基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)設(shè)計與研究

崔建峰，黃智云

（廈門理工學院，福建廈門 361000）

0 引 言

軟件可靠性是軟件研發(fā)的重點，用戶對于軟件可信度要求隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展越來越高。軟件中隱含的缺陷數(shù)目與系統(tǒng)可靠性具有直接關(guān)系，缺陷定位是軟件應(yīng)用可持續(xù)發(fā)展的主要步驟[1]。采用面向開源軟件缺陷自定位系統(tǒng)的設(shè)計，需要程序員對目前軟件運行狀態(tài)進行分析，直到找到缺陷位置[2]。該系統(tǒng)不僅要求程序員熟練掌握軟件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且定位精準度較低，無法滿足人們要求。

一個良好的設(shè)計方案需要通過測試分析階段所產(chǎn)生的信息來確定軟件中缺陷的位置，因此，提出基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)設(shè)計。從缺陷不同角度發(fā)現(xiàn)軟件存在的不同缺陷，由于程序員對程序進行了一定修改，并引入一定缺陷，導(dǎo)致程序版本間的差異分解為修改集合形式，通過對集合中的原程序進行修改，可定位到缺陷位置。

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.1 Hardware structure design

硬件結(jié)構(gòu)由故障定位裝置、信號傳感器、定位主機、顯示屏組成，通過定位裝置中的記錄模塊接收軟件缺陷故障信號，一旦到達初始位置，啟動定位系統(tǒng)時鐘單元記錄信號到達時間。確定軟件存在缺陷后，定位裝置將缺陷記錄到定位裝置中，通過下位機采集相關(guān)缺陷信息，再傳至上位機中，由顯示屏顯示具體信息[3]。

1.1 信號傳感器

傳感器能夠?qū)⒏惺艿降能浖毕菪畔凑找欢ㄒ?guī)律轉(zhuǎn)換為信號形式，滿足信息傳輸、處理、顯示與記錄要求，是實現(xiàn)自動控制的主要環(huán)節(jié)[4]。因此，采用AM2301型號芯片為信號傳感器主要芯片，它是一款含有已經(jīng)校準的數(shù)字信號復(fù)合傳感器，具有可靠性和穩(wěn)定性。該傳感器內(nèi)部在檢測信號處理過程中，調(diào)用校準系數(shù)，設(shè)置總線接口，使系統(tǒng)變得簡易[5]。

1.2 故障定位裝置

故障定位裝置主要應(yīng)用于小電流接地形式，一旦系統(tǒng)檢測出軟件缺陷，那么該裝置能夠快速、準確地獲取缺陷位置信息。該裝置包括記錄模塊、下位機和上位機，依據(jù)記錄的缺陷信息，利用下位機進行缺陷信息收集與定位，并將結(jié)果傳至上位機中[6]。

1.2.1 下位機

下位機能夠直接控制裝置獲取裝置狀況，讀取裝置狀態(tài)模擬量，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號形式反饋給上位機。下位機內(nèi)部鑲嵌Galileo GN100 型號定位芯片，通過NMEA-0183V4.1 協(xié)議能夠精準獲取數(shù)據(jù)信息，同時了解軟件運行狀態(tài)信息[7-9]。

當有不規(guī)則遮擋物存在時，該芯片可通過運營商基站信息進行快速定位[10]。芯片參數(shù)如表1 所示。

在Galileo GN100 型號定位芯片支持下，設(shè)計系統(tǒng)電路。系統(tǒng)電路主要由定位控制電路和通信電路組成，具體設(shè)計如下所示。

1）定位控制電路

設(shè)置固定標記點，集合線性部件進行軟件缺陷位置定位與控制，電路設(shè)計如圖2 所示。

表1 Galileo GN100 定位芯片設(shè)置Table 1 Setting of positioning chip Galileo GN100

圖2 定位控制電路Fig.2 Design diagram of location control circuit

圖2 中設(shè)置穩(wěn)定環(huán)路電路，縮短動力響應(yīng)時間，通過功率運算放大器修正輸出數(shù)據(jù)。采用三相異步電動機具有較高的電動勢，在晶體管處施加50 V 電壓，適當轉(zhuǎn)動電機方向，能夠保證兩個光電管電流大小一致[11]。

如果瞬時運動切換到放大器輸入端時，電動機應(yīng)按照順時針方向旋轉(zhuǎn)，輸出正常電動勢；如果瞬時運動未達到設(shè)定的標記點時，C2上電荷需為電動機提供動力，此時電動機應(yīng)按照逆時針方向旋轉(zhuǎn)，輸出高電動勢[12]。依據(jù)不同電容選擇合適阻尼，實現(xiàn)軟件缺陷精準定位。

