蛻變測試概述

◆李曉玉 羅 揚(yáng)

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蛻變測試概述

◆李曉玉 羅 揚(yáng)通訊作者

(南華大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 湖南 421001)

近年來，蛻變測試逐漸成為軟件工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)并在各個(gè)領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)展。本文歸納了蛻變測試技術(shù)的發(fā)展過程和主要研究方向，探討了蛻變測試研究中的不足之處，并給出了未來研究方向的展望。

軟件測試；蛻變測試；蛻變關(guān)系

0 引言

蛻變測試是一種旨在解決oracle的技術(shù)，通過檢查多個(gè)執(zhí)行結(jié)果之間的關(guān)系來測試程序的。早在1998年Chen等人提出，成功的測試用例同樣蘊(yùn)含著有用的信息，在這些成功測試用例的基礎(chǔ)上構(gòu)造新的測試用例來對程序進(jìn)行更深入地檢測。而在成功測試用例和構(gòu)建新的測試用例之間存在某些必然關(guān)系，我們稱之為蛻變關(guān)系。

定義[1]：一個(gè)程序P存在一個(gè)函數(shù)f，其中輸入分別為a1，a2，···，an，輸出分別為f(a1)，f(a2)，···，f(an)。若輸入a1，a2，···，an之間滿足某種關(guān)系r(a1，a2，···，an)時(shí)，f(a1)，f(a2)，···，f(an)同時(shí)滿足某種關(guān)系rf，即：

r(a1，a2，···，an)==>rf(f(a1)，f(a2)，···，f(an))，

那么我們稱（r，rf）為程序p的一個(gè)蛻變關(guān)系。

一般而言，蛻變測試的基本過程概括為：（1）原測試用例的生成。（2）構(gòu)建蛻變關(guān)系。（3）執(zhí)行蛻變測試用例。基于構(gòu)造的蛻變關(guān)系計(jì)算衍生測試用例，執(zhí)行原測試用例和衍生測試用例，并檢查其關(guān)系。該過程如圖1所示。

圖1 蛻變測試示意圖

1 蛻變測試的研究現(xiàn)狀

1.1 蛻變測試技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1良好的蛻變關(guān)系的特征研究

蛻變關(guān)系的定義需要知道領(lǐng)域知識。陳等人通過對兩個(gè)案例進(jìn)行研究，比較了基于問題領(lǐng)域的理論知識（黑盒）與基于程序結(jié)構(gòu)的白盒知識的蛻變關(guān)系有效性，認(rèn)為理論上較強(qiáng)的蛻變關(guān)系不一定具有較高的故障檢測能力；相反，在基于程序結(jié)構(gòu)的白盒方法后，應(yīng)該根據(jù)程序遵循的算法優(yōu)先選擇良好的蛻變關(guān)系。而其他研究也強(qiáng)調(diào)了將問題領(lǐng)域的知識作為應(yīng)用蛻變測試的要求。蛻變關(guān)系應(yīng)使后續(xù)測試用例與原測試用例盡可能不同。他將程序執(zhí)行的所有方面，包括遍歷的路徑、所運(yùn)行語句的順序等定義為“執(zhí)行之間的差異”，認(rèn)為良好的蛻變關(guān)系選擇策略是選擇原測試用例和后續(xù)測試用例盡可能不同的執(zhí)行的蛻變關(guān)系。從系統(tǒng)的特定部分導(dǎo)出來的蛻變關(guān)系比針對整個(gè)系統(tǒng)的更加有效。這一發(fā)現(xiàn)后來得到了謝等人的證實(shí)，他也認(rèn)為針對被測程序特定部分的蛻變關(guān)系比系統(tǒng)層面的蛻變關(guān)系更容易構(gòu)建，更能有效地發(fā)現(xiàn)故障。

