Верификация (подтверждение правильности) – состоит в проверке и доказательстве корректности разработанной программы по отношению к совокупности формальных утверждений, представленных в спецификации и полностью определяющей связь между входными и выходными данными этой программы. При этом отношения между переменными н входе и выходе программы анализируется не в виде значений, как при тестировании, а в виде описаний их свойств, проявляющихся при любых процессах обработок этих переменных контролируемой в программе.
Верификация программы в принципе исключает необходимость её тестирования и отладки, так как при этом на более высоком уровне понятий и описаний всех переменных, устанавливается корректность процессов, их обработка и преобразования.
Сущность каждой программы можно представить описаниями отношений между входными и выходными данными. Эти отношения формализуются 1 программной спецификации. В реальных разработках формализация этих взаимосвязей является неплохой, и часть отношений уточняется в процессе разработок программ. Такие не полностью определённые недостаточны для доказательства корректности программ. Только при полной и точной формализации всех условий и связей между входными и результирующими данными появляется возможность их использования для автоматической верификации.
Метод индуктивных утверждений.
Для изучения этого метода программа снабжается утверждениями о свойствах её переменных в нкоторых точках:
a) Входные переменные не меняются в процессе исполнения программ;
b) Описываются состояния переменных в промежуточных точках;
c) Выходные переменные описываются с помощью отношениями между переменными после завершения программы.
Верификация состоит в последовательной демонстрации того, что из входных переменных и преобразований, выполненных на первом шаге следует истинность утверждения, сформированного в следующей промежуточной точке.
Для верификации программ необходимо три языка:
· Язык записи текстов программ;
· Язык формулировки условий верификации;
· Язык формирования и доказательства корректности.
Так как эти языки различаются в значительной степени, то это обстоятельство является одним из применения верификации.
Доказательство корректности имеет следующие преимущества:
1. Представляет собой чёткий формализованный процесс.
2. Требует анализа. Процесс доказательства корректностидает возможность рассматривать части программ, которое в противном случае анализируется лишь случайно.
3. проясняет промежуточные результаты вычислений. Выписывании выражений заставляет программиста четко сформировать свои предположения о результатах вычислений в выбранных точках программы.
4. Выявляет зависимости. В процессе доказательства программ начинает понимать какие предположения о входных данных не явно испытывается в различных частях программы.
Недостатки метода:
1. Сложность; даже для небольших простых программ выкладки очень сложны, что может привести к ошибкам.
2. Ошибки, Из-за сложности метода легко допустить ошибки и при формировании доказываемых утверждений и при доказательстве.
3. Трудности работы с массивами.
4. Отсутствие мощного математического аппарата.
5. Высокая трудоёмкость.Для проверки программы требуется затраты труда, чем для её написания (в 2 – 6 раз).
6. Отсутствие выразительности. Часто нелегко сформировать выгодно утверждение для того что интуитивно представляетсяочень простым вычислением:
7. Трудность понимания.
8. Необходимостьобучения. Для применении этого метода требуется длительное обучение и тренировка.
Термины верификация и валидация связаны с проверкой качества программного обеспечения. Мы используем эти термины в своих статьях и докладах. Неоднократно мы слышали различные комментарии и рассуждения, следует ли относить статический анализ исходного кода программ к верификации и валидации и в чем различие этих понятий. В целом складывается такое впечатление, что каждый вкладывает в эти термины свои понятия, а это приводит к взаимному недопониманию.
Мы решили разобраться с терминологией, чтобы придерживаться наиболее правильного толкования этих понятий. В ходе исследования, мы нашли работу В.В. Кулямина "Методы верификации программного обеспечения" . В ней дается развернутое описание этих терминов, и мы приняли решение в дальнейшем опираться на определения, данные в этой работе. Приведем некоторые выдержки их этой работы, относящиеся к верификации и валидации.
Верификация и валидация являются видами деятельности, направленными на контроль качества программного обеспечения и обнаружение ошибок в нем. Имея общую цель, они отличаются источниками проверяемых в их ходе свойств, правил и ограничений, нарушение которых считается ошибкой.
