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基于SFTA和等價(jià)類的軟件測(cè)試用例設(shè)計(jì)方法研究與應(yīng)用
摘 要： 為了解決軟件測(cè)試時(shí)高可靠性安全性要求，測(cè)試用例設(shè)計(jì)的充分性和有效性不足的問(wèn)題，軟件故障樹(shù)分析結(jié)合等價(jià)類原則解決了測(cè)試用例設(shè)計(jì)的充分性和有效性問(wèn)題。通過(guò)對(duì)軟件的故障模式進(jìn)行分析，在建立軟件故障樹(shù)的基礎(chǔ)上獲得了軟件故障樹(shù)的最小割集。以最小割集為模型，結(jié)合等價(jià)類劃分方法實(shí)現(xiàn)了測(cè)試用例設(shè)計(jì)，并根據(jù)該方法開(kāi)發(fā)了測(cè)試用例自動(dòng)生成工具。通過(guò)測(cè)試項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用表明，采用該方法進(jìn)行測(cè)試用例設(shè)計(jì)可以滿足測(cè)試的充分性和有效性要求。 關(guān)鍵詞： 軟件測(cè)試； 測(cè)試用例； 故障樹(shù)； 等價(jià)類 中圖分類號(hào)： TN06?34； TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）21?0128?04 0 引 言 隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，軟件在各個(gè)行業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，在許多領(lǐng)域中軟件實(shí)現(xiàn)的功能已達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)功能的80%。因此，軟件系統(tǒng)的質(zhì)量往往決定著系統(tǒng)的質(zhì)量，有時(shí)由軟件缺陷引發(fā)的故障造成的后果會(huì)非常嚴(yán)重。例如文獻(xiàn)[1]中20世紀(jì)80年代美國(guó)發(fā)生的放射治療機(jī)軟件錯(cuò)誤，導(dǎo)致五名患者受到超計(jì)量輻射死亡的嚴(yán)重事故。隨著軟件應(yīng)用的深入和廣泛，特別是，應(yīng)用于高鐵、銀行、醫(yī)療、軍事和航天航空領(lǐng)域的軟件，其軟件的質(zhì)量更加需要關(guān)注，如果這些系統(tǒng)中發(fā)生由軟件缺陷引發(fā)的事故，其后果將是無(wú)法預(yù)料的。 目前，軟件測(cè)試仍是保證軟件質(zhì)量的重要手段之一，而軟件測(cè)試最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一就是測(cè)試用例設(shè)計(jì)，測(cè)試用例設(shè)計(jì)的充分性決定著測(cè)試的有效性。采用何種測(cè)試用例設(shè)計(jì)方法滿足測(cè)試的有效性和充分性要求是軟件測(cè)試領(lǐng)域不斷深入探索研究的課題。 軟件故障樹(shù)分析[2]（SFTA）是一種自頂向下的軟件可靠性和安全性分析方法，即從軟件系統(tǒng)不希望發(fā)生的事件（頂事件），特別是對(duì)人員和設(shè)備的安全產(chǎn)生重大影響的事件開(kāi)始，向下逐步追查導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因，直至基本事件（底事件）。利用SFTA分析的結(jié)果可以確定軟件測(cè)試的重點(diǎn)和內(nèi)容。 等價(jià)類劃分方法是一種黑盒測(cè)試方法[3]，它將軟件的輸入劃分為若干個(gè)數(shù)據(jù)類，從中得到測(cè)試用例的輸入。等價(jià)類劃分的測(cè)試用例設(shè)計(jì)是基于對(duì)輸入條件的等價(jià)類進(jìn)行評(píng)估，是軟件黑盒測(cè)試中最常采用的方法之一。 本文將SFTA和等價(jià)類劃分方法相結(jié)合提出了一種有效的測(cè)試用例設(shè)計(jì)方法，并實(shí)現(xiàn)了測(cè)試用例的自動(dòng)生成。 