基于路徑覆蓋的嵌入式軟件動(dòng)態(tài)測(cè)試研究

摘要：針對(duì)嵌入式軟件動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)的覆蓋率分析問(wèn)題，提出了一種嵌入式軟件動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)框架。該框架基于嵌入式軟件測(cè)試的特點(diǎn)及路徑覆蓋的相關(guān)理論，包括被測(cè)試程序的靜態(tài)分析、插樁技術(shù)和數(shù)據(jù)處理分析等部分。以靜態(tài)分析指導(dǎo)插樁庫(kù)的建立，通過(guò)插樁技術(shù)在程序分支或重要位置點(diǎn)植入探針，執(zhí)行已插樁程序，獲得動(dòng)態(tài)測(cè)試跟蹤數(shù)據(jù)，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析并制作初步測(cè)試報(bào)告。結(jié)合該框架，模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)行項(xiàng)目208型海區(qū)終端的航標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊，得出路徑覆蓋率，證明該系統(tǒng)框架的可行性。
關(guān)鍵詞：嵌入式軟件；軟件測(cè)試；路徑覆蓋；基本路徑測(cè)試；覆蓋率分析

0 引言
目前，嵌入式軟件已廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域：如工業(yè)控制、通信設(shè)備、信息家電以及航空航天等領(lǐng)域，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，復(fù)雜性也日益增加。但由于嵌入式軟件實(shí)時(shí)性強(qiáng)、I／O通道少、內(nèi)存資源受限、與硬件及硬件驅(qū)動(dòng)緊密關(guān)聯(lián)、CPU種類繁多等特點(diǎn)，決定了嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)和測(cè)試必須在交叉編譯環(huán)境下進(jìn)行，即開(kāi)發(fā)及測(cè)試工具運(yùn)行在宿主機(jī)上，而被測(cè)程序運(yùn)行在軟硬件資源緊張的目標(biāo)機(jī)上。僅僅在開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行嵌入式軟件測(cè)試，難以保障其測(cè)試結(jié)果的有效性；而僅在目標(biāo)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，由于軟件運(yùn)行的不可視性，又使得測(cè)試者難以知曉程序當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，以及代碼的覆蓋情況。因此對(duì)嵌入式軟件覆蓋測(cè)試技術(shù)的要求也更高。
軟件測(cè)試是一種有效地保證軟件質(zhì)量的重要手段。常用的軟件測(cè)試方法有黑盒測(cè)試、白盒測(cè)試和灰盒測(cè)試。白盒測(cè)試中最成熟、最常用的方法是覆蓋測(cè)試，它是一種動(dòng)態(tài)軟件測(cè)試方法。覆蓋測(cè)試是驗(yàn)證軟件功能結(jié)構(gòu)正確性以及查找問(wèn)題的一種重要方法和手段。為了獲取覆蓋率信息，必須在獲得被測(cè)程序結(jié)構(gòu)信息、靜態(tài)數(shù)據(jù)流信息、控制流信息等基礎(chǔ)上，加入一些探針，通過(guò)探針收集的信息來(lái)獲得程序的執(zhí)行路徑、狀態(tài)等控制流。
路徑覆蓋測(cè)試是覆蓋測(cè)試中的關(guān)鍵測(cè)試技術(shù)之一，目前已應(yīng)用于程序覆蓋率分析、測(cè)試用例設(shè)計(jì)、程序調(diào)試、性能優(yōu)化等多個(gè)方面，是覆蓋程度最高的測(cè)試。其基本原理是用最少的測(cè)試用例，覆蓋程序中的所有路徑，發(fā)現(xiàn)程序中最多的錯(cuò)誤，安排測(cè)試計(jì)劃、分配測(cè)試資源，并對(duì)實(shí)際測(cè)試所達(dá)到的覆蓋率做出評(píng)估。本文給出了路徑覆蓋相關(guān)理論，并在理論研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了一種嵌入式軟件動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)框架，完成對(duì)被測(cè)程序的路徑覆蓋率分析，進(jìn)而判斷測(cè)試的充分性及弱點(diǎn)，從而進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)試過(guò)程。

1 路徑覆蓋相關(guān)理論
路徑覆蓋使程序中每一條可能的路徑至少執(zhí)行一次。但在實(shí)際工作中，即使一個(gè)不太復(fù)雜的程序，路徑數(shù)量往往也是較多的。要在測(cè)試中覆蓋所有的路徑是不現(xiàn)實(shí)的，而基本路徑測(cè)試就是一種簡(jiǎn)化路徑數(shù)的測(cè)試方法。
基本路徑測(cè)試是在控制流圖的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析控制結(jié)構(gòu)的環(huán)形復(fù)雜度，導(dǎo)出執(zhí)行路徑的基本集，再?gòu)脑摶炯O(shè)計(jì)測(cè)試用例。為了清晰描述基本路徑測(cè)試方法，需要對(duì)本文中用到的幾個(gè)基本概念進(jìn)行說(shuō)明。
(1)程序控制流圖：是對(duì)程序流程圖簡(jiǎn)化后得到的，它是一種有向圖G=(N，E，Entry，Exit)，其中N是流圖的節(jié)點(diǎn)數(shù)，E是流圖的邊數(shù)。
(2)Z路徑優(yōu)化：是指限制循環(huán)的次數(shù)，無(wú)論循環(huán)的形式和循環(huán)體實(shí)際執(zhí)行的次數(shù)，簡(jiǎn)化后的循環(huán)測(cè)試只考慮執(zhí)行循環(huán)體一次和零次(不執(zhí)行)兩種情況。
(3)環(huán)形復(fù)雜度：提供程序基本路徑集的獨(dú)立路徑數(shù)量以及確保所有語(yǔ)句至少執(zhí)行一次的測(cè)試數(shù)量的上界?？梢酝ㄟ^(guò)下列兩種方法來(lái)計(jì)算：對(duì)流圖G，環(huán)形復(fù)雜度V(G)=E-N+2；或V(G)=P+1，其中P為包含在流圖G中的判定節(jié)點(diǎn)數(shù)。
(4)基本路徑集BP：指軟件可達(dá)路徑的最小集合，等于環(huán)形復(fù)雜度V(G)。
(5)路徑覆蓋率計(jì)算：由基本路徑集BP設(shè)計(jì)測(cè)試用例集T，使T理論上按BP執(zhí)行。然后分析動(dòng)態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)，構(gòu)造實(shí)測(cè)路徑集Pn。計(jì)算測(cè)試覆蓋率PCP=(Pn／BP)×100％其中Pn=P(T1)P(T2)…P(Tn)。