1.1.2構(gòu)建蛻變關(guān)系

在大多數(shù)研究中，蛻變關(guān)系是由測試人員以臨時(shí)方式手動(dòng)確定的，沒有系統(tǒng)的方法來確定蛻變關(guān)系。蛻變關(guān)系是蛻變測試的核心部分，因?yàn)樗鼈儾粌H用于測試用例生成，還提供了測試結(jié)果的驗(yàn)證機(jī)制。

可根據(jù)一些已經(jīng)確定的蛻變關(guān)系構(gòu)建新的蛻變關(guān)系-蛻變關(guān)系組合。結(jié)果表明，一組蛻變關(guān)系的組成通常產(chǎn)生具有比原始蛻變關(guān)系更高的故障檢測有效性，同時(shí)此方法比傳統(tǒng)的蛻變測試具有更高的成本效益，因?yàn)樗婕暗臏y試執(zhí)行更少。

機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)自動(dòng)預(yù)測蛻變關(guān)系的方法，即通過提取函數(shù)控制流圖，從中提取特征，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)構(gòu)建預(yù)測模型來自動(dòng)檢測程序函數(shù)存在的可能的蛻變關(guān)系。同樣，曾金偉等人[2]提出使用PRF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)地預(yù)測函數(shù)可能滿足的多個(gè)蛻變關(guān)系的方法。

1.1.3原測試用例的生成

陳比較了特殊值和隨機(jī)值作為蛻變測試的原測試用例生成策略的有效性。隨機(jī)值能夠提供更大范圍的測試數(shù)據(jù)集，而特殊值必須手動(dòng)構(gòu)建。在相關(guān)研究中，一些作者觀察到與僅使用隨機(jī)值策略相比，兩者的結(jié)合能夠達(dá)到更快的故障檢測效果。

基于遺傳算法選擇源測試用例，該方法將遺傳算法集成到蛻變測試方法中，以檢測細(xì)微缺陷并優(yōu)化測試用例集。周紅等人[3]針對遺傳算法具有較強(qiáng)的全局搜索能力，但局部搜索能力較弱的特點(diǎn)，將遺傳算法與粒子群算法結(jié)合起來形成新的混合算法（GA-PSO），并成功應(yīng)用到軟件測試數(shù)據(jù)自動(dòng)生成過程中。

1.1.4蛻變測試用例的執(zhí)行

一些學(xué)者提出了一種迭代蛻變測試（IMT）方法。在IMT中，通過將每個(gè)蛻變關(guān)系的后續(xù)測試用例作為下一個(gè)蛻變關(guān)系的源測試用例，以鏈?zhǔn)降姆绞綉?yīng)用一系列蛻變關(guān)系。董等人[1]受到啟發(fā)，提出了一個(gè)新的迭代蛻變測試算法APCEMSI，即一種整合了迭代蛻變測試和程序路徑分析的新算法。

1.2 蛻變測試應(yīng)用領(lǐng)域研究進(jìn)展

蛻變測試最初主要應(yīng)用于數(shù)值型程序中，比如測試計(jì)算三角函數(shù)的程序，測試計(jì)算指數(shù)函數(shù)和行列式的程序等，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，蛻變測試技術(shù)也被廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，如Ｗeb服務(wù)和應(yīng)用程序、機(jī)器學(xué)習(xí)、生物學(xué)系統(tǒng)等。

在2005年，面向服務(wù)的應(yīng)用程序（SOA）的蛻變測試方法被首次提出，它依賴于蛻變服務(wù)封裝被測服務(wù)，使用單元測試階段的測試用例來生成集成測試階段的后續(xù)測試用例。在一組相關(guān)文獻(xiàn)中，用蛻變測試來檢測在線網(wǎng)絡(luò)搜索的應(yīng)用程序，并開發(fā)出一種完全自動(dòng)測試和驗(yàn)證的工具來實(shí)現(xiàn)該方法并在流行的搜索引擎中檢測到故障。之后的相關(guān)工作中，又對此類網(wǎng)絡(luò)搜索引擎進(jìn)行了大規(guī)模的實(shí)證研究，提出將蛻變測試擴(kuò)展為面向用戶的軟件驗(yàn)證和質(zhì)量評估方法。

