黑盒預(yù)處理功能可測試性的研究

馮濟(jì)舟 項(xiàng)利萍 劉夢飛

（中國電子科技集團(tuán)第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

黑盒預(yù)處理功能可測試性的研究

馮濟(jì)舟 項(xiàng)利萍 劉夢飛

（中國電子科技集團(tuán)第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

通過對(duì)黑盒預(yù)處理功能可測試性的數(shù)學(xué)建模和理論證明，總結(jié)出可測試性黑盒預(yù)處理功能的判定步驟和測試方法，并通過一個(gè)實(shí)例進(jìn)行詳述。

黑盒預(yù)處理功能；可測試性；數(shù)學(xué)建模；理論證明

軟件測試作為能力成熟度模型集成（CMMI，Capability Maturity Model Integration）驗(yàn)證（Verification，Ver）和確認(rèn)（Validation，Val）過程域的重要實(shí)現(xiàn)手段，是軟件生命周期模型中的重要階段，是保證軟件質(zhì)量的重要途徑。近年來，隨著軟件規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷提高，軟件測試的難度也不斷提高。

預(yù)處理是軟件執(zhí)行流程中最早經(jīng)歷的處理過程，是軟件系統(tǒng)重要的組成部分。如果預(yù)處理功能出現(xiàn)問題，即使之后的業(yè)務(wù)功能均實(shí)現(xiàn)正確，最后也都會(huì)導(dǎo)致軟件運(yùn)行結(jié)果的失敗。但是當(dāng)出現(xiàn)測試結(jié)果失敗時(shí)，由于沒有定位到問題的來源，軟件開發(fā)人員往往將排查問題的重心放在核心業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)上，如此造成了開發(fā)時(shí)間、開發(fā)資源和成本的浪費(fèi)，進(jìn)而導(dǎo)致軟件項(xiàng)目進(jìn)度的延誤。

如圖1所示黑盒軟件基本流程圖，圖中的被測軟件通過對(duì)輸入進(jìn)行預(yù)處理后轉(zhuǎn)入實(shí)際功能模塊，通過實(shí)際功能的輸出判定軟件是否滿足用戶的需要。在此情況下，當(dāng)軟件輸出出現(xiàn)問題時(shí)，我們無法斷定究竟是軟件預(yù)處理功能的錯(cuò)誤，還是軟件實(shí)際功能的錯(cuò)誤。然而在實(shí)際過程中，預(yù)處理功能往往是用戶重要的隱性需求，并且預(yù)處理功能的正確實(shí)現(xiàn)往往是整個(gè)系統(tǒng)能否正確實(shí)現(xiàn)的前提，在軟件結(jié)構(gòu)流程中起到至關(guān)重要的作用。那么既然黑盒測試是把軟件看成一個(gè)不可被打開的盒子，測試人員就不清楚黑盒內(nèi)部的代碼邏輯和處理過程，那么屬于黑盒部分的預(yù)處理功能，如何才能通過測試來得到驗(yàn)證呢？況且目前的資料、文獻(xiàn)中沒有關(guān)于黑盒預(yù)處理功能測試方法的介紹，那么黑盒預(yù)處理功能測試果真沒有什么方法可以實(shí)現(xiàn)嗎？

圖1 軟件基本流程圖

1 預(yù)處理測試方法

1.1 問題建模

根據(jù)圖1所示的軟件結(jié)構(gòu)流程，抽象出由功能A、功能B和功能C為元素表示的黑盒預(yù)處理功能可測性判定的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。其中預(yù)處理功能以A功能表示，業(yè)務(wù)功能以B功能表示，C功能是A功能、B功能的順次集成，即整個(gè)軟件的黑盒部分。給定輸入x，令輸入x經(jīng)過A功能處理后的預(yù)期輸出為A（x），經(jīng)過B功能處理后的預(yù)期輸出結(jié)果為B（A（x）），可知輸入x對(duì)于功能C的預(yù)期輸出為C（x）=B（A（x））。假設(shè)在測試過程中，輸入x對(duì)于功能C的實(shí)際輸出C'（x）≠C（x），其原因可能在于：

（1）輸入x對(duì)于功能A的實(shí)際輸出A'（x）≠A（x），即軟件的預(yù)處理過程發(fā)生錯(cuò)誤；

（2）輸入x對(duì)于功能A的實(shí)際輸出A'（x）=A（x），但是經(jīng)過B功能處理后的實(shí)際輸出B'（A'（x））≠B（A（x）），即軟件業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)存在問題。