1 軟件故障樹(shù)及最小割集 SFTA技術(shù)是應(yīng)用較為廣泛的軟件安全性分析方法，將此方法用于軟件測(cè)試時(shí)，主要應(yīng)用于軟件黑盒測(cè)試的測(cè)試用例設(shè)計(jì)。對(duì)于那些高可靠安全要求的軟件應(yīng)在進(jìn)行安全性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行測(cè)試用例的設(shè)計(jì)以便實(shí)現(xiàn)測(cè)試用例的有效覆蓋。 1.1 建立軟件故障樹(shù) 軟件故障樹(shù)的建立是軟件故障樹(shù)分析中最基本同時(shí)也是最關(guān)鍵的一項(xiàng)工作。軟件故障樹(shù)簡(jiǎn)單地說(shuō)是由一些邏輯和事件符號(hào)構(gòu)建而成的。由于軟件故障樹(shù)的準(zhǔn)確性直接影響到對(duì)軟件的分析，因此，在建立軟件故障樹(shù)時(shí)需要開(kāi)展必要的準(zhǔn)備工作。軟件故障樹(shù)的建立通常包括：收集并分析有關(guān)技術(shù)資料，選擇要分析的頂事件和構(gòu)建故障樹(shù)。 1.1.1 收集并分析有關(guān)技術(shù)資料 軟件故障樹(shù)建立的完善程度直接影響基于最小割集的測(cè)試用例集合的有效性，因而需要軟件故障樹(shù)的建立者廣泛地掌握并使用有關(guān)方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。這些知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)獲取主要依靠對(duì)相關(guān)資料的學(xué)習(xí)和對(duì)軟件的熟悉，需要掌握的內(nèi)容主要應(yīng)包括：軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件的功能、系統(tǒng)的范圍、軟件之間的接口關(guān)系和運(yùn)行環(huán)境等；識(shí)別人為因素對(duì)軟件系統(tǒng)的影響；識(shí)別軟件在不同的運(yùn)行模式下的狀態(tài)，以及不同模式之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。 另外，在建立故障樹(shù)時(shí)應(yīng)征求有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員、用戶等的意見(jiàn)，以便保證軟件故障樹(shù)的正確性。 對(duì)于軟件關(guān)鍵等級(jí)較高的軟件，一般情況下，軟件研制人員已完成了軟件安全性分析。測(cè)試人員可以在此基礎(chǔ)上開(kāi)展進(jìn)一步的分析。 1.1.2 選擇要分析的頂事件 利用故障樹(shù)進(jìn)行軟件分析常遇到的問(wèn)題就是構(gòu)建的故障樹(shù)過(guò)于復(fù)雜，很難利用其進(jìn)行有效的測(cè)試用例設(shè)計(jì)。為了避免這一難題，在構(gòu)建故障樹(shù)時(shí)可以將軟件故障樹(shù)分層構(gòu)建，先按照軟件單個(gè)功能項(xiàng)為單位進(jìn)行構(gòu)建，在逐漸延伸至頂事件。 這種頂事件確定方法也符合確認(rèn)測(cè)試對(duì)所有功能進(jìn)行測(cè)試的實(shí)際要求。頂事件的確定可以與確認(rèn)測(cè)試的測(cè)試項(xiàng)的確定一起完成。當(dāng)一個(gè)測(cè)試項(xiàng)有多個(gè)子測(cè)試項(xiàng)時(shí)，可以將子測(cè)試項(xiàng)做為頂事件。 采用這種方法不僅避免了軟件故障樹(shù)過(guò)于復(fù)雜的問(wèn)題，也更符合測(cè)試工作的需要與流程。將軟件故障樹(shù)分析與測(cè)試項(xiàng)的分解、測(cè)試用例的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，更有利于測(cè)試用例的自動(dòng)生成。 1.1.3 構(gòu)建故障樹(shù) 軟件故障樹(shù)中使用的符號(hào)包括事件符號(hào)和邏輯門(mén)符號(hào)兩類。