黃小紅+趙逢禹

摘 要：軟件故障定位旨在利用程序信息和測(cè)試信息定位出故障語(yǔ)句或給出出錯(cuò)語(yǔ)句的可疑范圍，以輔助提高軟件質(zhì)量。隨著軟件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化與軟件規(guī)模的擴(kuò)大化，程序運(yùn)行狀態(tài)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，已經(jīng)無(wú)法單獨(dú)依靠手動(dòng)定位技術(shù)進(jìn)行故障排查。因此，越來(lái)越多的輔助定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。為了探索這些技術(shù)的實(shí)用性，首先介紹了傳統(tǒng)的故障定位技術(shù)以及近年來(lái)最新推廣的故障定位技術(shù)，然后總結(jié)了常用的測(cè)試程序集，最后提出故障定位的關(guān)鍵問(wèn)題并指出了未來(lái)值得關(guān)注的研究方向。

關(guān)鍵詞：故障定位；程序調(diào)試；軟件測(cè)試；執(zhí)行跟蹤；可疑代碼

DOIDOI：10.11907/rjdk.171181

中圖分類號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）007-0205-05

0 引言

軟件應(yīng)用的日益廣泛已深入影響到人們的生活[1-3]，尤其在許多危及安全的行業(yè)，如醫(yī)藥、航空、核能行業(yè)等，而且這種趨勢(shì)隨著軟件的復(fù)雜化而更加明顯。與此同時(shí)，也衍生了令人堪憂的軟件故障，故障的產(chǎn)生不僅導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，甚至可能造成生命威脅[4]。伴隨著軟件成本的增加，超過(guò)一半的修復(fù)成本被傳遞給消費(fèi)者。因此，為了降低成本、提高軟件質(zhì)量，必須加強(qiáng)軟件故障定位的研究。

軟件調(diào)試中一個(gè)很重要的因素就是找到產(chǎn)生程序故障的根源，失敗問(wèn)題產(chǎn)生的根源可能離程序展示出的位置距離很遠(yuǎn)，例如程序崩潰或產(chǎn)生故障輸出時(shí)無(wú)法直接定位具體故障源。因此，軟件故障定位和軟件故障修復(fù)應(yīng)運(yùn)而生。相對(duì)于軟件修復(fù)，故障定位更為重要，定位是修復(fù)的必要條件。由于軟件系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，使傳統(tǒng)的手工定位耗時(shí)耗力，而且受軟件開(kāi)發(fā)人員的思維定位，以及編碼風(fēng)格、約束規(guī)范限制，可能導(dǎo)致無(wú)法快速有效地找到故障位置。通過(guò)引入自動(dòng)化故障定位技術(shù)，可使定位效率大大提高。目前，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始致力于軟件故障定位的研究且取得了可觀的成果，本文主要對(duì)2010年以來(lái)故障定位的相關(guān)成果進(jìn)行研究，以期準(zhǔn)確把握故障定位的發(fā)展方向。

1 故障定位技術(shù)

1.1 故障定位常見(jiàn)技術(shù)

傳統(tǒng)的故障定位技術(shù)在簡(jiǎn)單的小型程序中解決了軟件可靠性低的難題，提高了軟件質(zhì)量，但是隨著軟件的規(guī)?；c復(fù)雜化發(fā)展，近年來(lái)不斷出現(xiàn)新的故障定位技術(shù)，雖然沒(méi)有任何一種技術(shù)可以適用于所有故障定位場(chǎng)景，但是各種技術(shù)都各具優(yōu)勢(shì)。

1.1.1 基于覆蓋的故障定位技術(shù)

故障定位研究實(shí)質(zhì)上是解決如何把存在故障的程序語(yǔ)句排名推至首位?；诟采w的故障定位技術(shù)較為直觀，覆蓋分析法正是采用可疑度描述來(lái)降低定位復(fù)雜度，尤其適用于一些大規(guī)模的故障定位。Wong等[6]作了如下假設(shè)：元素可疑度與被成功測(cè)試用例覆蓋次數(shù)成反比，與被失敗測(cè)試用例覆蓋次數(shù)成正比。簡(jiǎn)而言之，如果該元素被失敗測(cè)試用例覆蓋的多，而很少被成功測(cè)試用例覆蓋，該處引發(fā)故障的可能性則很大；Jones等[5]基于同樣的思想提出利用覆蓋信息和測(cè)試信息定位錯(cuò)誤，并開(kāi)發(fā)了可視化工具Tarantula；Xie等[7]提出了集合理論的分析框架，之后又通過(guò)蛻變技術(shù)將軟件測(cè)試分析技術(shù)集成到故障定位中[8]，反映了更加真實(shí)的場(chǎng)景。其不足之處是測(cè)試用例的數(shù)量、質(zhì)量限制了覆蓋的全面性，而且如果用例數(shù)量過(guò)少，覆蓋不全面，或者用例質(zhì)量差，大量測(cè)試用例重復(fù)覆蓋相同代碼，將產(chǎn)生大量冗余覆蓋，從而導(dǎo)致故障定位的精準(zhǔn)度降低[9]。

