基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的軟件操作剖面構(gòu)造方法

1、-2994-0引 言操作剖面是軟件可靠性工程的關(guān)鍵元素,在軟件可靠性 工程中非常重要,開發(fā)操作剖面是軟件可靠性工程的主要開 銷 1。實(shí)踐表明, 為一個(gè) “平均” 項(xiàng)目開發(fā)操作剖面所需費(fèi)用一 般為 1個(gè)人月 (“ 平均” 項(xiàng)目指的是由 10個(gè)開發(fā)人員、 歷時(shí) 18個(gè) 月完成的、 源代碼行數(shù)為 100000行的項(xiàng)目 。 該費(fèi)用受產(chǎn)品或 領(lǐng)域操作總數(shù)量的影響很大, 所以需要對(duì)操作數(shù)目進(jìn)行控制。傳統(tǒng)的操作數(shù)目控制方法包括減小輸入空間、 增大操作 寬度和忽略不頻繁的操作 2。減小輸入空間可以減少測(cè)試工 作量, 但可能造成系統(tǒng)的靈活性降低、 復(fù)雜度增加; 增大操作寬 度首先定義一個(gè)發(fā)生概率的差異范圍, 然

2、后合并那些輸入變量 相同而發(fā)生概率相差在規(guī)定范圍內(nèi)的操作, 方法能保證對(duì)軟件 輸入空間的覆蓋, 但花費(fèi)較多、 結(jié)果不易控制; 忽略不頻繁的操 作是指除去那些發(fā)生概率小于 1減去可靠性目標(biāo)值的非關(guān)鍵 操作, 方法既需要額外費(fèi)用又不能覆蓋軟件的輸入空間。針對(duì)傳統(tǒng)的操作數(shù)目控制方法的不足, 本文提出一種基 于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的解決方案。 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有 “均勻分散” 的特點(diǎn) 3,在軟件測(cè)試領(lǐng)域主要用于選取軟件的測(cè)試數(shù)據(jù)。Phadke 指出了在軟件測(cè)試中如何系統(tǒng)地使用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 4; R.Brownlie 等人基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)開發(fā)了 OATS (orthogonal ar-rays testing s

3、ystem , 極大地提高了軟件測(cè)試效率 5; 聶長海等人 將正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與多次單因素試驗(yàn)、 均勻設(shè)計(jì)進(jìn)行比較, 指出 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)生成的配置測(cè)試用例更為實(shí)用與合理 6; 馬長捷 等人使用包括正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在內(nèi)的組合設(shè)計(jì)方法來優(yōu)化軟件 可靠性測(cè)試數(shù)據(jù) 7; 嚴(yán)進(jìn)寶等人不僅通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)來選取 可靠性測(cè)試數(shù)據(jù), 還在此基礎(chǔ)上提出了一個(gè)完整的軟件可靠 性測(cè)試方法 8。與上述研究不同, 本文選取的不是測(cè)試數(shù)據(jù)而是構(gòu)成操 作剖面的操作。 通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇的操作在輸入空間內(nèi) 分布均勻, 這樣進(jìn)行的軟件可靠性測(cè)試更有可能發(fā)現(xiàn)軟件缺 陷。本文首先介紹相關(guān)的基本概念, 然后介紹方法的具體過 程,結(jié)合實(shí)例講

4、述如何應(yīng)用本文的方法,最后對(duì)方法進(jìn)行分 析, 給出結(jié)論。1基本概念1.1屬性屬性在軟件可靠性工程中沒有明確的定義。 盡管同操作收稿日期:2007-07-29E-mail :fu_jianping作者簡介:付劍平 (1979- ,男,湖南衡陽人,博士研究生,研究方向?yàn)檐浖煽啃?、測(cè)試性; 陸民燕,女,教授,研究方向?yàn)榭煽啃怨芾砗?度量、測(cè)試技術(shù); 阮鐮,男,教授,研究方向?yàn)橄到y(tǒng)工程、并行工程和軟件可靠性。基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的軟件操作剖面構(gòu)造方法付劍平, 陸民燕, 阮鐮(北京航空航天大學(xué) 工程系統(tǒng)工程系,北京 100083摘要:為了解決傳統(tǒng)的操作數(shù)量控制方法中出現(xiàn)的問題, 提出一種基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的

