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淺析計算機軟件可靠性設計
軟件可靠性設計工程是一門(mén)還處于不成熟的正在發(fā)展確立階段的新工程學(xué)科，以下是小編搜集整理的一篇探究計算機軟件可靠性設計的論文范文，供大家閱讀參考。
摘要：本文介紹了軟件可靠性設計的基本概念,軟件故障產(chǎn)生的機理,軟件質(zhì)量的可靠性參數,并且著(zhù)重介紹了軟件可靠性設計方法。
關(guān)鍵詞：計算機軟件;可靠性設計;機理;參數
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，軟件可靠性成為我們關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題，軟件系統規模越做越大越復雜，其可靠性越來(lái)越難保證。應用本身對系統運行的可靠性要求越來(lái)越高，在一些關(guān)鍵的應用領(lǐng)域，如航空、航天等，其可靠性要求尤為重要，在銀行等服務(wù)性行業(yè)，其軟件系統的可靠性也直接關(guān)系到自身的聲譽(yù)和生存發(fā)展競爭能力。特別是軟件可靠性比硬件可靠性更難保證，會(huì )嚴重影響整個(gè)系統的可靠性。在許多項目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對可靠性沒(méi)有提出明確的要求，開(kāi)發(fā)商(部門(mén))也不在可靠性方面花更多的精力，往往只注重速度、結果的正確性和用戶(hù)界面的友好性等，而忽略了可靠性。在投入使用后才發(fā)現大量可靠性問(wèn)題，增加了維護困難和工作量，嚴重時(shí)只有束之高閣，無(wú)法投入實(shí)際使用。本文僅就軟件可靠性工程在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應用談?wù)勛约旱恼J識。
1.軟件可靠性設計的基本概念
1.1 軟件及軟件故障。軟件(也稱(chēng)程序)本質(zhì)上是一種把一組離散輸入變成一組離散輸出的工具,它由一組編碼語(yǔ)句組成,這些語(yǔ)句的功能基本上是以下功能之一:(1)計算一個(gè)表達式并將其結果存儲在單元里;(2)決定下一步要執行哪個(gè)語(yǔ)句;(3)進(jìn)行輸入/輸出控制。
軟件產(chǎn)品與硬件產(chǎn)品一樣。軟件的可靠性工作也是貫穿于軟件的整個(gè)壽命周期的。軟件的壽命周期,是指從軟件任務(wù)的提出一直到它完成使命,因陳舊而被廢棄為止的整個(gè)時(shí)間歷程,這個(gè)壽命周期包括了提出要求/規格說(shuō)明、設計、實(shí)現、檢驗、維護等五個(gè)階段,前四個(gè)階段為開(kāi)發(fā)期,維護階段為使用期。
1.2 軟件可靠性。關(guān)于軟件可靠性的定義是什么。較多的人認為軟件的可靠性與“概率統計的可靠性”的概念密切相關(guān),軟件的可靠性是軟件在規定的條件下、規定的時(shí)間周期內執行所要求功能的能力。軟件的可靠度是軟件在規定的條件下、規定的時(shí)間內不引起系統故障的概率,該概率是系統輸入與系統使用的函數。
2.軟件質(zhì)量的可靠性參數
2.1 系統平均不工作間隔時(shí)間(MTBSD或MTBD)。設d為軟件正常工作總時(shí)間,d為系統由于軟件故障而停止工作的次數,則定義TBSD=Tv/(d+1)。式中,TBSD―MTBSD;Tv―軟件正常工作總時(shí)間(h);d―系統由于軟件故障而停止工作的次數。MTBSD反映了系統的穩定性。
2.2 系統不工作次數(一定時(shí)期內)。由于軟件故障而停止工作,必須由操作者介入再啟動(dòng)才能繼續工作的次數。