1.1.2 基于程序切片的故障定位技術(shù)

程序切片技術(shù)將程序抽象化，通過(guò)刪除不相關(guān)的部分將程序用切片表示，切片保留原始程序的行為規(guī)范。程序切片技術(shù)包括靜態(tài)切片技術(shù)和動(dòng)態(tài)切片技術(shù)。靜態(tài)切片技術(shù)是對(duì)源程序采取靜態(tài)分析技術(shù)，利用語(yǔ)句之間的依賴關(guān)系將相關(guān)變量語(yǔ)句集合形成靜態(tài)切片。靜態(tài)切片技術(shù)最早由Weiser首次提出[10]，該技術(shù)主要將整個(gè)程序分為若干個(gè)切片，通過(guò)含有錯(cuò)誤變量的程序切片來(lái)排除無(wú)關(guān)變量，從而縮減故障范圍。靜態(tài)切片的缺點(diǎn)是，片的大小可能會(huì)對(duì)給定的可執(zhí)行語(yǔ)句帶來(lái)影響，如變量值隨著執(zhí)行的改變導(dǎo)致切片發(fā)生變化，而且當(dāng)程序規(guī)模較大時(shí)，算法時(shí)間開(kāi)銷會(huì)很大。因此，Zhang等[11]提出了多種動(dòng)態(tài)切片技術(shù)，包括后向動(dòng)態(tài)切片（BWS）、前向動(dòng)態(tài)切片（FWS）和雙向動(dòng)態(tài)切片（BIS）。BWS通過(guò)執(zhí)行語(yǔ)句輸出而捕捉故障變量的值；FWS通過(guò)計(jì)算成功用例的最小輸入觸發(fā)故障所在位置；BIS通過(guò)確定失敗執(zhí)行用例的謂詞執(zhí)行情況，生成正確的輸出，從而找到故障所在位置。

1.1.3 基于程序頻譜的故障定位技術(shù)

基于頻譜分析進(jìn)行故障定位的方法簡(jiǎn)單而言是根據(jù)測(cè)試用例集合運(yùn)行完成后的記錄信息，使用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)程序中的每一行語(yǔ)句計(jì)算故障可疑度。可利用的記錄信息主要是程序執(zhí)行過(guò)程中的剖面信息與測(cè)試用例是否通過(guò)的信息[31]。

表1給出了常用的符號(hào)說(shuō)明作參考。

1.2 最新推廣的故障定位技術(shù)

1.2.1 基于數(shù)據(jù)挖掘的故障定位技術(shù)

基于數(shù)據(jù)挖掘的故障定位技術(shù)試圖從大量程序運(yùn)行信息數(shù)據(jù)中提取相關(guān)信息，產(chǎn)生一個(gè)可使用的數(shù)據(jù)模型，從而達(dá)到定位效果。Cellier等[15]提出了數(shù)據(jù)挖掘的關(guān)聯(lián)規(guī)則和概念分析以協(xié)助故障定位，該技術(shù)通過(guò)語(yǔ)句覆蓋率之間的關(guān)系和相應(yīng)的執(zhí)行失敗的測(cè)試用例之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，測(cè)量每個(gè)規(guī)則出現(xiàn)的頻率，通過(guò)已給閾值篩選出滿足關(guān)聯(lián)規(guī)則的語(yǔ)句執(zhí)行數(shù)量，生成規(guī)則點(diǎn)陣，最后生成一個(gè)可疑度排名來(lái)定位故障；Zhang等[16]提出一種基于數(shù)據(jù)挖掘的故障定位技術(shù)，該技術(shù)基于馬爾可夫邏輯，結(jié)合一階邏輯與加權(quán)馬爾可夫隨機(jī)域進(jìn)行感知器算法學(xué)習(xí)；王鵬等[14]提出基于圖挖掘的技術(shù)，通過(guò)收集程序的執(zhí)行軌跡信息構(gòu)造出程序調(diào)用圖，提取頻繁邊輔助定位故障。

1.2.2 基于模型檢測(cè)的故障定位技術(shù)