5、軟件操作剖面構(gòu)造方法。該方法 首先確定操作額定值, 接著建立一個(gè)粗略的操作剖面, 然后在一些粗略操作對(duì)應(yīng)的多屬性區(qū)域內(nèi)通過比較發(fā)生概率和正交 試驗(yàn)設(shè)計(jì)等方法選取新的操作, 最后整理操作及發(fā)生概率, 得到最終的操作剖面。應(yīng)用該方法能夠開發(fā)出滿足要求的操作 剖面, 并分析指出了該方法的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞:正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) ; 操作剖面 ; 額定值 ; 多屬性區(qū)域 ; 發(fā)生概率 中圖法分類號(hào):TP311.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-7024(2008 12-2994-04Method to developing software operational profiles based on ortho

6、gonal experiment designFU Jian-ping,LU Min-yan,RUAN Lian(Department of System Engineering of Engineering Technology, Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100083, China Abstract :Many traditional approaches to controlling the number of operations have some problems and a new met

7、hod based on orthogonal experiment design is proposed to develop the software operational profile. First, calculate the operation rating and then develop a rough operational profile. Partition some operations corresponding to multi-attribute regions by comparing occurrence probabilities and design o

8、f orthogonal experiment. After some adjustment to operations and occurrence probabilities, the operational profile is accomplished fin-ally. An application indicates the method can generate an operational profile meeting demands and the analysis shows its superiority. Key words :orthogonal experimen

9、t design; software operational profile; operation rating; multi-attribute region; occurrence probability2008年 6月 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)June 2008第 29卷 第 12期 Vol. 29No. 12Computer Engineering and Design-2995-一樣代表一個(gè)顯著不同的處理過程, 屬性不能獨(dú)自成為操作, 只能是操作的一個(gè)組成部分, 因?yàn)樗赡懿皇且粋€(gè)主要的系 統(tǒng)邏輯任務(wù)或者結(jié)束時(shí)未將控制權(quán)還給系統(tǒng)。 以 “ Word 打印” 中的 “頁面范圍” 為例, 它與

10、“打印機(jī)” 、 “副本” 的處理過程明顯 不同, 三者具有不同的失效行為。然而為了打印 Word 文檔, 除了需要設(shè)置頁面范圍, 還需要設(shè)置打印機(jī)和副本數(shù)目, 因此 同 “打印機(jī)” 和 “副本” 一樣, “頁面范圍” 只是構(gòu)成 “ Word 打印” 操作的一個(gè)屬性。1.2多屬性區(qū)域如前所述, 操作可能由多個(gè)屬性構(gòu)成。不同的操作可能具有相同的屬性, 只是其中某些屬性的取值不同。從軟件輸 入空間的觀點(diǎn)來看, 操作可以對(duì)應(yīng)輸入空間內(nèi)的一塊區(qū)域, 而 多屬性區(qū)域就是輸入空間內(nèi)具有相同屬性的操作區(qū)域的和。 如果用 =1, 2,= 個(gè)屬性_2, _=1,2, 則屬性_2, ,最多可能組 成, 單個(gè)操作的預(yù)

11、計(jì)分析費(fèi)用為/(2 分析被測(cè)軟件, 為每個(gè)顯著不同的處理分配一個(gè)操作 或?qū)傩灾? 對(duì)于多屬性區(qū)域暫時(shí)不作細(xì)分, 當(dāng)作一個(gè)操作;(3 確定操作的發(fā)生概率。對(duì)于多屬性操作, 除了確定操 作的發(fā)生概率, 還需確定所有屬性取值的分支概率;(4 統(tǒng)計(jì)當(dāng)前操作數(shù)量, 如果數(shù)量小于額定值就繼續(xù)下一 步, 否則直接進(jìn)行最后一步;(5 判斷是否存在多屬性操作, 如果存在就繼續(xù)下一步, 否 則直接進(jìn)行最后一步;(6 分析多屬性操作, 在額定值允許的情況下進(jìn)一步劃分 這類操作;(7 根據(jù)實(shí)際情況整理得到的操作及發(fā)生概率, 生成最終 的操作剖面。方法的第 1步計(jì)算額定值, 用于控制全過程的操作數(shù)目; 第 2、 3步與

