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安全軟件驗證與確認中的單元模塊測試技術

文檔作者：李鐸張良駒馮俊婷文檔來源：清華大學核能與新能源技術研究院!		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月12日
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!第!"卷第#期原子能科學技術$%&amp;amp;'!"
!
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"))*年#月+,%-./0123
45
6/.21/271892/:1%&amp;amp;%
45
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安全軟件驗證與確認中的
單元模塊測試技術
李!鐸!張良駒!馮俊婷
"清華大學核能與新能源技術研究院!北京!
=)))*!
$
摘要!核動力廠保護系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化必須解決的一項關鍵技術是如何完成安全軟件的驗證與確認
"
$e$
$!以證明和確認執(zhí)行安全功能的軟件自身的安全性和可靠性%軟件單元測試是$e$過程中的
重要環(huán)節(jié)!主要目的是驗證和確認軟件代碼開發(fā)過程中!軟件的設計轉變?yōu)檐浖a是適當&amp;amp;正確和完
整的%本工作初步研究了安全軟件的單元模塊測試技術!著重討論如何保證測試的完整性&amp;amp;建立測試環(huán)
境&amp;amp;建立測試用例及實施單元模塊測試等方面!并以某數(shù)字化保護系統(tǒng)安全軟件單元模塊測試實例說明
單元模塊測試的具體過程%
關鍵詞!安全軟件#單元測試#驗證與確認
中圖分類號!
9I?#
!!!文獻標志碼!
+
!!!文章編號!
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#修回日期!
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基金項目!國家自然科學基金資助項目"
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$
作者簡介!李!鐸"
=@>=
*$!男!遼寧撫順人!副研究員!博士!反應堆儀表與控制專業(yè)
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5
S,2-'
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S7O2,
5
S%O,R732
#
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4
#
[23.O./7,.%1718[7&amp;amp;.87,.%1
www.51testing.com
!!核動力廠儀表控制系統(tǒng)進入了數(shù)字化時
代!如何有效地保證并證明執(zhí)行安全功能的軟
件自身的安全性和可靠性是實現(xiàn)數(shù)字化必須解
決的關鍵問題%按照有關核安全法規(guī)的要求!
必須通過獨立的驗證與確認"
$e$
$過程!這是
保證安全軟件質量的重要舉措和必要步驟!是
對安全軟件的強制要求%安全軟件只有通過了
獨立$e$過程!才能被允許應用于核電站的
安全功能%
安全軟件的$e$是一個按嚴格的步驟評
定軟件產(chǎn)品的過程!貫穿于軟件產(chǎn)品的整個生
命周期%按照軟件工程的定義!軟件產(chǎn)品的生
命周期包括從其構想開始到退出使用為止的整
個過程!通常分為軟件需求分析階段&amp;amp;設計階
段&amp;amp;實現(xiàn)階段&amp;amp;系統(tǒng)集成與測試階段&amp;amp;安裝與調
試階段&amp;amp;運行與維護階段!在軟件生命周期的每
個階段均有相應的$e$ 活動%其中!一個重
要步驟是軟件實現(xiàn)"
J-
U
&amp;amp;2-21,7,.%1
$階段或稱
編碼"
A%8.1
4
$階段的$e$
%在軟件實現(xiàn)階
段!軟件的設計轉變?yōu)檐浖a及相關的機器
執(zhí)行碼!軟件實現(xiàn)階段$e$ 的任務是驗證和
確認這種轉變是正確&amp;amp;完整地!保證軟件設計說
明書中定義的各個軟件模塊的功能得到了正確
實現(xiàn)!未在編碼中引入錯誤!要求的編程規(guī)范&amp;amp;
習慣和約定在編碼中得到了正確貫徹和落實%
軟件實現(xiàn)階段$e$ 的主要目的是'跟蹤軟件
設計和代碼的實現(xiàn)!驗證產(chǎn)生的代碼是與設計
相符合的#發(fā)現(xiàn)設計和需求階段的問題"錯誤或
含混的描述$導致的軟件錯誤#發(fā)現(xiàn)在編碼過程
中引入的錯誤%軟件實現(xiàn)階段$e$的活動包
括對軟件單元模塊靜態(tài)分析和動態(tài)測試兩部分
內容%單元測試是對軟件基本組成單元逐個進
行的測試!單元測試必須執(zhí)行白盒測試!關注的
是軟件單元的具體實現(xiàn)&amp;amp;內部的邏輯結構&amp;amp;數(shù)據(jù)
流向等!不能以僅關注輸入&amp;amp;輸出特性的黑盒測
試代替%
本工作著重討論安全軟件單元模塊的測試
技術!包括如何保證測試的完整性&amp;amp;建立測試環(huán)
境&amp;amp;建立測試用例&amp;amp;實施單元模塊測試的過程%
=
!單元測試的完整性
安全軟件$e$的單元測試必須執(zhí)行白盒
測試!要求對軟件單元的邏輯結構實現(xiàn)完整的
測試%度量測試完整性的主要指標是測試覆蓋
率!對安全軟件的單元模塊測試必須達到
=))`覆蓋率%
覆蓋率的種類很多!一種覆蓋率只針對軟
件代碼的一個方面!各種覆蓋率是不能互相代
替或包含的+
=
,
%對安全軟件單元模塊邏輯結構
的測試需要選擇哪幾種覆蓋率測試才能保證達
到完整的測試覆蓋要求!是需首先解決的重要
問題%對這個問題沒有簡單&amp;amp;統(tǒng)一的答案!須結
合具體的軟件代碼設計特點分析確定%
本工作在安全軟件設計中采取了以下措
施'
=
$整個軟件系統(tǒng)采用模塊化設計#
"
$單元
模塊內采用簡單結構!沒有軟件嵌套#
?
