Принципы верификации и тестирования программ

Лекция 13. Верификация, тестирование и оценивание корректности программных компонентов

Верификация - это процесс для определения, выполняют ли программные средства и их компоненты требования, наложенные на них в последовательных этапах ЖЦ ПС. Анализ, просмотры (обзоры) и тестирование от требований являются важнейшей частью верификации и установления корректности программ. Основная цель верификации ПС состоит в том, чтобы обнаружить, зарегистрировать и устранить дефекты и ошибки, которые внесены во время последовательной разработки или модификации программ. Для эффективности затрат ресурсов при ее реализации, верификация должна быть интегрирована как можно раньше с процессами проектирования, разработки и сопровождения. Обычно она проводится сверху вниз, начиная от общих требований, заданных в техническом задании и/или спецификации на всю информационную систему до детальных требований на программные модули и их взаимодействие.

Назначение верификации ПС - последовательно проверить, что в реализованном комплексе программ (рис. 13.1):

- общие требования к информационной системе, предназначенные для программной реализации, корректно переработаны в спецификацию требований высокого уровня к комплексу программ, удовлетворяющих исходным системным требованиям;

- требования высокого уровня правильно переработаны в архитектуру ПC и в спецификации требований к функциональным компонентам низкого уровня, которые удовлетворяют требованиям высокого уровня;

- спецификации требований к функциональным компонентам ПC, расположенным между компонентами высокого и низкого уровня, каждый раз удовлетворяют требованиям более высокого уровня;

- архитектура ПC и спецификации требований к компонентам низкого уровня корректно переработаны в, удовлетворяющие им, исходные тексты программных и информационных модулей;

- исполняемый объектный код удовлетворяет требованиям к исходному тексту программных компонентов.

Кроме того, верификации на соответствие спецификации требований на конкретный проект программного средства подлежат требования к технологическому обеспечению ЖЦ ПС, а также требования к эксплуатационной и технологической документации.

Цели верификации ПC достигаются посредством последовательного выполнения комбинации из просмотров, анализов, разработки тестовых сценариев и процедур и последующего выполнения этих процедур. Тестовые сценарии предназначены для проверки внутренней непротиворечивости и полноты реализации требований. Выполнение тестовых процедур должно обеспечивать демонстрацию соответствия испытываемых программ исходным требованиям. Информация о процессе верификации включает требования к системе, требования к ПС и к его архитектуре, данные о прослеживаемости последовательного преобразования требований, исходный текст программ, исполняемый объектный код, План верификации ПС, План квалификационного тестирования ПС. Результаты верификации должны быть включены в документы: выполненные процедуры верификации ПС, описание и отчет о квалификационном тестировании ПС и его компонентов.

Просмотры и анализы требований высокого уровня предназначены для того, чтобы обнаруживать, регистрировать и устранять дефекты и ошибки, которые внесены в процессе последовательной разработки и детализации спецификаций требований к ПС. Эти просмотры и анализы должны подтвердить корректность и согласованность требований высокого уровня, а также гарантировать, что:

- полностью определены функции информационной системы, которые должно выполнять ПС;

- требования по функциональности, эффективности и к качеству системы детализированы в исходных требованиях высокого уровня к ПС и что правильно определены производные требования и обоснована их необходимость;

- каждое требование высокого уровня к ПС является точным, однозначным и достаточно детализированным, и что требования не конфликтуют друг с другом;

- не существует никаких конфликтов между требованиями высокого уровня и возможностями аппаратных и программных средств объектного вычислителя, особенно такими, как время реакции системы и характеристики аппаратуры ввода/вывода;

- процесс разработки требований к ПС полностью соответствует стандартам на создание спецификаций требований и любые отклонения от стандартов обоснованы;

- функциональные и конструктивные характеристики качества, предназначенные для программной реализации, полностью включены в требования высокого уровня к ПС.

