萇瑤，陸志肖，吳麗媛，宋治惠，胡尊帆

（中國直升機設(shè)計研究所 機電軟件專業(yè)，天津，300300）

0 引言

航空電子技術(shù)不斷發(fā)展，現(xiàn)代飛機的體系架構(gòu)已逐漸向模塊化、高度綜合化方向發(fā)展，軟件實現(xiàn)的功能在航空電子系統(tǒng)中的地位越來越重要。航空機載軟件具有嵌入式、實時性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高安全關(guān)鍵等級等特點[1]，航空機載軟件可靠性決定了航空電子系統(tǒng)乃至整個航空器的質(zhì)量[2]，成了機載設(shè)備發(fā)揮其優(yōu)越性能的一個制約因素。軟件測試是保障航空機載軟件可靠性的重要手段[3]，也是機載軟件全生存周期缺陷管理和分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。

機載軟件質(zhì)量的影響因素有很多，應(yīng)通過提高軟件測試的充分性，在開發(fā)階段和測試階段都進行充分的軟件測試，以盡早發(fā)現(xiàn)軟件問題，從而提高軟件的可靠性。而軟件測試的工作量很大，據(jù)統(tǒng)計，測試時間會占到總開發(fā)周期時間的40%～60%。測試的許多操作和過程是重復(fù)性的，因此在整個軟件過程中軟件測試可以應(yīng)用自動化的測試工具，提高測試的速度、效率和準(zhǔn)確度[5]。

航空機載軟件開發(fā)過程周期較長，即使軟件開發(fā)完成后也很難立刻使用目標(biāo)機進行測試，且開發(fā)人員和測試人員不能同時進行測試[6]。航空機載軟件一般使用C 語言編寫，C語言是一個功能強大且高度靈活的編程語言，被廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中，但靈活的同時也容易被開發(fā)人員誤用導(dǎo)致代碼存在運行時錯誤。運行時錯誤是指那些能導(dǎo)致預(yù)定義之外的不正確結(jié)果或者處理器停機的錯誤，它是所有的軟件錯誤中最具風(fēng)險的，如數(shù)組越界、整數(shù)被零除、值溢出、非法的指針訪問等。一旦發(fā)生輕則導(dǎo)致軟件不能正常運行，重則導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。根據(jù)IBM-Berkeley 調(diào)查統(tǒng)計，在每一千行的代碼中大約就會發(fā)現(xiàn)一個運行時錯誤，而且在軟件的維護階段所檢測到的錯誤中有30%～40%是運行時錯誤，可見運行時錯誤對軟件質(zhì)量的影響較大。而軟件中的運行時錯誤是很難被發(fā)現(xiàn)的，采用傳統(tǒng)的測試工具不能檢測到或很難檢測到軟件運行時錯誤，這對于可靠性要求極高的機載軟件存在巨大風(fēng)險。因此我們應(yīng)當(dāng)采取一些措施及時發(fā)現(xiàn)并消除這類代碼的運行時錯誤，在開發(fā)階段的初期對代碼進行運行時錯誤檢查，可以避免在后期測試和產(chǎn)品維護階段發(fā)現(xiàn)更多的問題。使用運行時錯誤檢查工具，能夠快速地、自動化地檢測到軟件中的運行時錯誤，且能盡早地檢測到運行時錯誤，能夠節(jié)省測試階段的時間和費用，極大地提高了軟件可靠性。本文針對機載軟件難以在開發(fā)初期檢測出運行時錯誤的問題，使用Astree 對代碼進行測試分析。通過測試可盡早發(fā)現(xiàn)軟件開發(fā)過程的中的運行時錯誤，以提高代碼的開發(fā)效率，從而有效避免了軟件在機載產(chǎn)品上出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問題。

1 Astree 測試應(yīng)用

1.1 Astree 軟件測試方法

Astree 是一個靜態(tài)程序分析器，用于檢查C 語言程序中是否存在運行時錯誤。其使用的是語義分析技術(shù)，通過對源代碼分析并生成中間語言，產(chǎn)生代碼的數(shù)據(jù)流圖和控制流圖，對程序所有的可執(zhí)行路徑中所有變量取值進行近似，采用近似后的取值超集，驗證代碼的執(zhí)行路徑是否會引起運行時錯誤，從而能達(dá)到代碼測試路徑的100%覆蓋，并檢查出軟件中的運行時錯誤[7]。該軟件分析的是預(yù)處理后代碼，本文通過調(diào)用C 編譯器使用同樣的編譯選項對源代碼編譯產(chǎn)生預(yù)處理代碼，將預(yù)處理后的代碼添加到Astree 工程中。Astree 對代碼進行分析時，需要進行參數(shù)設(shè)置，點擊Analysis entry 設(shè)置分析入口函數(shù)。分析的入口函數(shù)，可以為主函數(shù)，也可以為其他中斷函數(shù)或者任意子函數(shù)。一旦設(shè)定后，Astree 會以這個函數(shù)為入口，分析所有可達(dá)的代碼部分的運行時錯誤。本文對機載軟件中的Main 函數(shù)進行分析，完成配置后，點擊開始圖標(biāo)，進行代碼測試分析。

軟件分析測試結(jié)束后，可在多個窗口中查看多種分析結(jié)果。工程統(tǒng)計信息窗口顯示了工程的錯誤數(shù)，警告數(shù)以及覆蓋率。紅綠燈熄滅時代表工程還沒有進行分析，或者分析仍在進行但是目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)任何錯誤或報警。分析結(jié)束后，軟件的測試結(jié)果通過紅黃綠燈顯示。

