徐麗 中國礦業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 221008

基于程序變異的故障注入及故障規(guī)則庫的設(shè)計

徐麗 中國礦業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 221008

1. 基于程序變異的軟件故障注入方法

軟件故障注入的方法有很多種，本節(jié)著重介紹利用插入的故障代碼違反程序中函數(shù)的滿足條件（前置條件、后置條件或其它），改變其狀態(tài)，迫使軟件出現(xiàn)故障，使程序偏移正常的控制流，從而達(dá)到引發(fā)異常，執(zhí)行異常處理代碼的軟件故障注入方法。

1.1 基于斷言違背的軟件故障注入方法

對于違背語言規(guī)則或違背系統(tǒng)規(guī)則的隱式引發(fā)的異常，根據(jù)異常處理結(jié)構(gòu)的抽取信息，對try塊中的每個語句可以采用基于斷言違背的軟件故障注入法進(jìn)行故障注入。假設(shè)程序中有下列的語句：

int [ , ]a=new int [2][3]

該語句執(zhí)行的前置條件是數(shù)組的下標(biāo)的滿足條件，由于C#中默認(rèn)的下標(biāo)起始值為0，所以下標(biāo)的范圍定義為0到下標(biāo)值減去1，即我們對于上述定義的數(shù)組，可以取到的范圍為 int [0][0]-int [1][2]我們所采用的斷言違背的故障注入則有以下幾種可能來進(jìn)行注入，從而引發(fā)所對應(yīng)的異常。

在測試時只需改變數(shù)組下標(biāo)的值，就可以改變注入的錯誤，從而引發(fā)不可達(dá)的異常，注入故障后即可進(jìn)行異常機(jī)制的測試。

對于用戶自定義異常，根據(jù)抽取的異常處理結(jié)構(gòu)信息，針對引發(fā)異常的條件則可以進(jìn)行故障注入。分為兩種情況：一種是基于斷言違背的軟件故障注入方法，假設(shè)在程序的源代碼中有如下的一個語句：

if (0<=i && i

throw

ArrayIndexOutOfBoundsException;

則可以采用與上面類似的故障注入程序來進(jìn)行。另一種是普通的故障注入方法，假設(shè)在程序的源代碼中有如下的一個語句：

if ( currValue == 0 )

throw new ZeroValueException();

則在進(jìn)行故障注入時，可以直接對currValue賦值為0，即可引發(fā)ZeroValueException()，測試源程序不可達(dá)的異常代碼，增大測試的覆蓋面。

1.2 在條件中插入真值的軟件故障注入方法

從上面的例子中可以看出，基于斷言違背的軟件故障注入技術(shù)可以很好地仿真這類軟件故障。但如果在條件語句中涉及到系統(tǒng)調(diào)用，那么通過簡單的程序變異或斷言違背技術(shù)通常無法直接修改系統(tǒng)調(diào)用的返回結(jié)果。本文在設(shè)計實現(xiàn)時，擬采用在條件中插入真值法來注入故障，從而引發(fā)異常。假設(shè)有下列語句：

if (p=malloc(sizeof(int))= =NULL) throw OutOfMemoryException;

因為這個語句是一個系統(tǒng)函數(shù)，并且不能直接訪問它的源代碼。為了測試由該異常引發(fā)的異常處理代碼段，可以將上式條件語句轉(zhuǎn)化為如下形式：

if (p=malloc(sizeof(int))= =NULL||true ) throw OutOfMemoryException;

此方法擴(kuò)大了if語句的條件判斷范圍，無論系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)運行的結(jié)果如何，在并上條件為真的情況下，都將引發(fā)異常，執(zhí)行相應(yīng)的異常處理語句，達(dá)到測試異常機(jī)制的目的。

1.3 逆向設(shè)置的軟件故障注入方法

本節(jié)主要針對關(guān)系表達(dá)式和布爾表達(dá)式進(jìn)行研究和討論，在原程序中做一個很少的語法改變即可得到一個變異程序。例如，一個大于號“>”可以改變?yōu)椤啊荨?，可以測試到異常處理代碼；我們也可以在條件語句中改變操作數(shù)讓程序轉(zhuǎn)去執(zhí)行異常處理代碼。假設(shè)有下列語句：

a>5,a+b<10；

我們可以根據(jù)逆向設(shè)置的方法，將此關(guān)系表達(dá)式改變?nèi)缦拢?/p>

a=5，a+b=10；

讓程序的代碼在語法上做一個很小的改動，從而引發(fā)預(yù)期的異常。

2.故障注入規(guī)則庫的設(shè)計與生成

本節(jié)特別有針對性的選擇了幾種常見的異常情況，對其進(jìn)行可發(fā)生故障的分析，特別對可能發(fā)生的故障設(shè)計了故障注入規(guī)則庫，以確定原程序中的故障注入點以及故障注入的可選列表。

