鐵路信號(hào)軟件單元測(cè)試研究

凌 珊

（西南交通大學(xué) 信息與科學(xué)技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，鐵路旅客發(fā)送量及旅客周轉(zhuǎn)量逐年增加，保證鐵路運(yùn)輸安全、提高運(yùn)輸效率越來(lái)越成為鐵路系統(tǒng)關(guān)注的話題。鐵路信號(hào)軟件控制信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備動(dòng)作并實(shí)現(xiàn)邏輯檢查，其穩(wěn)定性及可靠性對(duì)于保證鐵路安全運(yùn)輸起著重要的作用。在軟件投入使用之前，需要對(duì)軟件進(jìn)行一系列的測(cè)試，單元測(cè)試作為最早、最基本的環(huán)節(jié)，不僅是軟件可靠性與穩(wěn)定性保證的關(guān)鍵因素，更是保證軟件質(zhì)量的有效手段。現(xiàn)階段，對(duì)于鐵路信號(hào)軟件單元測(cè)試，大多存在測(cè)試不完整、不規(guī)范等缺點(diǎn)，如文獻(xiàn)[1]僅介紹了計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖軟件的黑盒測(cè)試。而鐵路信號(hào)系統(tǒng)安全度等級(jí)嚴(yán)苛，其軟件質(zhì)量要求高，在對(duì)其進(jìn)行單元測(cè)試階段，更應(yīng)按照規(guī)定進(jìn)行更加細(xì)致完整的驗(yàn)證，以保證鐵路信號(hào)軟件的可靠性，進(jìn)一步提升鐵路信號(hào)系統(tǒng)的安全性。

1 單元測(cè)試概述

1.1 單元測(cè)試原理

軟件的單元測(cè)試就是針對(duì)軟件最小組成單元進(jìn)行正確性檢驗(yàn)的測(cè)試工作，它的測(cè)試對(duì)象可以是一個(gè)模塊、一個(gè)類甚至是一個(gè)函數(shù)[2]。測(cè)試人員依據(jù)軟件源程序和軟件設(shè)計(jì)規(guī)格說(shuō)明書，了解函數(shù)的輸入、輸出范圍限制，以及代碼邏輯原理，以測(cè)試的方式來(lái)分析軟件編碼是否正確，確定軟件接口、單元功能是否與軟件設(shè)計(jì)規(guī)格說(shuō)明書要求一致[3]。

對(duì)于較為復(fù)雜的軟件，通過(guò)運(yùn)行單元測(cè)試，可以直接測(cè)試各個(gè)功能的正確性，而無(wú)需啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，能夠較早地發(fā)現(xiàn)編碼問(wèn)題并迅速定位問(wèn)題所在位置，及時(shí)修改，降低整體開(kāi)發(fā)時(shí)間，減少后期維護(hù)成本，有效提高軟件代碼質(zhì)量。因此，單元測(cè)試是復(fù)雜軟件測(cè)試中必不可少的一部分。

1.2 單元測(cè)試方法

軟件單元測(cè)試主要分為靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)測(cè)試兩種方法，其中，動(dòng)態(tài)測(cè)試又可分為白盒測(cè)試和黑盒測(cè)試[4]。

1.2.1 靜態(tài)分析

靜態(tài)分析是一種不執(zhí)行代碼本身而獲得其信息的技術(shù),其目的是根據(jù)代碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控[5]。依靠人工檢查或者專用的工具分析，檢查軟件源代碼在邏輯、語(yǔ)法中所存在的錯(cuò)誤。在整個(gè)檢查過(guò)程中，可以覆蓋所有程序代碼，而不會(huì)破壞代碼本身。靜態(tài)分析的度量指標(biāo)有邏輯代碼行數(shù)、圈復(fù)雜度、扇入數(shù)、扇出數(shù)等。

白盒測(cè)試是基于軟件內(nèi)部設(shè)計(jì)和程序?qū)崿F(xiàn)的測(cè)試方法，顧名思義，白盒，能夠看見(jiàn)內(nèi)部，這是一種“身處其中”的測(cè)試機(jī)制。整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，不僅僅關(guān)注輸入與輸出的結(jié)果是否正確，還可以知曉軟件內(nèi)部程序是如何處理的[6]。白盒測(cè)試的主要方法有：數(shù)據(jù)流法、控制流法、邏輯覆蓋分析法等。

