孫 媛 唐金國 徐吉輝

（海軍航空工程學(xué)院科研部 煙臺 264001）

1 引言

最早的軟件運行剖面（Operational Profile，OP）研究開始于1993年，Musa在IEEE發(fā)表了一篇題為《軟件可靠性工程中的運行剖面》的文章。他將軟件運行剖面定義為：運行剖面是如何使用（軟件）系統(tǒng)的定量描述。它由一組運行集組成，這組運行集表現(xiàn)為一個系統(tǒng)的執(zhí)行及其發(fā)生的概率［1］。歐空局是這樣定義運行剖面的：“對系統(tǒng)使用條件的定義，系統(tǒng)的輸入值都用其按時間的分布或按它們在可能輸入范圍內(nèi)出現(xiàn)概率的分布來定義”［2］。運行可理解為系統(tǒng)在短時間內(nèi)完成一個較大的邏輯任務(wù)，系統(tǒng)的任何功能實現(xiàn)最終都可分解到運行上［3］。

Musa提出的軟件運行剖面的構(gòu)造是一個自頂向下的層次結(jié)構(gòu)，他提出了一種五步OP開發(fā)方法，逐漸分解整個系統(tǒng)，并建立多個運行剖面，如“客戶剖面”，“用戶剖面”，“系統(tǒng)模式剖面”，“功能剖面”等。其流程如圖1所示。在構(gòu)造運行剖面時，需要充分分析軟件的各種模式和功能，分析完成這些功能所需的輸入數(shù)據(jù)，同時要分析在使用軟件時各種系統(tǒng)模式和功能發(fā)生的概率。構(gòu)造軟件的運行剖面的方法是按照層次結(jié)構(gòu)，自頂向下地把使用軟件的輸入空間劃分為系統(tǒng)模式剖面，把系統(tǒng)模式剖面劃分為功能剖面，再把功能剖面劃分為運行剖面。

運行剖面的主要作用是能夠促進(jìn)可靠性的評估。運行剖面能夠提高效率，增加可靠性，縮短開發(fā)時間。正如Musa所述：“使用運行剖面指導(dǎo)軟件測試，能夠保證如果由于進(jìn)度約束導(dǎo)致測試終止，對最常用的操作測試最多，在給定的測試時間內(nèi)，可靠性水平將會達(dá)到最大［4］?！?/p>

2 軍用軟件運行剖面的分類

軍用軟件系統(tǒng)本質(zhì)上是一個交互系統(tǒng)，為了實現(xiàn)其目的需要與不同類型的用戶，如人、其它硬件或軟件系統(tǒng)進(jìn)行通信。環(huán)境的多樣性需要特定的運行剖面來描述這些相互作用。

在構(gòu)造軍用軟件運行剖面的過程中，可以按照運行剖面的特點，其分類如圖2所示。其中通用特性類用于區(qū)別OP的顯著特點，是大多數(shù)軍用系統(tǒng)中都具有的性質(zhì)。通用特性下的子類是相互獨立的。軟件邊界類用于對應(yīng)于區(qū)分一個特定的軟件與其他不相關(guān)的軟件，其子類與一些通用特性中的類密切相關(guān)。例如，輸入數(shù)據(jù)是與來源有關(guān)。其中，通用特性類和軟件邊界類是建立在對OP最基礎(chǔ)的理解上的。開發(fā)類主要是面向何時和如何進(jìn)行一個OP開發(fā)的問題。

