Файл: Классификация ошибок в программном обеспечении (Надежность программного обеспечения).pdf

Введение

Программное обеспечение, согласно ГОСТ 19781-90, – совокупность программ системы обработки информации и программных документов, необходимых для их эксплуатации.

Существует и другое, более простое определение, согласно которому программное обеспечение представляет собой совокупность компьютерных инструкций. Оно охватывает программы, подпрограммы (разделы программы) и данные. Таким образом, программное обеспечение указывает компьютеру, что делать, как, когда, в какой последовательности и как часто. Нередко программное обеспечение называют просто программой.

Проблема надежности программного обеспечения относится, похоже, к категории «вечных». В посвященной ей монографии Г.Майерса, выпущенной в 1980 году (американское издание - в 1976), отмечается, что, хотя этот вопрос рассматривался еще на заре применения вычислительных машин, в 1952 году, он не потерял актуальности до настоящего времени. Отношение к проблеме довольно выразительно сформулировано в книге Р.Гласса: «Надежность программного обеспечения - беспризорное дитя вычислительной техники». Следует далее отметить, что сама проблема надежности программного обеспечения имеет, по крайней мере, два аспекта: обеспечение и оценка (измерение) надежности. Практически вся имеющаяся литература на эту тему, включая упомянутые выше монографии, посвящена первому аспекту, а вопрос оценки надежности компьютерных программ оказывается еще более "беспризорным". Вместе с тем очевидно, что надежность программы гораздо важнее таких традиционных ее характеристик, как время исполнения или требуемый объем оперативной памяти, однако никакой общепринятой количественной меры надежности программ до сих пор не существует.

Для обеспечения надежности программ предложено множество подходов, включая организационные методы разработки, различные технологии и технологические программные средства, что требует, очевидно, привлечения значительных ресурсов. Однако отсутствие общепризнанных критериев надежности не позволяет ответить на вопрос, насколько надежнее становится программное обеспечение при соблюдении данных процедур и технологий и в какой степени оправданы расходы. Получается, что таким образом, приоритет задачи оценки надежности должен быть выше приоритета задачи ее обеспечения, чего на самом деле не наблюдается.

Цель данной работы – рассмотреть классификацию ошибок программного обеспечения для обеспечения его надежности.

Надежность программного обеспечения

Показатели качества программного обеспечения

Оценка качества программного обеспечения могут проводиться с двух позиций: с позиции положительной эффективности и непосредственной адекватности их характеристик назначению, целям создания и применения, а также с негативной позиции, возможного при этом ущерба – риска от пользования ПС или системы. Показатели качества преимущественно отражают положительный эффект от применения программного обеспечения и основная задача разработчиков проекта состоит в обеспечении высоких значений качества. Риски характеризуют возможные негативные последствия проявившихся в ходе эксплуатации ошибок или ущерб для пользователя при применении и функционировании программного обеспечения.

Согласно ГОСТ 9126[2], качество программного обеспечения – это весь объем признаков и характеристик программного обеспечения, который относится к ее способности удовлетворять установленным или предполагаемым потребностям.

Качество программного обеспечения оценивается следующими характеристиками:

• Функциональные возможности (Functionality). Набор атрибутов, относящихся к сути набора функций и их конкретным свойствам. Функциями являются те, которые реализуют установленные или предполагаемые потребности.
• Надежность (Reliability). Набор атрибутов относящихся к способности программного обеспечения сохранять свой уровень качества функционирования при установленных условиях за установленный период времени.
• Практичность (Usability). Набор атрибутов, относящихся к объему работ, требуемых для использования и индивидуальной оценки такого использования определенным и предполагаемым кругом пользователей.
• Эффективность (Efficiencies). Набор атрибутов, относящихся к соотношению между уровнем качества функционирования программного обеспечения и объемом используемых ресурсов при установленных условиях.
• Сопровождаемость (Maintainability). Набор атрибутов, относящихся к объему работ, требуемых для проведения конкретных изменений (модификаций).
• Мобильность (Portability). Набор атрибутов, относящихся к способности программного обеспечения быть перенесенным из одного окружения в другое.

В общем случае под ошибкой подразумевается неправильность, погрешность или неумышленное искажение объекта или процесса, что может быть причиной ущерба – риска при функционировании или применении программы. При этом предполагается, что известно правильное, эталонное состояние объекта или процесса по отношению к которому может быть определено наличие отклонения. Исходным эталоном для любого программного обеспечения являются спецификации требований заказчика или потенциального пользователя, предъявляемых к программам и ожидаемый пользователем или заказчиком эффект от использования программного обеспечения. Важной особенностью при этом является отсутствие полностью определенной программы – эталона, которой должны соответствовать текст и результаты функционирования разрабатываемой программы. Поэтому определить качество программного обеспечения и наличие ошибок в нем путем сравнения разрабатываемой программы с эталонной программой невозможно.

Риски проявляются как негативные последствия проявления ошибок в программном обеспечении в ходе его пользования и функционирования, которые могут нанести ущерб системе, в которой используется это программное обеспечение, внешней среде или пользователям этой системы в результате отклонения характеристик программного обеспечения заданных или ожидаемых пользователем или заказчиком.

Исходя из определения ошибки в программном обеспечении, приведенном выше, можно сделать вывод, что ошибки, возникающие в ходе использования программного обеспечения, могут изменять некоторые или все показатели качества. В работе рассматриваются ошибки, изменения которых влияют на надежность использования программного обеспечения.

