通過(guò)靜態(tài)代碼分析和動(dòng)態(tài)測(cè)試提升軟件的質(zhì)量
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召回活動(dòng)增加,交付延誤,難以按時(shí)履行承諾的功能:軟件質(zhì)量不明顯。只有通過(guò)一致的行動(dòng)、遵守標(biāo)準(zhǔn)和使用成熟的測(cè)試和質(zhì)量保證工具,才能開(kāi)發(fā)出好的軟件。糟糕的軟件會(huì)導(dǎo)致金錢(qián)損失和公司形象的惡化.嵌入式軟件甚至更為關(guān)鍵,因?yàn)樗饕糜趯?duì)安全至關(guān)重要的應(yīng)用程序。在這方面,軟件錯(cuò)誤可能危及人的生命,因此必須不惜一切代價(jià)避免。因此,諸如ISO26262、ICC61508或DO178-C等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軟件的開(kāi)發(fā)和測(cè)試質(zhì)量有嚴(yán)格的要求。
為了確保質(zhì)量,靜態(tài)代碼分析程序和動(dòng)態(tài)分析過(guò)程中可執(zhí)行軟件的測(cè)試(包括單元測(cè)試)都是必要的。由于這兩種方法中的每一種都只揭示了現(xiàn)有缺陷的一部分,所以這兩種互補(bǔ)方法都是必要的。
在開(kāi)發(fā)早期使用靜態(tài)分析工具
雖然動(dòng)態(tài)分析要求執(zhí)行代碼,但靜態(tài)分析不需要。因此,靜態(tài)分析工具可以在開(kāi)發(fā)過(guò)程的早期階段在實(shí)施階段使用。由于這個(gè)原因,靜態(tài)代碼分析為項(xiàng)目的成功做出了巨大貢獻(xiàn)--早期的錯(cuò)誤被發(fā)現(xiàn),而修復(fù)的成本效益更高。
沒(méi)有編寫(xiě)測(cè)試用例,靜態(tài)代碼分析工具檢查代碼的語(yǔ)法、語(yǔ)義、控制流和數(shù)據(jù)流異常、并發(fā)性問(wèn)題以及編程規(guī)則。發(fā)現(xiàn)了許多錯(cuò)誤和安全漏洞。
建議從開(kāi)發(fā)一開(kāi)始就定期對(duì)代碼進(jìn)行靜態(tài)分析--最好是由單個(gè)開(kāi)發(fā)人員在檢查代碼之前進(jìn)行分析。當(dāng)靜態(tài)代碼分析不再顯示任何錯(cuò)誤時(shí),只將代碼提交到進(jìn)一步的驗(yàn)證步驟是有意義的,例如代碼審查、單元測(cè)試或集成測(cè)試。有了這個(gè)程序,在交付前的最后檢查期間,錯(cuò)誤消息的數(shù)量可以大大減少。
靜態(tài)分析工具在開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)中特別有用,因?yàn)樵谶@些系統(tǒng)中使用的語(yǔ)言有C和C++。這些語(yǔ)言給了開(kāi)發(fā)人員很大的自由--不幸的是,這些語(yǔ)言也給了開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)錯(cuò)誤的源代碼的自由。諸如無(wú)點(diǎn)異常、緩沖溢出或全局變量問(wèn)題是常見(jiàn)的。這種錯(cuò)誤可以通過(guò)靜態(tài)代碼分析來(lái)避免.