Просмотры и анализы исходных текстов программ предназначены для выявления и регистрации дефектов и ошибок, которые внесены в процессе программирования компонентов ПС. Эти процедуры должны подтверждать, что выходные результаты кодирования алгоритмов - тексты программ, являются точными, полными и могут быть проверены. Прежде всего, должна определяться корректность текста программ по отношению к исходным требованиям и к архитектуре ПС и соответствие стандартам на программирование. Эти просмотры и анализы обычно ограничиваются исходным текстом программ, которые подтверждают, что он является корректным, полным и соответствует требованиям низкого уровня к компонентам, а также то, что исходный текст не содержит излишних и неописанных функций. Должно быть проверено, что процесс разработки программ полностью осуществлялся в соответствии со стандартами на программирование и отклонения от этих стандартов обоснованы, особенно в случаях ограничения сложности и использования конструкций программ, которые должны удовлетворять целям корректности системы. Сложность в данном контексте понимается как степень связности программных компонентов, уровень вложенности управляющих структур и сложность логических и числовых выражений. Этот анализ должен гарантировать, что возможные отклонения от стандартов оправданы.

Тестирование ПС от требований имеет две взаимодополняющие цели. Первая цель - показать, что ПС удовлетворяет заданным требованиям к нему. Вторая цель - показать с высокой степенью доверия, что устранены дефекты и ошибки, которые могли бы привести к возникновению недопустимых отказовых ситуаций, влияющих на корректность и надежность системы. Тестирование интеграции программных компонентов, основанное на требованиях, должно акцентироваться на взаимосвязях между требованиями к ПС и на реализации требований к его архитектуре. Цель такого тестирования - гарантировать, что программные компоненты взаимодействуют друг с другом корректно и удовлетворяют требованиям к ПС и к его архитектуре.

Многолетний опыт показал, что единственный универсальный метод тестирования создать невозможно и следует применять упорядоченный ряд значительно различающихся методов. Каждый метод отличается целевыми задачами тестирования, проверяемыми компонентами программы и методами оценки результатов. Только совместное и систематическое применение различных методов тестирования позволяет достигать высокое качество функционирования сложных комплексов программ.

При выборе и применении методов тестирования программных компонентов необходимо учитывать общие требо­вания к ним и их особенности:

- относительно высокая доля творческого труда специалистов, осуществляющих тестирование, приводит к необходимости обеспече­ния высокоэффективного интерактивного их взаимодействия со средствами автоматизации проверок;

- непредсказуемость видов и мест выявляемых ошибок в прог­раммах ограничивает возможность автоматического их обнаруже­ния и определяет необходимость ориентироваться на частично автоматизированные ме­тоды и средства при творческой, высокой роли специалистов при тестировании;

- разнообразие возможных мест расположения и видов ошибок, при относительно редком их обнаружении, приводит к регистрации и анализу большого объема избыточной информации о процессе исполнения программ при тестировании;

- высокая сложность отлаживаемых программных компонентов, творческий и итерационный характер процесса тестирования затруд­няют и ограничивают возможную точность оценки полноты проведенного тести­рования и достигнутого качества компонентов;

- активное участие в тестировании специалистов, различающихся по квалификации, опыту, темпераменту и творческим возможностям, а также различия архитектуры, сложности и функций отлаживаемых программных компонентов не позволяют жестко регламентировать трудоемкость, методики и техно­логии применения видов и средств автоматизации тестирования.

В процессе разработки программ специалисты должны стремиться охватить тести­рованием функционирование ПС во всей доступной области изменения исходных данных и режимов применения. При этом номенклату­ра и диапазоны варьирования тестов ограничены либо допустимой длительностью подготовки и исполнения тестов, либо вычислительными ресурсами, доступными для использования с целью контроля и тестирования в режиме нормальной эксплуатации. Это отражается на выборе методов тестирования и последовательности анализа компонентов ПС, объеме применяемых тестов и на глубине тестирования. На выбор эффективных методов тестирования и последовательность их применения в наибольшей степени влияют основные характеристики тестируемых объектов:

- класс комплекса программ, определяющийся глубиной связи его функционирования с реальным временем и случайными воздействиями из внешней среды, а также требования к качеству обработки информации и надежности функционирования;

- сложность или масштаб (размеры) комплекса программ и его функциональных компонентов, являющихся конечными результатами разработки;

- преобладающие элементы в программах: осуществляющие вычисления сложных выражений и преобразования измеряемых величин или обрабатывающие логические и символьные данные для подготовки и отображения решений.