$不使
用操作系統(tǒng)支持!軟件源代碼完全透明#
!
$不
使用中斷!軟件代碼的執(zhí)行流程是完全確定的%
在這種前提下!為滿足測試完整性要求!在單元
測試中選擇了語句覆蓋&amp;amp;分支覆蓋和更改條件
判定覆蓋%
語句覆蓋"
6,7,2-21,A%[237
4
2
$的含義是!
在測試時設計若干測試用例!使程序中的每個
可執(zhí)行語句至少執(zhí)行=次%當測試用例使語句
覆蓋率達到=))`時!可保證每個可執(zhí)行語句
均得到測試%語句覆蓋存在=個缺點'軟件的
設計不可能逐條語句順序執(zhí)行!包含很多語句
分支!語句覆蓋未反映各個語句分支的執(zhí)行是
否正確!因此!需增加分支覆蓋%
分支覆蓋"
X371/:A%[237
4
2
$也稱判定覆
蓋"
E2/.S.%1A%[237
4
2
$!它的含義是!在測試時
設計若干測試用例!使程序中的每個判斷條件
的真&amp;amp;假值均曾被滿足!從而使每個判斷至少取
真分支和假分支各執(zhí)行=次%當測試用例使分
支覆蓋率達到=))`時!可保證軟件中的每個
語句分支均得到測試%分支覆蓋還存在以下不
足'當復合條件用于控制分支時!雖能保證每個
分支均被測試!但由于一個特定分支的執(zhí)行是
由兩個或多個條件項的組合邏輯值決定的!分
支覆蓋可能只測試了其中的=種組合!而產(chǎn)生
同一邏輯值的其他組合可能未被測試到%
可使用判定條件覆蓋"
E2/.S.%1A%18.,.%1
A%[237
4
2
$實現(xiàn)復合條件的完全測試!其含義
是!設計足夠多的測試用例!使得判斷中每個條
件的所有可能值"為真為假$至少出現(xiàn)=次!且
每個判斷本身的判定結果"為真為假$也至少出
GG" 原子能科學技術!!第!"卷
現(xiàn)=次%判定條件覆蓋理論上可實現(xiàn)復合條件
的完全測試!但在組合的條件項增加時!測試用
例的增加將呈指數(shù)上升!實際上很難實現(xiàn)測試
的=))`覆蓋!因此!在安全軟件測試中采用更
改條件判定覆蓋%
更改條件判定覆蓋"
B%8.O.28A%18.,.%1S
-
E2/.S.%1A%[237
4
2
!
BA
-
EA
$是判定條件覆蓋
的一個變體!它要求'
=
$被測試程序每個軟件
分支的入口點和出口點必須至少被走=次!且
每一個程序判定的結果至少被覆蓋=次#
"
$通
過分解邏輯操作!程序的判定被分解為基本的
布爾條件表達式!每個條件獨立地作用于判定
的結果!覆蓋所有條件的可能結果%應用分解
邏輯操作可防止測試用例的指數(shù)增長!使軟件
分支判斷式中的復合條件測試實現(xiàn)=))`覆蓋
成為可能%
在安全軟件采用模塊化&amp;amp;簡單結構&amp;amp;不使用
中斷等條件下!軟件的行為具有確定性!在單元
模塊測試中使用了語句覆蓋&amp;amp;分支覆蓋和更改
條件判定覆蓋?個覆蓋率指標!即可實現(xiàn)一個
安全軟件單元完整的邏輯結構測試%
>
!單元測試環(huán)境的建立
待測試的軟件單元本身不是一獨立的程
序!并未構成一個完整的可運行的軟件系統(tǒng)!因
此!需為它建立一個測試環(huán)境%建立單元測試
環(huán)境的工作實際就是開發(fā)驅動模塊和樁模塊%
在大多數(shù)應用中!驅動模塊只是一個接收測試
數(shù)據(jù)!并把測試數(shù)據(jù)傳給待測試模塊!然后輸出
相關結果的(主程序)%樁模塊的功能是替代那
些隸屬于待測模塊"被調用$的子模塊!這種樁
模塊可能要使用子模塊的接口!才能做一些數(shù)
據(jù)操作!并驗證輸出結果的信息!然后返回%單
元測試環(huán)境示于圖=
%
為一個單元模塊建立測試環(huán)境的主要工
作有'
=
$建立驅動模塊!構造最小運行調度系
統(tǒng)!用以模擬被測模塊的上一級模塊#
"
$建立
樁模塊!模擬實現(xiàn)單元接口!實現(xiàn)被測單元需
調用的其他函數(shù)接口#
?
