基于復雜系數的軟件可靠性分配方法研究

楊婷 賈嵐 原變青

摘要：隨著計算機軟件技術的發展，軟件規模及軟件功能也在不斷擴充，在軟件系統的設計和開發過程中，如何確保所開發的軟件系統能夠滿足既定的可靠性指標，軟件可靠性分配技術則是其中必不可少的環節。該文分析了可靠性分配的原理，給出了在進行軟件可靠性分配時，應遵循的原則以及分配的步驟，在此基礎上，給出了基于McCabe軟件復雜性的間接度量，為后續進一步迭代分配軟件可靠性提供依據。

關鍵詞：軟件可靠性分配;軟件復雜度;McCabe度量、復雜系數

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

1概述

隨著計算機軟件技術的發展，軟件規模及軟件功能也在不斷擴充，軟件系統的結構也越來越復雜，在計算機系統的實現過程中，由軟件實現的功能所占比例也不斷增加，同時，由軟件失效導致系統失效的次數也遠超過硬件所導致的系統失效次數。因此，如何確保所開發的軟件系統能夠滿足既定的可靠性指標，使軟件既能保證進度要求，又能降低生產成本，是當前軟件可靠性工程中要解決的一個重要問題。在軟件可靠性工程的設計和開發階段，首要任務則是在各功能模塊或組件之間完成可靠性指標的分配任務。

本文分析了可靠性分配的原理，給出了在進行軟件可靠性分配時，應遵循的原則以及分配原理，在此基礎上，給出了基于MaCabe軟件復雜性的間接度量，為后續進一步迭代分配軟件可靠性提供依據。

2軟件可靠性分配原則及分配步驟

2.1分配原則

在軟件可靠性工程中，軟件可靠性分配過程和軟件可靠性預測過程正好相反，可靠性預測是一種合成方法，即：從底向上逐步完成系統指標的計算和評估，而可靠性分配過程則是一種分解方法，即：從頂向下逐層完成系統指標的分解和分配，根據初次分配的結果，搞清楚分配的指標與預測值之間的差距，進一步采取一定的措施加以修正。

因此，在進行軟件可靠性指標分配時，需遵循如下兩個原則：

1）要保證滿足系統可靠性要求;

2）要平衡設置各模塊或部件的可靠性指標。

針對第2）條原則，需要注意兩點，一是在每個部件或模塊的設計和開發過程中，要綜合權衡時間、難度、風險、重要度等因素的差距;二是要使整個系統的開發成本最低。

2.2分配步驟

軟件可靠性分配是一種從頂向下逐層分解的過程，以下給出軟件可靠性分配步驟，如圖1所示。

1）確定軟件可靠性指標：軟件系統的可靠性指標是軟件系統在特定的環境（條件）下，在給定的時間內，不發生故障的工作的概率，即可靠度R，除可靠度指標外，分配的指標也可以是故障率，或系統的MTBF（故障平均時間間隔）。

2）根據系統需求規格說明書，找出軟件的剖面及邊界。

3）按照功能說明，在考慮系統的結構特性以及收集的歷史數據的特性（如存在哪些可靠性已知的類似模塊），將系統自頂向下分解為不同的部件或模塊。

4）選用一定的數學模型分配給整個系統，確定了整個系統的可靠性指標后，再根據具體功能和影響因子具體分配給部件或模塊。

5）根據初次分配的結果，搞清楚分配的可靠性指標與預測值之間的差距，進一步采取相應的措施加以修正。

3基于MaCabe軟件復雜性的間接度量及可靠性分配

3.1軟件復雜性的McCabe間接度量

軟件復雜性主要體現現在程序的復雜性上，軟件越復雜，在開發和維護過程中所消耗的資源也越多。因此，軟件的復雜性可以作為軟件所需資源投入量的一個間接度量。此外，軟件越復雜，在設計中出現錯誤的可能性也越大，這是一種合乎邏輯的推理，盡管復雜性與軟件中的錯誤數未必呈現出簡單的正比關系，但是存在這種正相關趨勢則是肯定無疑的。

本文給出McCabe復雜性度量方法，并以此作為復雜性因子，給出了基于復雜性因子的分配方法，為后續進一步迭代分配軟件可靠性提供方法依據。

軟件復雜性的度量可以從執行程序指令以及結構關系來研究。

以下考慮程序指令間的相互關系，即結構上的錯綜程度，來研究程序結構的復雜性。

將程序中的每個處理步驟和判定符收縮為一個點，將有關的點用線段連接起來，就得到抽象的程序流圖。有向圖中從某一節點出發的路，如果最終又回到原來的節點，則稱這樣的路為回路。如果在有向圖中，任意一個節點至少可以找出一條路通向其他任意的一個節點，這樣的有向圖稱為強連接有向圖。

用V（G）表示有向圖中的回路數，用m表示圖中的弧的數目，n表示節點數，對于強連接的有向圖，若用回路數V（G）來表示其復雜性，則可以證明V（G）由下列公式給出：

V（G）=m-n+1

上式稱為程序的循環性度量，又稱為McCabe復雜性度量。如圖2所示，圖（a）和圖（b）都表示程序流圖，按上式計算得：

V（G）=13-11+1=3

圖（b）按上式計算得：

V（G）=10-7+1=4

上面的方法同樣可以度量程序的循環結構，通常，循環結構復雜的程序，往往出錯率也會高。通過比較上面的兩個程序流圖，可預知圖（b）隱含的錯誤數大于圖（a）所含錯誤數。

3.2基于復雜性系數的軟件可靠性分配方法

本節將給出基于復雜性系數的軟件可靠性分配方法，該方法將系統失效率分配到各個模塊中。若某一部件或模塊的復雜系數越大，那么為達到一定的可靠性而花的維護費用也越大，因此，該模塊或部件所分配的失效率也將越高。

以下給出具體的分配步驟：

1）確定軟件系統總的失效率。

2）確定模塊數M。

3）確定每一部件或模塊的復雜性因子wi。

4）確定每一部件或模塊實際運行的時間ti，以及任務的時間T。

5）計算失效率的調整系數：

4結束語

軟件可靠性分配方法與硬件可靠性分配方法相比，模型的選擇和分配的靈活度都存在差異。已知的軟件可靠性分配方法很多都借鑒了硬件可靠性的技術，同時考慮了軟件自身的特點和性質，進而形成了符合軟件特性的軟件可靠性分配方法。本文給出了基于McCabe軟件復雜性的間接度量，為進一步迭代分配軟件可靠性提供依據，后續可以進一步研究基于復雜性、重要度以及調用強度等因素的可靠性分配技術。