Тестовые варианты должны быть разработаны так, чтобы верифицировать корректность функционирования и определить условия, при которых могут проявляться потенциальные ошибки. Анализ покрытия тестами требований к ПС должен определять, какие требования не были протестированы и какие структуры программного средства не были исполнены при тестировании. Анализ тестового покрытия состоит из двух шагов, включающих анализ покрытия, основанного на требованиях, и анализ структурного покрытия. Первый шаг анализирует тестовые наборы относительно требований ПС, чтобы подтвердить, что выбранные наборы тестов удовлетворяют установленным критериям. Этот анализ покрытия, основанного на требованиях, должен определить, насколько полно тестирование проверило реализацию всех требований в спецификации к ПС, и показать потребность в дополнительных тестовых наборах. Тестовые варианты, основанные на требованиях, могут не полностью покрыть структуру программы. Поэтому дополнительно выполняется анализ структурного покрытия и проводится его верификация. Второй шаг должен подтвердить, что процедуры тестирования, основанные на требованиях, покрыли всю структуру программы. Анализ структурного покрытия должен определять, не пропущены ли элементы структуры программы, которые не проверены тестовыми процедурами, основанными на требованиях.

Далее внимание сосредоточено на основных методах обеспечения качества относи­тельно простых программ. К ним относятся отдельные программные модули (ПМ) или их небольшие группы, решающие достаточно простую функциональную задачу. Однако ниже эти компоненты не различаются, и преимущественно используется термин - программный модуль. Эти объекты тестирования имеют ряд принципиальных осо­бенностей, которые отличают их от сложных программных средств и непосредственно отражаются на применяемых методах и средствах автоматизации тестирования.

Невысокая размерность ПМ обеспечивает их обозримость и возможность детального анализа функций, структуры программы и процесса реше­ния задач. Детализированный контроль ПМ может проводиться планомерно и детерминировано с точностью до любого оператора или операнда в программе. Стремление к снижению сложности тестирования реализуется частично путем укрупнения наблюдаемых и анализи­руемых компонентов до уровня небольших групп операторов на языке программирования в пределах одного структурного элемента прог­раммы. Тем самым контролю доступна вся логика решения задачи и все возможные маршруты и варианты исполнения программы. В ре­зультате при тестировании имеется возможность оценивать и контролиро­вать степень проведенной проверки и достигнутое качество компонентов ПС, а также выделять следующие виды тестирования.

Тестирование для обнаружения ошибок имеет целью выявление отклонений результатов функционирования реальной программы от заданных требований и эталонных значений. Задача состоит в обнаружении максимального числа дефектов программы, в качестве которых принимается любое отклонение результатов от эталонов. Успешным является тестирование, которое приводит к обнаружению существования ошибок при минимальных затратах.

Тестирования для диагностики и локализации ошибок предназначено для того, чтобы точно установить исходное место искажения программ или данных, являющегося причиной и источником отклонения результатов от эталонов при тестировании для обнаружения ошибок. Эффективными являются тесты, способствующие быстрой и точной локализации первичных дефектов программ и данных. На этой стадии затраты оправданы и тестирование можно считать успешным, если оно привело к определению элементов программы или данных, подлежащих непосредственной корректировке.

Методы и стратегии тестирования программных компонентов используются для обработки текстов программ в различной форме и для представления информации о результатах тестирования в виде удобном для анализа специалистами. Форма представления и исполнения программы для тестирования зависит от этапов разработки, уровня языков прог­раммирования, наличия соответствующих средств автоматизации и других факторов. Программы в процессе тестирования используются в двух принципиально различных формах представления:

- в виде текста на языке программирования или формализован­ного описания спецификаций требований (символьное представле­ние), удобного для анализа человеком и обычно недоступного для непосредственного получения результатов функционирования на ЭВМ;

- в машинном коде конкретной ЭВМ (объектное представление), пригодном для автоматической обработки определенных кодовых исходных данных и неудобном для их анализа человеком.