基于模型檢測(cè)的故障定位技術(shù)通過(guò)推導(dǎo)期望的程序行為模型，檢測(cè)失效執(zhí)行對(duì)期望行為的違背情況，從而捕捉故障行為，主要需解決的關(guān)鍵問(wèn)題是模型表達(dá)能力問(wèn)題，以及模型對(duì)定位效果是否有顯著影響力，是否快速有效。Baah等[17]提出通過(guò)程序依賴圖模型研究程序的內(nèi)部行為，促進(jìn)了可能與故障有關(guān)語(yǔ)句的概率分析和推理。基于檢測(cè)的模型主要依賴模型檢查器來(lái)定位故障[18]。如果一個(gè)模型不滿足相應(yīng)的程序規(guī)范（這意味著模型包含至少一個(gè)故障），模型檢查器可提供反例顯示違反規(guī)范詳情，反例并不直接指定哪些部分的模型與故障相關(guān)，但是它可以被視為一個(gè)可確定因果關(guān)系的失敗測(cè)試用例。宗芳芳等[20]提出二次定位策略技術(shù)，首先從程序中抽象出函數(shù)調(diào)用圖，用基于模型的方法對(duì)可能存在故障的函數(shù)進(jìn)行可疑排序，最后利用DStar定位函數(shù)中故障的代碼行；Wotawa等[19]利用約束求解的技術(shù)將程序自動(dòng)編譯成一組約束，實(shí)現(xiàn)模型檢測(cè)定位，優(yōu)點(diǎn)是減少了可疑語(yǔ)句的搜索域范圍，缺點(diǎn)是不同程序往往具有不同的異常行為。因此，并沒(méi)有一個(gè)完整的模型可以滿足所有可能的故障模式以及故障類型之間的關(guān)聯(lián)。endprint

1.2.3 其它故障定位技術(shù)

除了上面討論的技術(shù)之外，近年來(lái)還出現(xiàn)了很多其它的軟件故障定位技術(shù)。Souza等[21]提出使用覆蓋率數(shù)據(jù)集成技術(shù)來(lái)定位故障，通過(guò)創(chuàng)建可疑語(yǔ)句排名列表的技術(shù)進(jìn)行定位。以信息檢索技術(shù)為切入點(diǎn)的研究也取得了很多新的研究成果[22-23，25]。這些研究使用基于源代碼的搜索得到故障相關(guān)報(bào)告的降序等級(jí)排列，可以幫助開(kāi)發(fā)人員檢查被標(biāo)注的文件是否包含故障。算法調(diào)試也是一個(gè)創(chuàng)新性的故障定位技術(shù)，Silva[25]提出將復(fù)雜計(jì)算分解為一系列子計(jì)算幫助故障定位。公式故障定位技術(shù)[26-29]則依賴于對(duì)編碼失敗的程序公式執(zhí)行軌跡跟蹤，該技術(shù)使用特定工具或算法公式幫助程序員捕捉導(dǎo)致失敗的相關(guān)語(yǔ)句。

2 主流程序集

表2總結(jié)了當(dāng)前在故障定位研究中常用的程序集，分別從各程序集的名稱、代碼行數(shù)、簡(jiǎn)述以及語(yǔ)言類型作簡(jiǎn)要展示，程序集多來(lái)源于SIR[32]和SourceForge[33]。

表2展示了故障定位中常用的程序集，設(shè)計(jì)各個(gè)方面的程序測(cè)試，其中的Siemens程序集是最常用的程序集，該程序集由7個(gè)程序組成，程序結(jié)構(gòu)多樣化，通用性較強(qiáng)，但是每個(gè)子程序僅有不到600行代碼（不包括空白行），而且是針對(duì)C語(yǔ)言程序定位的，因此后續(xù)出現(xiàn)了grep、flex等數(shù)萬(wàn)行代碼的程序集，而且新增了Java和C++語(yǔ)言，極大地方便了各種語(yǔ)言下的定位應(yīng)用。

3 未來(lái)研究方向展望

現(xiàn)有的故障定位技術(shù)已取得了不少研究成果，但是還有很多結(jié)果有待完善，如多故障定位技術(shù)[35-36]、測(cè)試用例套件質(zhì)量[37-38]以及巧合正確性帶來(lái)的影響[39]。

3.1 多故障定位

對(duì)于故障數(shù)量及其相關(guān)性有幾個(gè)常見(jiàn)假設(shè)，這些假設(shè)往往基于某種技術(shù)效果顯而易見(jiàn)，但是換一種定位技術(shù)或者換一種實(shí)驗(yàn)程序集則不奏效，常見(jiàn)假設(shè)如下：①假設(shè)程序只有一個(gè)故障。實(shí)際應(yīng)用中程序通常包含多個(gè)故障，因此需質(zhì)疑基于單個(gè)故障場(chǎng)景的定位效果，并盡量研究多故障并存下的故障定位效果；②假設(shè)即使程序中有多個(gè)故障，這些故障也都獨(dú)立執(zhí)行。這一假設(shè)也在近年的研究中被質(zhì)疑，因?yàn)橥粋€(gè)程序的不同故障很有可能相互作用，相長(zhǎng)作用的結(jié)果往往會(huì)觸發(fā)新故障，相消作用的結(jié)果則往往掩蓋掉已有的故障；③假設(shè)調(diào)試一輪即能找到一個(gè)故障。通常程序經(jīng)過(guò)一次調(diào)試后被程序員修復(fù)了一個(gè)故障，然而再次運(yùn)行修改之后的程序不能保證不會(huì)對(duì)其它故障造成影響，因此被改動(dòng)之后的程序往往不能當(dāng)作測(cè)試用例集中的一員再次運(yùn)行，而是要重新啟動(dòng)其它測(cè)試用例。