12、 Musa 操作剖面構(gòu)造方法 1的對(duì)應(yīng)過程類似, 區(qū)別 就在于沒有將多屬性區(qū)域進(jìn)行細(xì)分;第 4步判斷是否需要控 制操作數(shù)目; 第 5步判斷操作數(shù)目能否再進(jìn)一步控制; 第 6步 是方法的核心, 前面提過的操作選取原則就在該過程中具體 應(yīng)用;第 7步是對(duì)操作剖面的微調(diào)。其中操作劃分和剖面整 理的內(nèi)容將在下面詳細(xì)介紹。2.1操作劃分操作劃分是本文方法的核心, 它既要根據(jù)額定值控制操作數(shù)量, 又要根據(jù)發(fā)生概率選取使用頻繁的操作, 還要通過正 交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在多屬性區(qū)域中均勻地選取操作, 具體過程如下:(1 將所有多屬性操作都標(biāo)記成未正交處理狀態(tài); (2 將所有未正交處理的操作和已正交處理操作中的組合 作為

13、候選元素, 選擇其中發(fā)生概率最大的元素;(3 判斷選擇的元素是未正交處理的操作還是已正交處理 操作的一個(gè)組合, 如果是未正交處理的操作就對(duì)其進(jìn)行正交 處理, 如果是一個(gè)組合就將該組合從其所在的操作中分離出來作為一個(gè)獨(dú)立的操作;(4 判 斷操 作數(shù)量是 否達(dá)到額 定值, 如果達(dá) 到額定值就 結(jié)束當(dāng)前過程, 否則繼續(xù)選擇發(fā)生概率最大的元素, 重復(fù)上 述過程。其中正交處理就是根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì), 在多屬性區(qū)域內(nèi) 均勻選擇操作的過程, 包括如下內(nèi)容:(1 將選擇的操作標(biāo)記成已正交處理狀態(tài); (2 根據(jù)操作屬性及取值數(shù)目選擇合適的正交表; (3 預(yù)計(jì)操作數(shù)目, 如果當(dāng)前操作數(shù)目加上選擇的正交表 行數(shù)大于額

14、定值就結(jié)束正交處理, 否則進(jìn)行下一步;(4 根據(jù)正交表從多屬性區(qū)域中抽取操作, 每次抽取都將 操作對(duì)應(yīng)的區(qū)域從多屬性區(qū)域中分離出來; 正交表的每一行 都對(duì)應(yīng)抽取一個(gè)操作, 抽取完成后, 原多屬性操作對(duì)應(yīng)的區(qū)域 將減小。2.2剖面整理剖面整理是方法的最后一步。 經(jīng)過前面的處理已經(jīng)得到一系列的操作和發(fā)生概率, 一般情況下, 此時(shí)得到的操作剖面 已可以作為最終的操作剖面使用, 除非出現(xiàn)以下情況:(1 操作數(shù)量超出額定值。 這種情況只可能出現(xiàn)在方法的第 2步, 為每個(gè)顯著不同的處理分配一個(gè)操作或?qū)傩灾岛? 生 成的操作數(shù)量就大于額定值。此時(shí)有兩種解決方案:追加 分析費(fèi)用以提高額定值, 因?yàn)榇藭r(shí)的分析費(fèi)