圖2 軟件運行剖面分類圖

通用特性類分成輪廓、結(jié)構(gòu)、抽象層次、來源、場景、模式、配置和關(guān)鍵操作子類。其中，輪廓類是沿著給定的維度給出的一個橫截面的應(yīng)用視圖。在使用過程中，它包含了該維度的元素和這些元素發(fā)生的概率，一個OP可能包括一個或多個輪廓，它因此分成單輪廓OP，或多輪廓OP。結(jié)構(gòu)類包括樹、馬爾可夫鏈、概率事件流圖、集合等結(jié)構(gòu)，其體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)中的元素（包括節(jié)點、轉(zhuǎn)換、輸入、事件等）出現(xiàn)的概率。抽象層次類體現(xiàn)了面向?qū)ο笾兄赜玫母拍?。?dāng)把軍用軟件系統(tǒng)視為一個產(chǎn)品時，在OP通常指相關(guān)的系統(tǒng)級測試，而目前大量的開發(fā)軟件產(chǎn)品主要是使用（重用）作為組件在其他產(chǎn)品和系統(tǒng)中，所以抽象層次類又可以分為系統(tǒng)級抽象層次類和組件級抽象層次類。來源類用于在OP中區(qū)分不同類型的輸入提供者，其子類包括硬件、軟件和人。場景類是一個用戶序列或外部產(chǎn)生的輸入（多序列的事件），完成一個特定的應(yīng)用程序的目標(biāo)。Shukla等開發(fā)使用實際使用數(shù)據(jù)OP的結(jié)構(gòu)［5］，Woit使用執(zhí)行前綴，指定OP一個模塊執(zhí)行的序列［6］，這些都是有感知的場景類，而馬爾可夫鏈，狀態(tài)機和狀態(tài)圖構(gòu)建OP序列信息，其模型沒有直接從序列信息來源，則屬于非感知場景類。模式類對應(yīng)于特定類型的軟件系統(tǒng)，例如管理員模式中，啟動模式，安全模式，關(guān)閉模式等。配置類是指一個軟件系統(tǒng)的配置對應(yīng)于一個運行（和測試）環(huán)境的設(shè)置。關(guān)鍵操作類是指軟件中最經(jīng)常使用的操作（或功能）的子系統(tǒng)或模塊。如果在OP中提供了明確的手段，用以解決關(guān)鍵的，但罕見的操作和功能的被稱為有意識的關(guān)鍵操作，否則，它是無意識的關(guān)鍵操作。

軟件邊界類分成執(zhí)行范圍類、外部錯誤類和輸入數(shù)據(jù)類。執(zhí)行范圍類包括軟件的執(zhí)行層，如硬件平臺（提供基本的軟件執(zhí)行資源，如處理器和內(nèi)存）和操作系統(tǒng)軟件（管理的基本執(zhí)行資源，并提供更高級別的，如調(diào)度、同步和文件系統(tǒng)）。此外，執(zhí)行范圍包括其他系統(tǒng)和用戶任務(wù)。外部錯誤類是指除了源于系統(tǒng)的執(zhí)行范圍之外的另一個重要類型的故障，可以在操作過程中的外部輸入接口的軟件應(yīng)用程序是一個外部錯誤。輸入數(shù)據(jù)類定義為輸入變量的名稱、值、類型和它們需要滿足的約束。

開發(fā)類分為生命周期階段類和工具支持類。生命周期階段類又分為早期生命周期階段類和晚期生命周期階段類。理想情況下，一個OP的建設(shè)應(yīng)該發(fā)生在軟件開發(fā)生命周期的早期（在實施階段，最好是在需求分析階段），并逐步完善整個隨后的生命周期階段。在軟件系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)時，還應(yīng)該改善整個系統(tǒng)的壽命（例如操作、維護(hù)、升級、新的版本）。工具支持類是指提供運算方法的工具，如果是通過自動化工具的支持，被稱為自動運算工具支持類；否則，它被稱為非自動化運算工具支持類。

3 軍用軟件剖面元模型的建立

介紹了軍用軟件運行剖面的概念后，采用OP元模型的方法對軍用軟件運行剖面進(jìn)行UML化的表達(dá)。OP元模型的建立用以提高理解的各種概念，構(gòu)建的OP和這些概念之間的關(guān)系。

3.1 運行剖面元模型

圖2所示的OP被表示為圖3中的元模型。圖3說明了一個OP是由一個或多個剖面組成的。一個剖面有相關(guān)的結(jié)構(gòu)，并具有多個輸入。表1中對每個概念的定義，以及它們之間的重要關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

圖3 運行剖面元模型

可以在不同的抽象層次上定義一個OP，如系統(tǒng)級或組件級。通過環(huán)境可以將一個系統(tǒng)級的OP和一個組件級的OP聯(lián)系起來。環(huán)境是一組映射關(guān)系推導(dǎo)出基于這些映射關(guān)系的系統(tǒng)級OP，組件級OP進(jìn)行修正，從而將組件級OP映射到特定的系統(tǒng)中。應(yīng)用程序OP是一個或多個OP的集合，可能也包含一個執(zhí)行范圍剖面。一個應(yīng)用程序OP與源代碼相關(guān)。一個OP還需考慮關(guān)鍵操作，外部錯誤，或輸入數(shù)據(jù)類。輸入數(shù)據(jù)又與它的變量名，值，數(shù)據(jù)類型，和輸入數(shù)據(jù)相關(guān)。