$模擬生成測試數(shù)據(jù)
或狀態(tài)!為單元運行準備動態(tài)環(huán)境%然后!即
可開展測試并收集測試結果數(shù)據(jù)!形成測試
報告%
在安全軟件的單元測試中使用了軟件自動
圖=
!單元測試環(huán)境
_.
4
'=
!
K1.,,2S,.1
4
S/:2-2
測試工具$2/,%3A+69
!運行界面示于圖"
!它
提供的功能可輔助建立=個單元測試環(huán)境!包
括'
=
$分析需要增加的測試用例!以提高測試
結果的語句覆蓋&amp;amp;分支覆蓋和更改條件判定覆
蓋的覆蓋率#
"
$通過用戶配置!生成必要的驅
動模塊和樁模塊!并連接成一個完整的程序!以
實現(xiàn)測試用例的運行#
?
$自動運行測試用例并
采集測試結果!整理測試報告%
圖"
!
$2/,%3A+69的運行界面
_.
4
'"
!
KS23.1,23O7/2%O$2/,%3A+69
C
!測試用例的建立
單元模塊測試的主要工作是為每個待測單
元模塊建立測試用例!包括編輯測試輸入值和
期望輸出值!以判斷程序是否正確執(zhí)行了預定
的功能#同時!分析需要設計哪些測試用例!以
實現(xiàn)測試結果中語句覆蓋&amp;amp;分支覆蓋和更改條
件判定覆蓋的=))`覆蓋率!達到安全軟件邏
輯結構要求的測試目標%
每個測試用例的建立是針對具體的軟件單
元模塊進行的!一般需經(jīng)過以下步驟'
=
$分析
軟件的設計說明書!清楚待測軟件單元需要完
成的功能&amp;amp;測試輸入值和期望輸出值的取值范
圍#
"
$建立第=個測試用例!按軟件正常運行
時的期望值設計測試輸入值!運行測試用例!以
GG? 第#期!!李!鐸等'安全軟件驗證與確認中的單元模塊測試技術
驗證待測軟件可實現(xiàn)設計功能#
?
$結合軟件流
程圖和軟件源碼分析已建立測試用例的測試結
果!建立新的測試用例!以增加測試覆蓋率!新
的測試用例通過修改測試輸入值實現(xiàn)!使其執(zhí)
行待測軟件中某個期望的語句&amp;amp;分支!或=個分
支中某種期望的組合條件#
!
$因每個測試用例
的設計目的是為了增加測試覆蓋率!在每個新
的測試用例編輯并執(zhí)行測試后!檢查當前的測
試結果!驗證是否增加了測試覆蓋率!如果測試
覆蓋率無變化!說明當前的測試用例是無效的!
需進行編輯修改#
G
$重復上述?
$&amp;amp;
!
$步驟!直至
建立全部需要的測試用例%
測試用例的建立可使用輔助編輯工具!如
圖"所示為采用$2/,%3A+69編輯測試用例時
的界面%
N
!單元測試的實現(xiàn)
應用上述討論的軟件單元測試技術!在一
個數(shù)字化保護系統(tǒng)安全軟件$e$的過程中完
成了單元測試!下面結合=個示例單元模塊的
測試過程說明安全軟件單元測試的實現(xiàn)%
示例程序(
4
2,
0
"
0
%<,
0
%O
0
?'/
)是保護系統(tǒng)
邏輯符合單元執(zhí)行(
"
-
?
)"三取二$符合運算的
函數(shù)!軟件的源代碼為'
/%1S, 0DDFD^\=
#
-
%
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"
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32,<310DDFD
#
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$
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#
2&amp;amp;S2
32,<310DDFD
#2
程序流程框圖示于圖?
!程序完成的功能
為'
=
$首先根據(jù)輸入變量初始化?個本地變量
-E7,7
+
)
!
=
!
"
,#
"
$對-E7,7
+
)
!
=
!
"
,中的每兩
個變量逐一比較!如果有兩個變量值相等!則存
入待返回變量32E7,7
!否則!返回0DDFD
"(
\=
)$#
?