1.2.3 黑盒測(cè)試

黑盒測(cè)試也稱為功能性測(cè)試，從字面上理解，就是把軟件單元的所有功能和邏輯接口放入一個(gè)黑盒子中，在無(wú)法得知內(nèi)部邏輯走向與程序結(jié)構(gòu)時(shí)，根據(jù)預(yù)設(shè)的程序進(jìn)行測(cè)試[7]，驗(yàn)證軟件功能的正確性。在測(cè)試過(guò)程中，黑盒測(cè)試只關(guān)注輸入、輸出，若輸入一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)，其輸出結(jié)果是正確的，則認(rèn)為該功能正確，而不考慮軟件內(nèi)部的計(jì)算處理過(guò)程，是一種“置身事外”的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)測(cè)試。黑盒測(cè)試的主要方法有邊界值分析法、等價(jià)類劃分法、場(chǎng)景法和因果圖法等。

2 鐵路信號(hào)軟件單元測(cè)試概述

2.1 鐵路信號(hào)軟件單元測(cè)試基本要求

目前，在鐵路信號(hào)領(lǐng)域，鐵路信號(hào)軟件測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要參考MISRA-C:2004 （Guidelines for the use of the C language in critical systems）[8]和ISO 29119-3（軟件測(cè)試國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）[9]等文件，對(duì)鐵路信號(hào)軟件的單元測(cè)試需要根據(jù)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)格說(shuō)明書、軟件需求規(guī)格說(shuō)明書、軟件測(cè)試規(guī)格說(shuō)明書等；選取適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)軟件的性能、質(zhì)量等方面進(jìn)行測(cè)試，以檢驗(yàn)該軟件是否符合軟件需求規(guī)格說(shuō)明書的需求，盡可能及早地發(fā)現(xiàn)軟件缺陷[10]。

鐵路信號(hào)軟件單元測(cè)試一般應(yīng)滿足以下要求：

（1）保證軟件的行為和性能滿足對(duì)應(yīng)測(cè)試規(guī)格的要求；

（2）流通方向及流量。主要流通方向?yàn)橹貞c主城區(qū)，同時(shí)涵蓋周邊的涪陵、南川等區(qū)縣，仔豬外調(diào)還包括湖南、廣東等省市。

（2）軟件測(cè)試應(yīng)遵循先靜態(tài)再動(dòng)態(tài)的測(cè)試原則；

（3）測(cè)試用例應(yīng)包含輸入、輸出兩部分，能驗(yàn)證函數(shù)的正確性；

（4）測(cè)試用例使用等價(jià)類方式時(shí)，應(yīng)包括有效等價(jià)類和無(wú)效等價(jià)類，最佳用例應(yīng)覆蓋所有有效等價(jià)類和無(wú)效等價(jià)類；

（5）測(cè)試通過(guò)準(zhǔn)則為：BUG數(shù)等于0；

（6）對(duì)于錯(cuò)誤較多的函數(shù)，應(yīng)進(jìn)行多次測(cè)試；

（7）分支覆蓋率覆應(yīng)達(dá)到100%，對(duì)于部分高覆蓋率較難實(shí)現(xiàn)的函數(shù)，可以使用邊界值和等價(jià)類或輸入分割測(cè)試，用較少測(cè)試用例實(shí)現(xiàn)足夠的覆蓋；

（8）組合條件覆蓋率應(yīng)達(dá)到100%，特殊情況下，組合覆蓋率不能達(dá)到100%，應(yīng)經(jīng)過(guò)人工驗(yàn)證代碼，并給出合理解釋和說(shuō)明。

2.2 鐵路信號(hào)軟件單元測(cè)試方法步驟

本文選擇C++test軟件作為單元測(cè)試的工具，分為以下3步完成軟件的單元測(cè)試：

（1）基于C++test的軟件靜態(tài)分析；

（2）基于邊界值和等價(jià)類的黑盒測(cè)試；

（3）基于覆蓋率分析的白盒測(cè)試。

3 鐵路信號(hào)軟件單元測(cè)試典例應(yīng)用

本文以鐵路信號(hào)軟件區(qū)間綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件為例，進(jìn)行單元測(cè)試研究。