由于黑盒測試中，我們無法獲得預(yù)處理功能的實(shí)際輸出A'（x），從而導(dǎo)致對(duì)軟件故障無法進(jìn)行準(zhǔn)確定位。在下節(jié)中，我們提出了一種典型的預(yù)處理測試方法，該方法通過對(duì)輸入數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)，對(duì)所得測試結(jié)果進(jìn)行逆向反推，從而得到預(yù)處理功能實(shí)現(xiàn)正確性的判斷。

圖2 被測軟件黑盒部分基本流程建模

1.2 測試方法

在圖2中，考慮兩組不同的輸入x和y，且x和y滿足A（x）=A（y），也即輸入x和y經(jīng)過預(yù)處理后的預(yù)期輸出完全相同。又由于A（x）=A（y），可知B（A（x））=B（A（y））。對(duì)于輸入x和y有以下引理1成立。

引理1：對(duì)于兩組不同的輸入x和y，且x和y滿足A（x）=A（y）。在測試過程中，如果輸入x和y對(duì)于功能C的實(shí)際輸出B'（A'（x））≠B'（A'（y）），那么x和y對(duì)于預(yù)處理A的實(shí)際輸出A'（x）≠A'（y）。

證明：采用反證法進(jìn)行證明。假設(shè)B'（A（x））≠B'（A（y））時(shí)，A'（x）=A'（y）。按照命題假設(shè)A'（x）=A'（y），則A'（x）、A'（y）對(duì)于功能C的實(shí)際輸出B'（A（x））=B'（A（y）），這與已知條件B（A（x））≠B（A（y））相矛盾，所以假設(shè)命題情況不成立。因此對(duì)于輸入x和y，如果B'（A'（x））≠B'（A'（y）），那么A'（x）≠A'（y）。

根據(jù)引理1可知，如果輸入x對(duì)于功能C的實(shí)際輸出等于預(yù)期輸出，也即B'（A'（x））=B（A（x）），則軟件的預(yù)處理過程發(fā)生錯(cuò)誤，也即以下定理1成立。

定理1：對(duì)于兩組不同的輸入x和y，且x和y滿足A（x）=A（y）。在測試過程中，如果輸入x和y對(duì)于功能C的實(shí)際輸出B'（A'（x））≠B'（A'（y））、且B'（A'（x））=B（A（x）），那么可判斷軟件的預(yù)處理功能A存在錯(cuò)誤。

證明：由B'（A'（x））=B（A（x）），可知A'（x）= A（x）。根據(jù)引理1，B'（A'（x））≠B'（A'（y））時(shí)，A'（x）≠A'（y），可知A'（y）≠A（x），也即A'（y）≠A（y）。從而可得輸入y對(duì)于預(yù)處理功能A的實(shí)際輸出A'（y）與預(yù)期輸出A（y）不同。也即軟件的預(yù)處理功能A存在錯(cuò)誤。

根據(jù)定理1我們給出判定此種黑盒預(yù)處理測試典型方法的算法，其具體判定步驟如下：

步驟1，從軟件需求中找出可以得到相等預(yù)期結(jié)果的不同輸入；

步驟2，將這些不同輸入錄入到被測軟件得出實(shí)際結(jié)果；

步驟3，若可以找出兩組輸入，其中一組不等于預(yù)期結(jié)果，另一組與預(yù)期結(jié)果相同，則可判斷此軟件預(yù)處理功能存在問題；若不相等的輸入得到的實(shí)際輸出結(jié)果都相同或都不同時(shí)，則不可判斷此軟件預(yù)處理功能存在問題。

2 實(shí)例分析

2.1 問題描述

被測軟件按功能處理流程劃分可由預(yù)處理功能和處理備份件待機(jī)、備份件關(guān)機(jī)、主件待機(jī)和主件關(guān)機(jī)信號(hào)量功能組成。各功能處理過程描述如下。

2.1.1 預(yù)處理功能描述

備份件待機(jī)信號(hào)有4個(gè)，通過這4個(gè)信號(hào)來確定一個(gè)最終備份件的待機(jī)信號(hào)fdj。其中qd表示啟動(dòng)；fdji（i=1，2，3，4）表示備份件待機(jī)；fgji（i=1，2）表示備份件關(guān)機(jī)；dj表示主件待機(jī)；gj表示主件關(guān)機(jī)；fgj1表示備份件1、3關(guān)機(jī)，fgj2表示備份件2、4關(guān)機(jī)。

2.1.1.1 確定最終的備份件待機(jī)信號(hào)的計(jì)算方法如下。1）置fdj初始值為157 300+qd；2）令N為提供的信號(hào)量個(gè)數(shù)。如果N≥3，將提供的fdji信號(hào)按從小到大排序，如果第一個(gè)數(shù)（也即最小的數(shù)）大于等于141 000+qd，則找第三個(gè)數(shù)作為fdj；3）如果fdj>157 300+qd，則fdj=157 300+qd。備份件關(guān)機(jī)信號(hào)有兩個(gè)，通過這兩個(gè)信號(hào)來確定一個(gè)最終的備份件關(guān)機(jī)信號(hào)fdj。

