淺析計算機軟件可靠性設計

1、淺析計算機軟件可靠性設計摘要：本文介紹了軟件可靠性設計的根本概念,軟件故障產(chǎn)生的機理,軟件質(zhì)量的可靠性參數(shù),并且著重介紹了軟件可靠性設計方法。關鍵詞：計算機軟件；可靠性設計；機理；參數(shù)隨著科學技術(shù)的不斷進步，軟件可靠性成為我們關注的一個問題，軟件系統(tǒng)規(guī)模越做越大越復雜，其可靠性越來越難保證。應用本身對系統(tǒng)運行的可靠性要求越來越高，在一些關鍵的應用領域，如航空、航天等，其可靠性要求尤為重要，在銀行等效勞性行業(yè)，其軟件系統(tǒng)的可靠性也直接關系到自身的聲譽和生存開展競爭才能。特別是軟件可靠性比硬件可靠性更難保證，會嚴重影響整個系統(tǒng)的可靠性。在許多工程開發(fā)過程中，對可靠性沒有提出明確的要求，開發(fā)商(部門

2、)也不在可靠性方面花更多的精力，往往只注重速度、結(jié)果的正確性和用戶界面的友好性等，而忽略了可靠性。在投入使用后才發(fā)現(xiàn)大量可靠性問題，增加了維護困難和工作量，嚴重時只有束之高閣，無法投入實際使用。本文僅就軟件可靠性工程在軟件開發(fā)過程中的應用談談自己的認識。1軟件可靠性設計的根本概念1.1軟件及軟件故障。軟件(也稱程序)本質(zhì)上是一種把一組離散輸入變成一組離散輸出的工具,它由一組編碼語句組成,這些語句的功能根本上是以下功能之一:(1)計算一個表達式并將其結(jié)果存儲在單元里;(2)決定下一步要執(zhí)行哪個語句;(3)進展輸入/輸出控制。軟件產(chǎn)品與硬件產(chǎn)品一樣。軟件的可靠性工作也是貫穿于軟件的整個壽命周期的。

3、軟件的壽命周期,是指從軟件任務的提出一直到它完成使命,因陳舊而被廢棄為止的整個時間歷程,這個壽命周期包括了提出要求/規(guī)格說明、設計、實現(xiàn)、檢驗、維護等五個階段,前四個階段為開發(fā)期,維護階段為使用期。1.2軟件可靠性。關于軟件可靠性的定義是什么。較多的人認為軟件的可靠性與概率統(tǒng)計的可靠性的概念親密相關,軟件的可靠性是軟件在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間周期內(nèi)執(zhí)行所要求功能的才能。軟件的可靠度是軟件在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)不引起系統(tǒng)故障的概率,該概率是系統(tǒng)輸入與系統(tǒng)使用的函數(shù)。2軟件質(zhì)量的可靠性參數(shù)2.1系統(tǒng)平均不工作間隔時間(TBSD或TBD)。設d為軟件正常工作總時間,d為系統(tǒng)由于軟件故障而停頓

4、工作的次數(shù),那么定義TBSD=Tv/(d+1)。式中,TBSDTBSD；Tv軟件正常工作總時間(h)；d系統(tǒng)由于軟件故障而停頓工作的次數(shù)。TBSD反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.2系統(tǒng)不工作次數(shù)(一定時期內(nèi))。由于軟件故障而停頓工作,必須由操作者介入再啟動才能繼續(xù)工作的次數(shù)。2.3可用度A。設Tv為軟件正常工作總時間,TD為由于軟件故障使系統(tǒng)不工作的時間,那么定義A=TV/(TV+TD)。它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,亦可表達為A=TBD/(TBD+TDT)。式中,TBDTBD(h),TDT平均不工作時間,以下簡稱DT(h)。對一般消費用計算機系統(tǒng),要求A99.8%；銀行計算機系統(tǒng),要求A99.9%。2.4T

5、TR。它反映了出現(xiàn)軟件缺陷后采取對策的效率。在一定程度上也反映了軟件企業(yè)對社會效勞的責任心。對于在線系統(tǒng)而言,TT只要求不超過2天,變差系數(shù)應小于1。一般的TTR也應小于7天,變差系數(shù)小于1。2.5平均不工作時間(DT)。即由于軟件故障,系統(tǒng)不工作的均值。對在線系統(tǒng)而言。DT要求不超過10in一般的DT30in。2.6初期故障。一般以軟件交付使用后的三個月內(nèi)為初期故障期。初期故障率的大小取決于軟件設計程度、檢查項日數(shù)、軟件規(guī)模、軟件調(diào)試徹底與否等因素。2.7偶然故障率。一般以軟件交付給使用方四個月后為偶然故障期,偶然故障率以每1000h的故障數(shù)為單位,它反映了軟件處于穩(wěn)定狀態(tài)下的質(zhì)量。一般最少

6、要求偶然故障率不超過1,即每千小時不到1個故障,亦即TBF超過1000h。2.8使用方誤用率。使用方不按照軟件標準及說明等使用造成的錯誤叫使用方誤用。在總使用次數(shù)中,使用方誤用次數(shù)占的百分率叫使用方誤用率。造成使用方誤用的原因之一是使用方對說明理解不深,操作不純熟,但也有可能是說明沒有講得很清楚而引起誤解。其他的原因還有軟件系統(tǒng)的可操作性還應改進、對使用方的使用培訓還要更深化等等。2.9用戶提出補充要求數(shù)。這反映軟件未能充分滿足用戶的需要,有時要求是特定用戶的特定要求,消費方為了更好地為社會效勞,應該盡力滿足他們的要求。2.10處理才能。處理才能有各種指標。例如可用每小時平均處理多少文件、每項