3.1 基于C++test的軟件靜態(tài)分析

采用工具及人工檢查相結(jié)合的方式，通過(guò)C++test進(jìn)行代碼質(zhì)量度量、控制流、數(shù)據(jù)流和編碼規(guī)則檢查，通過(guò)人工方式對(duì)編碼規(guī)范符合性、代碼與詳細(xì)設(shè)計(jì)一致性進(jìn)行分析，檢查過(guò)程如圖1所示。

結(jié)合C++test制定靜態(tài)分析檢查單作為檢查依據(jù)，檢查單部分內(nèi)容見(jiàn)表1。根據(jù)檢查單確定檢查內(nèi)容是否可通過(guò)軟件檢查，如果不能，則采用人工走查方式進(jìn)行檢查；如果可以，則進(jìn)行軟件分析，采用C++test軟件，得到靜態(tài)分析報(bào)告，若報(bào)告無(wú)誤，則完成軟件分析部分，若有誤，則須人工核查錯(cuò)誤項(xiàng)，確認(rèn)無(wú)誤后修改軟件靜態(tài)分析約束，抑制該檢查項(xiàng)，并再次進(jìn)行軟件分析，直到得到正確分析報(bào)告。

表1 靜態(tài)分析檢查單

3.2 基于邊界值和等價(jià)類的黑盒測(cè)試

等價(jià)類劃分是把程序輸入數(shù)據(jù)均劃分為無(wú)數(shù)個(gè)等價(jià)類，從中選取具有代表性的作為測(cè)試用例數(shù)據(jù)；而邊界值分析則是對(duì)等價(jià)類分析的補(bǔ)充，使得整個(gè)黑盒測(cè)試更具完整性。選取區(qū)間綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件中處理區(qū)間占用邏輯函數(shù)fn_ProcSectOcupLogic為例，分4步完成黑盒測(cè)試。

（1）明確函數(shù)代碼結(jié)構(gòu)中所包含的輸入、輸出變量，以及輸入輸出邊界值，劃分等價(jià)類。fn_ProcSectOcupLogic函數(shù)中包含區(qū)間當(dāng)前運(yùn)行方向、功能啟用標(biāo)志等9個(gè)輸入，在劃分等價(jià)類時(shí)需注意增加無(wú)效等價(jià)類，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)更加充分。

例如，判斷區(qū)間運(yùn)行方向是正向還是反向，其測(cè)試數(shù)據(jù)應(yīng)取“0xaa”“0x55” “0x5a”，其中，“0xaa”表示區(qū)間正向，“0x55” 表示區(qū)間反向，這2種類型的數(shù)據(jù)即為有效等價(jià)類，而“0x5a”則是無(wú)法判斷區(qū)間方向的數(shù)據(jù)，此為無(wú)效等價(jià)類數(shù)據(jù)。

（2）建立測(cè)試用例，在區(qū)間綜合監(jiān)控系統(tǒng)單元測(cè)試中，由于函數(shù)輸入輸出值較多，采用C++Test軟件自帶的測(cè)試用例生成功能，容易造成部分測(cè)試用例缺失，所以在軟件中建立外部數(shù)據(jù)源，手動(dòng)建立數(shù)據(jù)源測(cè)試用例。

（3）在新建的Excel表格中添加測(cè)試用例數(shù)據(jù)。同時(shí)，對(duì)函數(shù)內(nèi)部調(diào)用的其他函數(shù)進(jìn)行打樁處理，生成樁函數(shù)，替代原函數(shù)的功能，使得單元測(cè)試過(guò)程中能將被測(cè)功能與外部依賴隔離。

例如，在fn_ProcSectOcupLogic函數(shù)中調(diào)用了改方延遲函數(shù)fn_SOLGFDelayTime，此時(shí)，建立樁函數(shù)fn_SOLGFDelayTime，使測(cè)試過(guò)程中直接返回樁函數(shù)值為外部數(shù)據(jù)源，如圖2所示，而無(wú)需調(diào)用原函數(shù)，提高了測(cè)試效率。在進(jìn)行打樁處理時(shí)需要注意樁函數(shù)的返回值類型，內(nèi)部調(diào)用函數(shù)的返回值類型應(yīng)與其保持一致。

