基于變異技術(shù)的軟件故障修復(fù)方法研究

曹克浩

摘 要 程序的可維護性和可靠性已經(jīng)成為軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突出難題，如何快速鎖定故障，如何有效修復(fù)軟件已經(jīng)成為當前軟件工程實踐中最重要的活動之一?；谧儺惖某绦蚬收闲迯?fù)技術(shù)，在闡述C程序表達式故障的方法中，利用變異修復(fù)機制來輔助修復(fù)程序故障，并通過實例故障來驗證方法的有效性。

關(guān)鍵詞 程序軟件 變異技術(shù) 故障定位 修復(fù)方法

計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是軟件技術(shù)的廣泛應(yīng)用，越來越多的程序在出現(xiàn)故障后帶來了更多維護性難題。軟件測試技術(shù)的發(fā)展，主要針對軟件程序運行可靠性問題，從程序故障的鎖定及修復(fù)中來提升軟件質(zhì)量。美國標準與技術(shù)研究所NIST調(diào)查顯示，軟件程序故障修復(fù)的成本每年達到595億美元，約占總GDP的0.6%。程序故障修復(fù)作為軟件工程實踐中的重要內(nèi)容，在軟件修復(fù)程序中耗時、費力，且完全依賴于軟件開發(fā)人員的專業(yè)知識和行業(yè)經(jīng)驗。這種現(xiàn)象不僅加長了軟件開發(fā)周期，也阻礙了軟件產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。因此，積極從軟件程序修復(fù)技術(shù)及理論研究中，就軟件行業(yè)程序故障修復(fù)問題進行探討，并從軟件故障修復(fù)實踐中來開發(fā)自動化修復(fù)工具，以改善軟件程序故障修復(fù)的缺陷。

一、當前軟件程序故障修復(fù)現(xiàn)狀及方法研究

從軟件技術(shù)開發(fā)實踐來看，軟件程序故障是軟件工程的重要內(nèi)容，當前軟件開發(fā)人員在面臨程序故障修復(fù)時，多以手工方式來進行故障定位和修復(fù)，使得程序開發(fā)周期較長，成本較高。國內(nèi)外對軟件故障修復(fù)理論的研究也取得了一定進展，特別是在內(nèi)存管理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)修復(fù)及特定數(shù)據(jù)類型的故障提示中也取得一定成績。Dallmeier等人通過對軟件運行與失敗的差異分析，利用回歸測試用例來減少程序修復(fù)后產(chǎn)生的新問題；Perkins等人通過不變式監(jiān)控程序的方法，就匯編級程序錯誤進行自動檢測和修復(fù)。然而，這兩種方法主要針對條件表達式或監(jiān)控器軟件相關(guān)的錯誤修復(fù)。Arcuri等人首次以遺傳編程自動修復(fù)方法，根據(jù)程序規(guī)模的擴大，利用遺傳編程搜索方法來進行修復(fù)，較為適宜單個函數(shù)的修復(fù)；Weimer等人為了縮小進化算子的搜索空間，采用抽象語法樹先對程序進行抽象，再通過基于遺傳的編程方法就C語言程序和匯編語言程序進行修復(fù)。我國學(xué)者何加浪等人在Weimer研究基礎(chǔ)上，利用不變量約束來對搜索空間進行簡化，并針對測試過程難以覆蓋所有功能需求，提出成功測試用例學(xué)習(xí)的不變量約束來解決該難題；成功測試用例與失敗測試用例所執(zhí)行的路徑不同，對于程序故障及修復(fù)方法也不一致，反而限制了程序修復(fù)的類型；另外，該方法在修復(fù)過程中還產(chǎn)生大量無關(guān)冗余的代碼轉(zhuǎn)換；遺傳算法本身的非穩(wěn)定性，在程序本身的變化中也存在適應(yīng)性問題。