測試機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序具有挑戰(zhàn)性，這些應(yīng)用程序旨在學(xué)習(xí)尚未知道正確答案的數(shù)據(jù)集的屬性。對一些機(jī)器學(xué)習(xí)算法的蛻變屬性進(jìn)行枚舉和分類，確定了存在于大多數(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用中的6種蛻變關(guān)系，即加法、乘法、置換、反向、包含和排他，為了驗(yàn)證關(guān)系的有效性，評估了三種特定的機(jī)器學(xué)習(xí)工具，其中發(fā)現(xiàn)了一些真正的錯(cuò)誤。

同時(shí)，蛻變測試在生物學(xué)發(fā)展領(lǐng)域中也取得了很好的進(jìn)展。有學(xué)者提出使用蛻變測試來檢測疾病傳播預(yù)測模型中的缺陷。研究了1918年西班牙流感的兩種疾病傳播模型來驗(yàn)證蛻變測試的有效性。在疾病傳播模型的相關(guān)研究中，又提出一種方法來量化和驗(yàn)證區(qū)域流行病學(xué)模型的行為屬性。使用蛻變測試，新穎的數(shù)據(jù)可視化工具和模型檢查來深入了解流行病模型的功能。

2 蛻變測試研究存在的不足

現(xiàn)有的蛻變測試技術(shù)雖然可以有效地解決oracle問題，但測試過程中會產(chǎn)生大量具有相似性的測試用例，導(dǎo)致成本的提高。今后對于蛻變測試技術(shù)研究的重點(diǎn)應(yīng)該是降低成本，如使用蛻變關(guān)系構(gòu)造技術(shù)的研究、原測試用例選取技術(shù)的研究、蛻變測試工具的開發(fā)等。

蛻變關(guān)系的產(chǎn)生可能是要解決的最具有挑戰(zhàn)性的問題。如何確定最有效的蛻變關(guān)系是至關(guān)重要的。我們還面臨以下挑戰(zhàn)：建立良好蛻變關(guān)系準(zhǔn)則；產(chǎn)生可能的蛻變關(guān)系；蛻變關(guān)系的組合等。由于蛻變測試使測試用例的數(shù)量成倍地增長，因此選取具有代表性且數(shù)量較少的原始測試用例非常重要。關(guān)于選取策略和如何更好地約簡測試用例來減少測試成本仍然存在的許多未解決的問題。蛻變測試工具可根據(jù)用戶提供的原始測試用例和蛻變關(guān)系，自動(dòng)地生成衍生用例，并判定輸出是否滿足相應(yīng)的蛻變關(guān)系。測試工具可以幫助測試人員提高測試效率，避免重復(fù)的工作，因此開發(fā)高效實(shí)用的蛻變測試工具也是今后研究工作的重點(diǎn)。

3 總結(jié)

蛻變測試正在逐漸成熟，盡管取得了進(jìn)展，但是還普遍存在著盲目性大、效率低下等問題。基于以上問題，本文最后對蛻變測試技術(shù)未來的挑戰(zhàn)進(jìn)行了大膽地展望，包括蛻變關(guān)系的構(gòu)建、原測試用例的選取和蛻變測試工具等。這些挑戰(zhàn)的研究將會增大蛻變測試的功能，拓展其使用范圍，提高測試效率，縮減測試成本。

[1]董國偉，徐寶文，陳林，聶長海，王璐璐.蛻變測試技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)與探索，2009.

[2]曾金偉，張鵬程，李雯睿等.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多標(biāo)簽蛻變關(guān)系預(yù)測方法[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2016.

[3]周紅，張勝，劉琳嵐等.基于GA-PSO算法的路徑測試數(shù)據(jù)自動(dòng)生成[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2010.