7、工作的反響時間多少秒等來表示,根據(jù)需要而定。在評價軟件及系統(tǒng)的經(jīng)濟效益時需用這項指標。3軟件可靠性設計方法從軟件可靠性的概念可知,軟件的缺陷可以導致錯誤并造成系統(tǒng)的故障,因此,缺陷是一切錯誤的根源。為了進步軟件的可靠性,最關鍵的還是力求減少軟件中的缺陷。軟件的缺陷來自軟件壽命周期的各個階段,因此應想方設法在壽命周期的各個階段減少缺陷。缺陷在一定的環(huán)境條件下暴露,導致系統(tǒng)運行中出現(xiàn)錯誤。軟件的錯誤概括地說可能由標準(要求/規(guī)格說明)、軟件系統(tǒng)設計及編碼過程產(chǎn)生。3.1要求/規(guī)格說明。只要在規(guī)格說明與用戶要求說明之間存在誤差,就會產(chǎn)生標準錯誤。標準它不僅規(guī)定程序的要求,還規(guī)定所用的構(gòu)造、研制及試驗

8、中需要的程序試驗要求和文件,以及程序語言、輸入和輸出的根本要求。通過對這些方面作出適當?shù)囊?guī)定,就可以建立使產(chǎn)生錯誤的可能性最孝并保證錯誤能被發(fā)現(xiàn)和改正的程序生成的構(gòu)造。這種說明書是軟件設計人員和用戶間互相理解的根底,是軟件設計人員進展程序設計、調(diào)試的根底和評價軟件的根據(jù)。要求/規(guī)格說明書應具有以下性質(zhì):1)可測性:消費出來的軟件產(chǎn)品應能根據(jù)要求/規(guī)格說明書的內(nèi)容進展測試。2)完好性:對軟件要求的描繪要完好無缺。3)明確性:對軟件的要求必須是明確的,不存在語義上的支義性。(4)一致性:要求說明書中的概念與標準化。(5)彈性:當軟件的工作環(huán)境發(fā)生變化時,其功能說明也相應地擴大或壓縮。3.2軟件設計

9、。軟件系統(tǒng)是根據(jù)要求/規(guī)格說明(標準)設計的,通過設計將確定程序構(gòu)造、測試點及限制等。為設計出可靠的軟件,需要在考慮諸如機型、資源、語言、模型及數(shù)據(jù)構(gòu)造等實際問題的根底上,采取一些有效的設計方法。3.2.1自頂向下設計法。這種設計方法是處理分級問題最有效的設計技術(shù)。它是以一個系統(tǒng)功能的最抽象描繪開始作為最高層次;從它出發(fā),設計一系列較詳細的子系統(tǒng)。由這些子系統(tǒng)來完成員高層次的功能;再以每個子系統(tǒng)為根底,設計出一系列更詳細的子系統(tǒng),等等。如此逐次向下作功能分解,直到最低層次的子系統(tǒng)可以比較方便用計算機程序設計語言來實現(xiàn)為止。自頂向下設計方法的價值在于,它在設計的同時,指出了復雜性不同的處理層次,

10、而且各種設計要素之間的關系是比較清楚的。通過這樣一種構(gòu)造化構(gòu)造途徑,有可能在早期就洞察出設計問題,從而防止了不必要地先去考慮較低層次的細節(jié)問題。3.2.2構(gòu)造化程序設計。軟件構(gòu)造對軟件的可靠性具有重要的意義。構(gòu)造良好的程序易于編寫、檢查,便于查錯定位、修改和維護。構(gòu)造化程序設計(也稱為模塊化程序設計)把程序要求分成假設干獨立的、更小的程序要求或模塊化的功能要求,分別提出各自的要求/規(guī)格說明,并注明是如何與程序中的其他部分接口,還必須指出所有的輸入與輸出,以及測試要求。對每一個更小的程序和模塊,可分別編程和測試,使得模塊間高度別離。3.2.3容錯設計。對軟件錯誤所引起的后果特別嚴重的情況,如飛機

11、的飛行控制系統(tǒng)、空中交通管制系統(tǒng)、核反響堆平安系統(tǒng)等,需采用容錯軟件。容錯設計的途徑有:1)加強軟件的強健性;使程序設計得可以緩解錯誤的影響,不致造成諸如死鎖或崩潰這樣的嚴重后果,并能指出錯誤源。2)采用N(2)版本編程法:即盡可能用不同的算法與編程語言,經(jīng)不同的班組編制,以進步各軟件版本的獨立性。這N個軟件版本同時在N臺計算機上運行,各計算機間能進展高效通信,并作出快速比較,當結(jié)果不一致時,按多數(shù)表決或預定的策略選擇輸出。3)恢復塊法:給需要作容錯處理的塊(根本塊)提供備份塊,并附加錯誤檢測和恢復措施。3.3軟件編碼。在軟件構(gòu)造設計的根底上就可以進展編碼,編碼產(chǎn)生的缺陷是軟件錯誤的主要來源。一般的編碼錯誤是:鍵入錯代碼;數(shù)值錯誤(尤其是單位不統(tǒng)一時易出這類錯誤);喪失代碼(如括號);用了被零除這樣不定值的表達式等。為了減少編碼錯誤,實現(xiàn)設計與消費別離,首先由高程度的軟件工程師完成構(gòu)造設計,再由程序設計員完成程序的編制是合理的、必要的,并在編碼過程中盡早地查出缺陷予以改正。4完畢語軟件可靠性設