動(dòng)態(tài)測(cè)試也是必要的
一旦軟件可以執(zhí)行,靜態(tài)分析應(yīng)該補(bǔ)充動(dòng)態(tài)測(cè)試。
動(dòng)態(tài)測(cè)試主要用于證明系統(tǒng)的功能正確性.通常,一旦第一個(gè)代碼組件是可執(zhí)行的,就會(huì)執(zhí)行它們。這些測(cè)試的一個(gè)重要部分是代碼覆蓋分析,它確保代碼的所有(重要)部分都將被測(cè)試。
在源代碼的所有相關(guān)點(diǎn)(代碼的儀器)上,測(cè)試代碼部分是否在測(cè)試運(yùn)行期間執(zhí)行過(guò),例如來(lái)自VERFY軟件技術(shù)的代碼覆蓋工具。由于嵌入式系統(tǒng)通常僅有有限的內(nèi)存空間,因此重要的是,這種儀器的開(kāi)銷(xiāo)仍然很小。此外,代碼覆蓋工具對(duì)性能的影響應(yīng)該最小,以避免在時(shí)間緊迫的系統(tǒng)中出現(xiàn)故障。覆蓋工具通常集成到開(kāi)發(fā)環(huán)境中--代碼檢測(cè)是自動(dòng)的。測(cè)試運(yùn)行后,覆蓋分析器生成報(bào)告,允許詳細(xì)查看哪些函數(shù)執(zhí)行了,哪些函數(shù)沒(méi)有執(zhí)行。
對(duì)于安全性至關(guān)重要的軟件代碼覆蓋是強(qiáng)制性的。標(biāo)準(zhǔn)DO-178C(航空)、ISO26262(汽車(chē))、IN50128(鐵路)和通用標(biāo)準(zhǔn)IC61508(鐵路)規(guī)定了高編碼覆蓋率,直至修改的條件決定覆蓋率(MC/DC),以展示軟件中所有條件或決定的測(cè)試。
需要靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)測(cè)試,以實(shí)現(xiàn)良好的質(zhì)量
為了保證高質(zhì)量,必須結(jié)合靜態(tài)分析,在執(zhí)行與代碼覆蓋相關(guān)的軟件(動(dòng)態(tài)測(cè)試)期間進(jìn)行充分的測(cè)試。我們現(xiàn)實(shí)生活中的家用電器項(xiàng)目的例子顯示了為什么需要使用這兩種方法,為什么只有一種測(cè)試或分析技術(shù)可能導(dǎo)致致命的后果。
制造商為洗衣機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)的控制單元開(kāi)發(fā)了一個(gè)軟件.它是用C寫(xiě)的,應(yīng)該是在單片機(jī)上運(yùn)行的。這一相同的控制單元和相同的軟件打算用于這一產(chǎn)品系列的所有機(jī)器;因此,特定的功能將分別與機(jī)器類(lèi)型打開(kāi)或關(guān)閉。例如,更昂貴的機(jī)器配備了傳感器,測(cè)量洗衣的"染色度",并使程序能夠定制主清洗周期的持續(xù)時(shí)間。更簡(jiǎn)單的沒(méi)有傳感器的機(jī)器的清洗時(shí)間保持不變.
在MC/DC代碼覆蓋率100%的規(guī)定下,開(kāi)發(fā)了確保充分軟件質(zhì)量的測(cè)試案例。制造商認(rèn)為靜態(tài)分析是可消耗的。
我們需要查看源代碼(圖1)來(lái)描述由此產(chǎn)生的問(wèn)題。
size_t durationMainWashCycle(size_t prog, size_t load, size_t staining) {
if (((prog == 3) || (prog == 5) || (prog == 7)) && (load < 5)) {
return staining * 5;
}
else if (((prog == 4) || (prog == 6)) && (load < 5)) {
return staining * 8;
}
else if (((prog == 4) || (prog == 6)) && (load < 3)) {
return staining * 7;
}
else {
return staining * 9;
}
}
圖1:用于計(jì)算主洗滌周期持續(xù)時(shí)間的功能.
圖1中的函數(shù)根據(jù)所選的清洗程序以及洗衣的負(fù)載大小和"染色度"來(lái)計(jì)算清洗周期的持續(xù)時(shí)間。與此功能相關(guān)的是,圖2中列出的測(cè)試用例是在模塊測(cè)試期間執(zhí)行的,其中"染色度"是測(cè)試期間評(píng)估的一個(gè)因素。"產(chǎn)品版本"對(duì)這個(gè)結(jié)果的影響程度將在后面討論。
|
測(cè)試案例編號(hào) |
產(chǎn)品_版本 |
行騙者 |
裝載量 |
染色 |
結(jié)果 |
預(yù)期成果 |
|
1 |
11 |
3 |
4 |
3 |
15 |
15 |
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2 |
11 |
5 |
4 |
3 |
15 |
15 |
|
3 |
11 |
7 |
4 |
3 |
15 |
15 |
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4 |
11 |
3 |
6 |
3 |
27 |
27 |
|
5 |
12 |
4 |
2 |
1 |
8 |
7 |
|
6 |
12 |
6 |
2 |
1 |
8 |
7 |
|
7 |
13 |
4 |
4 |
1 |
8 |
8 |
|
8 |
13 |
6 |
4 |
1 |
8 |
8 |
圖2:與功能有關(guān)的已執(zhí)行測(cè)試用例 durationMainWashCycle() .