2.1 故障注入規(guī)則庫的設(shè)計

本小節(jié)主要針對常見的異常類型，例如：除數(shù)為0，數(shù)組邊界值越界，關(guān)系表達(dá)式的符號判斷條件等進(jìn)行詳細(xì)分析和歸納，以具體的示例來設(shè)計故障注入規(guī)則庫，以解決故障注入的問題。

2.1.1 除數(shù)為0的示例

常見的異常類型中，除數(shù)為0是比較典型的，由于除數(shù)不能為0的原則，使得在這個判斷原則的基礎(chǔ)上，只要遇到除數(shù)為0，則引發(fā)除數(shù)為0的異常，使程序執(zhí)行其所引發(fā)的異常語句。

2.1.2 If判斷條件示例

我們以If條件中的關(guān)系表達(dá)式為例，其示如例圖2所示：

圖1 除數(shù)異常示例圖

特別注意的是，判斷條件的故障注入的可選列表的設(shè)計，我們是基于簡單的程序變異，抽取出表達(dá)式符號后，根據(jù)斷言違背或逆向設(shè)置等條件列出可以引發(fā)故障的注入條件，從而引發(fā)故障。

2.1.3 數(shù)組越界的示例

關(guān)于數(shù)組的異常判斷，關(guān)鍵在于下標(biāo)的邊界值是否越界，按照數(shù)組邊界值的定義，我們一般取兩種情況來引發(fā)數(shù)組的異常：取一個下標(biāo)的上界；取一個下標(biāo)的下界。由于C#語言的數(shù)組下標(biāo)的起始值為0，所以，在規(guī)則庫的設(shè)計中，我們?nèi)∠陆鐬?1，上界為抽取出的數(shù)組的邊界值。從而確定了針對一維數(shù)組的故障注入的兩個可選擇的條件。

2.2 故障注入規(guī)則庫的生成與實現(xiàn)

我們根據(jù)第1節(jié)所介紹的幾種軟件故障注入方法，將相對應(yīng)的異常程序分析整合，主要包括以下幾種異常處理的測試：

1）if的條件判斷所引發(fā)的異常

① || 關(guān)系表達(dá)式

②單一關(guān)系表達(dá)式（包括：= = , ! = ,> =, < =, >, <）

③布爾表達(dá)式（true、false）

2）除數(shù)為0所引發(fā)的異常

3）數(shù)組索引值越界

①一元數(shù)組下標(biāo)范圍；②二元數(shù)組下標(biāo)范圍

圖2 If判斷條件注入示例圖

4）調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)所引發(fā)的異常

此測試用例的主要程序變異如下：

1）int[]a=new int[8];

a[4]=123; //數(shù)組邊界值示例

一元數(shù)組邊界值的范圍為a[0]—a[7]，所以引發(fā)異常的邊界值越界主要有以下兩種選擇：

① a[-1]=123;

② a[8]=123

2）int nTheZero=10;

int nResult=100/nTheZero; //判斷除數(shù)為0示例

若要引發(fā)除數(shù)為0的異常，則要把變量nTheZero賦值0即可引發(fā)C#的標(biāo)準(zhǔn)異常類DivideByZeroException。

3）if(num= =99) //if的= =判斷條件（自定義異常）

throw new Exception();

在本測試用例中，自定義異常為，當(dāng)num值恒等于99時，拋出自定義的異常，輸出“Game Over！”。

由于測試用例中num是一個隨機(jī)的值，所以恒等于99的幾率非常的小，我們改變“= =”的條件，以達(dá)到以滿足引發(fā)異常的條件，如：

① num != 99 ; ② num > = 99 ;③num < = 99 ; ④ num > 99 ; ⑤ num < 99 ;

4）if(n<0)

throw(new

ArgumentOutOfRangeException()); //if的<判斷條件

有以下幾種可選擇的注入條件：

①n = = 0 ; ② n > = 0 ; ③ n < = 0 ; ④ num > 0 ; ⑤ n ! = 0 ;

任意選擇其中的一種條件，引發(fā)基本異常類ArgumentOutOfRangeException，從而執(zhí)行相對應(yīng)的異常處理語句，達(dá)到測試異常處理機(jī)制的目的。

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.22.052