По правилу, установленному в [2], надежность – свойство объекта осуществлять заданные функции, храня во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующим заданным режимам и условиям использования, ремонта, технического обслуживания, хранения, транспортирования.

Рис. 1. Надежность по ГОСТ 27.002 – 89

При этом надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от функции объекта и условий его использования может включать безотказность, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость или некоторые сочетания данных свойств (рис. 1). Так как программное обеспечение в процессе эксплуатации не изнашивается, его поломка и ремонт в общепринятом смысле не делается, то надежность программного обеспечения имеет смысл характеризовать только с точки зрения безотказности его функционирования и возможности исправления функционирования после отказов по вызванных проявлениями ошибок.

В [3] надежность программного обеспечения предлагается характеризовать с помощью следующих характеристик (рис. 2): стабильность, устойчивость и восстанавливаемость.

Рис. 2. Надежность программного обеспечения

В этом случае стабильность и устойчивость характеризуют безотказность программного обеспечения, а восстанавливаемость – возможность восстановления функционирования программного обеспечения после его отказа. Для количественной оценки надежности программного обеспечения необходимо определить показатели надежности для каждого свойства и методику их определения (оценки).

Для оценки стабильности программного обеспечения возможно использование показателей характеризующих безотказность технических устройств [2] (рис. 3).

Рис. 3. Показатели безотказности

В большинстве случаев поток программных ошибок может быть описан негомогенным процессом Пуассона [4]. Это означает, что программные ошибки происходят в статистически независимые моменты времени, наработки подчиняются экспоненциальному распределению, а интенсивность проявления ошибок изменяется во времени. Обычно используют убывающую интенсивность проявления ошибок. Это означает, что ошибки, как только они выявлены, эффективно устраняются без введения новых ошибок. Главная цель анализа надежности программного обеспечения заключается в том, чтобы определить форму функции интенсивности проявления ошибок и оценить ее параметры по наблюдаемым данным. Как только функция интенсивности проявления ошибок определена, могут быть найдены такие показатели надежности как:

• общее количество ошибок;
• количество остающихся ошибок;
• время до проявления следующей ошибки;
• вероятность безошибочной работы;
• интенсивность проявления ошибок;
• остаточное время испытаний (до принятия решения);
• максимальное количество ошибок (относительно срока службы).

При этом следует различать понятия ошибка и отказ. Применительно к надежности программного обеспечения ошибка это погрешность или искажение кода программы, неумышленно внесенные в нее в процессе разработки, которые в ходе функционирования этой программы могут вызвать отказ или снижение эффективности функционирования. Под отказом в общем случае понимают событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта [2]. Состояние объекта, при котором значения всех параметров характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно – технической и (или) конструкторской (проектной) документации – называется работоспособным. При этом критерии отказов, как признаки или совокупность признаков нарушения работоспособного состояния программного обеспечения, должны определяться исходя из его предназначения в нормативно – технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

В общем случае отказ программного обеспечения можно определить как:

• прекращение функционирования программы (искажения нормального хода ее выполнения, зацикливание) на время превышающее заданный порог;
• прекращение функционирования программы (искажения нормального хода ее выполнения, зацикливание) на время не превышающее заданный порог, но с потерей всех или части обрабатываемых данных;
• прекращение функционирования программы (искажения нормального хода ее выполнения, зацикливание) потребовавшее перезагрузки ЭВМ, на которой функционирует программное обеспечение.

При этом исходя из [2], все отказы в программном обеспечении следует трактовать как сбои (самоустраняющиеся отказы или однократные отказы, устраняемые незначительным вмешательством оператора), поскольку восстановление работоспособного состояния программного обеспечения может произойти без вмешательства оператора (перезагрузка ЭВМ не требуется), либо при участии оператора или эксплуатирующего персонала (перезагрузка ЭВМ необходима).

Приведенные выше критерии отказов приводят к необходимости анализа временных характеристик функционирования программы и динамических характеристик потребителей данных, полученных в ходе функционирования программного обеспечения. Временная зона перерыва нормальной выдачи информации и потери работоспособности, которую следует рассматривать как зону сбоя (отказа), тем шире, чем более инертный объект находится под воздействием данных, полученным в ходе работы программы. Пороговое время восстановления работоспособного состояния системы, при превышении которого следует соответствующему потребителю (абоненту).

Для любого потребителя данных существует допустимое время отсутствия данных от программы, при котором его характеристики находятся в допустимых пределах. Исходя из этого времени, можно установить границы временной зоны, которая разделяет работоспособное и неработоспособное состояние программного обеспечения и позволяет использовать данные критерии отказов.

Из приведенного выше определения программной ошибки с точки зрения надежности, можно сделать вывод о том, что ошибки, при их проявлении, не всегда вызывают отказ программного обеспечения и каждую ошибку можно характеризовать условной вероятностью возникновения отказа при проявлении этой ошибки. Следует также отметить, что само по себе наличие ошибки в исходном коде не определяет надежность программы до тех пор, пока не произойдет проявления этой ошибки, поэтому пользоваться для оценки надежности программного обеспечения только показателями характеризующие общее количество ошибок в программе, количество оставшихся ошибок и максимального количества ошибок нельзя.