2. Принципы и виды отладки программного средства. Автономная отладка программного средства. Комплексная отладка программного средства.

Отладка ПС - это деятельность, направленная на обнаружение и исправление ошибок в ПС. Тестирование ПС - это процесс выполнения программ ПС на некотором наборе данных, для которого заранее известен результат применения или известны правила поведения этих программ. Указанный набор данных называется тестовым или просто тестом. Таким образом, отладку можно представить в виде многократного повторения трех процессов: тестирования, в результате которого может быть констатировано наличие в ПС ошибки, поиска места ошибки в программах и документации ПС и редактирования программ и документации с целью устранения обнаруженной ошибки. Другими словами:

Отладка = Тестирование + Поиск ошибок + Редактирование.

Принципы и виды отладки программного средства

Успех отладки ПС в значительной степени предопределяет рациональная организация тестирования. Тестирование не может доказать правильность ПС, в лучшем случае оно может продемонстрировать наличие в нем ошибки. Поэтому возникает две задачи. Первая задача: подготовить такой набор тестов, чтобы обнаружить в ПС по возможности большее число ошибок. Однако чем дольше продолжается процесс тестирования (и отладки в целом), тем большей становится стоимость ПС. Отсюда вторая задача: определить момент окончания отладки ПС (или отдельной его компоненты). Признаком возможности окончания отладки является полнота охвата пропущенными через ПС тестами (т.е. тестами, к которым применено ПС) множества различных ситуаций, возникающих при выполнении программ ПС, и относительно редкое проявление ошибок в ПС на последнем отрезке процесса тестирования. Последнее определяется в соответствии с требуемой степенью надежности ПС, указанной в спецификации его качества.

Для оптимизации набора тестов, т.е. для подготовки такого набора тестов, который позволял бы при заданном их числе (или при заданном интервале времени, отведенном на тестирование) обнаруживать большее число ошибок в ПС, необходимо, во-первых, заранее планировать этот набор и, во-вторых, использовать рациональную стратегию планирования (проектирования) тестов. Возможны разные подходы к выработке стратегии проектирования тестов, которые можно условно графически разместить между следующими двумя крайними подходами. Левый крайний подход заключается в том, что тесты проектируются только на основании изучения спецификаций ПС (внешнего описания, описания архитектуры и спецификации модулей). Строение модулей при этом никак не учитывается, т.е. они рассматриваются как черные ящики. Фактически такой подход требует полного перебора всех наборов входных данных, так как в противном случае некоторые участки программ ПС могут не работать при пропуске любого теста, а это значит, что содержащиеся в них ошибки не будут проявляться. Однако тестирование ПС полным множеством наборов входных данных практически неосуществимо. Правый крайний подход заключается в том, что тесты проектируются на основании изучения текстов программ с целью протестировать все пути выполнения каждой программ ПС. Если принять во внимание наличие в программах циклов с переменным числом повторений, то различных путей выполнения программ ПС может оказаться также чрезвычайно много, так что их тестирование также будет практически неосуществимо.

Оптимальная стратегия проектирования тестов расположена внутри интервала между этими крайними подходами, но ближе к левому краю. Она включает проектирование значительной части тестов по спецификациям, но она требует также проектирования некоторых тестов и по текстам программ. При этом в первом случае эта стратегия базируется на принципах:

• на каждую используемую функцию или возможность - хотя бы один тест,

• на каждую область и на каждую границу изменения какой-либо входной величины - хотя бы один тест,

• на каждую особую (исключительную) ситуацию, указанную в спецификациях, - хотя бы один тест.

Во втором случае эта стратегия базируется на принципе: каждая команда каждой программы ПС должна проработать хотя бы на одном тесте.

В нашей стране различаются два основных вида отладки (включая тестирование): автономную и комплексную отладку ПС.

Автономная отладка ПС означает последовательное раздельное тестирование различных частей программ, входящих в ПС, с поиском и исправлением в них фиксируемых при тестировании ошибок. Она фактически включает отладку каждого программного модуля и отладку сопряжения модулей. В процессе автономной отладки ПС производится наращивание тестируемой программы отлаженными модулями: при переходе к отладке следующего модуля в его программное окружение добавляется последний отлаженный модуль. Такой процесс наращивания программного окружения отлаженными модулями называется интеграцией программы.

При восходящем тестировании это окружение будет содержать только один отладочный модуль (кроме случая, когда отлаживается последний модуль отлаживаемой программы), который будет головным в тестируемой программе. Такой отладочный модуль называют ведущим (или драйвером). Ведущий отладочный модуль подготавливает информационную среду для тестирования отлаживаемого модуля (т. е. формирует ее состояние, требуемое для тестирования этого модуля, в частности, путем ввода некоторых тестовых данных), осуществляет обращение к отлаживаемому модулю и после окончания его работы выдает необходимые сообщения.