15、用已明顯不能滿 足當(dāng)前軟件的分析要求; 減小實(shí)際測(cè)試的軟件輸入空間, 如 前面介紹的減小輸入空間、 忽略不頻繁的操作等方法。(2 如果分析人員熟悉被測(cè)軟件情況, 可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)添加或合并某些操作。無論上述哪種情況, 都要保證操作數(shù)目在額定值的范圍 之內(nèi)同時(shí)所有操作的發(fā)生概率之和為 1。3實(shí)例應(yīng)用3.1被測(cè)軟件Test Case Studio (TCS 是本單位開發(fā)的一款軟件可靠性測(cè) 試數(shù)據(jù)自動(dòng)生成工具, 可以輔助用戶對(duì)被測(cè)軟件的使用情況 進(jìn)行建模, 然后根據(jù)軟件描述自動(dòng)生成可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)。 TCS 具有系統(tǒng)分析、變量分析、剖面分析和數(shù)據(jù)生成等功能,操 作眾多。3.2應(yīng)用過程如果細(xì)分, TCS 的

16、操作多達(dá)幾百個(gè), 測(cè)試所有操作所需的 費(fèi)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對(duì)它進(jìn)行可靠性測(cè)試的預(yù)算。 為了控制操作 數(shù)目, TCS 在操作剖面的構(gòu)造過程中應(yīng)用了本文提出的方法, 具體過程如下:(1 確定額定值:TCS 可靠性測(cè)試計(jì)劃中用于分析操作、 準(zhǔn) 備可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)的費(fèi)用為 100人時(shí), 根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn), 預(yù)計(jì) 操作的平均分析費(fèi)用為 0.8人時(shí), 由此得到操作剖面的額定值 為 125(/43的屬性及其取值概率。(4 統(tǒng)計(jì)當(dāng)前操作數(shù)量:從表 1可以看到, 當(dāng)前共分析出 43個(gè)軟件操作, 尚未達(dá)到操作剖面的額定值 125, 因此可以進(jìn)行 下一步工作。(5 判斷是否存在多屬性操作:分析表明 TCS 存在多屬性 操作,

17、 這些操作將在下一步工作中分解。(6 劃分操作:劃分操作的第一步是將表 1的所有多屬性 操作都標(biāo)記成未正交處理狀態(tài), 然后在這些操作中選擇發(fā)生 概率最大的操作。 由于在所有多屬性操作中43共包含 3個(gè)屬性, 每個(gè)屬性包含 2個(gè)取值,根據(jù)屬性和取值的個(gè)數(shù)可以確定使用正交表 L 4 (23 選取新的操作。由于即使當(dāng)前的操作數(shù) 43加上正交表 L4(23 的行數(shù) 4仍 小于額定值 125 ,所以可以從44 , 46、= 表 示新操作的發(fā)生概率、 表示新操作在原操作的分叉樹中經(jīng) 過的第43還 剩余 4個(gè)組合, 劃分后的具體情況如表 3所示 ( 表明43 1打開項(xiàng)目 無 0.0843數(shù)據(jù)生成設(shè)置輸入方式

18、0.11截尾原則統(tǒng)計(jì)使用情況圖 1屬性及取值概率O 43“輸入方式”屬性順序輸入 =0.55時(shí)序輸入 =0.45定數(shù)截尾 =0.95 定時(shí)截尾 =0.05定數(shù)截尾 =0.40定時(shí)截尾 =0.60“截尾原則”屬性“統(tǒng)計(jì)使用 情況” 屬性 統(tǒng)計(jì) =0.10不統(tǒng)計(jì) =0.90統(tǒng)計(jì) =0.10統(tǒng)計(jì) =0.10統(tǒng)計(jì) =0.10不統(tǒng)計(jì) =0.90不統(tǒng)計(jì) =0.90不統(tǒng)計(jì) =0.90 44順序輸入, 定數(shù)截尾, 統(tǒng)計(jì)使用情況 0.00575 46時(shí)序輸入, 定數(shù)截尾, 不統(tǒng)計(jì)使用情況 0.01782 43-2996-4分 析本文將操作數(shù)目控制方法與操作剖面的開發(fā)過程相結(jié) 合, 所產(chǎn)生的操作剖面構(gòu)造方法具有如