下面將對其中幾個重要的子類的元模型進(jìn)行分析。

3.2 執(zhí)行范圍類元模型

執(zhí)行范圍類包括軟件的執(zhí)行層次等硬件平臺（提供基本的軟件執(zhí)行資源，如CPU和RAM）和操作系統(tǒng)軟件（管理等基本行政資源和提供高級的調(diào)度、同步、和文件系統(tǒng)）。應(yīng)用程序NOP是指OP的軟件應(yīng)用程序的不同但駐留在同一臺計算機平臺上應(yīng)用程序。操作系統(tǒng)軟件是指“軟件”的集合。控制計算機程序的執(zhí)行等服務(wù)，并提供計算機資源分配、工作控制、輸入/輸出控制，電腦和文件管理系統(tǒng)。計算機硬件是指物理設(shè)備用于處理、存儲或傳輸?shù)挠嬎銠C程序或數(shù)據(jù)。設(shè)備驅(qū)動器是指計算機程序控制外圍設(shè)備。有時也指重新格式化數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備。

圖4 執(zhí)行范圍類元模型

表1 運行剖面元模型

3.3 輪廓類運行剖面元模型

配置類是指按照數(shù)量、定義及其各組成部分之間的相互聯(lián)系排列計算機系統(tǒng)或組件。配置的概念引出了配置剖面的概念［7］。配置剖面提供了應(yīng)用程序的各種配置發(fā)生的概率。發(fā)生的概率是元素用于定義OP（即輸入數(shù)據(jù)、事件、操作、功能）的發(fā)生概率。概率依賴是使用屬性定義的“條件”發(fā)生概率?！皸l件”是包含一組事件。集合的長度表示前序事件的數(shù)量，因此“N”是N-conditional的值。如果長度為零，發(fā)生的概率是無條件的。這將是代表與“φ”的一個條件。長度決定在某種程度上接受的結(jié)構(gòu)剖面。長度“1”表示需要一個馬爾可夫模型。發(fā)生的概率（Prob Occ）方法表示為Prob（），其具體屬性如表2所示。

圖5 輪廓類運行剖面元模型

表2 發(fā)生的概率方法屬性表

場景是生成的用戶或外部輸入（主要是事件的序列）一個序列，完成一個特定的應(yīng)用程序的目標(biāo)。

約束條件：

C1：OP.Profile.Scenario

Events.isOrder=“ Y ”

模式代表了一個狀態(tài)或一組狀態(tài)［8］，模式也可以是一組分組為了方便分析的函數(shù)或操作執(zhí)行行為。模式形成系統(tǒng)模式剖面或過程模式剖面［9］。事件被定義為發(fā)生在一個特定的時間點，可能會導(dǎo)致應(yīng)用程序的狀態(tài)的變化。

屬性：is Ordered：Boolean｛default=N｝

指定是否事件是有序的。如果“Y”事件是有序的。如果“N”，事件是無序的。

外部硬件是外部計算機硬件組件的集合。所考慮的計算機硬件是正在運行計算機硬件的應(yīng)用程序。外部軟件是運行外部硬件和接口與應(yīng)用程序軟件組件的集合上。

3.4 結(jié)構(gòu)類元模型

樹對應(yīng)于一個有根標(biāo)記的樹，也就是說，有一個根，標(biāo)記節(jié)點和從根直接延伸的邊。節(jié)點是樹結(jié)構(gòu)的頂點。分支是樹結(jié)構(gòu)的邊。來源是描述實體在原點的輸入驅(qū)動軟件應(yīng)用程序。應(yīng)用程序主要是由人類活動或系統(tǒng)輸入（如：人/HW/SW輸入）。此處發(fā)生概率的約束條件是：

圖6 結(jié)構(gòu)類元模型

C2：OP.Profile.Structure.MarkovChain.Transition Probability Of Occurrence.condition.size=［1］

C3：OP.Profile.Structure.MarkovChain.Transition Probability Of Occurrence.condition.type=previous state

基于狀態(tài)是指使用原始的狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。馬爾可夫鏈?zhǔn)请S機變量的集合xt（指數(shù)的“t”貫穿0，1，…和xt表示系統(tǒng)的狀態(tài)指數(shù)“t”）的屬性。狀態(tài)被定義為“假設(shè)在給定時刻，定義特征的變量值”的應(yīng)用程序或組件。轉(zhuǎn)移定義為從一個狀態(tài)過渡到另一個地方的改變。轉(zhuǎn)移通常是由一個事件引起的。概率事件流程圖（PEFG）是具體的一個特定應(yīng)用程序的GUI模型，代表所有可能的序列事件，用戶可以執(zhí)行的GUI。邊緣節(jié)點EFG代表事件，直接代表了事件流兩個事件之間的關(guān)系，其分解的元模型如圖7所示。

