基于復(fù)雜系數(shù)的軟件可靠性分配方法研究

楊婷 賈嵐 原變青

摘要：隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，軟件規(guī)模及軟件功能也在不斷擴(kuò)充，在軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，如何確保所開發(fā)的軟件系統(tǒng)能夠滿足既定的可靠性指標(biāo)，軟件可靠性分配技術(shù)則是其中必不可少的環(huán)節(jié)。該文分析了可靠性分配的原理，給出了在進(jìn)行軟件可靠性分配時(shí)，應(yīng)遵循的原則以及分配的步驟，在此基礎(chǔ)上，給出了基于McCabe軟件復(fù)雜性的間接度量，為后續(xù)進(jìn)一步迭代分配軟件可靠性提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：軟件可靠性分配;軟件復(fù)雜度;McCabe度量、復(fù)雜系數(shù)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1概述

隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，軟件規(guī)模及軟件功能也在不斷擴(kuò)充，軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，由軟件實(shí)現(xiàn)的功能所占比例也不斷增加，同時(shí)，由軟件失效導(dǎo)致系統(tǒng)失效的次數(shù)也遠(yuǎn)超過硬件所導(dǎo)致的系統(tǒng)失效次數(shù)。因此，如何確保所開發(fā)的軟件系統(tǒng)能夠滿足既定的可靠性指標(biāo)，使軟件既能保證進(jìn)度要求，又能降低生產(chǎn)成本，是當(dāng)前軟件可靠性工程中要解決的一個(gè)重要問題。在軟件可靠性工程的設(shè)計(jì)和開發(fā)階段，首要任務(wù)則是在各功能模塊或組件之間完成可靠性指標(biāo)的分配任務(wù)。

本文分析了可靠性分配的原理，給出了在進(jìn)行軟件可靠性分配時(shí)，應(yīng)遵循的原則以及分配原理，在此基礎(chǔ)上，給出了基于MaCabe軟件復(fù)雜性的間接度量，為后續(xù)進(jìn)一步迭代分配軟件可靠性提供依據(jù)。

2軟件可靠性分配原則及分配步驟

2.1分配原則

在軟件可靠性工程中，軟件可靠性分配過程和軟件可靠性預(yù)測過程正好相反，可靠性預(yù)測是一種合成方法，即：從底向上逐步完成系統(tǒng)指標(biāo)的計(jì)算和評估，而可靠性分配過程則是一種分解方法，即：從頂向下逐層完成系統(tǒng)指標(biāo)的分解和分配，根據(jù)初次分配的結(jié)果，搞清楚分配的指標(biāo)與預(yù)測值之間的差距，進(jìn)一步采取一定的措施加以修正。

因此，在進(jìn)行軟件可靠性指標(biāo)分配時(shí)，需遵循如下兩個(gè)原則：

1）要保證滿足系統(tǒng)可靠性要求;

2）要平衡設(shè)置各模塊或部件的可靠性指標(biāo)。

針對第2）條原則，需要注意兩點(diǎn)，一是在每個(gè)部件或模塊的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，要綜合權(quán)衡時(shí)間、難度、風(fēng)險(xiǎn)、重要度等因素的差距;二是要使整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)成本最低。

2.2分配步驟

軟件可靠性分配是一種從頂向下逐層分解的過程，以下給出軟件可靠性分配步驟，如圖1所示。

1）確定軟件可靠性指標(biāo)：軟件系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)是軟件系統(tǒng)在特定的環(huán)境（條件）下，在給定的時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生故障的工作的概率，即可靠度R，除可靠度指標(biāo)外，分配的指標(biāo)也可以是故障率，或系統(tǒng)的MTBF（故障平均時(shí)間間隔）。

2）根據(jù)系統(tǒng)需求規(guī)格說明書，找出軟件的剖面及邊界。

3）按照功能說明，在考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性以及收集的歷史數(shù)據(jù)的特性（如存在哪些可靠性已知的類似模塊），將系統(tǒng)自頂向下分解為不同的部件或模塊。

4）選用一定的數(shù)學(xué)模型分配給整個(gè)系統(tǒng)，確定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)后，再根據(jù)具體功能和影響因子具體分配給部件或模塊。