然而,所考慮的功能的測(cè)試覆蓋率僅為71%。關(guān)于測(cè)試覆蓋率的報(bào)告(圖3)和測(cè)試結(jié)果立即揭示了一個(gè)問(wèn)題:在第31行開(kāi)頭具有IF-條件的程序路徑
else if (((prog == 4) || (prog == 6)) && (load < 3)) {
return staining * 7;
雖然相關(guān)測(cè)試案例(第5號(hào)和第6號(hào))被執(zhí)行,但沒(méi)有通過(guò)。此外,這些測(cè)試案例的實(shí)際測(cè)試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果不同。測(cè)試覆蓋率報(bào)告說(shuō)明28行的if-狀態(tài)是通過(guò)的。
在代碼中交換這兩個(gè)其他條件消除了錯(cuò)誤。現(xiàn)在,一個(gè)新的測(cè)試運(yùn)行使測(cè)試覆蓋率達(dá)到95%,與實(shí)際和預(yù)期的測(cè)試結(jié)果相匹配。
測(cè)試覆蓋率報(bào)告顯示,需要增加一個(gè)測(cè)試用例,以達(dá)到100%的測(cè)試覆蓋率:
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測(cè)試案例編號(hào) |
產(chǎn)品_版本 |
行騙者 |
裝載量 |
染色 |
結(jié)果 |
預(yù)期成果 |
|
9 |
14 |
6 |
6 |
1 |
9 |
9 |
由于缺少測(cè)試用例,達(dá)到了100%的規(guī)定測(cè)試覆蓋率。
在成功完成集成測(cè)試并解決了一些小問(wèn)題之后,洗衣機(jī)投入生產(chǎn)并交付。過(guò)了一段時(shí)間,一些不高興的顧客抱怨起來(lái).有些機(jī)器的清洗效果不佳,這是因?yàn)榍逑粗芷谔崆敖K止。還有報(bào)告說(shuō),機(jī)器將主清洗周期延長(zhǎng)幾個(gè)小時(shí)。復(fù)制這種行為證明是不可能的。
最初,有人懷疑染色傳感器出現(xiàn)故障。因此,它們是在保證范圍內(nèi)交換的。然而,很快就清楚,這并沒(méi)有解決這個(gè)問(wèn)題。
在更仔細(xì)地檢查了投訴案件之后,顯然這些案件只限于生產(chǎn)線(xiàn)中的一種特定的機(jī)器類(lèi)型。因此,考慮了軟件出錯(cuò)的可能性,并委托外部服務(wù)提供者運(yùn)行靜態(tài)代碼分析。
第12型的所有模型對(duì)染色傳感器和其他所有模型在恒定染色值下工作的規(guī)定執(zhí)行不當(dāng)。如圖4所示,模型12的變量"Y"在函數(shù)"獲得級(jí)別"()仍然沒(méi)有初始化,通過(guò)一個(gè)未定義的染色度值。
size_t getStainingLevel(size_t product_version) {
size_t y;
if (product_version < 12) { //products w/o staining sensor
y = 3;
}
else if (product_version > 12) { //products with staining sensor
y = readStainingSensor();
}
return y;
}
圖4:視產(chǎn)品版本而定的染色度的測(cè)定。
由于該值在模塊測(cè)試中不明顯,所以這個(gè)錯(cuò)誤仍未被發(fā)現(xiàn)。
此外,對(duì)簡(jiǎn)化代碼的靜態(tài)源代碼分析結(jié)果表明,以前描述的不可訪(fǎng)問(wèn)代碼部分的錯(cuò)誤很可能已經(jīng)在實(shí)施過(guò)程的早期發(fā)現(xiàn)。
只有通過(guò)靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析才能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤.不幸的是,靜態(tài)代碼分析只能追溯執(zhí)行洗衣機(jī)制造商。在開(kāi)發(fā)階段,錯(cuò)誤修正會(huì)更經(jīng)濟(jì).及時(shí)的靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)測(cè)試將避免昂貴的產(chǎn)品召回和相關(guān)的形象損失。該電器制造商目前使用靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)測(cè)試,對(duì)其所有軟件項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試覆蓋。
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