19、下特點(diǎn):(1 節(jié)省剖面開發(fā)費(fèi)用。 由于在操作剖面的開發(fā)過程中使 用了額定值對(duì)操作數(shù)目進(jìn)行控制, 方法不會(huì)產(chǎn)生過多操作。 而 其它方法由于在開發(fā)過程中沒有控制, 不僅需要較多的費(fèi)用 來生成多余的操作, 還需要額外的費(fèi)用來減少操作。(2 有效的使用分析費(fèi)用。與其它方法相比, 方法能在分 析費(fèi)用的范圍內(nèi)盡可能的細(xì)分操作, 同時(shí)在細(xì)分過程中盡量 尋找那些使用頻繁、 分布均勻的操作。由這些操作分析得到 可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)將更有針對(duì)性, 更有可能發(fā)現(xiàn)軟件缺陷。 (3 保證對(duì)輸入空間的覆蓋。 方法可以看作是對(duì)軟件輸入 空間的逐次細(xì)分, 在此過程沒有出現(xiàn)減小輸入空間的現(xiàn)象, 始 終保證了對(duì)被測(cè)軟件輸入空間的覆蓋。

20、(4 易于控制和實(shí)施。方法的基礎(chǔ)是正交試驗(yàn)設(shè)計(jì), 這是 在很多領(lǐng)域都已廣泛應(yīng)用的成熟方法, 具有規(guī)范的流程; 方法 的所有過程也都經(jīng)過嚴(yán)格定義, 既易于人員實(shí)施也適合實(shí)現(xiàn) 軟件自動(dòng)化。通過分析可以發(fā)現(xiàn), 基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的軟件操作剖面 構(gòu)造方法既節(jié)約費(fèi)用、易于控制,又能保證對(duì)輸入空間的覆 蓋、 不會(huì)降低系統(tǒng)的靈活性, 從而克服了傳統(tǒng)的操作數(shù)目控制 方法的不足。盡管如此, 方法在以下方面還存在不足: (1 對(duì)于操作沒有超過額定值的軟件, 使用本文提出的方 法不但不能節(jié)省開發(fā)費(fèi)用, 為控制操作數(shù)目所采取的措施還 可能需要較多的花費(fèi)。(2 額定值的計(jì)算過于粗略。 方法在計(jì)算額定值的過程中 僅僅考慮了

21、分析費(fèi)用, 有些情況下開發(fā)費(fèi)用和分析費(fèi)用并不 能嚴(yán)格區(qū)分:當(dāng)開發(fā)費(fèi)用降低時(shí), 分析費(fèi)用增多; 而當(dāng)開發(fā)費(fèi) 用升高時(shí), 分析費(fèi)用又相應(yīng)的降低, 這種情況下額定值就不能 通過簡單的計(jì)算得到。(3 在多屬性區(qū)域概念中提出的多屬性區(qū)域包含所有屬性 取值組合的假設(shè), 實(shí)際情況可能并不滿足。5結(jié)束語在軟件行業(yè)日新月異的今天, 軟件可靠性已成為人們?nèi)?益關(guān)心的話題。如何有效的進(jìn)行可靠性測(cè)試, 提高軟件質(zhì)量 也成為行業(yè)的熱點(diǎn)。 本文提出了一個(gè)基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的軟 件操作剖面構(gòu)造方法, 實(shí)例應(yīng)用和分析表明該方法具有經(jīng)濟(jì) 有效的特點(diǎn), 能夠開發(fā)出滿足要求的操作剖面, 支持軟件可靠 性測(cè)試。對(duì)于方法中存在的不足,

22、還需要通過進(jìn)一步的研究 加以解決。參考文獻(xiàn) :1Musa J D. 軟件可靠性工程 M . 韓柯譯 . 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 2003.2Musa J D.Operational profile in software-reliability engineering J .IEEE Software,1993,10(2 :14-32.3鄧遠(yuǎn)北 , 周潤蘭 . 應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì) M . 北京 :科學(xué)出版社 ,2001. 4Madhav S Phadke.Software reliability through design of experi-ments C .Proceedings of 2

23、004Annual Reliability and Maintaina-biltiy Symposium.Alamitors,CA,USA:IEEEComputer Society Press,2004.5Richard Kuhn D,Michael J Reilly.An investigation of the applica-bility of design of experiments to software testing C .Procee-dings of the 27th NASA/IEEESoftware Engineering Workshop. Alamitors,CA,

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