2 嵌入式軟件動(dòng)態(tài)測(cè)試框架
嵌入式軟件動(dòng)態(tài)測(cè)試框架如圖1所示。它包含宿主機(jī)程序插樁及數(shù)據(jù)處理分析和目標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)處理兩部分。

在嵌入式軟件測(cè)試中，靜態(tài)測(cè)試是基礎(chǔ)，對(duì)被測(cè)軟件進(jìn)行代碼規(guī)則檢查、靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和代碼質(zhì)量評(píng)估；動(dòng)態(tài)測(cè)試是必要補(bǔ)充，在目標(biāo)機(jī)真實(shí)環(huán)境下或仿真環(huán)境下運(yùn)行被測(cè)程序，采集動(dòng)態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)，分析其動(dòng)態(tài)行為。
嵌入式軟件路徑覆蓋測(cè)試的特點(diǎn)就是必須在交叉編譯環(huán)境下，通過(guò)物理通道傳輸完整的動(dòng)態(tài)測(cè)試跟蹤數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)后得到路徑覆蓋率。動(dòng)態(tài)執(zhí)行前先要檢查目標(biāo)機(jī)與宿主機(jī)的連接狀況，確保測(cè)試正常進(jìn)行。
2．1 被測(cè)試程序靜態(tài)分析
靜態(tài)分析并不真正執(zhí)行被測(cè)程序，也不需要對(duì)代碼進(jìn)行編譯鏈接，生成可執(zhí)行文件。首先，對(duì)源碼進(jìn)行詞法語(yǔ)法分析和變量分析，找出不符合編碼規(guī)范的地方，根據(jù)某種質(zhì)量模型評(píng)價(jià)代碼的質(zhì)量，生成模塊調(diào)用關(guān)系圖、模塊的程序流程圖等。其次，從程序中提取必要的數(shù)據(jù)并保存，提供給后續(xù)的動(dòng)態(tài)分析和測(cè)試報(bào)告使用。最后，根據(jù)模塊的程序流程圖繪制程序控制流圖G，得到程序控制流圖的邊數(shù)E和節(jié)點(diǎn)數(shù)N，指導(dǎo)插樁庫(kù)的建立，并根據(jù)Z路徑優(yōu)化法構(gòu)造程序的基本路徑集BP，構(gòu)建動(dòng)態(tài)路徑覆蓋測(cè)試的比較基礎(chǔ)。
2．2 插樁技術(shù)
一般來(lái)說(shuō)，對(duì)程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試的時(shí)候，基本上要使用程序插樁來(lái)進(jìn)行覆蓋測(cè)試。程序插樁技術(shù)是保持被測(cè)軟件邏輯完整性的基礎(chǔ)上，在源代碼中插入探針函數(shù)，它是一個(gè)子過(guò)程調(diào)用，調(diào)用的子過(guò)程能在運(yùn)行到插樁點(diǎn)時(shí)記錄下有關(guān)的運(yùn)行情況，采集執(zhí)行程序在真實(shí)環(huán)境中運(yùn)行的控制流、數(shù)據(jù)流等測(cè)試數(shù)據(jù)。插樁時(shí)需確保探針函數(shù)對(duì)源程序執(zhí)行影響最小。
基本路徑測(cè)試依賴探針插樁技術(shù)完成分支位置點(diǎn)標(biāo)志位的采集。插樁位置最好選擇在應(yīng)用程序?qū)樱攸c(diǎn)采集輸入輸出模塊中的上層函數(shù)運(yùn)行信息，底層模塊加強(qiáng)單元測(cè)試，而在嵌入式軟件模塊集成時(shí)，默認(rèn)這些模塊是正確無(wú)誤的。根據(jù)程序按塊劃分的原則，可以在子函數(shù)出入點(diǎn)、程序塊控制流圖G的分支節(jié)點(diǎn)、功能測(cè)試的重點(diǎn)變量處植入探針。
基本路徑測(cè)試的插樁過(guò)程是靜態(tài)的，數(shù)據(jù)收集過(guò)程是動(dòng)態(tài)的，結(jié)束時(shí)需恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。動(dòng)態(tài)測(cè)試前，被測(cè)程序與插樁庫(kù)連接，完成插樁操作，獲取執(zhí)行程序。執(zhí)行程序交叉編譯后運(yùn)行于目標(biāo)實(shí)際環(huán)境或者仿真環(huán)境下，通過(guò)探針函數(shù)返回動(dòng)態(tài)測(cè)試跟蹤數(shù)據(jù)。