面向集控嵌入式實(shí)時軟件的單元測試方法研究

裴承艷

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

隨著信息化軍事技術(shù)的不斷深入，嵌入式實(shí)時軟件已在工業(yè)控制、電子信息以及武器裝備等系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用；同時隨著嵌入式軟件的規(guī)模和復(fù)雜性的不斷提高，作為有效保證和驗(yàn)證軟件質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)和依據(jù)，軟件測試已逐漸成為軟件研制成本最高的階段[1]。如何采用有效的嵌入式軟件工程化測試方法提高嵌入式軟件的質(zhì)量和可靠性以及增強(qiáng)軟件組織自身的軟件測試能力具有極其重要的意義。

錯誤越早發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目付出的代價(jià)就越少，單元測試作為軟件項(xiàng)目中最早介入的測試活動[2]，易于發(fā)現(xiàn)程序的錯誤和缺陷，也易于實(shí)現(xiàn)代碼測試的完全覆蓋，因此單元測試的好壞對于軟件質(zhì)量的保證起著非常關(guān)鍵的作用。然而由于嵌入式軟件的特殊性，如實(shí)時性強(qiáng)、與硬件緊密相關(guān)、訪問硬件麻煩，在開發(fā)環(huán)境下模擬整個系統(tǒng)存在困難性，這使得測試一直是個難點(diǎn)，特別是單元測試，由于項(xiàng)目周期不允許，一些嵌入式軟件沒有進(jìn)行單元測試或單元測試不徹底；有些嵌入式軟件代碼具有較高的耦合性，使單元測試難以進(jìn)行；測試人員對于嵌入式軟件單元測試過于依賴自動化測試工具，使測試效果不能令人滿意，測試不規(guī)范，效率低[3]，且無法確保嵌入式軟件單元測試的充分性和有效性。

針對上述問題，本文以集控嵌入式軟件為例，重點(diǎn)研究了基于Testbed軟件測試工具的靜態(tài)分析和動態(tài)測試方法，提出了一種較為完整和可操作的單元測試解決方法。研究分析了靜態(tài)分析輸出的度量模型值對嵌入式軟件的影響，并根據(jù)度量值提出了提高軟件代碼質(zhì)量的措施;介紹了基于Tornado編譯環(huán)境的動態(tài)測試過程,并基于圈復(fù)雜度[4]提出了一種優(yōu)先級的動態(tài)分析測試策略，以確保單元測試的充分性和有效性，提高軟件測試方法的效率和規(guī)范性，確保軟件的質(zhì)量。

1 被測系統(tǒng)概述

被測系統(tǒng)集控軟件是一個實(shí)時嵌入式系統(tǒng)，運(yùn)行在集控模塊控制單元內(nèi)，控制單元由底板、CPU板和AD/DA板組成。板卡之間采用CPCI總線，通過CPU板上的兩路LAN接口與通信集控柜連接，完成與操舵臺、數(shù)采站、交流主配電柜、遙控操縱臺、綜控柜和顯控臺的網(wǎng)絡(luò)信息交換。CPU板上的一路RS422A接口與通信集控柜中的導(dǎo)航定位分機(jī)連接，完成導(dǎo)航定位信息的讀?。涣硪宦稲S422A接口與集控臺內(nèi)手控模塊連接，完成指令的轉(zhuǎn)發(fā)和手控狀態(tài)的傳輸?？刂茊卧械腁D/DA板與左/右主機(jī)齒輪箱執(zhí)行器連接，完成速度調(diào)整。軟件的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 集控軟件總體結(jié)構(gòu)圖

集控軟件使用C++/C語言編寫，程序基于模塊化思想設(shè)計(jì)，在實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks上實(shí)現(xiàn)，基于Tornado的開發(fā)環(huán)境。按功能劃分模塊，采用多任務(wù)下的同步機(jī)制，通過消息實(shí)現(xiàn)各個模塊之間的通信。

在該軟件的單元測試中，采用靜態(tài)分析和動態(tài)測試相結(jié)合的方法來評估和完成軟件的充分性和測試的完備程度。

2 集控軟件測試關(guān)鍵步驟及實(shí)現(xiàn)