圖1 入口函數(shù)設(shè)置

(a)紅燈：表示存在錯誤A 類型報警，A 類錯誤是由未定義行為引起的錯誤、越界、被0 整除、浮點表達(dá)式等（引起不可預(yù)知的結(jié)果）。如果發(fā)生A 類錯誤，分析程序?qū)⑼Ｖ箤ι舷挛牡牟僮?，因為沒有可行的延續(xù)；

(b)黃燈：表示有B/C 類型報警，其中B 類錯誤代表存在數(shù)據(jù)競爭，包括讀寫數(shù)據(jù)競爭和寫寫數(shù)據(jù)競爭，這類警告不會停止對告警發(fā)生上下文的分析。C 類錯誤代表溢出類錯誤、整型溢出、無效移位等（運行時錯誤導(dǎo)致不明確的，但是可預(yù)計的行為）；

(c)綠燈：分析結(jié)束后，沒有發(fā)現(xiàn)任何錯誤和報警。

本文代碼分析結(jié)果為紅燈如圖2 所示，結(jié)果表明Main函數(shù)代碼中存在運行時錯誤。

圖2 工程統(tǒng)計信息窗口初始結(jié)果

Findings/C 窗口按類型分組顯示警告信息，本文函數(shù)測試分析后的Findings/C 窗口結(jié)果如圖3 所示。

圖3 Findings/C 窗口初始結(jié)果

通過Findings/C 窗口可以看到函數(shù)中存在數(shù)組越界的告警，通過查看報錯代碼，發(fā)現(xiàn)了數(shù)組使用超出定義的8 處錯誤。在軟件開發(fā)的過程中，這種問題較為常見，而通過人工審查又很難發(fā)現(xiàn)問題。本文通過Astree 對代碼進行分析，幾秒鐘的時間就可以發(fā)現(xiàn)越界問題，避免了代碼跑飛問題的出現(xiàn)。在預(yù)處理后的文件中可直接修改數(shù)組越界的錯誤，重新分析代碼后，發(fā)現(xiàn)越界告警消失，如圖4 所示。

圖4 更改代碼后Findings/C 窗口的結(jié)果

將數(shù)組越界問題更改后，可以看到告警燈也由紅色變成了黃色。

圖5 更改代碼后工程統(tǒng)計信息窗口的結(jié)果

查看Reachability 窗口，可以看到分析的函數(shù)代碼覆蓋率為67%，分析的函數(shù)中有31 行代碼未覆蓋。因此這31 行代碼不能確定是否存在運行時錯誤，需要查看代碼，更改不可達(dá)分支部分，提高覆蓋率至100%，對全部代碼進行測試分析。

圖6 代碼初始覆蓋率

表1 代碼初始覆蓋率信息

查看Not Reached 窗口找到不可達(dá)分支如圖7 所示，修改不可達(dá)部分的代碼。Astree 代碼分析時按照初始值進行邏輯判斷，需要對變量運算后的結(jié)果進行判斷的，可通過“__ASTREE_modify((V1,…,Vn; effect))”修 改 變 量 值的范圍，完成代碼修改后進行測試分析，代碼覆蓋率已達(dá)100%，這時可分析整個函數(shù)的代碼，結(jié)果如圖8、9 所示。分析結(jié)果顯示，紅色告警已消除，此時代碼已不存在不可預(yù)知的錯誤。

圖7 函數(shù)中不可達(dá)分支

圖8 函數(shù)代碼最終覆蓋率

圖9 Findings/C 窗口最終結(jié)果

1.2 Astree 軟件測試分析

本文通過使用Astree 對軟件進行測試分析，發(fā)現(xiàn)該軟件能夠更快并且更精確地發(fā)現(xiàn)代碼問題，可避免誤報導(dǎo)致大量的人工分析。Astree 為嵌入式系統(tǒng)提供先進的測試工具，能夠盡早發(fā)現(xiàn)機載軟件中的運行時錯誤，為軟件開發(fā)提供技術(shù)支持，可保障軟件開發(fā)的質(zhì)量和效率，節(jié)省測試階段的時間和人力成本。通過Astree 測試應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其具備以下特點：

(a)在編譯階段就能檢測出軟件的運行時錯誤，將代碼放在Astree 測試環(huán)境下，經(jīng)過簡單配置后，便可自動測試代碼是否存在運行時錯誤；

(b)測試時無需編寫測試用例，傳統(tǒng)的覆蓋率測試需要花費大量時間精力開發(fā)測試用例，而使用Astree 可自動生成用例，不需要人工編寫；

(c)測試時無須設(shè)置代碼插裝，也不必改變開發(fā)過程；

(d)分析準(zhǔn)確性高，可實現(xiàn)“零誤報”；

(e)分析速度快，幾秒鐘可完成一個函數(shù)測試。

2 結(jié)束語

本文首先介紹了軟件測試技術(shù)，并提出了目前機載軟件測試存在的困難。本文使用Astree 對代碼進行分析和測試，發(fā)現(xiàn)了代碼中的越界問題，并可分析代碼的覆蓋率。發(fā)現(xiàn)了代碼中存在不可達(dá)分支，通過更改錯誤代碼，將覆蓋率提高至100%，重新對代碼進行測試分析，代碼不存在不可預(yù)知的錯誤，降低了軟件的風(fēng)險。該測試方法為軟件開發(fā)階段提供了技術(shù)支持，使開發(fā)人員盡早發(fā)現(xiàn)代碼中的問題，從而提高代碼的質(zhì)量和可靠性。本文研究了軟件運行時錯誤的測試方法，機載軟件測試過程中還存在其他問題，測試工具的使用和測試方法仍需繼續(xù)研究。