王 豐，印 釗

（武漢郵電科學(xué)研究院湖北武漢430074）

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，軟件開發(fā)周期越來越短，如何快速有效地檢驗軟件的可靠性成為一個重要問題。運(yùn)行時驗證技術(shù)是一種軟件測試技術(shù)，其思想是通過持續(xù)監(jiān)控并采集程序運(yùn)行狀態(tài)信息來驗證軟件運(yùn)行是否符合規(guī)范。早期的運(yùn)行時驗證技術(shù)受限于單核處理器（Central Processing Unit，CPU）的性能不足，使用其測試軟件會影響目標(biāo)軟件的運(yùn)行速度，導(dǎo)致測試效率降低、測試成本增加。近幾年多核CPU電腦已經(jīng)大規(guī)模普及，研究基于多核CPU的運(yùn)行時驗證技術(shù)對于改進(jìn)傳統(tǒng)的運(yùn)行時驗證技術(shù)尤為重要。

本文在基于多核CPU的Ubuntu平臺上，對兩個不同的開源程序針對數(shù)組引用越界這種軟件錯誤進(jìn)行運(yùn)行時驗證技術(shù)的研究。通過實驗數(shù)據(jù)得出了基于多核CPU的運(yùn)行時驗證技術(shù)能夠有效提高監(jiān)控軟件效率、增加軟件可靠性的結(jié)論。

1　相關(guān)技術(shù)概述

1.1　運(yùn)行時驗證技術(shù)

驗證技術(shù)是一種檢驗系統(tǒng)的行為是否符合規(guī)范的技術(shù)，主要的驗證技術(shù)有定理證明、模型檢測和測試3種[1]。定理證明和模型檢測主要從宏觀層面通過公式推導(dǎo)和建模來驗證系統(tǒng)的正確性，但一個正確的系統(tǒng)運(yùn)行之后仍可能出現(xiàn)一些無法預(yù)料的錯誤，這就需要通過測試的方法，從微觀層面檢驗系統(tǒng)的正確性。運(yùn)行時驗證技術(shù)是一種測試方法[2]。該技術(shù)的思想是：運(yùn)行程序前對軟件進(jìn)行相關(guān)配置，設(shè)計一個監(jiān)控器，如果程序在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了不符合規(guī)范的異常，監(jiān)控器能夠?qū)崟r記錄和匯報軟件運(yùn)行狀況。運(yùn)行時驗證技術(shù)具有易于部署、可降低軟件測試的成本、可提高軟件測試效率等優(yōu)點(diǎn)。

運(yùn)行時驗證技術(shù)一般通過插樁的方法來實現(xiàn)。插樁是在程序源代碼中插入一段自定義的代碼，這段自定義的代碼的作用是收集記錄源程序的運(yùn)行信息，比如數(shù)組引用情況、指針引用情況、函數(shù)的調(diào)用情況等評估程序運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)。插入的自定義代碼叫做樁代碼，樁代碼不能影響程序結(jié)果，也不能破壞程序執(zhí)行邏輯的完整性[3]。由于樁代碼需要實現(xiàn)信息獲取與傳遞功能，在運(yùn)行程序時必然會占用系統(tǒng)資源、增加運(yùn)行時間，這就是使用運(yùn)行時驗證技術(shù)所帶來的性能損耗。

1.2　多核CPU與并行編程

CPU是一臺計算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。它的功能主要是解釋計算機(jī)指令以及處理計算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)[4]。目前常用的多核CPU通常指的是單芯片多處理器（Chip Multiprocessors，CMP）。CMP的思想是將大規(guī)模并行處理器中的對稱多處理器集成到同一芯片內(nèi)，各個處理器并行執(zhí)行不同的進(jìn)程[5]。這種依靠多個CPU并行地運(yùn)行程序的方式被稱為并行處理。并發(fā)和并行是兩個常用的計算機(jī)概念。并發(fā)是指當(dāng)有多個線程在操作，而系統(tǒng)只有一個CPU時，宏觀上有多個程序在同時運(yùn)行，但微觀上這些程序只是串行地交替執(zhí)行，在同一時刻只能有一個程序被執(zhí)行[6]。并行是指當(dāng)系統(tǒng)有不止一個CPU時，不同的線程可以在不同的CPU上執(zhí)行，線程之間互不占用CPU資源，屬于真正的同時運(yùn)行。

