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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：	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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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!核動力廠保護系統實現數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$過程中的
重要環節!主要目的是驗證和確認軟件代碼開發過程中!軟件的設計轉變為軟件代碼是適當&amp;amp;正確和完
整的%本工作初步研究了安全軟件的單元模塊測試技術!著重討論如何保證測試的完整性&amp;amp;建立測試環
境&amp;amp;建立測試用例及實施單元模塊測試等方面!并以某數字化保護系統安全軟件單元模塊測試實例說明
單元模塊測試的具體過程%
關鍵詞!安全軟件#單元測試#驗證與確認
中圖分類號!
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!!!文獻標志碼!
+
!!!文章編號!
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#修回日期!
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基金項目!國家自然科學基金資助項目"
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$
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
U
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5
S,2-'
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S7O2,
5
S%O,R732
#
<1.,,2S,.1
4
#
[23.O./7,.%1718[7&amp;amp;.87,.%1
www.51testing.com
!!核動力廠儀表控制系統進入了數字化時
代!如何有效地保證并證明執行安全功能的軟
件自身的安全性和可靠性是實現數字化必須解
決的關鍵問題%按照有關核安全法規的要求!
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$是一個按嚴格的步驟評
定軟件產品的過程!貫穿于軟件產品的整個生
命周期%按照軟件工程的定義!軟件產品的生
命周期包括從其構想開始到退出使用為止的整
個過程!通常分為軟件需求分析階段&amp;amp;設計階
段&amp;amp;實現階段&amp;amp;系統集成與測試階段&amp;amp;安裝與調
試階段&amp;amp;運行與維護階段!在軟件生命周期的每
個階段均有相應的$e$ 活動%其中!一個重
要步驟是軟件實現"
J-
U
&amp;amp;2-21,7,.%1
$階段或稱
編碼"
A%8.1
4
$階段的$e$
%在軟件實現階
段!軟件的設計轉變為軟件代碼及相關的機器
執行碼!軟件實現階段$e$ 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!未在編碼中引入錯誤!要求的編程規范&amp;amp;
習慣和約定在編碼中得到了正確貫徹和落實%
軟件實現階段$e$ 的主要目的是'跟蹤軟件
設計和代碼的實現!驗證產生的代碼是與設計
相符合的#發現設計和需求階段的問題"錯誤或
含混的描述$導致的軟件錯誤#發現在編碼過程
中引入的錯誤%軟件實現階段$e$的活動包
括對軟件單元模塊靜態分析和動態測試兩部分
內容%單元測試是對軟件基本組成單元逐個進
行的測試!單元測試必須執行白盒測試!關注的
是軟件單元的具體實現&amp;amp;內部的邏輯結構&amp;amp;數據
流向等!不能以僅關注輸入&amp;amp;輸出特性的黑盒測
試代替%
本工作著重討論安全軟件單元模塊的測試
技術!包括如何保證測試的完整性&amp;amp;建立測試環
境&amp;amp;建立測試用例&amp;amp;實施單元模塊測試的過程%
=
!單元測試的完整性
安全軟件$e$的單元測試必須執行白盒
測試!要求對軟件單元的邏輯結構實現完整的
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
用操作系統支持!軟件源代碼完全透明#
!
