.6 條件變量的操作特征分析

條件變量是指變量的不同取值分別代表不同的物理意義、且代碼中有對(duì)該變量的條件判斷設(shè)計(jì)。針對(duì)條件變量，應(yīng)重點(diǎn)分析如下操作特征：

1)條件判斷設(shè)計(jì)應(yīng)確保涵蓋變量不同取值所對(duì)應(yīng)的所有物理意義，即，針對(duì)變量物理意義的條件判斷設(shè)計(jì)應(yīng)具有完整性的特征；

2)條件判斷設(shè)計(jì)應(yīng)與變量取值相匹配；

3)條件判斷設(shè)計(jì)邏輯應(yīng)合理，不會(huì)導(dǎo)致判斷結(jié)果始終為真或始終為假。

3.1.7 地址變量的操作特征分析

地址變量是指所承載的物理意義為地址的變量，多見(jiàn)于內(nèi)存修改、內(nèi)存下傳、程序修改等相關(guān)功能處理，涉及到的變量物理意義多為起始地址、結(jié)束地址、操作長(zhǎng)度等。針對(duì)地址變量，應(yīng)重點(diǎn)分析如下操作特征：

1)結(jié)束地址計(jì)算是否正確：當(dāng)指定起始地址和操作長(zhǎng)度的情況下，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)結(jié)束地址計(jì)算的正確性分析；

2)地址有效范圍判斷設(shè)計(jì)是否合理：為確保操作地址在有效范圍內(nèi)，應(yīng)根據(jù)起始地址、操作長(zhǎng)度、結(jié)束地址的物理關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)合理的地址合法性判斷條件；

3)地址是否為4字節(jié)對(duì)齊：在字長(zhǎng)為32bit的CPU代碼中，一般要求操作地址應(yīng)為4字節(jié)對(duì)齊。

3.1.8 量綱變量的操作特征分析

量綱變量是指所承載的物理意義帶有指定量綱的變量。針對(duì)量綱變量，應(yīng)重點(diǎn)分析如下操作特征：

1)量綱的一致性分析：參與運(yùn)算或比較的多個(gè)變量的量綱應(yīng)一致；

2)量綱轉(zhuǎn)換的正確性分析：當(dāng)參與運(yùn)算或比較的多個(gè)變量的量綱不一致時(shí)，代碼中是否進(jìn)行了正確的量綱轉(zhuǎn)換。

3.1.9 指針變量的操作特征分析

指針變量是指定義為指針類型的變量。針對(duì)指針變量，應(yīng)重點(diǎn)分析如下操作特征：

1)指針變量賦值是否正確：應(yīng)確保指針變量指向正確的操作地址；

2)指針代數(shù)運(yùn)算是否正確：當(dāng)代碼中利用指針代數(shù)運(yùn)算進(jìn)行特定地址訪問(wèn)時(shí)，必須確保指針代數(shù)運(yùn)算的正確性。

3.1.10 數(shù)組變量的操作特征分析

數(shù)組變量是指定義為數(shù)組的變量。

針對(duì)數(shù)組變量，重點(diǎn)分析數(shù)組下標(biāo)的取值是否會(huì)導(dǎo)致對(duì)數(shù)組的讀寫(xiě)訪問(wèn)越界，要注意分析各個(gè)操作場(chǎng)景下數(shù)組下標(biāo)的所有可能取值情況。數(shù)組訪問(wèn)越界比較常見(jiàn)于如下3種情況：

1)初始化數(shù)組元素個(gè)數(shù)超過(guò)數(shù)組大小；

2)以立即數(shù)為數(shù)組下標(biāo)時(shí)，立即數(shù)取值超過(guò)數(shù)組大小；

3)以變量為數(shù)組下標(biāo)時(shí)，對(duì)變量取值范圍未采取合理的限定措施導(dǎo)致變量取值超過(guò)數(shù)組大小。

3.1.11 宏定義變量的操作特征分析

宏定義變量是指通過(guò)宏定義方式定義的變量。代碼設(shè)計(jì)中使用宏定義的最大好處是利于代碼維護(hù)。針對(duì)宏定義變量，應(yīng)重點(diǎn)分析如下操作特征：

1)宏定義是否與使用相匹配：比如，宏定義TRUE為0x55、FALSE為0xAA，函數(shù)返回TRUE/FALSE，代碼中判斷函數(shù)返回值是否為0，從而導(dǎo)致判斷結(jié)果唯一(始終不為0)，條件判斷設(shè)計(jì)失效；

2)已有宏定義則不應(yīng)再使用立即數(shù)：主要為了避免后期修改宏定義后未同步修改立即數(shù)而導(dǎo)致立即數(shù)使用錯(cuò)誤；

3)不應(yīng)混用取值相同的宏定義：主要為了避免修改其中一個(gè)宏定義時(shí)，引發(fā)不良后果。

3.1.12 相似變量的操作特征分析

相似變量指具有相似的物理意義、且定義名稱相似的變量。

相似變量的設(shè)計(jì)缺陷多由克隆代碼引入。相似變量使用混淆問(wèn)題在代碼中屢見(jiàn)不鮮。

3.2 變量分類操作缺陷模式集

通過(guò)上述變量分類操作的特征分析，建立與變量分類操作特征相關(guān)聯(lián)的缺陷模式集(見(jiàn)表4)。

表4 基于變量分類操作特征的缺陷模式集

續(xù)表4 基于變量分類操作特征的缺陷模式集

4 應(yīng)用分析

為檢驗(yàn)本文所構(gòu)建的基于變量操作特征分析的軟件缺陷模式集在軟件測(cè)試實(shí)踐中的應(yīng)用效果，對(duì)3個(gè)不同專業(yè)背景的軟件開(kāi)展了應(yīng)用前、后的測(cè)試效果比對(duì)，比對(duì)結(jié)果如表5。

表5 應(yīng)用前后變量相關(guān)缺陷數(shù)目對(duì)比

可見(jiàn)，將本文所構(gòu)建的基于變量操作特征分析的軟件缺陷模式集應(yīng)用于工程實(shí)踐后，測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的變量相關(guān)缺陷的數(shù)目得到了提升。

目前，該缺陷模式集已在航天器軟件第三方評(píng)測(cè)的工程實(shí)踐中推廣使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

從作為代碼基本構(gòu)成要素的變量出發(fā)，研究構(gòu)建了基于變量操作特征分析的軟件缺陷模式集，這種與變量操作特征相關(guān)聯(lián)的軟件缺陷建模思路在國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究中尚屬首例。通過(guò)工程實(shí)踐應(yīng)用證明，本文研究成果提高了變量相關(guān)缺陷的檢出效率，從而有效提高了軟件缺陷的整體檢出效率。后續(xù)工作中，將以本文研究成果為基礎(chǔ)，研究開(kāi)發(fā)基于變量操作特征分析的自動(dòng)化缺陷檢測(cè)工具，從而進(jìn)一步提高軟件測(cè)試的效率。