2.1 基于Tornado的仿真單元測試環(huán)境搭建

集控軟件單元測試工具采用的是Testbed，它是英國LDRA公司開發(fā)的一種軟件代碼測試及分析工具，主要用在軟件測試和軟件維護(hù)階段以便提高軟件產(chǎn)品的質(zhì)量，該工具可提供編碼規(guī)則檢查、軟件度量分析、數(shù)據(jù)流分析、覆蓋率分析等功能[5]。在 Testbed/Tbrun工具下配置集控嵌入式軟件的仿真單元測試環(huán)境，需滿足在Tornado2.2集成開發(fā)環(huán)境下成功編譯、執(zhí)行測試驅(qū)動程序，具體步驟如下：

(1)借助Tbconfig工具完成Tornado2.2編譯環(huán)境的配置，并指定該開發(fā)環(huán)境的和測試工具的路徑；

(2)配置生成被測函數(shù)的驅(qū)動模板C:LDRA_ToolsuiteVxworks路徑下的vxworks_Cshlayout_663.dat，該模板用于生成被測函數(shù)的測試驅(qū)動；

(3)配置函數(shù)的插樁模板C:Testbed760VxworksVxworks_cinstr.dat，插樁模板的作用是對被測函數(shù)的入口、出口、控制流進(jìn)行插樁，在單元測試結(jié)束時，用于分析單元測試的覆蓋率，以確定測試用例是否滿足覆蓋率需求。

2.2 集控實(shí)時嵌入式軟件的靜態(tài)分析

靜態(tài)分析是通過工具在非運(yùn)行狀態(tài)下對程序結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、代碼質(zhì)量的分析，提取代碼大量的靜態(tài)內(nèi)部信息，為代碼審查以及動態(tài)測試提供輔助參考的信息[5]。下面以集控軟件的網(wǎng)絡(luò)通信模塊UdpSocket.cpp為例，對其靜態(tài)測試過程和結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.2.1 靜態(tài)分析過程

運(yùn)行測試工具Testbed，打開UdpSocket.cpp源程序，選擇MISRA編碼規(guī)則，然后在Select Analysis窗口下選擇分析菜單對該文件進(jìn)行靜態(tài)分析，通過該項(xiàng)分析，為測試人員提供了該文件中各函數(shù)之間的調(diào)用關(guān)系模型，圖2幫助測試人員簡單明了地以顏色區(qū)分來顯示模塊間的調(diào)用關(guān)系，紅色為自定義函數(shù)，綠色為系統(tǒng)函數(shù)。圖3是UdpSocket.cpp中各子函數(shù)通過度量的比例分析數(shù)，可得出總函數(shù)的度量為91%，清晰性為 93%，可維護(hù)性為91%，測試性為100%。圖4是UdpSocket.cpp基于MaCabe的軟件度量模型對程序分析的 Kiviat圖，每一軸代表一類度量元，被測試源代碼以扇形的結(jié)構(gòu)顯示出來，綠色表示符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。圖5是UdpSocket.cpp基本節(jié)點(diǎn)數(shù)和基本圈復(fù)雜度數(shù)據(jù)分析柱狀圖。通過這些圖可以幫助測試人員了解代碼的靜態(tài)內(nèi)部信息，發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖2 UdpSocket.cpp調(diào)用關(guān)系

圖3 UdpSocket.cpp度量比例

2.2.2 靜態(tài)測試分析

圖4 UdpSocket.cppKiviat圖

圖5 UdpSocket.cpp圈復(fù)雜度

靜態(tài)分析的結(jié)果能夠幫助測試人員從代碼內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息中開展工作，幫助質(zhì)量管理人員從軟件質(zhì)量度量中進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督[5]。通過對軟件靜態(tài)分析的總結(jié)，可以從降低代碼的圈復(fù)雜度和提高代碼的注釋率兩方面提高軟件代碼質(zhì)量。

（1）降低代碼的圈復(fù)雜度

圈復(fù)雜度是應(yīng)用最廣泛的靜態(tài)度量之一，用來衡量一個函數(shù)判定結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，圈復(fù)雜度公式V（G）=P+1，P是代碼中判定結(jié)點(diǎn)的數(shù)量[6]。程序的可能存在錯誤數(shù)和圈復(fù)雜度有著很大的相關(guān)性，圈復(fù)雜度越大代表程序代碼的質(zhì)量低并且難以維護(hù)和測試[6]。