圖7 概率事件流圖元模型

PEFG的邊是一個有向邊用來表示一個事件流的關(guān)系。例如，e1和e2之間的一條邊是指事件e2后立即調(diào)用事件e1。PEFG節(jié)點代表一個事件。PEFG表是一個子序列長度k事件條件概率表。此處發(fā)生概率的約束條件是：

C4：OP.Profile.Structure.PEFG.Event

ProbabilityOfOccurrence.condition.maxsize=k

Harel狀態(tài)圖是指擴(kuò)展傳統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系圖與必要的三要素，處理，分別用層次概念，并發(fā)通訊［10］。集合被定義為不同實體的集合。實體被定義為感興趣的元素。例如操作、事件、輸入數(shù)據(jù)等。其中來源類又可以分解成如圖8所示的元模型。

成員資格概率是指來源所屬的特定的組。其屬性：

圖8 來源元模型

Prob：Real，指發(fā)起人是某個團(tuán)體的成員的可能性。人指一個或多個應(yīng)用用戶，用戶是一個人，團(tuán)體，或機構(gòu)的員工。客戶是獲取系統(tǒng)的人、團(tuán)體或機構(gòu)。硬件是所有硬件的類型的一個概括，其中包括計算機系統(tǒng)的內(nèi)部硬件的計算機接口。軟件是所有類型的軟件與計算機系統(tǒng)的相互作用的一個概括，包括安裝在計算機上的軟件。

4 結(jié)語

本文針對軍用軟件運行剖面劃分的問題進(jìn)行分析，對軍用運行剖面進(jìn)行分類，采用UML圖的方法建立軍用軟件運行剖面的元模型，詳細(xì)分析了執(zhí)行范圍OP、輪廓類OP、結(jié)構(gòu)類OP、來源類OP和輸入類OP之間的關(guān)系。研究的過程中也發(fā)現(xiàn)，隨著軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性的增加，特別是由于增加了系統(tǒng)組件之間的相互作用和不同性質(zhì)的系統(tǒng)用戶（例如，基于網(wǎng)絡(luò)的或分布式系統(tǒng)），影響事件發(fā)生的概率因素變得復(fù)雜，運行剖面的發(fā)展變得越來越有挑戰(zhàn)性。為了解決這些問題，后續(xù)還需采用語言變量和模糊邏輯等方法對復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相互作用的概率進(jìn)行深入的研究。

［1］J.D.Musa.Operational Profiles in Software-Reliablity En?gineering［J］.IEEE Software，1993，10（2）：14-32.

［2］何國偉，王瑋.軟件可靠性［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1998.

HE Guowei，WANG Wei.Software Reliability［M］.Bei?jing：National Defence Industry Press，1998.

［3］黃松，端木怡婷，惠戰(zhàn)偉，等.基于運行剖面的測試用例選擇改進(jìn)算法［J］.指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2011，2（3）：78-82.

HUANG Song，DUANMU Yiting，HUI Zhanwei，et al.Test Cases Selection Algorithm Based on Operational Profile［J］.Modern Electronic Engineering，2011，2（3）：78-82.

［4］Carol smidts，ChetanMutha，et al.Software Testing with an Operational Profile：OP Definition［J］.ACM Comput.Surv，2014，46（3）：39.

［5］R.Shukla，D.Carrington，and P.Strooper.Systematic op?erational profile development for software components［C］//In Proc.of the 11th Asia-Pacific Software Engineering Conference（APSEC'04）.2004.528-537.

［6］D.M.Woit.Specifying Operational Profiles for Modules［C］//In Proc.of the 1993 ACM SIGSOFT International Symposium on Software Testing and Analysis（ISSTA'93）.1993：2-10.

［7］B.D.Juhlin.Implementing operational profiles to measure system reliability［C］//In Proc.of the 3rd International Symposium on Software Reliability Engineering（ISSRE'02），1992：286-295.

［8］J.A.Whittaker.and M.G.Thomason.A Markov chain model for statistical software testing［J］.IEEE Transac?tions on Software Engineering 1994，10：812-824.

［9］M.Gittens，H.Lutfiyya，and M.Bauer.An extended oper?ational profile model［C］//In Proc.of the 15th Internation?al Symposium on Software Reliability Engineering（ISSRE'04），2004：314-325.

［10］D.Harel.Statecharts：A visual formalism for complex sys?tems［J］.Science of Computer Programming 8，1987：231-274.