進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，一個進(jìn)程可以分為兩個部分：線程集合和資源集合。線程是進(jìn)程中的一個動態(tài)對象，進(jìn)程中的所有線程將共享進(jìn)程里的資源。實現(xiàn)基于多核CPU的運(yùn)行時驗證技術(shù)需要使用線程并行的編程技術(shù)。線程并行編程的主要內(nèi)容是解決共享內(nèi)存、消息傳遞和數(shù)據(jù)并行這3個方面的問題。本文使用POSIX threads線程庫，簡稱Pthreads線程庫[7]，進(jìn)行線程的相關(guān)操作。Pthreads線程庫是Linux系統(tǒng)中多線程編程的標(biāo)準(zhǔn)庫。與大多數(shù)線程庫的功能相似，Pthreads線程庫具有線程的創(chuàng)建和終止、線程同步、設(shè)置條件變量與信號量等功能[8]。

1.3　數(shù)組越界

緩存溢出是一種輸入數(shù)據(jù)超出緩存區(qū)大小的程序錯誤，可導(dǎo)致程序運(yùn)行出錯或者崩潰[9]。數(shù)組是程序中最常用的一種緩存區(qū)，函數(shù)調(diào)用數(shù)組的數(shù)組名出錯、調(diào)用數(shù)組的下標(biāo)超過了數(shù)組定義的大小等錯誤被稱為“數(shù)組越界”。數(shù)組越界是一種緩存溢出的表現(xiàn)，是一種常見的程序錯誤。本文通過檢驗數(shù)組越界這一錯誤來證明運(yùn)行時驗證技術(shù)的有效性。

2　基于多核CPU的運(yùn)行時驗證技術(shù)的設(shè)計

本文的設(shè)計思想是：設(shè)置兩個線程，一個線程負(fù)責(zé)運(yùn)行目標(biāo)程序，另一個線程負(fù)責(zé)監(jiān)控目標(biāo)程序運(yùn)行狀況，在運(yùn)行目標(biāo)程序之前，修改目標(biāo)程序的源代碼，在源代碼中插入負(fù)責(zé)監(jiān)控的樁代碼。為了模擬程序運(yùn)行時出現(xiàn)錯誤，使用數(shù)組越界這種錯誤作為各種程序錯誤的代表。最后在其他條件相同的情況下使用單核CPU和多核CPU進(jìn)行對比實驗，得到實驗結(jié)果和結(jié)論。下面是相關(guān)步驟的具體設(shè)計。

本文的實驗需要創(chuàng)建兩個線程：一個目標(biāo)程序線程，一個監(jiān)控器線程。在目標(biāo)程序運(yùn)行的過程中，監(jiān)控器線程負(fù)責(zé)定時收集程序運(yùn)行信息。一般的多核CPU系統(tǒng)能夠自動分配線程給不同的核心，但如果使用核綁定技術(shù)將目標(biāo)程序線程和監(jiān)控器線程分別綁定到用戶自定義的處理器核心上可以使效率更高。監(jiān)控器線程如果一直處于運(yùn)行狀態(tài)，會占用系統(tǒng)資源，導(dǎo)致目標(biāo)程序性能降低，因此需要根據(jù)目標(biāo)程序使用數(shù)組的次數(shù)來決定是否喚醒監(jiān)控器線程，本次實驗把使用數(shù)組次數(shù)設(shè)為3000。每使用3000次數(shù)組，就喚醒監(jiān)控器線程來處理信息，判斷這3000次數(shù)組使用中是否出現(xiàn)了數(shù)組越界的錯誤。監(jiān)控器線程在對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過程中，會將每一個數(shù)據(jù)的處理結(jié)果寫入文件。故監(jiān)控器線程的工作流程為：

1）監(jiān)控器線程檢測目標(biāo)程序進(jìn)程是否使用數(shù)組，不是則休眠，使用數(shù)組則進(jìn)入下一步；

2）記錄使用的數(shù)組信息，計數(shù)number（初始為0）加1；

3）number是否等于3000，等于則進(jìn)入下一步，小于則返回第1步；

4）監(jiān)控器線程集中處理之前收集的3000次數(shù)組的數(shù)據(jù)，處理完成后number清零。

5）結(jié)束。

兩個線程之間的通信使用一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組來實現(xiàn)。下面是兩個線程用來通信的全局結(jié)構(gòu)體數(shù)組的定義：

該結(jié)構(gòu)體傳遞的信息是目標(biāo)程序運(yùn)行中用到的數(shù)組下標(biāo)。這里定義一個全局整形變量number作為結(jié)構(gòu)體數(shù)組的下標(biāo)。本次實驗希望通過運(yùn)行時驗證技術(shù)來檢驗數(shù)組越界這一錯誤。檢驗數(shù)組是否越界的方法為：目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，每次使用數(shù)組的信息都被會用結(jié)構(gòu)體數(shù)組communication[i]里保存。獲取結(jié)構(gòu)體數(shù)組下標(biāo)的最大值、最小值和下標(biāo)值subscript，如果使用的數(shù)組的下標(biāo)subscript比min小或者比max大，那么可以認(rèn)為目標(biāo)程序運(yùn)行過程中發(fā)生了數(shù)組越界的錯誤。每次目標(biāo)程序調(diào)用一次數(shù)組就把結(jié)構(gòu)體數(shù)組的信息存入一個文件中，按順序分配行號和列號，如圖1所示。