3.2 測(cè)試用例套件

常見(jiàn)的定位技術(shù)多用于測(cè)試用例的執(zhí)行狀態(tài)，如執(zhí)行成功狀態(tài)或者執(zhí)行失敗狀態(tài)來(lái)討論對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)所需尋找的信息，關(guān)注點(diǎn)幾乎都在測(cè)試用例的執(zhí)行結(jié)果上。因此，一個(gè)良好的測(cè)試用例套件對(duì)程序的有效定位具有重要意義。關(guān)于測(cè)試用例套件重要性的表現(xiàn)如下：

（1） 測(cè)試用例套件會(huì)影響故障定位技術(shù)的有效性。實(shí)驗(yàn)證明，現(xiàn)階段采用的同時(shí)關(guān)注多條測(cè)試用例取得的定位效果往往要高于僅關(guān)注導(dǎo)致程序出現(xiàn)故障的一條失敗測(cè)試用例和多條成功測(cè)試用例的效果，因?yàn)樵诙鄺l測(cè)試用例的對(duì)比下，可以提供更加詳細(xì)的故障線索。因此，如何生成一個(gè)自動(dòng)化的測(cè)試用例套件仍然需要進(jìn)一步探討。

（2） 不能實(shí)現(xiàn)高覆蓋的測(cè)試用例套件對(duì)目標(biāo)程序的故障定位結(jié)果可能造成不利影響。為了減少這類影響，可用禁忌搜索技術(shù)自動(dòng)生成一個(gè)測(cè)試用例套件，以達(dá)到最大的分支覆蓋或者對(duì)原始測(cè)試用例集約簡(jiǎn)后，確保原有故障定位的準(zhǔn)確性并保持較高約簡(jiǎn)比。

（3） 對(duì)給定的被測(cè)程序使用全套測(cè)試用例未必有效。如果合理減少測(cè)試用例數(shù)量，選擇測(cè)試用例子集或者給其分配一定的優(yōu)先級(jí)，可能定位效率更高。分配測(cè)試用例優(yōu)先級(jí)的技術(shù)是給予導(dǎo)致執(zhí)行失敗的測(cè)試用例優(yōu)先執(zhí)行，因?yàn)檫@樣可以提供更多信息，減少搜索域。

3.3 巧合正確性

巧合正確性即在各種程序狀態(tài)下，本來(lái)執(zhí)行結(jié)果失敗的測(cè)試用例由于特殊原因?qū)е聢?zhí)行結(jié)果仍然是正確的。這種現(xiàn)象發(fā)生的原因很多，例如給定一個(gè)存在故障的語(yǔ)句，對(duì)語(yǔ)句變量分配不正確的值，測(cè)試執(zhí)行過(guò)程中，該值可能會(huì)影響程序的輸出導(dǎo)致失敗。然而在測(cè)試不斷執(zhí)行的過(guò)程中，該變量的值可能因?yàn)楸桓采w而未影響到程序輸出，或者根本沒(méi)有觸發(fā)到故障所在的位置，因此在實(shí)際操作中要考慮巧合正確性的存在，以減少定位誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜化與軟件規(guī)模的擴(kuò)大化，軟件故障定位需要更多的時(shí)間投資和資源投資，定位程序故障不再是簡(jiǎn)單的機(jī)械過(guò)程，而是朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。在以往的實(shí)踐中，對(duì)軟件的調(diào)試工作往往由具有豐富經(jīng)驗(yàn)的程序員手動(dòng)調(diào)試，如果判斷失誤，則采用回退技術(shù)返回起點(diǎn)再次調(diào)試，這種機(jī)械枯燥的操作使程序員急切需要一種能快速有效定位的技術(shù)。當(dāng)務(wù)之急是將定位技術(shù)融入到實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合新興技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及程序員的經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用能力，根據(jù)特定場(chǎng)景應(yīng)用相應(yīng)的定位技術(shù)。本文梳理了當(dāng)前的最新定位研究成果，分析了常見(jiàn)的以及最新流行的定位技術(shù)和當(dāng)前的主流程序集，最后針對(duì)當(dāng)前出現(xiàn)的主要問(wèn)題，提出了若干值得研究的方向。

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