二、基于變異技術(shù)的軟件故障修復(fù)原理及步驟

（1）基于變異技術(shù)的軟件故障修復(fù)原理。傳統(tǒng)基于變異的測試技術(shù)是對已知程序，根據(jù)變異算子來得到一批程序故障變異體，利用這些變異體來對測試用例集T進行測試。而新的基于變異技術(shù)的程序故障修復(fù)技術(shù)，則是將之作為故障程序，根據(jù)變異算子來選擇故障程序的變異，從而得到一批變異體，利用已知的測試用例集來對這些變異體進行驗證，以得到程序故障修復(fù)目標。在制定變異體是否修復(fù)軟件故障時，首先需要定義變異體的標準，即對于變異體執(zhí)行完成后的輸出結(jié)果與期望不一致。任何一個被放棄的變異體都不能是故障程序的正確修復(fù)版本，原因是這些變異體曾導(dǎo)致測試用例執(zhí)行失敗。相反，如果一個變異體順利通過測試用例，說明本變異體被故障程序進行正確修復(fù)。通過對這些潛在修復(fù)版本的分析，可以幫助程序開發(fā)人員得到期望的程序。

（2）故障程序修復(fù)實施步驟?；谧儺惣夹g(shù)的故障程序修復(fù)方法，其具體實施步驟表示如下：一是要確定故障類型，利用程序變異技術(shù)對某類特定的程序故障進行測試，在修復(fù)之前，首先要明確變異修復(fù)程序的故障類型。程序設(shè)計人員在對程序常見故障類型進行分析，并從發(fā)生概率高且危害大的故障類型進行修復(fù)，有助于提升軟件的修復(fù)效果，降低軟件開發(fā)成本。二是選擇合適的變異算子，對于變異算子是基于變異技術(shù)的故障修復(fù)方法，也是產(chǎn)生變異體的基礎(chǔ)。通過導(dǎo)入多元化變異算子，能夠從不同類型的故障測試中進行修復(fù)，最大化的提升變異體的生成。程序故障修復(fù)方法應(yīng)該能滿足不同類型的故障測試，高效的修復(fù)方法需要變異修復(fù)的代價盡可能小。因此，在對變異算子的設(shè)計上，要從執(zhí)行效率和變異體修復(fù)效果上來針對不同程序故障類型進行修復(fù)。三是設(shè)定變異修復(fù)停止條件。在進行變異技術(shù)故障修復(fù)執(zhí)行過程中，對于某些特定的程序故障，并不是所有程序故障都能夠得到修復(fù)，只有當產(chǎn)生并檢查一定數(shù)量的變異體后，如果找不到對應(yīng)的修復(fù)版本的變異體，則會提示：繼續(xù)還是停止；如果選擇繼續(xù)，則進行再次修復(fù)版本變異體的查找，否則直到找到變異體被檢查出，修復(fù)程序并不停止。通常情況下，對于修復(fù)對象為大型程序軟件時，對于變異體的數(shù)量要求也較大，如果選擇繼續(xù)則會浪費系統(tǒng)資源，因此需要設(shè)置一個停止條件。三是變異故障程序，對于所設(shè)計的變異算子本身，由于設(shè)置的變異修復(fù)停止條件不同，對故障程序進行變異產(chǎn)生變異體時，可以先利用故障定位技術(shù)來對故障程序進行明確，再利用故障檢測結(jié)果來選擇修復(fù)程序故障，從而降低修復(fù)代價。四是確定修復(fù)變異體版本，并通過變異故障程序返回到產(chǎn)生新的變異體，以檢查和確定故障程序的潛在修復(fù)版本。

三、C語言程序故障修復(fù)方法

（1）C語言程序故障類型劃分。C語言軟件開發(fā)常用語言，在對C語言程序進行故障修復(fù)測試中，需要對所提供的故障系統(tǒng)類型進行分析，總的來說歸結(jié)為四類：即內(nèi)存故障，以內(nèi)存資源釋放、分配錯誤、函數(shù)返回值錯誤、非法指針應(yīng)用錯誤等；條件表達式錯誤，通常表現(xiàn)在If、While、For結(jié)構(gòu)開頭的條件表達式，其錯誤主要與關(guān)系運算符、邏輯運算符及邊界條件故障有關(guān)；變量賦值錯誤，其故障主要發(fā)生在變量賦值語句中，如某些運算符或邊界賦值錯誤而引發(fā)的變量賦值故障；語句冗余或缺失類錯誤，隨著程序工作流程和設(shè)計流程的差異而導(dǎo)致程序執(zhí)行失敗。