當(dāng)代碼中遇到判定條件比較復(fù)雜時，可以將判定條件的表達(dá)式提前計(jì)算存儲在一個變量中，簡化判斷條件，減低代碼的圈復(fù)雜度，減少bug數(shù)。例如UdpSocket.cpp文件中有判定語句：

該判定條件的判定結(jié)點(diǎn)為3，圈復(fù)雜度即為4，將代碼優(yōu)化之后如下：

優(yōu)化后的代碼判定結(jié)點(diǎn)為1，圈復(fù)雜度為2。

（2）提高代碼的注釋率

提高代碼的注釋率可增加代碼的可讀性和可維護(hù)性，為每個代碼塊添加注釋，并在每一層使用統(tǒng)一的注釋方法和風(fēng)格，包括每個類和每個方法。

2.3 集控實(shí)時嵌入式軟件的動態(tài)測試

2.3.1 測試用例設(shè)計(jì)

（1）測試用例數(shù)據(jù)的合理設(shè)計(jì)

測試用例的設(shè)計(jì)是為了提高測試代碼的覆蓋率，動態(tài)測試中最重要的過程是如何設(shè)計(jì)測試用例，著重測試數(shù)據(jù)的輸入設(shè)計(jì)。對于一般標(biāo)準(zhǔn)類型的輸入變量(如int、char、float、double等)并沒有多大問題，當(dāng)變量是數(shù)組、指針、結(jié)構(gòu)體、VxWorks中的 FUNCPTR、LOCAL等特殊類型時，數(shù)據(jù)輸入就需要特別注意。當(dāng)數(shù)組的下標(biāo)值很大時，進(jìn)行手工輸入是不可能的，可以在TBrun環(huán)境中有選擇地對需要的變量進(jìn)行賦值或者在插樁后的代碼中插入數(shù)組的初始化語句對整個數(shù)組進(jìn)行賦值；當(dāng)變量是指針時，由于不能給指針直接賦地址，輸入指針采用映射的方法將指針變量映射成相應(yīng)的自定義變量作為指針的輸入值；結(jié)構(gòu)體變量賦值不正確時很容易導(dǎo)致測試用例跑飛掉，需要從源代碼找到該變量創(chuàng)建的賦值函數(shù)，將該函數(shù)作為變量的輸入值，必要時還需要添加函數(shù)的參數(shù)，例如本文需測試的文件CUdpSocket.cpp中有消息隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體：

MSG_Q_ID msgId //接收消息的消息隊(duì)列ID號其中MSG_Q_ID屬于VxWorks的系統(tǒng)調(diào)用，在文件中有對msgId的賦值語句：

msgId=msgQGreate() //創(chuàng)建消息隊(duì)列

在創(chuàng)建測試用例中對類型是MSG_Q_ID的變量輸入值應(yīng)設(shè)為 msgQGreate()。

（2）通過盡量少的測試用例達(dá)到盡量高的代碼覆蓋率。測試用例是以程序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)的，需要盡可能多地覆蓋程序的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)。

2.3.2 測試驅(qū)動的工作原理

動態(tài)測試過程中無法及時提供測試運(yùn)行所需的真正目標(biāo)機(jī)及其操作系統(tǒng)，必須正確配置開啟仿真模擬器并將其作為虛擬目標(biāo)機(jī)，將Testbed經(jīng)過編譯環(huán)境鏈接后生成的測試驅(qū)動程序下載到仿真模擬器中運(yùn)行。每執(zhí)行一個測試用例需要重新編譯和執(zhí)行，函數(shù)的驅(qū)動程序是由Testbed/Tbrun根據(jù)驅(qū)動模板自動生成的，驅(qū)動程序是一個基于控制臺的程序，主要完成動態(tài)測試環(huán)境初始化，當(dāng)調(diào)用測試用例時要執(zhí)行函數(shù)ldra_qq_execute_test_case_1()，該函數(shù)負(fù)責(zé)被測函數(shù)入口參數(shù)的初始化，然后再調(diào)用被測函數(shù)完成整個測試的過程。

