基于場景的形式化測試模型生成方法

黃 龍， 繆淮扣， 王 皙， 郭 亮

(1.上海大學(xué)計算機工程與科學(xué)學(xué)院，上海200072;2.上海市軟件評測重點實驗室，上海201112)

測試是提高軟件可靠性的重要方法，而基于模型的測試是一種高效的測試方法.統(tǒng)一建模語言(unified modeling language，UML)以其操作簡單、易懂和易用的特點，在Web應(yīng)用開發(fā)的建模中得到了廣泛的應(yīng)用.雖然現(xiàn)在有很多從UML模型直接生成的測試用例的方法，但由于其半形式化的特點，使得UML模型很難直接用于基于模型的自動測試.

有限狀態(tài)機(finite state machine，F(xiàn)SM)是一個重要的建模工具，可為軟件設(shè)計人員提供一種便利的對軟件功能建模的方法.FSM具有成熟的理論基礎(chǔ)，它利用形式語言和自動機理論來設(shè)計和分析模型.目前，已有一些使用FSM建模Web應(yīng)用的研究［1-3］.而基于場景的測試能夠清晰明確地驗證用戶需求，提高測試的效率與質(zhì)量，具有廣泛的應(yīng)用前景.

UML是一種面向?qū)ο蟮臉?biāo)準(zhǔn)建模語言，已廣泛應(yīng)用于Web應(yīng)用建模等領(lǐng)域.從測試用例生成的角度出發(fā)，F(xiàn)SM利用其自身的特點在軟件建模、測試和驗證中得到了廣泛的應(yīng)用.UML在產(chǎn)生測試用例方面已有很多成熟的理論和方法.文獻(xiàn)［4］利用時間擴展UML狀態(tài)圖的語義，介紹了時間擴展UML狀態(tài)圖的混合時間Petri網(wǎng)模型的構(gòu)造方法、混合時間Petri網(wǎng)模型測試用例生成方法.文獻(xiàn)［5］給出了順序圖的形式化定義，并將其用于對類圖以及狀態(tài)圖一致性的核對，但未將順序圖用于生成形式化測試模型的研究.文獻(xiàn)［6］從UML2.0順序圖中得到與其對應(yīng)的消息流通圖，并通過遍歷該圖得到相應(yīng)的測試序列.雖然這些方法可以從UML模型中直接產(chǎn)生測試用例，但是由于沒有形式化推理工具的理論引導(dǎo)，因此，不能提供模型驗證，缺乏嚴(yán)格的理論推導(dǎo)和證明.

本工作在已有研究［7］的基礎(chǔ)上，研究了如何使用UML順序圖表示場景，并利用場景來規(guī)約使用FSM表示的系統(tǒng)行為模型，從而得到基于場景的形式化測試模型.

1 FSM和場景

1.1 FSM

有限狀態(tài)機(FSM)M通常是一個5元組，M= (Q，Σ，δ，q0，F(xiàn))，其中Q={q0，q1，…，qn}表示非空的有限狀態(tài)集，在任一確定的時刻，F(xiàn)SM只能處于一個確定的狀態(tài)qi(0≤i≤n);Σ={σ1，σ2，…，σm}表示非空的有限輸入符號集，在任一確定的時刻，F(xiàn)SM只能接收一個確定的輸入σj(1≤j≤m);δ：Q× Σ→Q為狀態(tài)遷移函數(shù).如果在某一確定的時刻，F(xiàn)SM處于某一個狀態(tài)qi∈Q，并接收一個輸入的字符σj∈Σ，那么，下一時刻將處于一個確定的狀態(tài)qj=δ(qi，σj)∈Q;q0∈Q為初始狀態(tài)，F(xiàn)SM由此狀態(tài)開始接收輸入;F∈Q為終止?fàn)顟B(tài)集合，在達(dá)到終態(tài)后，F(xiàn)SM不再接收輸入.

1.2 場景

所謂場景(scenario)，就是描述系統(tǒng)中各相關(guān)構(gòu)件之間如何進(jìn)行交互，以完成操作的某一個系統(tǒng)功能［8］.本工作使用UML順序圖來表示場景.

UML是一種定義良好、易于表達(dá)、功能強大且普遍適用的建模語言.順序圖(sequence diagram)是強調(diào)消息的時間次序的交互圖，順序圖展示了一組角色和扮演這些角色的實例發(fā)送和接收的消息.

圖1為一個簡單的UML順序圖，由3個對象和3條同步消息組成.順序圖著重反映的是一組消息發(fā)生的時間的先后次序，其中消息“M1*”中的符號“*”表示該條消息可以重復(fù)進(jìn)行多次(如可以模擬用戶輸入信息的操作)，而消息“#”表示該條消息是緊接上一條消息自動進(jìn)行的內(nèi)部遷移操作(如用戶點擊另一頁面的鏈接時，由當(dāng)前頁面進(jìn)行的跳轉(zhuǎn)).

圖1 UML順序圖Fig.1 UML sequence diagram

2 投影

2.1 定義

本工作所定義的投影操作，是在描述系統(tǒng)狀態(tài)變化的FSM上，根據(jù)由順序圖表示的場景進(jìn)行遍歷得到約簡后的FSM，該FSM只包括場景中所涉及的對象間的遷移.

投影的具體過程如下：①從順序圖中得到對象間進(jìn)行通信的消息序列;②把得到的消息序列和描述系統(tǒng)狀態(tài)變化的FSM中的遷移集合進(jìn)行交運算;③輸出只包含進(jìn)行求交運算得到的遷移集合的子FSM，以達(dá)到對系統(tǒng)FSM約簡的目的.