5）根據(jù)初次分配的結(jié)果，搞清楚分配的可靠性指標(biāo)與預(yù)測值之間的差距，進(jìn)一步采取相應(yīng)的措施加以修正。

3基于MaCabe軟件復(fù)雜性的間接度量及可靠性分配

3.1軟件復(fù)雜性的McCabe間接度量

軟件復(fù)雜性主要體現(xiàn)現(xiàn)在程序的復(fù)雜性上，軟件越復(fù)雜，在開發(fā)和維護(hù)過程中所消耗的資源也越多。因此，軟件的復(fù)雜性可以作為軟件所需資源投入量的一個(gè)間接度量。此外，軟件越復(fù)雜，在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性也越大，這是一種合乎邏輯的推理，盡管復(fù)雜性與軟件中的錯(cuò)誤數(shù)未必呈現(xiàn)出簡單的正比關(guān)系，但是存在這種正相關(guān)趨勢則是肯定無疑的。

本文給出McCabe復(fù)雜性度量方法，并以此作為復(fù)雜性因子，給出了基于復(fù)雜性因子的分配方法，為后續(xù)進(jìn)一步迭代分配軟件可靠性提供方法依據(jù)。

軟件復(fù)雜性的度量可以從執(zhí)行程序指令以及結(jié)構(gòu)關(guān)系來研究。

以下考慮程序指令間的相互關(guān)系，即結(jié)構(gòu)上的錯(cuò)綜程度，來研究程序結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

將程序中的每個(gè)處理步驟和判定符收縮為一個(gè)點(diǎn)，將有關(guān)的點(diǎn)用線段連接起來，就得到抽象的程序流圖。有向圖中從某一節(jié)點(diǎn)出發(fā)的路，如果最終又回到原來的節(jié)點(diǎn)，則稱這樣的路為回路。如果在有向圖中，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)至少可以找出一條路通向其他任意的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣的有向圖稱為強(qiáng)連接有向圖。

用V（G）表示有向圖中的回路數(shù)，用m表示圖中的弧的數(shù)目，n表示節(jié)點(diǎn)數(shù)，對于強(qiáng)連接的有向圖，若用回路數(shù)V（G）來表示其復(fù)雜性，則可以證明V（G）由下列公式給出：

V（G）=m-n+1

上式稱為程序的循環(huán)性度量，又稱為McCabe復(fù)雜性度量。如圖2所示，圖（a）和圖（b）都表示程序流圖，按上式計(jì)算得：

V（G）=13-11+1=3

圖（b）按上式計(jì)算得：

V（G）=10-7+1=4

上面的方法同樣可以度量程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)，通常，循環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的程序，往往出錯(cuò)率也會高。通過比較上面的兩個(gè)程序流圖，可預(yù)知圖（b）隱含的錯(cuò)誤數(shù)大于圖（a）所含錯(cuò)誤數(shù)。

3.2基于復(fù)雜性系數(shù)的軟件可靠性分配方法

本節(jié)將給出基于復(fù)雜性系數(shù)的軟件可靠性分配方法，該方法將系統(tǒng)失效率分配到各個(gè)模塊中。若某一部件或模塊的復(fù)雜系數(shù)越大，那么為達(dá)到一定的可靠性而花的維護(hù)費(fèi)用也越大，因此，該模塊或部件所分配的失效率也將越高。

以下給出具體的分配步驟：

1）確定軟件系統(tǒng)總的失效率。

2）確定模塊數(shù)M。

3）確定每一部件或模塊的復(fù)雜性因子wi。

4）確定每一部件或模塊實(shí)際運(yùn)行的時(shí)間ti，以及任務(wù)的時(shí)間T。

5）計(jì)算失效率的調(diào)整系數(shù)：

4結(jié)束語

軟件可靠性分配方法與硬件可靠性分配方法相比，模型的選擇和分配的靈活度都存在差異。已知的軟件可靠性分配方法很多都借鑒了硬件可靠性的技術(shù)，同時(shí)考慮了軟件自身的特點(diǎn)和性質(zhì)，進(jìn)而形成了符合軟件特性的軟件可靠性分配方法。本文給出了基于McCabe軟件復(fù)雜性的間接度量，為進(jìn)一步迭代分配軟件可靠性提供依據(jù)，后續(xù)可以進(jìn)一步研究基于復(fù)雜性、重要度以及調(diào)用強(qiáng)度等因素的可靠性分配技術(shù)。