2）通信電路

通信接口電路設(shè)計如圖3 所示。

由圖3 可知，該電路由從機、鎖存器、隨機存取器和接口器件組成。在該電路中，各個從機與上位機直接連接，一旦從機數(shù)量過多，那么上位機就會出現(xiàn)頻繁的響應(yīng)情況，由此說明系統(tǒng)正在定位。

圖3 通信接口電路設(shè)計Fig.3 Design diagram of communication interface circuit

1.2.2 上位機

上位機可根據(jù)下位機傳送過來的信息操控主機，通常上位機具備RS 232串口通信，采用該種通信方式適合工業(yè)控制雙線通信，還可實現(xiàn)PLC與上位機的通信[13]。

1.3 顯示屏

使用電壓互感器提取軟件缺陷信號，傳送至客戶端進行統(tǒng)一處理，經(jīng)過AT-16 型號觸發(fā)器可將正弦信號轉(zhuǎn)換為方波信號。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的信號傳遞給單片機，單片機接口與計算機接口相連接，可顯示出軟件缺陷信息。

2 軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)技術(shù)路線的設(shè)計是通過上位機軟件和下位機軟件來實現(xiàn)的，其中，上位機主機運行軟件可接收來自下位機傳送過來的定位信息，針對該信息采用執(zhí)行軌跡方法進行軟件缺陷定位。

2.1 下位機軟件

下位機軟件工作流程如下所示：

1）初始化程序

中斷服務(wù)開啟驅(qū)動，設(shè)置源地址。

2）基于執(zhí)行軌跡的缺陷自定位

定位過程分為三步，分別是執(zhí)行軌跡組織、軌跡選擇、懷疑率計算，通過整理初始源地址信息，按照一定組織方式測試信息執(zhí)行軌跡。選擇用于定位的執(zhí)行軌跡濾除信息中存在的噪聲信息，分析選定的執(zhí)行軌跡，計算語句塊中的懷疑率，由此實現(xiàn)高精準缺陷自定位。具體執(zhí)行方案如下所示：

①執(zhí)行軌跡組織

執(zhí)行軌跡是測試所執(zhí)行語句塊中的序列，通過動態(tài)切片技術(shù)收集被測試的序列。如果出現(xiàn)信息量過大的問題，需按照代碼靜態(tài)結(jié)構(gòu)組織執(zhí)行軌跡。

將程序看成一個向量，其中每一維對應(yīng)的程序是一個語句塊，按照二值向量和多值向量組織缺陷定位執(zhí)行軌跡。

二值向量：分析該向量中的語句塊是否被執(zhí)行，如果被執(zhí)行，則向量中的維數(shù)值為1；否則，為0。設(shè)sus 為懷疑率，j為測試用例，則執(zhí)行公式為：

多值向量：如果該向量中語句塊被執(zhí)行了λ次，那么對應(yīng)維數(shù)的值為λ；否則，為0，執(zhí)行公式為：

以下執(zhí)行軌跡，都是按照上述兩種向量方式組織執(zhí)行的。

②軌跡選擇

在執(zhí)行過程中，存在大量冗余測試用例，由此形成大量冗余信息，降低了系統(tǒng)定位精準度。為了對程序中存在的多個缺陷進行高精準定位，可通過測試用例執(zhí)行的相似性執(zhí)行軌跡。

執(zhí)行軌跡間距離越小，執(zhí)行軌跡越相似，對于多值向量可以按照向量元素值大小進行排序。通過計算排列間相互轉(zhuǎn)換步數(shù)，獲取執(zhí)行軌跡間距離。由于選擇的軌跡只能關(guān)注語句塊之間的關(guān)系，因此，需計算執(zhí)行軌跡間排序距離。

設(shè)執(zhí)行軌跡為：

對向量元素排序后為：

直接利用次數(shù)參數(shù)計算，受到語句塊循環(huán)影響較大，及時發(fā)現(xiàn)執(zhí)行次數(shù)相對關(guān)系，能夠完整體現(xiàn)執(zhí)行軌跡間的相似性。

③懷疑率計算

將測試用例中與某個語句塊相關(guān)的用例組成一個集合，分析該集合中通過測試和未通過測試的懷疑率。如果集合中未通過測試用例執(zhí)行比例大，則說明該語句塊具有較高的懷疑率；否則，懷疑率較低。

各語句塊懷疑率計算公式如下：

式中：R(aj)表示語句塊aj所在的模塊；Tf(b)表示經(jīng)過執(zhí)行b模塊未通過測試的數(shù)量；Tg(b)表示經(jīng)過執(zhí)行b模塊通過測試的數(shù)量；Tf(aj)為執(zhí)行aj未通過測試的數(shù)量；Tg(aj)為執(zhí)行aj通過測試的數(shù)量。