事件符號(hào)用以表示故障事件，邏輯門(mén)符號(hào)用以表示故障事件之間的邏輯關(guān)系。 建立軟件故障樹(shù)通常采用演繹法。所謂演繹法是指首先選擇要分析的頂事件（即不希望發(fā)生的故障事件）作為故障樹(shù)的“根”。然后分析導(dǎo)致頂事件發(fā)生的直接原因（包括所有事件或條件），并用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T(mén)與頂事件相連，作為故障樹(shù)的“節(jié)”（中間事件）。按照這個(gè)方法逐步深入，一直追溯到導(dǎo)致頂事件發(fā)生的全部原因（底層的基本事件）為止。這些底層的基本事件稱為底事件，構(gòu)成故障樹(shù)的“葉”。 在故障樹(shù)最底層的底事件是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的根本原因。有些底事件可以獨(dú)立地引發(fā)頂事件，有些底事件按照一定的邏輯關(guān)系共同引發(fā)頂事件。在分析故障發(fā)生原因過(guò)程中，要充分發(fā)揮分析者、軟件開(kāi)發(fā)組以及軟件測(cè)試機(jī)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)。 1.2 故障樹(shù)的數(shù)學(xué)描述 有[n]個(gè)底事件構(gòu)成的故障樹(shù)，故障樹(shù)的頂事件為[T，][xi]是底事件的狀態(tài)變量，[xi]的值為1或0，[Φ]表示頂事件的狀態(tài)，則有如下定義： [xi=1，底事件i發(fā)生0，底事件i不發(fā)生] [Φ=1，頂事件發(fā)生0，頂事件不發(fā)生] 由于[Φ]由底事件的狀態(tài)確定，即[Φ=Φ（X），]其中[X={x1，x2，…，xi}。]因此，[Φ=Φ（X）]就是故障樹(shù)數(shù)學(xué)表述的結(jié)構(gòu)函數(shù)[4]。 對(duì)于頂事件和底事件之間全部為邏輯與門(mén)結(jié)構(gòu)的故障樹(shù)，結(jié)構(gòu)函數(shù)可以表述為： [Φx=i=1nxii=1，2，…，n] 對(duì)于頂事件和底事件之間全部為邏輯或門(mén)結(jié)構(gòu)的故障樹(shù)，結(jié)構(gòu)函數(shù)可以表述為： [Φx=i=1nxii=1，2，…，n] 根據(jù)上述定義就可以表示出任意一棵故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)。圖1所示的軟件故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)就可以表示為： [Φ=x1x2x3x1x3x4] 1.3 最小割集的數(shù)學(xué)描述 割集為能引起頂事件發(fā)生的底事件集合。最小割集為不包含任何冗余因素的割集。如果去掉最小割集中的任何事件，它就不再成為割集。 根據(jù)上述的定義，在軟件故障樹(shù)中，由于最小割集發(fā)生時(shí)，頂事件必然發(fā)生，因此，一棵故障樹(shù)的全部最小割集的完整集合代表了頂事件發(fā)生的所有可能性。因此，若軟件故障樹(shù)有[m]個(gè)最小割集[C=（C1，C2，…，Cm），]任意一個(gè)最小割集中的全部底事件發(fā)生時(shí)，故障樹(shù)的頂事件必定發(fā)生，最小割集可以表示為： [Cj=i=1xi] 在[m]個(gè)最小割集集合中只要有一個(gè)最小割集發(fā)生，頂事件就發(fā)生，所以軟件故障樹(shù)可以表示為： [Φ=j=1mi=1nxi] 根據(jù)故障樹(shù)最小割集的定義，利用Fuseell?Vesely算法，可以獲得圖1的最小割集為：[x1，][x2，x3，x4，]其軟件故障樹(shù)也可表示為： [Φ=x1x2x3x4] 根據(jù)上述表達(dá)式，圖1的等價(jià)軟件故障樹(shù)如圖2所示。 2 生成測(cè)試用例集 利用軟件故障樹(shù)最小割集建立了進(jìn)行測(cè)試用例設(shè)計(jì)模型，每個(gè)底事件就是測(cè)試用例的輸入，而每個(gè)輸入的取值應(yīng)根據(jù)等價(jià)類劃分的原則設(shè)置典型值。 