При нисходящем тестировании окружение отлаживаемого модуля в качестве отладочных модулей содержит отладочные имитаторы (заглушки) некоторых еще не отлаженных модулей. К таким модулям относятся, прежде всего, все модули, к которым может обращаться отлаживаемый модуль, а также еще не отлаженные модули, к которым могут обращаться уже отлаженные модули (включенные в это окружение). Некоторые из этих имитаторов при отладке одного модуля могут изменяться для разных тестов.

На практике в окружении отлаживаемого модуля могут содержаться отладочные модули обоих типов, если используется смешанная стратегия тестирования. Это связано с тем, что как восходящее, так и нисходящее тестирование имеет свои достоинства и свои недостатки.

К достоинствам восходящего тестирования относятся:

• простота подготовки тестов,

• возможность полной реализации плана тестирования модуля.

Это связано с тем, что тестовое состояние информационной среды готовится непосредственно перед обращением к отлаживаемому модулю (ведущим отладочным модулем).

Недостатками восходящего тестирования являются следующие его особенности:

• тестовые данные готовятся, как правило, не в той форме, которая рассчитана на пользователя (кроме случая, когда отлаживается последний, головной, модуль отлаживаемой программ);

• большой объем отладочного программирования (при отладке одного модуля приходится составлять много ведущих отладочных модулей, формирующих подходящее состояние информационной среды для разных тестов);

• необходимость специального тестирования сопряжения модулей.

• К достоинствам нисходящего тестирования относятся следующие его особенности:

• большинство тестов готовится в форме, рассчитанной на пользователя;

• во многих случаях относительно небольшой объем отладочного программирования (имитаторы модулей, как правило, весьма просты и каждый пригоден для большого числа, нередко - для всех, тестов);

• отпадает необходимость тестирования сопряжения модулей.

Недостатком нисходящего тестирования является то, что тестовое состояние информационной среды перед обращением к отлаживаемому модулю готовится косвенно - оно является результатом применения уже отлаженных модулей к тестовым данным или данным, выдаваемым имитаторами. Это, во-первых, затрудняет подготовку тестов и требует высокой квалификации тестовика (разработчика тестов), а во-вторых, делает затруднительным или даже невозможным реализацию полного плана тестирования отлаживаемого модуля. Указанный недостаток иногда вынуждает разработчиков применять восходящее тестирование даже в случае нисходящей разработки. Однако чаще применяют некоторые модификации нисходящего тестирования, либо некоторую комбинацию нисходящего и восходящего тестирования.

Часто применяют также комбинацию восходящего и нисходящего тестирования, которую называют методом сандвича. Сущность этого метода заключается в одновременном осуществлении как восходящего, так и нисходящего тестирования, пока эти два процесса тестирования не встретятся на каком-либо модуле где-то в середине структуры отлаживаемой программы. Этот метод при разумном порядке тестирования позволяет воспользоваться достоинствами как восходящего, так и нисходящего тестирования, а также в значительной степени нейтрализовать их недостатки.

Автономное тестирование модуля целесообразно осуществлять в четыре последовательно выполняемых шага.

• На основании спецификации отлаживаемого модуля подготовьте тесты для каждой возможности и каждой ситуации, для каждой границы областей допустимых значений всех входных данных, для каждой области изменения данных, для каждой области недопустимых значений всех входных данных и каждого недопустимого условия.

• Проверьте текст модуля, чтобы убедиться, что каждое направление любого разветвления будет пройдено хотя бы на одном тесте. Добавьте недостающие тесты.

• Проверьте текст модуля, чтобы убедиться, что для каждого цикла существуют тесты, обеспечивающие, по крайней мере, три следующие ситуации: тело цикла не выполняется ни разу, тело цикла выполняется один раз и тело цикла выполняется максимальное число раз. Добавьте недостающие тесты.

• Проверьте текст модуля, чтобы убедиться, что существуют тесты, проверяющие чувствительность к отдельным особым значениям входных данных. Добавьте недостающие тесты.

