數(shù)據(jù)庫測試用例虛擬仿真系統(tǒng)的研究與設(shè)計

楊愛民 吳志磊 劉潔

摘要：本文介紹了數(shù)據(jù)庫測試用例虛擬仿真系統(tǒng)的研究方法與設(shè)計思路，提出了以語義知識庫推理法則為代表的三種計算機數(shù)據(jù)庫用例生成仿真數(shù)據(jù)方式，為高等院校數(shù)據(jù)庫類課程實驗以及企業(yè)應(yīng)用軟件測試提供了相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)與實驗環(huán)境。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)庫;測試用例;仿真實驗

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2021）08-0105-04

● 研究背景及意義

隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，越來越多的應(yīng)用軟件（如電子商務(wù)、網(wǎng)上售票、醫(yī)療、超市等）在設(shè)計數(shù)據(jù)庫時都需要運用海量的真實數(shù)據(jù)進行性能、功能以及壓力測試，以保證軟件上線后的正常運行。但是，要想得到海量的真實數(shù)據(jù)，對大多數(shù)測試者而言都不太現(xiàn)實，這一方面是因為渠道問題無法大批量獲取原始數(shù)據(jù)，另一方面如果采用人工錄入，需要耗費的巨大的人力、物力，如北京某商廈百貨業(yè)管理系統(tǒng)，在上線前由4個計算機專業(yè)錄入員花了近20天的時間才完成了10萬條記錄的數(shù)據(jù)錄入的初級測試，而離系統(tǒng)飽和測試（100萬條）還相差很遠。而對于其他大型的軟件如12306售票系統(tǒng)等，需要的測試數(shù)據(jù)會高達上億條，這對于一般手工錄入來說是無法完成的。為此，本項目研究的是一個“數(shù)據(jù)庫測試用例自動生成虛擬仿真系統(tǒng)”，該仿真系統(tǒng)可以借助語義知識庫、智能算法，并通過接口程序為主流數(shù)據(jù)庫提供用例自動生成仿真數(shù)據(jù)，以檢驗數(shù)據(jù)庫的承載力，以及應(yīng)用軟件的可靠性，從而為數(shù)據(jù)庫課程實驗以及企業(yè)應(yīng)用軟件提供相應(yīng)的仿真測試數(shù)據(jù)。

● 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

國外研究創(chuàng)立了一套相對成熟的理論，創(chuàng)造了一批比較優(yōu)秀的自動化測試工具。其中，典型自動化測試框架比較有名的有Automated Testing Specialists Inc提出的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的自動化測試方法以及GUI測試方法、Mercury Interavtive Inc提出的關(guān)鍵字驅(qū)動自動化測試方法及錄制/回放式的自動化測試方法。

從國內(nèi)學者對自動化測試領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀來看，基于智能優(yōu)化算法的軟件測試用例自動生成技術(shù)已經(jīng)取得了不錯的進展。國防科技大學的單錦輝（2002）博士將迭代松弛法改進之后再用于測試用例自動生成，并開發(fā)了完整的系統(tǒng)原型[1];賀瀅（2015）首次提出了應(yīng)用粒子群算法自動生成測試用例，并且在智能尋優(yōu)算法的基礎(chǔ)上對TC自動生成方法進行了系統(tǒng)的研究[2];劉慰（2018）等人提出一種以遺傳算法為核心的測試數(shù)據(jù)生成方法，自動生成測試數(shù)據(jù)并且使用XML文件來記錄測試結(jié)果[3];侯俊（2018）等人針對現(xiàn)在Web測試主要依賴人工測試的問題，在Web測試生成單個測試用例的基礎(chǔ)上提出了一種基于WSDL文檔和形式化模型樹Web服務(wù)操作測試用例的自動生成方法，該方法大幅度提高了Web測試用例生成的效率，節(jié)省了測試消耗的時間。[4]