2.1 確定輸入條件的等價(jià)類 在進(jìn)行輸入的典型值選取時(shí)，應(yīng)根據(jù)等價(jià)類劃分的方法進(jìn)行確定。等價(jià)類的確定應(yīng)遵循如下原則[3]： �。�1）若輸入條件指定一個(gè)范圍，則可以定義一個(gè)有效等價(jià)類和兩個(gè)無(wú)效等價(jià)類； �。�2）若輸入條件需要特定的值，則可以定義一個(gè)有效等價(jià)類和兩個(gè)無(wú)效等價(jià)類； �。�3）若輸入條件指定集合的某個(gè)元素，則可以定義一個(gè)有效等價(jià)類和一個(gè)無(wú)效等價(jià)類； �。�4）若輸入條件為布爾值，則可以定義一個(gè)有效等價(jià)類和一個(gè)無(wú)效等價(jià)類。 以最小割集[{x2，x3，x4}]為例，其典型取值分別為下[x2：a1，a2，a3；x3：b1，b2，b3；x4：c1，c2。] 2.2 生成測(cè)試用例集 在進(jìn)行測(cè)試用例設(shè)計(jì)時(shí)，以每一個(gè)最小割集為一組測(cè)試用例。以最小割集[{x2，x3，x4}]為例，根據(jù)在2.1節(jié)中確定的[x2，x3，x4]各自的等價(jià)類取值，可得到測(cè)試用例為：[{a1，b1，c1}，][{a1，b1，c2}，][{a1，b2，c1}，][{a1，b2，c2}，][{a1，b3，c1}，][{a1，b3，c2}，][{a2，b1，c1}，][{a2，b1，c2}，][{a2，b2，c1}，][{a2，b2，c2}，][{a2，b3，c1}，][{a2，b3，c2}，][{a3，b1，c1}，][{a3，b1，c2}，][{a3，b2，c1}，][{a3，b2，c2}，][{a3，b3，c1}，][{a3，b3，c2}。]這樣就得到[C13×C13×C12=3×3×2=18]個(gè)測(cè)試用例。 軟件的算法流程圖如圖3所示。 3 應(yīng)用實(shí)例 �。�1）獲取軟件故障樹(shù) 在實(shí)際應(yīng)用中獲得了如圖4所示的軟件故障樹(shù)，其中中間事件“游機(jī)未關(guān)機(jī)”的發(fā)生是由Ggjx1，Ggjx2，Ggjx3中的任意兩個(gè)以上發(fā)生時(shí)導(dǎo)致的。根據(jù)這種情況，可將圖4改造為如圖5所示的等效故障樹(shù)。 �。�2）求出割集 {T2fc1，T2fc2，T2fc3}，{Ggjx1，Ggjx2}，{Ggjx1，Ggjx3}，{Ggjx2，Ggjx3}，{Luwo}，{Ggjx1，Ggjx2，Ggjx3}，{Luwo，T2fc1 }，{Luwo，T2fc2}，{Luwo，T2fc3}。 �。�3）求出最小割集 {Ggjx1，Ggjx2}，{Ggjx1，Ggjx3}，{Ggjx2，Ggjx3}，{Luwo}，{T2fc1，T2fc2，T2fc3}。 （4）設(shè)置典型值 根據(jù)輸入條件的等價(jià)類原則設(shè)置的典型值見(jiàn)表1。 �。�5）生成測(cè)試用例 基于割集生成的測(cè)試用例有63個(gè)，而基于最小割集生成的測(cè)試用例只有25個(gè)。基于最小割集{T2fc1，T2fc2，T2fc3}生成的一個(gè)測(cè)試用例集合如圖6所示。 4 結(jié) 語(yǔ) 本文利用故障樹(shù)的原理和方法，將故障樹(shù)的最小割集作為生成測(cè)試用例的模型，測(cè)試用例的輸入采用等價(jià)類劃分的方法選取，提出了基于故障樹(shù)最小割集和等價(jià)類劃分的測(cè)試用例生成方法，并開(kāi)發(fā)了測(cè)試用例自動(dòng)生成工具。該方法在逃逸軟件測(cè)試項(xiàng)目中得到了應(yīng)用，實(shí)際結(jié)果表明它有效地提高了測(cè)試測(cè)試用例設(shè)計(jì)的充分性和高可靠軟件測(cè)試的自動(dòng)化程度。 參考文獻(xiàn) [1] 黃錫滋.軟件可靠性、安全性與質(zhì)量保證[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002. 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