$判斷32E7,7結果是否合適"值為
(
)
)或(
=
)$!如果合適!則返回32E7,7
!否則!返
回0DDFD
"(
\=
)$%
為實現(xiàn)函數(shù)(
4
2,
0
"
0
%<,
0
%O
0
?
)測試!應用
$2/,%3A+69工具輔助建立軟件測試環(huán)境!工
作步驟如下'
=
$設置待測函數(shù)的編譯環(huán)境!使
它與軟件(
4
2,
0
"
0
%<,
0
%O
0
?'/
)在生成最終產(chǎn)品
時應用的編譯環(huán)境一致#
"
$函數(shù)(
4
2,
0
"
0
%<,
0
%O
0
?
)沒有對其它函數(shù)的調用!不需要建立樁模
塊#
?
$
$2/,%3A+69 能自動生成驅動模塊!并
與待測函數(shù)(
4
2,
0
"
0
%<,
0
%O
0
?
)連接!準備執(zhí)行
測試用例#
!
$建立并編輯測試用例!由$2/,%3H
A+69自動執(zhí)行!記錄測試結果%軟件測試的
主要工作是逐個編輯測試用例%在本示例程序
中!測試輸入值是?個整數(shù)!期望輸出值是?個
數(shù)的(
"
-
?
)結果"(
)
)或(
=
)$!遇到錯誤時輸出
0DDFD
"(
\=
)$%
下面分析需要為示例程序設計哪些測試用
例%如圖?所示!示例程序的代碼流程中有!
個分支點!需要設計測試用例使每個分支點取
真"
9
$&amp;amp;取假"
_
$各=次#同時!分支點$是復合
條件判斷!需要使每個判斷條件"
32E7,7^^)
和32E7,7^^=
$取真"
9
$&amp;amp;取假"
_
$各=次%因
此!設計了G個測試用例!每個測試用例的內容
和測試的分支點總結列于表=
%
GG! 原子能科學技術!!第!"卷
圖?
!示例程序流程框圖
_.
4
'?
!
_&amp;amp;%R8.7
4
37-%O2Z7-
U
&amp;amp;2
U
3%
4
37-
!!測試用例建立并編輯完成后"編輯界面見
圖"
$!
$2/,%3A+69可自動依次執(zhí)行每個測試
用例%在測試用例執(zhí)行過程中!
$2/,%3A+69
檢查單元模塊的實際輸出結果是否與期望值一
致!統(tǒng)計執(zhí)行每個測試用例時的軟件覆蓋情況!
并生成:,-&amp;amp;格式的測試結果報告%如果測試
用例中存在設計輸出值與期望值不符!則說明
該單元模塊代碼存在功能錯誤#如果測試結果
未實現(xiàn)=))`覆蓋!則說明對該單元模塊的邏
輯結構沒有實現(xiàn)完全測試%
表=
!示例程序的測試用例設計
5192$=
!
5$0+&amp;amp;)
B
'10$"$0&amp;amp;
B
)A(,$Q1%
7
2$
7
,(
B
,1%
序號
測試用例
E7,7
+
)
,
E7,7
+
=
,
E7,7
+
"
, 返回
測試的分支點
% &amp;amp; ' $
32E7,7^^) 32E7,7^^=
= ) = " \= _ _ _ \ \ \
" = ) = = _ _ 9 9 _ 9
? " = " \= _ _ 9 _ _ _
! ) = = = _ 9 \ 9 _ 9
G ) ) = ) 9 \ \ 9 9 _
!!執(zhí)行上述測試用例的測試報告為'
A%82A%[237
4
2O%3K1.,
'
4
2,
0
"
0
%<,
0
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0
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A%[237
4
29
5U
2
'
&amp;amp;2[2&amp;amp;
0
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'
+
44
32
4
7,2
/%1S, 0DDFD^\=
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2,
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0
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0
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!
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GGG 第#期!!李!鐸等'安全軟件驗證與確認中的單元模塊測試技術
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蓋率%在實際的軟件測試中!一般情況下!不可
能=次編寫測試用例就能完全實現(xiàn)=))`覆蓋
率!需根據(jù)測試報告的統(tǒng)計結果增加新的測試
用例%
H
!結論
軟件單元測試是安全軟件$e$過程中的
重要環(huán)節(jié)%本工作對安全軟件單元測試的實現(xiàn)
技術進行了初步研究!著重討論了如何保證測
試的完整性&amp;amp;建立測試環(huán)境及測試用例&amp;amp;實施單
元模塊測試的過程等方面%本文所討論的技術
已在某工程數(shù)字化保護系統(tǒng)安全軟件$e$過
程中應用于單元測試工作中%
參考文獻!
+
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,
!古樂!史九林'軟件測試技術概論+
B
,
'北京'清
華大學出版社!
"))!'
GG# 原子能科學技術!!第!"卷

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