2.3 可用度A。設Tv為軟件正常工作總時(shí)間,TD為由于軟件故障使系統不工作的時(shí)間,則定義A=TV/(TV+TD)。它反映了系統的穩定性,亦可表達為A=TBD/(TBD+TDT)。式中,TBD―MTBD(h),TDT―平均不工作時(shí)間,以下簡(jiǎn)稱(chēng)MDT(h)。對一般生產(chǎn)用計算機系統,要求A≥99.8%;銀行計算機系統,要求A>99.9%。
2.4 MTTR。它反映了出現軟件缺陷后采取對策的效率。在一定程度上也反映了軟件企業(yè)對社會(huì )服務(wù)的責任心。對于在線(xiàn)系統而言,MTT只要求不超過(guò)2天,變差系數應小于1。一般的MTTR也應小于7天,變差系數小于1。
2.5 平均不工作時(shí)間(MDT)。即由于軟件故障,系統不工作的均值。對在線(xiàn)系統而言。MDT要求不超過(guò)10min一般的MDT<30min。
2.6 初期故障。一般以軟件交付使用后的三個(gè)月內為初期故障期。初期故障率的大小取決于軟件設計水平、檢查項日數、軟件規模、軟件調試徹底與否等因素。
2.7 偶然故障率。一般以軟件交付給使用方四個(gè)月后為偶然故障期,偶然故障率以每1000h的故障數為單位,它反映了軟件處于穩定狀態(tài)下的質(zhì)量。一般最少要求偶然故障率不超過(guò)1,即每千小時(shí)不到1個(gè)故障,亦即MTBF超過(guò)1000h。
2.8 使用方誤用率。使用方不按照軟件規范及說(shuō)明等使用造成的錯誤叫使用方誤用。在總使用次數中,使用方誤用次數占的百分率叫使用方誤用率。造成使用方誤用的原因之一是使用方對說(shuō)明理解不深,操作不熟練,但也有可能是說(shuō)明沒(méi)有講得很清楚而引起誤解。其他的原因還有軟件系統的可操作性還應改進(jìn)、對使用方的使用培訓還要更深入等等
2.9 用戶(hù)提出補充要求數。這反映軟件未能充分滿(mǎn)足用戶(hù)的需要,有時(shí)要求是特定用戶(hù)的特定要求,生產(chǎn)方為了更好地為社會(huì )服務(wù),應該盡力滿(mǎn)足他們的要求。
2.10 處理能力。處理能力有各種指標。例如可用每小時(shí)平均處理多少文件、每項工作的反應時(shí)間多少秒等來(lái)表示,根據需要而定。在評價(jià)軟件及系統的經(jīng)濟效益時(shí)需用這項指標。
3.軟件可靠性設計方法
從軟件可靠性的概念可知,軟件的缺陷可以導致錯誤并造成系統的故障,因此,缺陷是一切錯誤的根源。為了提高軟件的可靠性,最關(guān)鍵的還是力求減少軟件中的缺陷。軟件的缺陷來(lái)自軟件壽命周期的各個(gè)階段,因此應想方設法在壽命周期的各個(gè)階段減少缺陷。缺陷在一定的環(huán)境條件下暴露,導致系統運行中出現錯誤。軟件的錯誤概括地說(shuō)可能由規范(要求/規格說(shuō)明)、軟件系統設計及編碼過(guò)程產(chǎn)生。
3.1 要求/規格說(shuō)明。只要在規格說(shuō)明與用戶(hù)要求說(shuō)明之間存在誤差,就會(huì )產(chǎn)生規范錯誤。
規范它不僅規定程序的要求,還規定所用的結構、研制及試驗中需要的程序試驗要求和文件,以及程序語(yǔ)言、輸入和輸出的基本要求。通過(guò)對這些方面作出適當的規定,就可以建立使產(chǎn)生錯誤的可能性最小、并保證錯誤能被發(fā)現和改正的程序生成的結構。
這種說(shuō)明書(shū)是軟件設計人員和用戶(hù)間相互了解的基礎,是軟件設計人員進(jìn)行程序設計、調試的基礎和評價(jià)軟件的依據。要求/規格說(shuō)明書(shū)應具有以下性質(zhì):