圖1　保存使用過的數(shù)組信息

如果檢測到發(fā)生數(shù)組越界的錯誤，那么將出錯的數(shù)組的行號列號存入到“error.txt”文件里。如圖2所示。

運(yùn)行時驗證技術(shù)對不同程序的驗證效率是不同的，為了得出更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)論，本次實驗使用PPETS math functions和Qsort兩個開源目標(biāo)程序進(jìn)行對比實驗。PPETS math functions是一款是計算的軟件，具有計算量大，運(yùn)行時間較長，大量使用數(shù)組的特點(diǎn)。

圖2　保存產(chǎn)生錯誤的數(shù)組信息

Qsort程序是編譯器自帶的快速排序程序，通過調(diào)用math.h頭文件中的qsort（）函數(shù)，程序會使用快速排序算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，Qsort程序的代碼規(guī)模與復(fù)雜度遠(yuǎn)小于PPETS math functions程序。

本次實驗把目標(biāo)程序的執(zhí)行時間作為運(yùn)行時驗證技術(shù)的性能判定的參考值，在其他條件相同的情況下，程序執(zhí)行時間越短表示性能越好。在Linux操作系統(tǒng)下，可以通過time命令來獲取一個程序的執(zhí)行時間。

為了證明多核CPU能夠加速實現(xiàn)運(yùn)行時驗證技術(shù)，本次實驗設(shè)計5種場景：

1）單核平臺下直接運(yùn)行目標(biāo)程序；

2）單核平臺下使用運(yùn)行時驗證技術(shù)，運(yùn)行目標(biāo)程序；

3）多核平臺下直接運(yùn)行目標(biāo)程序；

4）多核平臺下不進(jìn)行核綁定，使用運(yùn)行時驗證技術(shù)，運(yùn)行目標(biāo)程序；

5）多核平臺下進(jìn)行核綁定，使用運(yùn)行時驗證技術(shù)，運(yùn)行目標(biāo)程序。

3　基于多核CPU的運(yùn)行時驗證技術(shù)的實現(xiàn)

本次實驗使用的處理器為Intel酷睿i3-5005U，CPU主頻2 GHz，雙核心，操作系統(tǒng)是Linux Ubuntu，編程語言為C語言。實驗通過編寫代碼并運(yùn)行得到實驗結(jié)果，實現(xiàn)本次實驗的關(guān)鍵就是插樁代碼和線程控制的代碼。

3.1　插樁代碼

本次實驗兩個目標(biāo)程序PPETS math functions和Qsort都是可以直接運(yùn)行的，因此需要在目標(biāo)程序中插入作為記錄程序運(yùn)行信息的樁代碼，如下所示：

以上代碼的作用是如果目標(biāo)程序運(yùn)行時使用了數(shù)組，通過調(diào)用aStake（）樁函數(shù)，將使用的數(shù)組的元素x[i]的下標(biāo)最小值1、最大值2、下標(biāo)i、存儲的文件名"test.txt"和存儲在文件中第3行第4列6個實參傳遞給結(jié)構(gòu)體數(shù)組。

由于目標(biāo)程序PPETS math functions和Qsort都是非常成熟的程序，一般情況很難出現(xiàn)運(yùn)行錯誤。為了模擬目標(biāo)程序出現(xiàn)運(yùn)行時錯誤，實驗需要隨機(jī)產(chǎn)生一些越界的數(shù)組下標(biāo)。調(diào)用頭文件里的生成隨機(jī)數(shù)函數(shù)作為數(shù)組下標(biāo)即可。生成隨機(jī)數(shù)代碼如下：

3.2　線程控制代碼

實驗新建一個監(jiān)控器線程并將其與一個CPU進(jìn)行核綁定，將目標(biāo)程序與另一個CPU進(jìn)行核綁定，這樣就能發(fā)揮多核CPU的優(yōu)勢，達(dá)到監(jiān)控程序與目標(biāo)程序并行運(yùn)行的效果。使用Pthreads線程庫提供的pthread_create（）函數(shù)創(chuàng)建線程。Linux系統(tǒng)提供了調(diào)用函數(shù)來設(shè)置核親和性：sched_setaffinity（pid_t pid，unsigned int cpusetsize，cpu_set_t*mask），參數(shù)pid是目標(biāo)線程或進(jìn)程的id（若為0表示當(dāng)前線程）；參數(shù)cpusetsize指后一個參數(shù)mask所指向的內(nèi)存結(jié)構(gòu)對象的大小；指針參數(shù)mask指向類型為cpu_set_t的對象。模擬單核CPU運(yùn)行程序只需把所有進(jìn)程都放在一個核心上運(yùn)行即可。