2.2 實例分析

本工作通過使用一個網(wǎng)站的郵箱服務(wù)來說明如何利用本方法得到基于場景的形式化測試模型.用戶通過點擊一個網(wǎng)站主頁中的郵箱服務(wù)，進(jìn)入登錄界面后輸入用戶信息，并在確認(rèn)信息后進(jìn)入個人郵箱進(jìn)行后續(xù)操作.

圖2所示的郵箱服務(wù)功能包括從網(wǎng)站主頁選擇鏈接到郵箱登錄界面，輸入用戶信息點擊Submit，在信息得到確認(rèn)后進(jìn)入個人郵箱界面，或者點擊Cancel退出到登錄界面.在進(jìn)入個人郵箱界面后，可選擇進(jìn)入收件箱等界面進(jìn)行操作(模型在此省略后續(xù)操作).最后點擊Logout退出到登錄頁面.

圖2 郵箱服務(wù)系統(tǒng)的FSMFig.2 FSM of E-mail service system

圖3為模擬用戶登錄郵箱后不進(jìn)行其他操作直接退出郵箱的場景.

圖3 模擬用戶操作的場景Fig.3 Scenario imitating user’s operation

圖4為使用圖2所示的場景和圖3所示的系統(tǒng)FSM進(jìn)行投影操作后，得到的基于場景的FSM，所生成的測試模型可以用于后期自動產(chǎn)生測試用例.

3 實現(xiàn)方法

首先，使用UML狀態(tài)圖對系統(tǒng)行為進(jìn)行建模，并根據(jù)文獻(xiàn)［7］(主要針對非正交的UML狀態(tài)圖)中的方法進(jìn)行形式化轉(zhuǎn)換工作;然后，使用UML順序圖對場景進(jìn)行建模;最后，通過對系統(tǒng)行為的FSM和場景進(jìn)行投影操作，得到基于場景的形式化測試模型(見圖5).

圖4 投影操作后的FSMFig.4 FSM after projection operation

圖5 形式化測試模型的生成Fig.5 Generation of formal testing model

本工作采用可擴展標(biāo)記語言(extensible markup language，XML)文本格式來存儲UML模型，用狀態(tài)圖擴展標(biāo)記語言(state chart XML，SCXML)文本格式來存儲FSM模型.

3.1 UML模型的文本表示

元數(shù)據(jù)交換(XML-based matadata intercharge，XMI)使用XML的語法，是為程序員和其他用戶提供元數(shù)據(jù)信息交換的標(biāo)準(zhǔn)方法.XMI產(chǎn)生的目的在于幫助使用UML以及不同語言和開發(fā)工具的程序員彼此交換數(shù)據(jù)模型，規(guī)范了如何從UML模型生成XML文檔，實現(xiàn)二者之間的無縫裝換.XMI元素與UML模型的對應(yīng)關(guān)系如表1所示.

表1 UML和XMI元素對應(yīng)表Table 1 Corresponding elements of UML and XMI

3.2 FSM文本表示

SCXML給出了FSM模型的XML文本表示，它是基于呼叫控制擴展標(biāo)記語言(call control XML，CCXML)和Harel State Tables的執(zhí)行環(huán)境.SCXML提供了通用狀態(tài)機的描述方法，并且可以定義和處理復(fù)雜的概念，例如層次性，因此，本工作選用SCXML作為FSM的文本表示方式.SCXML元素與FSM模型的對應(yīng)關(guān)系如表2所示.

表2 FSM和SCXML元素對應(yīng)表Table 2 Corresponding elements of FSM and SCXML

表1和表2是UML模型到FSM模型轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，模型能通過文本的形式得到很好的表達(dá)，為后面模型之間的轉(zhuǎn)換做好準(zhǔn)備.

3.3 算法

模型的生成過程按照以下幾個步驟進(jìn)行：

(1)使用開源工具ArgoumUML對系統(tǒng)狀態(tài)變化以及場景進(jìn)行建模，然后導(dǎo)出并保存為XMI格式的文本;

(2)使用已有的方法［7］形式化系統(tǒng)行為狀態(tài)圖，并保存為SCXML格式的文本;

(3)導(dǎo)入使用XMI格式存儲的場景;

(4)解析導(dǎo)入的場景，輸出消息序列，并保存在程序內(nèi)存中;

(5)導(dǎo)入使用SCXML格式表示系統(tǒng)狀態(tài)變化的FSM;

(6)對系統(tǒng)FSM和消息序列進(jìn)行投影操作，輸出投影后的結(jié)果，使用SCXML格式進(jìn)行保存.

上述過程包括了對表示UML模型的XMI文本的載入和解析.由于XMI是一種XML語言，層次的查找和分析成為工具原型主要的功能模塊，通過調(diào)用dom4j的API來查找Node以實現(xiàn)解析的目標(biāo)，解析過程分別如圖6和圖7所示.

圖6 載入XMI文檔界面Fig.6 Loading XMI

圖7 解析后的SCXML文檔界面Fig.7 Result of resolution in the form of SCXML

4 結(jié)束語

本工作提出了生成基于場景的形式化測試模型的方法，采用XMI作為UML模型的文本表示語言，采用SCXML作為FSM模型的文本表示語言，通過投影操作完成對系統(tǒng)行為模型的約簡，并得到基于場景的精簡的測試模型.下一步的工作是研究場景本身應(yīng)具備的一些性質(zhì)，使得所生成的測試模型具有完備、冗余少的優(yōu)點，并對所得到的測試模型進(jìn)行可視化研究.

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