依據(jù)上述計算的sus 懷疑率結(jié)果，將語句塊按照大小順序排列。

3）計算坐標

將獲取的懷疑率結(jié)果進行歸一化整理，計算出缺陷位置坐標。

4）定位報告評價

針對軟件缺陷自定位的意義在于縮短程序員找到缺陷位置的時間，根據(jù)步驟3）中的缺陷位置坐標，報告定位到實際缺陷情況，此時用所必需的審查語句塊來評價系統(tǒng)定位效果，語句塊數(shù)量越少，則說明定位效果越好。

依據(jù)坐標，將語句塊按照由近及遠的方式排序，并依次進行編號處理，根據(jù)實際缺陷語句塊編號給系統(tǒng)未定效果進行打分，分數(shù)越高，則說明定位精準度越高。

如果報告的分數(shù)超過90 分，則說明程序員只需審核10%的語句塊就能快速找到軟件中的缺陷位置，計算公式為：

式中：p表示語句塊總數(shù)；q表示缺陷語句塊總數(shù)。

5）顯示程序

通過硬件結(jié)構(gòu)中的顯示屏，顯示程序完成缺陷位置坐標。

2.2 上位機軟件

上位機程序流程如圖4 所示。

圖4 上位機程序流程Fig.4 Program flow of upper computer

下位機通過以太網(wǎng)與上位機連接，讀取下位機傳送過來的信息進行解析，形成信息包，讀取下位機坐標數(shù)據(jù)，顯示軟件缺陷位置信息，實現(xiàn)顯示功能。

3 實驗分析

對于系統(tǒng)測試分析就是對軟件缺陷進行自定位精準度的測試，在已知缺陷條件下，分析系統(tǒng)定位精準度，如果測試結(jié)果精準度越高，則說明該系統(tǒng)性能越好。

3.1 軟硬件環(huán)境

在Windows 7.0 平臺設(shè)計實驗軟硬件環(huán)境，如表2所示。

表2 軟硬件環(huán)境設(shè)置Table 2 Software and hardware environment settings

3.2 精準度測試結(jié)果與分析

當軟件處于正常使用情況下，軟件缺陷定位分別在冷啟動和熱啟動條件下，將面向開源軟件缺陷自定位系統(tǒng)與基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)進行對比分析，結(jié)果如下所示。

1）冷啟動

直接按重啟動按鈕進行冷啟動，兩種系統(tǒng)獲取的缺陷信號波動幅值如圖5 所示。

圖5 冷啟動模式下兩種系統(tǒng)獲取的缺陷信號波動幅值Fig.5 Amplitude of defect signal fluctuation acquired by two systems in cold start mode

面向開源軟件缺陷自定位系統(tǒng)幅值變化較大，在時間為0.47 ms 時，幅值達到最低為-0.40；在時間為0.03 ms 時，幅值達到最高為0.59；基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)幅值變化較小，在時間為0.08 ms 時，幅值達到最低為0；在時間為0.03 ms 時，幅值達到最高為0.59。

2）熱啟動

使用鍵盤Ctrl+Alt+Del 進行熱啟動，兩種系統(tǒng)獲取的缺陷信號波動幅值結(jié)果如圖6 所示。

圖6 熱啟動模式下兩種系統(tǒng)獲取的缺陷信號波動幅值Fig.6 Amplitude of defect signal fluctuation acquired by two systems in hot-start mode

面向開源軟件缺陷自定位系統(tǒng)幅值變化在熱啟動情況下變化幅度變大，但具有一定規(guī)律性，在[-0.7，0.8]幅值內(nèi)進行上下波動；基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)幅值變化較小，也具有一定規(guī)律性，在[-0.1，0.2]幅值內(nèi)進行上下波動。

在不同啟動模式下，為了進一步驗證基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)具有精準的定位效果，需對這兩種系統(tǒng)再次進行對比分析，結(jié)果如表3 所示。

表3 兩種系統(tǒng)定位精準度Table 3 Positioning accuracy of two systems %

分析表3 可知，在冷啟動模式下，面向開源軟件缺陷自定位系統(tǒng)定位精準度最高為50%，而基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)定位精準度最高為90%；在熱啟動模式下，面向開源軟件缺陷自定位系統(tǒng)定位精準度最高為67%，而基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)定位精準度最高為93%。由此說明，基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)定位精準度較高。

4 結(jié) 語

針對以往采用的面向開源軟件缺陷自定位系統(tǒng)存在定位精準度低的問題，設(shè)計了基于執(zhí)行軌跡的軟件缺陷自定位系統(tǒng)，詳細設(shè)計系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能，并把傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)進行對比，由此證實本文系統(tǒng)設(shè)計的合理性。

目前，軟件缺陷定位系統(tǒng)還需進行深化設(shè)計，比如，如何在海量數(shù)據(jù)中提高系統(tǒng)定位精準度，或者在有限數(shù)據(jù)條件下分析軟件缺陷，并精準定位缺陷位置，這些問題都需要進一步完善。