Первичные и вторичные ошибки выявляются на последовательных этапах тестирования (см. лекцию 10). Вторичные ошибки являются определяющими для качества функционирования программ, так как не каждая первичная ошибка вносит заметный вклад в искажение выходных результатов. Вследствие этого ряд первичных ошибок может оставаться не обнаруженным и, по существу, не влияет негативно на функциональные характеристики программ. Существенной особенностью тестирования ПМ является относительная близость проявления вторичных ошибок к их причинам - первичным ошибкам. Это означает, что последствия ошибок обнаруживаются в искажениях результатов непосредственно в месте локализации первичной ошибки или после небольшого числа шагов исполнения программы. Это значительно облегчает их диагностику и локализацию, а также контроль правильности проведенных корректировок.

Анализ программы на уровне символов и опера­торов языка программирования обеспечивает все виды тестирова­ния: для обнаружения ошибок, для их локализации и для проверки правиль­ности выполненных корректировок. Эта особенность используется не только при автономной отладке модулей, но и при комплексном тестировании и обнаружении дефектов функционирования ПС. В последнем случае приходится итерационно углубляться в проверяемые компо­ненты, вплоть до модуля и его операторов. При этом для локализа­ции и исправления первичной ошибки в ряде случаев, приходится возвращаться к тестированию модулей на уровне операторов программы.

Еще одной особенностью тестирования ПМ является необходимость и возможность обеспечения гарантий их высокого ка­чества и пригодности для использования в разных проектах ПС. Перспективы многократного использования апробированных программных компонентов в различных версиях ПС могут быть обеспечены только при четкой формализации их функций и условий применения, а также при доверии к коррект­ной реализации функций и интерфейсов в определенной среде. Вследствие этого необходима систематичность тестирования и формализо­ванный контроль достигнутой корректности после каждого цикла проверок. Завершать отладку и испытания ПМ следует их аттестаци­ей, с приложением перечня реализуемых требований, интерфейсов, характеристик полноты тестирования и диапазонов варьирования тестовых данных. Такая аттестация может служить га­рантией качества для многократного использования ПМ в различной аппаратной и операционной среде.

Тестирование потоков управления (структуры программы) должно быть начальным этапом, так как при некорректной структуре возможны наиболее грубые искажения выход­ных результатов и даже отсутствие некоторых из них. Оно состоит в проверке корректности последовательностей передач управления и формирования маршрутов исполнения программы при обработке тестов. Для тестирования структуры прог­рамм в большинстве случаев требуются относительно меньшие затра­ты по сравнению с тестированием на потоках данных.

Тестирование потоков данных можно разделить на два этапа. Первый этап тестирования состоит в анализе обработки данных, оп­ределяющих значения предикатов в операторах выработки логических решений. Эти решения влияют на маршруты обработки информации, что сближает в этой части метод тестирования потоков данных с тестированием структуры программы. Второй этап тестирования обработки данных состоит в проверке вычислений по аналитическим формулам или численных значений результатов в зависимости от числовых или логических значений исходных данных. В качестве эталонов используются результаты ручных или автоматизированных расчетов по тем же или близким по содержанию формулам.

Любые методы тестирования ПМ, в большей или меньшей степени, ори­ентированы на обнаружение ошибок определенных типов. Методы тес­тирования потоков управления предназначены преимущественно для обнаружения ошибок в структуре ПМ и реализуемых маршрутах обработки информации. Методы тестирования потоков данных обеспечивают выявление ошибок в вычислительной части программ и в процессах преобразования различной информации. Эти методы тестирования применяются как при представле­нии программ на языках программирования, так и при исполнении их в объектном (машинном) коде после трансляции. Та­кая ориентация позволяет упорядочить последовательность примене­ния методов с целью устранения, прежде всего, ошибок, в наибольшей степени отражающихся на корректности программ, а также сосредо­точиваться на методах, позволяющих решать частные задачи достижения необходимого их качества при минимальных затратах.

Совокупность спецификаций тестов может рассматриваться как второе, независимое описание содержания и реализации последовательных процедур комплекса программ. Жизненный цикл и развитие тестов при разработке и сопровождении ПС должны проходить во времени, параллельно динамике изменения и жизненному циклу текстов программ. Тесты и сценарии их реализации должны быть адекватными и полностью отражать содержание текстов компонентов комплексов программ, но в иной форме. Их следует рассматривать и анализировать как еще одну форму описания функций программ и данных ПС, которые также могут содержать дефекты и ошибки. Таким образом, программной (процедурной) форме представления ПС должно полностью соответствовать его равноправное содержание в форме сценариев и тестов для проверки их взаимного соответствия. При этом дефекты и ошибки возможны в обеих формах описания содержания программ, определение их места и устранение является основной задачей тестирования.