2.1.1.2 確定最終的備份件關(guān)機(jī)信號(hào)的計(jì)算方法如下。1）置fdj初始值為157 300+qd；2）令N為提供的信號(hào)量個(gè)數(shù)。如果N=2，且min{fdj1,fdj2}≥141 000+qd，那么fgj=max{fgj1,fgj2}；3）如果fgj>157 300+qd，則fgj=157 300+qd。

2.1.2 處理備份件待機(jī)、備份件關(guān)機(jī)、主件待機(jī)和主件關(guān)機(jī)信號(hào)量功能描述。

如果備份件待機(jī)信號(hào)最先到達(dá)（fdj=min{fdj,fgj,gj,dj}），如果備份件待機(jī)信號(hào)先于備份件關(guān)機(jī)信號(hào)到來（不包括同時(shí)），則在fdj時(shí)刻轉(zhuǎn)B狀態(tài)，否則在fgj+1 700時(shí)刻轉(zhuǎn)B狀態(tài)。

被測軟件處理流程圖如圖3所示。

圖3 被測軟件處理流程圖

2.2 可測性分析和判定

根據(jù)2.1.1.1的需求描述可知，本例中存在兩個(gè)不同的黑盒部分輸入fdj1=fdj2=fdj3=141 280，fgj1=fgj2=155 500，dj=171 200，gj=172 200，qd=200和fdj1=fdj2=141 280，fdj3=141 200，fgj1=fgj2=155 500，dj=171 200，gj =172 200，

qd=200，可以得出兩個(gè)相同的黑盒部分預(yù)期輸出結(jié)果。而實(shí)際輸出的結(jié)果中一個(gè)與預(yù)期結(jié)果相同，一個(gè)與預(yù)期結(jié)果不同，滿足了黑盒預(yù)處理功能可測性判定模型的條件，因此此例的黑盒預(yù)處理功能是可測的。被測軟件處理流程與軟件結(jié)構(gòu)流程的等效關(guān)系如圖4所示。

圖4 被測軟件處理流程與軟件結(jié)構(gòu)流程的等效關(guān)系圖

2.3 測試方法及分析

第一組輸入數(shù)據(jù)：fdj1=fdj2=fdj3=141 280，fgj1=fgj2=155 500，dj=171 200，gj=172 200，qd=200。

預(yù)期結(jié)果：系統(tǒng)在預(yù)處理輸出值（即fgj=141 280） 時(shí)刻轉(zhuǎn)B狀態(tài)。

實(shí)際結(jié)果：系統(tǒng)在預(yù)處理輸出值（即fdj=141 280） 時(shí)刻轉(zhuǎn)B狀態(tài)。

可以證明當(dāng)A（x）=fdj=141 280時(shí)，B（A（x））的結(jié)果是141 280時(shí)刻轉(zhuǎn)B狀態(tài)。

第二組輸入數(shù)據(jù)：fdj1=fdj2=141 280，fdj3=141 200，fgj1=fgj2=155 500，dj=171 200，gj =172 200，qd=200。

預(yù)期結(jié)果：系統(tǒng)在預(yù)處理輸出值（即fdj=141 280） 時(shí)刻轉(zhuǎn)B狀態(tài)。

實(shí)際結(jié)果：系統(tǒng)在預(yù)處理輸出值（即fdj≠141 280） 時(shí)刻轉(zhuǎn)B狀態(tài)。

第二組輸入數(shù)據(jù)等效于B（A（x））的輸出結(jié)果是未在141 280時(shí)刻轉(zhuǎn)B狀態(tài)，即A（x）的輸出結(jié)果fdj≠141 280，而根據(jù)軟件需求規(guī)格的描述，此時(shí)的fdj應(yīng)該等于141 280，因此說明等效于A（x）的被測軟件預(yù)處理功能出現(xiàn)問題。

3 結(jié)論

本文通過建立問題的數(shù)學(xué)模型、理論證明的方法，論證了黑盒預(yù)處理功能的可測試性，提出了一種黑盒預(yù)處理功能的測試方法，并通過一個(gè)具體實(shí)例論述了此方法使用的全過程。本文開創(chuàng)性地提出了關(guān)于黑盒預(yù)處理功能測試的方法，在一定程度上填補(bǔ)了此類型測試方法的空白。

（編輯：勞邊）

TP306

C

1003–6660（2014）04–0046–03

10.13237/j.cnki.asq.2014.04.012

[收修訂稿日期] 2014-02-16