$不
使用中斷!軟件代碼的執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
可執行語句至少執行=次%當測試用例使語句
覆蓋率達到=))`時!可保證每個可執行語句
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行!包含很多語句
分支!語句覆蓋未反映各個語句分支的執行是
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=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=次%判定條件覆蓋理論上可實現復合條件
的完全測試!但在組合的條件項增加時!測試用
例的增加將呈指數上升!實際上很難實現測試
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#
"
$通
過分解邏輯操作!程序的判定被分解為基本的
布爾條件表達式!每個條件獨立地作用于判定
的結果!覆蓋所有條件的可能結果%應用分解
邏輯操作可防止測試用例的指數增長!使軟件
分支判斷式中的復合條件測試實現=))`覆蓋
成為可能%
在安全軟件采用模塊化&amp;amp;簡單結構&amp;amp;不使用
中斷等條件下!軟件的行為具有確定性!在單元
模塊測試中使用了語句覆蓋&amp;amp;分支覆蓋和更改
條件判定覆蓋?個覆蓋率指標!即可實現一個
安全軟件單元完整的邏輯結構測試%
>
!單元測試環境的建立
待測試的軟件單元本身不是一獨立的程
序!并未構成一個完整的可運行的軟件系統!因
此!需為它建立一個測試環境%建立單元測試
環境的工作實際就是開發驅動模塊和樁模塊%
在大多數應用中!驅動模塊只是一個接收測試
數據!并把測試數據傳給待測試模塊!然后輸出
相關結果的(主程序)%樁模塊的功能是替代那
些隸屬于待測模塊"被調用$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
據操作!并驗證輸出結果的信息!然后返回%單
元測試環境示于圖=
%
為一個單元模塊建立測試環境的主要工
作有'
=
$建立驅動模塊!構造最小運行調度系
統!用以模擬被測模塊的上一級模塊#
"
$建立
樁模塊!模擬實現單元接口!實現被測單元需
調用的其他函數接口#
?
$模擬生成測試數據
或狀態!為單元運行準備動態環境%然后!即
可開展測試并收集測試結果數據!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行了預定
的功能#同時!分析需要設計哪些測試用例!以
實現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!使其執
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$2/,%3A+69編輯測試用例時
的界面%
N
!單元測試的實現
應用上述討論的軟件單元測試技術!在一
個數字化保護系統安全軟件$e$的過程中完
成了單元測試!下面結合=個示例單元模塊的
測試過程說明安全軟件單元測試的實現%
示例程序(
4
2,
0
"
0
%<,
0
%O
0
?'/
)是保護系統
邏輯符合單元執行(
"
-
?
)"三取二$符合運算的
函數!軟件的源代碼為'
/%1S, 0DDFD^\=
#
-
%
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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
"(
\=
)$%
為實現函數(
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境!工
作步驟如下'
=
$設置待測函數的編譯環境!使
它與軟件(
4
2,
0
"
0
%<,
0
%O
0
?'/
)在生成最終產品
時應用的編譯環境一致#
"
$函數(
4
2,
0
"
0
%<,
0
%O
0
?
)沒有對其它函數的調用!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(
4
2,
0
"
0
%<,
0
%O
0
?
)連接!準備執行
測試用例#
!
$建立并編輯測試用例!由$2/,%3H
A+69自動執行!記錄測試結果%軟件測試的
主要工作是逐個編輯測試用例%在本示例程序
中!測試輸入值是?個整數!期望輸出值是?個
數的(
"
-
?
)結果"(
)
)或(
=
)$!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可自動依次執行每個測試
用例%在測試用例執行過程中!
$2/,%3A+69
檢查單元模塊的實際輸出結果是否與期望值一
致!統計執行每個測試用例時的軟件覆蓋情況!
并生成:,-&amp;amp;格式的測試結果報告%如果測試
用例中存在設計輸出值與期望值不符!則說明
該單元模塊代碼存在功能錯誤#如果測試結果
未實現=))`覆蓋!則說明對該單元模塊的邏
輯結構沒有實現完全測試%
表=
!示例程序的測試用例設計
5192$=
!
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; ' $
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" = ) = = _ _ 9 9 _ 9
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! ) = = = _ 9 \ 9 _ 9
G ) ) = ) 9 \ \ 9 9 _
!!執行上述測試用例的測試報告為'
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其中'
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表示分支點取真和取假經過測試%
設計的測試用例實現了?個覆蓋"語句覆
蓋&amp;amp;分支覆蓋和更改條件判定覆蓋$的=))`覆
蓋率%在實際的軟件測試中!一般情況下!不可
能=次編寫測試用例就能完全實現=))`覆蓋
率!需根據測試報告的統計結果增加新的測試
用例%
H
!結論
軟件單元測試是安全軟件$e$過程中的
重要環節%本工作對安全軟件單元測試的實現
技術進行了初步研究!著重討論了如何保證測
試的完整性&amp;amp;建立測試環境及測試用例&amp;amp;實施單
元模塊測試的過程等方面%本文所討論的技術
已在某工程數字化保護系統安全軟件$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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