Для обеспечения высокого качества программного продукта параллельно с верификацией требований и программированием корректировок, целесообразно разрабатывать и верифицировать спецификации и сценарии тестов, отражающие методы и конкретные процедуры проверки реализации изменений этих требований (рис. 13.2). Тестовые спецификации могут использоваться для проверки согласованности, внутренней непротиворечивости и полноты реализации требований без исполнения программ. Для каждого требования к комплексу программ, его архитектуре, функциональным компонентам и модулям должна быть разработана спецификация тестов, обеспечивающая проверку корректности, адекватности и возможности в последующем реализовать тестирование компонента на соответствие этому требованию. Такая взаимная проверка функций компонентов, отраженных в требованиях и в спецификациях тестов, обеспечивает повышение их качества, сокращение дефектов, ошибок, неоднозначностей и противоречий.

При тестировании программ зачастую оказывается, что не каждое требование в спецификации описано достаточно полно и корректно, чтобы оно могло быть проверено тестами. При разработке тестов на основе таких спецификаций вследствие их возможной неопределенности, может обнаруживаться, что не для каждого требования к программе или данным может быть подготовлен тест. С другой стороны не для каждого теста может оказаться в спецификации адекватное требование на функции ПС. Спецификации тестов должны обеспечивать дополнительный контроль корректности спецификаций требований и верификацию взаимодействия компонентов на соответствующем уровне описания ПС. Независимая разработка спецификаций тестов на основе спецификаций требований, создает базу для обнаружения, какие требования не тестировались или принципиально не могут быть проверены тестированием. Таким образом, верификация спецификаций требований на программные компоненты и ПС могут использоваться с двумя целями (см. рис.13.2):

- для разработки, программирования и проверки текстов программ и интерфейсов взаимодействия программных компонентов разных уровней в комплексе программ;

- для создания скоординированного комплекса тестов для совокупности компонентов, обеспечивающих взаимную проверку реализации спецификаций требований на комплекс программ и компоненты.

В результате совокупности спецификаций требований к тестам могут применяться при разработке и сопровождении как эталоны и вторая адекватная форма описания содержания программ для сквозной верификации спецификаций требований к тестам сверху вниз, а также сами подвергаться верификации на корректность соответствия исходным требованиям к компонентам текстов программ и данных разного уровня. Такие параллельные взаимные проверки спецификаций требований и текстов программ, и спецификаций тестов способствуют выявлению и исключению множества вторичных дефектов и ошибок в ПС. Впоследствии, эти спецификации тестов должны использоваться для непосредственного тестирования исполнения требований к программным компонентам соответствующего уровня. Кроме того, параллельная и независимая разработка, с одной стороны, спецификаций программ и спецификаций тестов, а также их реализации, с другой стороны, позволяет распараллеливать работы ЖЦ ПС, что ведет к сокращению сроков создания компонентов и комплексов программ.

Реализация этих целей взаимодействия верификации и тестирования может производиться разными методами и независимыми специалистами – программистами и тестировщиками, что позволяет использовать результаты их деятельности для сравнения содержания одних и тех же программ, представленных на языках программирования и описанных на языках тестов. Особенности описаний и реализации программ, а также мышления программистов – на основе функций и процедур исполнения программ, существенно отличаются от представлений и методов описаний тех же функций программ тестировщиками – создателями сценариев тестирования. Они акцентируют деятельность на конкретных процедурах проверки функционирования, возможных результатах и взаимодействии компонентов ПС. Это позволяет выявлять вторичные дефекты, появляющиеся при корректировках, и повышать качество разработки и сопровождения путем сопоставления двух методов и результатов описания одних и тех же программ, за счет того, что мала вероятность одинаковых ошибок в сценариях тестов и в реализации текстов программ.

Дата добавления: 2014-01-13