2.3.3 采用圈復(fù)雜度優(yōu)先級的動態(tài)測試策略

有效的測試策略可使軟件測試的效率最大化，從而滿足測試的各項(xiàng)要求并降低測試成本。由于基于Tornado開發(fā)環(huán)境的集控軟件代碼規(guī)模較大，功能模塊較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此為了提高測試效率，制定了一種基于優(yōu)先級的動態(tài)測試策略，具體步驟如下：

（1）通過Testbed測試工具對每個文件靜態(tài)分析的結(jié)果從基本節(jié)點(diǎn)數(shù)和基本圈復(fù)雜度數(shù)據(jù)來分析柱狀圖，得到每一個文件中被測函數(shù)的圈復(fù)雜度和節(jié)點(diǎn)數(shù)。

（2）按圈復(fù)雜度進(jìn)行高低排序，對圈復(fù)雜度高且重要的函數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)測試。圖5可看出UdpSocket.cpp文件中SocketSndData()函數(shù)的圈復(fù)雜度最高，因此首先對該函數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)測試。

（3）編譯鏈接通過之后，執(zhí)行設(shè)計(jì)好的測試用例，用監(jiān)控到的控制流信息來分析程序的覆蓋率，依據(jù)分析結(jié)果不斷補(bǔ)充和優(yōu)化測試用例。根據(jù)各模塊的語句和分支覆蓋率、已執(zhí)行語句、執(zhí)行路徑以及未執(zhí)行的語句，判定覆蓋率并衡量是否完成動態(tài)測試活動。圖6為Udp-Socket.cpp文件中SocketSndData()函數(shù)的動態(tài)測試圖，圖右上角可以得到該函數(shù)的語句分支覆蓋率都為100%，圖左下角是設(shè)計(jì)并執(zhí)行通過的測試用例，右下角是用例數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)輸入。

圖 6 SocketSndData()動態(tài)測試圖

3 結(jié)論

（1）圖形界面框架類單元測試問題：由于 Testbed工具自動生成的測試驅(qū)動入口是 main（）函數(shù)，類似于控制臺程序，當(dāng)遇到圖形框架環(huán)境時無法完成測試?？蚣茴悾ɡ鏜FC,NI）應(yīng)用程序的執(zhí)行是以事件驅(qū)動面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)，定義了很多的API，應(yīng)用程序可以直接調(diào)用。兩種結(jié)構(gòu)是完全不同的，當(dāng)直接使用測試工具生成測試驅(qū)動時，由于缺少庫文件，編譯不能通過，無法執(zhí)行測試用例進(jìn)行測試。

（2）被測單元代碼的必要修改：雖然大多數(shù)編譯環(huán)境和Testbed工具關(guān)聯(lián)在一起，但有一些代碼單元還是不能直接執(zhí)行測試，代碼在動態(tài)測試之前必須做適當(dāng)?shù)男薷?，比如一些中斷函?shù)、死循環(huán)while()以及Forever等。

（3）測試人員不能過于依賴測試工具：自動化靜態(tài)分析存在一定的機(jī)械性，測試人員需逐項(xiàng)進(jìn)行分析確認(rèn)出真正的問題所在，有效的測試不能簡單的依靠測試工具。

[1]丁旭，崔吉崗，劉春裕.軍用嵌入式軟件結(jié)構(gòu)覆蓋測試技術(shù)[J].指揮控制與仿真，2008，30(3)：120-122.

[2]李金麒，徐建平.嵌入式系統(tǒng)軟件可靠性設(shè)計(jì)與測試方法[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013，22(1)：74-78.

[3]肖波.通訊系統(tǒng)嵌入式平臺下的單元測試技術(shù)研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2005.

[4]孫夢磷，宋曉秋，巢翌．軟件程序代碼質(zhì)量度量技術(shù)研究[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，27(2)：325-327.

[5]張大林.基于缺陷關(guān)聯(lián)的靜態(tài)分析優(yōu)化[J].軟件學(xué)報(bào)，2014，25(2)：386-399.

[6]陽凡林，康志忠.基于多維度覆蓋率的軟件測試動態(tài)評價(jià)方法[J].軟件學(xué)報(bào)，2008，21(9)：2135-2146.