（2）C語言變異算子的設(shè)計。變異算子是程序故障修復(fù)的關(guān)鍵，也是基于變異測試技術(shù)最常用的程序變異體。變異算子在設(shè)計上主要從算術(shù)運算符的變異、關(guān)系運算符的變異，以及邏輯運算符的變異中來完成。針對程序中常用的運算符，能夠從運算符錯誤引起的變量賦值故障或條件表達式故障中，對包含算術(shù)、關(guān)系、邏輯運算符的程序語言進行測試。針對程序設(shè)計中的條件表達式、變量賦值故障，以及語句冗余或賦值缺失等故障，從變異算子的設(shè)計上，能夠?qū)崿F(xiàn)對每一類特殊故障類型的修復(fù)，如多一些子類型故障進行修復(fù)，就需要從程序發(fā)生錯誤的概率中進行針對性設(shè)計，優(yōu)先為故障發(fā)生率高的程序設(shè)計相應(yīng)的變異算子。

（3）變異算子處理方法。針對不同類型的變異算子，在進行變異故障修復(fù)中，對于運算符變異，從常用運算符如算術(shù)運算符、關(guān)系運算符、邏輯運算符、自增/自減運算符、位操作符、賦值運算符等，利用替換運算符進行變異，能夠修復(fù)的故障類型主要有變量賦值故障和條件表達式故障。如對于條件表達式中的變異，針對可疑程序語句的條件表達式，從整體取反進行變異，或者通過整體加1或減1來進行變異；對于邊界值變異，針對可疑語句中的For循環(huán)，通過初始量增1或減1進行變異；對于初始化變量賦值偏差錯誤，可疑通過賦值方法進行修復(fù)；對于常量浮點變異，針對可疑語句進行變異成等值的浮點型常量，如float a=1/2；假設(shè)程序?qū)的期望值為0.5，根據(jù)C語言語法，可疑從分子分母整型常量賦值中來引發(fā)變量賦值故障，以完成對錯誤的修復(fù)。對于類型擴展變異，通過對可疑程序語句中的float、int等關(guān)鍵字，將其變異為高一級類型，以修復(fù)由精度缺失帶來的變量賦值故障。

（4）變量修復(fù)停止條件。從程序故障修復(fù)方法中，必須要對不能修復(fù)的故障類型，以及找不到潛在修復(fù)版本的情況進行終止修復(fù)，這就需要從變異修復(fù)中設(shè)定某一停止條件。如當變異修復(fù)所使用的代價高于某一限值時，仍未找到潛在修復(fù)版本的變異體就會返回程序終止。簡言之，對于某一變異體從產(chǎn)生到執(zhí)行完所用的代價為e，若在找到潛在修復(fù)版本時需要檢查n個變異體，則此次修復(fù)代價為；可見，對于變異修復(fù)代價主要取決于n值大小，也就是修復(fù)過程所檢查的變異體數(shù)量。

（5）潛在修復(fù)版本的確定?；谧儺惣夹g(shù)的程序故障修復(fù)，是對程序在執(zhí)行過程中對變異體進行所有測試用例后還活著，則說明該變異體為潛在修復(fù)版本。同樣，在變異修復(fù)程序設(shè)計上，還應(yīng)該至少包括一個失敗測試用例，與潛在修復(fù)版本具有不同的輸出結(jié)果?；谧儺惣夹g(shù)的故障修復(fù)方法，并沒有對所有測試用例的數(shù)量進行限制，當每次測試用例集中的測試用例數(shù)量過多時，則會帶來更大的驗證變異體的代價。因此，可以對測試用例集的選取進行確定，以避免變異體修復(fù)所花費的代價過多。程序設(shè)計人員可以從測試用例集的選擇上，先對測試用例集進行優(yōu)化，再進行故障程序變異修復(fù)。

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（作者單位：河南財政稅務(wù)高等?？茖W(xué)校）