Комплексная отладка означает тестирование ПС в целом с поиском и исправлением фиксируемых при тестировании ошибок во всех документах (включая тексты программ ПС), относящихся к ПС в целом. К таким документам относятся определение требований к ПС, спецификация качества ПС, функциональная спецификация ПС, описание архитектуры ПС и тексты программ ПС. Тестирование этих документов производится, как правило, в порядке, обратном их разработке. Исключение составляет лишь тестирование документации по применению, которая разрабатывается по внешнему описанию параллельно с разработкой текстов программ - это тестирование лучше производить после завершения тестирования внешнего описания. Тестирование при комплексной отладке представляет собой применение ПС к конкретным данным, которые в принципе могут возникнуть у пользователя (в частности, все тесты готовятся в форме, рассчитанной на пользователя), но, возможно, в моделируемой (а не в реальной) среде. Например, некоторые недоступные при комплексной отладке устройства ввода и вывода могут быть заменены их программными имитаторами.

Тестирование архитектуры ПС. Целью тестирования является поиск несоответствия между описанием архитектуры и совокупностью программ ПС. К моменту начала тестирования архитектуры ПС должна быть уже закончена автономная отладка каждой подсистемы. Ошибки реализации архитектуры могут быть связаны, прежде всего, с взаимодействием этих подсистем, в частности, с реализацией архитектурных функций (если они есть). Поэтому хотелось бы проверить все пути взаимодействия между подсистемами ПС. При этом желательно хотя бы протестировать все цепочки выполнения подсистем без повторного вхождения последних. Если заданная архитектура представляет ПС в качестве малой системы из выделенных подсистем, то число таких цепочек будет вполне обозримо.

Тестирование внешних функций. Целью тестирования является поиск расхождений между функциональной спецификацией и совокупностью программ ПС. Несмотря на то, что все эти программы автономно уже отлажены, указанные расхождения могут быть, например, из-за несоответствия внутренних спецификаций программ и их модулей (на основании которых производилось автономное тестирование) функциональной спецификации ПС. Как правило, тестирование внешних функций производится так же, как и тестирование модулей на первом шаге, т.е. как черного ящика.

Тестирование качества ПС. Целью тестирования является поиск нарушений требований качества, сформулированных в спецификации качества ПС. Это наиболее трудный и наименее изученный вид тестирования. Ясно лишь, что далеко не каждый примитив качества ПС может быть испытан тестированием. Завершенность ПС проверяется уже при тестировании внешних функций. На данном этапе тестирование этого примитива качества может быть продолжено, если требуется получить какую-либо вероятностную оценку степени надежности ПС. Однако, методика такого тестирования еще требует своей разработки. Могут тестироваться такие примитивы качества, как точность, устойчивость, защищенность, временная эффективность, в какой-то мере - эффективность по памяти, эффективность по устройствам, расширяемость и, частично, независимость от устройств. Каждый из этих видов тестирования имеет свою специфику и заслуживает отдельного рассмотрения. Мы здесь ограничимся лишь их перечислением. Легкость применения ПС (критерий качества, включающий несколько примитивов качества) оценивается при тестировании документации по применению ПС.

Тестирование документации по применению ПС. Целью тестирования является поиск несогласованности документации по применению и совокупностью программ ПС, а также выявление неудобств, возникающих при применении ПС. Этот этап непосредственно предшествует подключению пользователя к завершению разработки ПС (тестированию определения требований к ПС и аттестации ПС), поэтому весьма важно разработчикам сначала самим воспользоваться ПС так, как это будет делать пользователь. Все тесты на этом этапе готовятся исключительно на основании только документации по применению ПС. Прежде всего, должны тестироваться возможности ПС как это делалось при тестировании внешних функций, но только на основании документации по применению. Должны быть протестированы все неясные места в документации, а также все примеры, использованные в документации. Далее тестируются наиболее трудные случаи применения ПС с целью обнаружить нарушение требований относительности легкости применения ПС.

Тестирование определения требований к ПС. Целью тестирования является выяснение, в какой мере ПС не соответствует предъявленному определению требований к нему. Особенность этого вида тестирования заключается в том, что его осуществляет организация-покупатель или организация-пользователь ПС как один из путей преодоления барьера между разработчиком и пользователем. Обычно это тестирование производится с помощью контрольных задач - типовых задач, для которых известен результат решения. В тех случаях, когда разрабатываемое ПС должно придти на смену другой версии ПС, которая решает хотя бы часть задач разрабатываемого ПС, тестирование производится путем решения общих задач с помощью как старого, так и нового ПС (с последующим сопоставлением полученных результатов). Иногда в качестве формы такого тестирования используют опытную эксплуатацию ПС - ограниченное применение нового ПС с анализом использования результатов в практической деятельности. По существу, этот вид тестирования во многом перекликается с испытанием ПС при его аттестации, но выполняется до аттестации, а иногда и вместо аттестации.