（4）根據(jù)程序的邏輯對(duì)外部數(shù)據(jù)源和樁函數(shù)輸入取值進(jìn)行修改，使其滿足測(cè)試需求，在樁函數(shù)與測(cè)試用例都無(wú)誤后，進(jìn)行測(cè)試。

3.3 基于覆蓋率分析的白盒測(cè)試

進(jìn)行白盒測(cè)試，通過(guò)分析區(qū)間綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件模塊內(nèi)部的路徑執(zhí)行情況、邏輯分支，選用覆蓋率分析的方法，該軟件要求語(yǔ)句、判定、簡(jiǎn)單條件和修正條件判定（MC/DC）4種覆蓋率均達(dá)到100%。

基于以上黑盒測(cè)試，在C++Test軟件工具菜單中選擇“Parasoft”＞“顯示圖示”＞“覆蓋率”，根據(jù)覆蓋要求查看模塊的4種覆蓋率情況。對(duì)于覆蓋率不能達(dá)到100%要求的函數(shù)，可點(diǎn)擊相應(yīng)的源碼，查看未覆蓋的原因，這樣不僅能有效地提高測(cè)試質(zhì)量，還能避免設(shè)計(jì)無(wú)效用例。如圖3所示，選擇MC/DC覆蓋后，紅色表示未覆蓋語(yǔ)句，并顯示未覆蓋條件。

將圖3語(yǔ)句描述為if（（A)||（（B)&& （C）））形式，A、B、C分別對(duì)應(yīng)3個(gè)條件語(yǔ)句，用0和1分別表示假和真。分析語(yǔ)句，其判定結(jié)果如表2所示。

要實(shí)現(xiàn)MC/DC覆蓋，其測(cè)試用例取值應(yīng)滿足每個(gè)條件都曾獨(dú)立地影響判斷結(jié)果至少1次，對(duì)于該語(yǔ)句，應(yīng)同時(shí)滿足以下2個(gè)條件：

表2 語(yǔ)句判定結(jié)果分析

（1）當(dāng)A對(duì)判斷結(jié)果起作用，則B&&C判定結(jié)果為假，即應(yīng)滿足A為1或0，B&&C保持為0。當(dāng)A為1且B&&C為0時(shí)，包含3種可能，分別對(duì)應(yīng)表2中情況1、2、3，測(cè)試時(shí)任選1種添加測(cè)試用例；當(dāng)A為0且B&&C為0時(shí)，同樣包含3種可能，對(duì)應(yīng)表2中情況5、6、7，測(cè)試時(shí)與前面同理。

（2）當(dāng)B&&C對(duì)判斷結(jié)果起作用，則A判定結(jié)果為假，即應(yīng)滿足B&&C為1或0，A保持為0。當(dāng)B&&C為1且A為0時(shí)，對(duì)應(yīng)表2中情況8；當(dāng)B&&C為0且A為0時(shí)，對(duì)應(yīng)表2中情況4。

由圖3中未覆蓋條件可知，其未滿足上述條件（2）中B&&C為1的情況，此時(shí)，根據(jù)未覆蓋的值添加相應(yīng)的測(cè)試用例，即可滿足測(cè)試覆蓋率的要求，最終覆蓋結(jié)果如圖4所示，覆蓋率如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段，在軟件測(cè)試領(lǐng)域，單元測(cè)試工作已得到越來(lái)越多的重視，但常常由于項(xiàng)目時(shí)間短、經(jīng)費(fèi)不足等原因?qū)е萝浖卧獪y(cè)試工作擱置，所以明白軟件單元測(cè)試的重要性，使用有效的單元測(cè)試方法，對(duì)保證鐵路信號(hào)軟件的質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?；诖?，本文結(jié)合理論實(shí)踐，研究了鐵路信號(hào)軟件單元測(cè)試方法，并選取典型函數(shù)進(jìn)行分析，可有效發(fā)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在的缺陷，及時(shí)改正，從而保證鐵路信號(hào)軟件的穩(wěn)定性與可靠性。