但國內(nèi)目前數(shù)據(jù)庫用例測試的地位不高，大多數(shù)的公司還只是停留在軟件單元測試、集成測試和功能（軟件交付前的功能、性能）測試上，沒有一套完整的數(shù)據(jù)庫用例測試標準化準則，也缺乏完全商業(yè)化的操作機構(gòu)，其主要原因是數(shù)據(jù)庫用例測試需要大量的人力及時間成本。但在大數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢下，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)不斷被應(yīng)用于企業(yè)管理中，幫助企業(yè)更好地管理大量數(shù)據(jù)。因此，就國內(nèi)現(xiàn)狀而言，測試用例自動生成技術(shù)使用價值大，應(yīng)用前景廣，但研究普遍相對較少，目前還沒有成熟的主流數(shù)據(jù)庫的測試用例系統(tǒng)的相關(guān)報道，同歐美國家軟件測試行業(yè)的差距較大。

● 系統(tǒng)的設(shè)計思路及方法

本實驗方案的設(shè)計思路是在大數(shù)據(jù)測試用例上，不去關(guān)心具體應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)庫怎么設(shè)計，而是根據(jù)現(xiàn)有流行數(shù)據(jù)庫的通用字段結(jié)構(gòu)，按字段類型設(shè)計出一個通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，然后再定義語義知識庫、關(guān)聯(lián)條件庫、語義種子庫，以及原始字庫等，并以此作為支撐，提供應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)接口。這樣，在遇到不同的應(yīng)用軟件時，只要捕捉到應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)庫表的結(jié)構(gòu)（或人工提供），然后通過接口程序匹配，給出生成條件，即可開始生成海量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)路線如圖1所示。數(shù)據(jù)庫測試用例生成，實際上是結(jié)合了智能算法、語義知識庫、文獻研究演繹等相關(guān)智能化知識體系加上程序設(shè)計而完成的一套比較復雜的虛擬仿真實驗系統(tǒng)。

本系統(tǒng)的設(shè)計原理是由測試用例自動生成工具自動捕獲數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)表，從而獲得數(shù)據(jù)庫中的表、表結(jié)構(gòu)及其屬性信息等。在為其生成測試用例的時候，既能判斷出表參照關(guān)系是否存在循環(huán)關(guān)系，也能顯示生成表測試用例的先后順序，同時為了能讓用戶直接明了地看到數(shù)據(jù)庫之間的直接參照關(guān)系，自動生成工具也能將表之間的參照關(guān)系可視化。[5]

目前，本系統(tǒng)可以通過三種方式生成測試用例，如下頁圖2所示。

一是基于已有的語義知識庫讓計算機按照一定的語義規(guī)則推理自動生成測試用例。

這種方法主要針對含語義類型的字段內(nèi)容，如姓名、地名、商品名等，通過構(gòu)建相關(guān)類字段的語義知識庫以及普通字庫，生成時由用戶按需要輸入相關(guān)語義種子，構(gòu)建用戶自定義的語義種子庫，然后結(jié)合遺傳算法調(diào)用字庫，生成符合語義規(guī)則的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

二是從已有的同種或異種關(guān)系數(shù)據(jù)庫中直接導入生成。

有時在生成某一數(shù)據(jù)字段時，需要用同種數(shù)據(jù)庫或異種數(shù)據(jù)庫的另一數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)來生成，如學生成績管理系統(tǒng)中學生表包含學號、姓名、性別、系部、出生日期，課程表包含課程號、課程名、學分，選課表包含學號、課程號、成績，其中選課表中的學號及課程號分別需要從學生表和課程表的數(shù)據(jù)中生成，這就需要在生成選課表時，調(diào)用學生表和課程表的數(shù)據(jù)進行導入，這是同種數(shù)據(jù)庫的導入生成。有時同類系統(tǒng)如船務(wù)管理系統(tǒng)、貨物管理系統(tǒng)，用的不是同類數(shù)據(jù)庫，但某些數(shù)據(jù)類型內(nèi)容相似，引用時，則需要異種數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的導入。這種導入方式，在導入前提供通常用的數(shù)據(jù)庫的接口程序，需要引用哪種數(shù)據(jù)庫，通過設(shè)置接口程序?qū)崿F(xiàn)對接，然后再由用戶設(shè)定一些導入規(guī)則，如生成數(shù)量、時間范圍等，即可實現(xiàn)同種或異種數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的導入生成。