以下是監(jiān)控器線程功能實現(xiàn)代碼：

圖3是多核平臺下把兩個線程綁定到不同的CPU成功的結(jié)果。

圖3　不同線程核綁定成功

4　實驗結(jié)果

正如設(shè)計中提到的，本次實驗有5種場景：

1）單核平臺下直接運(yùn)行目標(biāo)程序；

2）單核平臺下使用運(yùn)行時驗證技術(shù)，運(yùn)行目標(biāo)程序；

3）多核平臺下直接運(yùn)行目標(biāo)程序；

4）多核平臺下不進(jìn)行核綁定，使用運(yùn)行時驗證技術(shù)，運(yùn)行目標(biāo)程序；

5）多核平臺下進(jìn)行核綁定，使用運(yùn)行時驗證技術(shù)，運(yùn)行目標(biāo)程序。

實驗對每種場景都進(jìn)行了多次實驗，最終結(jié)果取多次實驗結(jié)果的平均值[10-18]。

圖4是目標(biāo)程序為Qsort，運(yùn)行場景1的一次結(jié)果，其中real時間是程序運(yùn)行時間，實驗結(jié)果以real時間為參考。

圖4　PPETS math functions單核直接運(yùn)行結(jié)果

圖5顯示的是目標(biāo)程序為PPETS math functions的5種實驗場景的平均結(jié)果，其中場景1的運(yùn)行時間為40.7 s，場景2的運(yùn)行時間為42.2 s，場景3的運(yùn)行時間為33.3 s，場景4的運(yùn)行時間為35.1 s，場景5的運(yùn)行時間為31 s。

圖5　目標(biāo)程序為PPETS math functions的實驗結(jié)果

對于Qsort軟件中也對上述5種情況分別進(jìn)行了實驗，圖6為實驗結(jié)果。其中場景1的運(yùn)行時間為18.9 s，場景2的運(yùn)行時間為23.4 s，場景3的運(yùn)行時間為17.1 s，場景4的運(yùn)行時間為20.5 s，場景5的運(yùn)行時間為17.9 s。

圖6　目標(biāo)程序為Qsort的實驗結(jié)果

通過對比以上實驗結(jié)果，可以得出以下實驗結(jié)論：

1）運(yùn)行同一個目標(biāo)程序，無論是使用運(yùn)行時驗證技術(shù)還是直接運(yùn)行，多核運(yùn)行速度都比單核運(yùn)行速度快。目標(biāo)程序為PPETS math functions時，多核運(yùn)行速度（未綁定核）比單核運(yùn)行速度平均快17.5%，核綁定的情況下多核運(yùn)行速度比單核運(yùn)行速度平均快26.5%。目標(biāo)程序為Qsort時，多核運(yùn)行速度（未綁定核）比單核運(yùn)行速度平均快10.9%，核綁定的情況下多核運(yùn)行速度比單核運(yùn)行速度平均快23.5%；

2）運(yùn)行同一個目標(biāo)程序，無論是單核還是多核，使用運(yùn)行時驗證技術(shù)都會增加程序運(yùn)行時間。目標(biāo)程序為PPETS math functions時，時間平均增加了4.5%，目標(biāo)程序為Qsort時，時間平均增加了21.8%；

3）運(yùn)行同一個目標(biāo)程序，多核運(yùn)行時進(jìn)行核綁定能夠在多核運(yùn)行原先的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高性能。目標(biāo)程序為PPETS math functions時，核綁定之后速度提高11.7%。目標(biāo)程序為Qsort時，核綁定之后速度提高12.7%；

4）對于不同的目標(biāo)程序，目標(biāo)程序規(guī)模越大，使用運(yùn)行時驗證技術(shù)占用資源的比例就越少，軟件測試效率越高。

5　結(jié)束語

本文通過對相關(guān)技術(shù)的研究與分析，實現(xiàn)了基于多核CPU的運(yùn)行時驗證技術(shù)并進(jìn)行了實驗。分析實驗結(jié)果可以得出結(jié)論：與基于單核CPU的運(yùn)行時驗證技術(shù)相比，本文所實現(xiàn)的基于多核CPU的運(yùn)行時驗證技術(shù)能夠有效提高軟件的測試效率和運(yùn)行速度，具有一定的實用價值。當(dāng)然本文的設(shè)計還存在需要改進(jìn)和完善的地方，比如插樁代碼和插樁的位置還可以進(jìn)行優(yōu)化，使得運(yùn)行時驗證技術(shù)造成的損耗降低；監(jiān)控器線程的功能還可以增加，使其能夠檢驗多種軟件運(yùn)行錯誤。這些是今后需要研究和關(guān)注的方向。