(1)可測性:生產(chǎn)出來(lái)的軟件產(chǎn)品應能根據要求/規格說(shuō)明書(shū)的內容進(jìn)行測試。(2)完整性:對軟件要求的描述要完整無(wú)缺。(3)明確性:對軟件的要求必須是明確的,不存在語(yǔ)義上的支義性。(4)一致性:要求說(shuō)明書(shū)中的概念與規范化。(5)彈性:當軟件的工作環(huán)境發(fā)生變化時(shí),其功能說(shuō)明也相應地擴充或壓縮。
3.2 軟件設計。軟件系統是根據要求/規格說(shuō)明(規范)設計的,通過(guò)設計將確定程序結構、測試點(diǎn)及限制等。為設計出可靠的軟件,需要在考慮諸如機型、資源、語(yǔ)言、模型及數據結構等實(shí)際問(wèn)題的基礎上,采取一些有效的設計方法。
3.2.1 “自頂向下設計”法。這種設計方法是處理分級問(wèn)題最有效的設計技術(shù)。它是以一個(gè)系統功能的最抽象描述開(kāi)始作為最高層次;從它出發(fā),設計一系列較詳細的子系統。由這些子系統來(lái)完成員高層次的功能;再以每個(gè)子系統為基礎,設計出一系列更詳細的子系統,等等。如此逐次向下作功能分解,直到最低層次的子系統能夠比較方便用計算機程序設計語(yǔ)言來(lái)實(shí)現為止。自頂向下設計方法的價(jià)值在于,它在設計的同時(shí),指出了復雜性不同的處理層次,而且各種設計要素之間的關(guān)系是比較清楚的。通過(guò)這樣一種結構化構造途徑,有可能在早期就洞察出設計問(wèn)題,從而避免了不必要地先去考慮較低層次的細節問(wèn)題。
3.2.2 結構化程序設計。軟件結構對軟件的可靠性具有重要的意義。結構良好的程序易于編寫(xiě)、檢查,便于查錯定位、修改和維護。結構化程序設計(也稱(chēng)為模塊化程序設計)把程序要求分成若干獨立的、更小的程序要求或模塊化的功能要求,分別提出各自的要求/規格說(shuō)明,并注明是如何與程序中的其他部分接口,還必須指出所有的輸入與輸出,以及測試要求。對每一個(gè)更小的程序和模塊,可分別編程和測試,使得模塊間高度分離。
3.2.3 容錯設計。對軟件錯誤所引起的后果特別嚴重的情況,如飛機的飛行控制系統、空中交通管制系統、核反應堆安全系統等,需采用容錯軟件。容錯設計的途徑有:(1)加強軟件的健壯性;使程序設計得能夠緩解錯誤的影響,不致造成諸如死鎖或崩潰這樣的嚴重后果,并能指出錯誤源。(2)采用N(>2)版本編程法:即盡可能用不同的算法與編程語(yǔ)言,經(jīng)不同的班組編制,以提高各軟件版本的獨立性。這N個(gè)軟件版本同時(shí)在N臺計算機上運行,各計算機間能進(jìn)行高效通信,并作出快速比較,當結果不一致時(shí),按多數表決或預定的策略選擇輸出。(3)恢復塊法:給需要作容錯處理的塊(基本塊)提供備份塊,并附加錯誤檢測和恢復措施
3 軟件編碼。在軟件結構設計的基礎上就可以進(jìn)行編碼,編碼產(chǎn)生的缺陷是軟件錯誤的主要來(lái)源。一般的編碼錯誤是:鍵入錯代碼;數值錯誤(尤其是單位不統一時(shí)易出這類(lèi)錯誤);丟失代碼(如括號);用了被零除這樣不定值的表達式等。為了減少編碼錯誤,實(shí)現設計與生產(chǎn)分離,首先由高水平的軟件工程師完成結構設計,再由程序設計員完成程序的編制是合理的、必要的,并在編碼過(guò)程中盡早地查出缺陷予以改正。
4.結束語(yǔ)
軟件可靠性設計工程是一門(mén)雖然得到普遍承認,但還處于不成熟的正在發(fā)展確立階段的新工程學(xué)科，任然存在很多問(wèn)題,需要去探索、研究和解決。本文介紹只在軟件可靠性設計方面拋磚引玉,提供借鑒。
參考文獻
[1] 張磊,周繼鋒,張強.系統軟件可靠性驗證測試方法研究[J].計算機與數字工程,2010,06.
[2] 曾福萍,靳慧亮,陸民燕.軟件缺陷模式的研究[J].計算機科學(xué),2011,02
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