三是根據(jù)表的結(jié)構(gòu)和屬性以及用戶指定的約束規(guī)則隨機自動生成。

此類數(shù)據(jù)一般是針對時間類、數(shù)字類和非語義字符類數(shù)據(jù)，可以通過用戶給定約束條件，如生成數(shù)量、數(shù)值/時間范圍等約束條件，按一定算法自動生成，為了靈活高效管理字段實例引擎，引入“時間、非語義類字符、數(shù)字（含整數(shù)和實數(shù)）、邏輯”四種類型引擎接入插件。整個系統(tǒng)對自動生成的表測試用例可以進行維護。數(shù)據(jù)庫用例仿真實驗系統(tǒng)的功能實現(xiàn)如圖3所示。

● 系統(tǒng)的仿真實驗結(jié)果分析

本系統(tǒng)設(shè)計完成后，筆者對所在學校設(shè)置了數(shù)據(jù)庫、軟件工程等課程的班級開設(shè)的60多個實驗案例及軟件作品進行了測試用例實驗，實驗結(jié)果表明，學生實驗的數(shù)據(jù)表中80%的數(shù)據(jù)可以直接利用本系統(tǒng)生成，剩余的數(shù)據(jù)通過重新定義語義規(guī)則也基本上可以全部實現(xiàn)，同時本系統(tǒng)還針對地方企業(yè)進行了應(yīng)用軟件用例測試分析，如某船務(wù)代理有限公司的船務(wù)代理系統(tǒng)，生成了100多萬條數(shù)據(jù)進行壓力測試，還有山東工商學院、浙江大學寧波理工學院、寧波財經(jīng)學院、浙江萬里學院的全國大學生體質(zhì)上報系統(tǒng)，也是采用該仿真系統(tǒng)瞬間生成數(shù)萬條仿真數(shù)據(jù)來進行壓力測試，如圖4所示。

本系統(tǒng)主要體現(xiàn)出以下兩個特色：

（1）通用性。本仿真系統(tǒng)設(shè)計完成后，可以通過數(shù)據(jù)庫接口程序，與目前市場上流行的主流數(shù)據(jù)庫對接，實現(xiàn)了主流數(shù)據(jù)庫的測試用例自動生成，具備了數(shù)據(jù)庫用例的通用性。

（2）智能化。通過運用算法模型，設(shè)計語義知識庫及表與字段的模型庫，智能化地與應(yīng)用案例數(shù)據(jù)庫進行匹配，實時生成海量仿真數(shù)據(jù)。

● 結(jié)論

數(shù)據(jù)庫用例測試仿真系統(tǒng)是按照用戶需求，為應(yīng)用軟件特別是數(shù)據(jù)處理量非常大的應(yīng)用軟件瞬間智能化地生成海量仿真測試數(shù)據(jù)，以檢驗軟件的可靠性及數(shù)據(jù)處理壓力的最大臨界值，為企業(yè)數(shù)據(jù)的備份轉(zhuǎn)儲或數(shù)據(jù)庫的升級提供預(yù)警，減輕了測試人員繁重的手工勞動。

目前，本系統(tǒng)主要實現(xiàn)了ACCESS、MYSQL、SQL-SERVER幾種數(shù)據(jù)庫之間的對接以及常規(guī)數(shù)據(jù)的自動生成，但對一些特殊字段類數(shù)據(jù)，如圖像、聲音、二進制等數(shù)據(jù)格式，還無法自動生成，課題組將在后期繼續(xù)研究針對大型數(shù)據(jù)庫以及特殊字段的自動測試生成，并將研究成果向社會推廣。

參考文獻：

[1]單錦輝，高仲儀.面向路徑的測試數(shù)據(jù)自動生成工具及其圖形界面Tcl/TK設(shè)計[J].計算機工程與應(yīng)用，2002（01）：74-77.

[2]賀瀅，徐蔚鴻，李楊林.基于RACPSO的測試用例自動生成方法[J].計算機工程，2016（05）：67-70.

[3]劉慰，應(yīng)新洋.基于遺傳算法與XML的測試用例自動生成執(zhí)行系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].計算機時代，2018（02）：44-47.

[4]候俊，周紅，馬春燕，等.面向WEB服務(wù)的測試用例自動化生成方法[J].西北工業(yè)大學學報，2018（02）：14-15.

[5]張文祥.關(guān)系數(shù)據(jù)庫測試用例自動生成研究[M].北京：科學出版社，2004.