剖析計算機軟件可靠性設(shè)計

李磊

【摘要】本文介紹了軟件可靠性設(shè)計的基本概念，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(shè)計方法。

【關(guān)鍵詞】計算機軟件；可靠性設(shè)計；機理；參數(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，軟件可靠性成為我們關(guān)注的一個問題，軟件系統(tǒng)規(guī)模越做越大越復(fù)雜，其可靠性越來越難保證。應(yīng)用本身對系統(tǒng)運行的可靠性要求越來越高，在一些關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域，如航空、航天等，其可靠性要求尤為重要，在銀行等服務(wù)性行業(yè)，其軟件系統(tǒng)的可靠性也直接關(guān)系到自身的聲譽和生存發(fā)展競爭能力。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。在許多項目開發(fā)過程中，對可靠性沒有提出明確的要求，開發(fā)商（部門）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(yīng)用談?wù)勛约旱恼J識。

1 軟件可靠性設(shè)計的基本概念

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，這些語句的功能基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進行輸入/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。軟件的壽命周期，是指從軟件任務(wù)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(shè)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(guān)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”的概念密切相關(guān)，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)行所要求功能的能力。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 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(MTBSD或MTBD)。設(shè)d為軟件正常工作總時間，d為系統(tǒng)由于軟件故障而停止工作的次數(shù)，則定義TBSD=Tv/(d+1)。式中，TBSD—MTBSD；Tv—軟件正常工作總時間(h)；d—系統(tǒng)由于軟件故障而停止工作的次數(shù)。MTBSD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))。由于軟件故障而停止工作，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(shè)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，則定義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，TBD—MTBD(h)，TDT—平均不工作時間，以下簡稱MDT(h)。對一般生產(chǎn)用計算機系統(tǒng)，要求A≥99.8%；銀行計算機系統(tǒng)，要求A>99.9%。

3 軟件可靠性設(shè)計方法

從軟件可靠性的概念可知，軟件的缺陷可以導(dǎo)致錯誤并造成系統(tǒng)的故障，因此，缺陷是一切錯誤的根源。為了提高軟件的可靠性，最關(guān)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(yīng)想方設(shè)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(dǎo)致系統(tǒng)運行中出現(xiàn)錯誤。軟件的錯誤概括地說可能由規(guī)范(要求/規(guī)格說明)、軟件系統(tǒng)設(shè)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)生規(guī)范錯誤。

規(guī)范它不僅規(guī)定程序的要求，還規(guī)定所用的結(jié)構(gòu)、研制及試驗中需要的程序試驗要求和文件，以及程序語言、輸入和輸出的基本要求。通過對這些方面作出適當?shù)囊?guī)定，就可以建立使產(chǎn)生錯誤的可能性最小、并保證錯誤能被發(fā)現(xiàn)和改正的程序生成的結(jié)構(gòu)。

這種說明書是軟件設(shè)計人員和用戶間相互了解的基礎(chǔ)，是軟件設(shè)計人員進行程序設(shè)計、調(diào)試的基礎(chǔ)和評價軟件的依據(jù)。要求/規(guī)格說明書應(yīng)具有以下性質(zhì): ①可測性:生產(chǎn)出來的軟件產(chǎn)品應(yīng)能根據(jù)要求/規(guī)格說明書的內(nèi)容進行測試。②完整性:對軟件要求的描述要完整無缺。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規(guī)范化。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(yīng)地擴充或壓縮。

3.2 軟件設(shè)計。軟件系統(tǒng)是根據(jù)要求/規(guī)格說明(規(guī)范)設(shè)計的，通過設(shè)計將確定程序結(jié)構(gòu)、測試點及限制等。為設(shè)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)結(jié)構(gòu)等實際問題的基礎(chǔ)上，采取一些有效的設(shè)計方法。

3.2.1 “自頂向下設(shè)計”法。這種設(shè)計方法是處理分級問題最有效的設(shè)計技術(shù)。它是以一個系統(tǒng)功能的最抽象描述開始作為最高層次;從它出發(fā)，設(shè)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)為基礎(chǔ)，設(shè)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)能夠比較方便用計算機程序設(shè)計語言來實現(xiàn)為止。自頂向下設(shè)計方法的價值在于，它在設(shè)計的同時，指出了復(fù)雜性不同的處理層次，而且各種設(shè)計要素之間的關(guān)系是比較清楚的。通過這樣一種結(jié)構(gòu)化構(gòu)造途徑，有可能在早期就洞察出設(shè)計問題，從而避免了不必要地先去考慮較低層次的細節(jié)問題。

3.2.2 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計。軟件結(jié)構(gòu)對軟件的可靠性具有重要的意義。結(jié)構(gòu)良好的程序易于編寫、檢查，便于查錯定位、修改和維護。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計（也稱為模塊化程序設(shè)計）把程序要求分成若干獨立的、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，使得模塊間高度分離。

3.3 軟件編碼。在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上就可以進行編碼，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）;丟失代碼（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(shè)計與生產(chǎn)分離，首先由高水平的軟件工程師完成結(jié)構(gòu)設(shè)計，再由程序設(shè)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 結(jié)束語

軟件可靠性設(shè)計工程是一門雖然得到普遍承認，但還處于不成熟的正在發(fā)展確立階段的新工程學(xué)科，仍然存在很多問題，需要去探索、研究和解決。本文介紹只在軟件可靠性設(shè)計方面拋磚引玉，提供借鑒。

參考文獻：

[1]張磊，周繼鋒，張強.系統(tǒng)軟件可靠性驗證測試方法研究[J].計算機與數(shù)字工程，2010，06.

[2]曾福萍，靳慧亮，陸民燕.軟件缺陷模式的研究[J].計算機科學(xué)，2011，02.