Для дальнейшего изложения нам необходимо ввести термин "артефакт жизненного цикла ПО". Артефактами жизненного цикла ПО называются различные информационные сущности, документы и модели, создаваемые или используемые в ходе разработки и сопровождения ПО. Так, артефактами являются техническое задание, описание архитектуры, модель предметной области на каком-либо графическом языке, исходный код, пользовательская документация и т.д. Различные модели, используемые отдельными разработчиками при создании и анализе ПО, но не зафиксированные в виде доступных другим людям документов, не могут считаться артефактами.
Верификация проверяет соответствие одних создаваемых в ходе разработки и сопровождения ПО артефактов другим, ранее созданным или используемым в качестве исходных данных, а также соответствие этих артефактов и процессов их разработки правилам и стандартам. В частности, верификация проверяет соответствие между нормами стандартов, описанием требований (техническим заданием) к ПО, проектными решениями, исходным кодом, пользовательской документацией и функционированием самого ПО. Кроме того, проверяется, что требования, проектные решения, документация и код оформлены в соответствии с нормами и стандартами, принятыми в данной стране, отрасли и организации при разработке ПО, а также - что при их создании выполнялись все указанные в стандартах операции, в нужной последовательности. Обнаруживаемые при верификации ошибки и дефекты являются расхождениями или противоречиями между несколькими из перечисленных документов, между документами и реальной работой программы, между нормами стандартов и реальным процессами разработки и сопровождения ПО. При этом принятие решения о том, какой именно документ подлежит исправлению (может быть, и оба) является отдельной задачей.
Валидация проверяет соответствие любых создаваемых или используемых в ходе разработки и сопровождения ПО артефактов нуждам и потребностям пользователей и заказчиков этого ПО, с учетом законов предметной области и ограничений контекста использования ПО. Эти нужды и потребности чаще всего не зафиксированы документально - при фиксации они превращаются в описание требований, один из артефактов процесса разработки ПО. Поэтому валидация является менее формализованной деятельностью, чем верификация. Она всегда проводится с участием представителей заказчиков, пользователей, бизнес-аналитиков или экспертов в предметной области - тех, чье мнение можно считать достаточно хорошим выражением реальных нужд и потребностей пользователей, заказчиков и других заинтересованных лиц. Методы ее выполнения часто используют специфические техники выявления знаний и действительных потребностей участников.
Различие между верификацией и валидацией проиллюстрировано на рисунке 1.
Приведенные определения получены некоторым расширением определений из стандарта IEEE 1012 на процессы верификации и валидации . В стандартном словаре терминов программной инженерии IEEE 610.12 1990 года определение верификации по смыслу примерно то же, а определение валидации несколько другое - там говорится, что валидация должна проверять соответствие полученного в результате разработки ПО исходным требованиям к нему. В этом случае валидация являлась бы частным случаем верификации, что нигде в литературе по программной инженерии не отмечается, поэтому, а также потому, что оно поправлено в IEEE 1012 2004 года, это определение следует считать неточным. Частое использование фразы B. Boehm"а :
Верификация отвечает на вопрос "Делаем ли мы продукт правильно?", а валидация- на вопрос "Делаем ли мы правильный продукт?"
также добавляет путаницы, поскольку афористичность этого высказывания, к сожалению, сочетается с двусмысленностью. Однако многочисленные труды его автора позволяют считать, что он подразумевал под верификацией и валидацией примерно те же понятия, которые определены выше. Указанные разночтения можно проследить и в содержании стандартов программной инженерии. Так, стандарт ISO 12207 считает тестирование разновидностью валидации, но не верификации, что, по-видимому, является следствием использования неточного определения из стандартного словаря .
В заключении хочется заметить, что согласно приведенным определениям статический анализ исходного кода программ соответствует верификации программного обеспечения, как проверка соответствия программного кода различным стандартам кодирования. Статический анализ проверяет соответствие результатов этапа конструирования программной системы требованиям и ограничениям, сформулированным ранее.
Библиографический список
- В.В. Кулямин "Методы верификации программного обеспечения". Институт системного программирования РАН 109004, г. Москва, ул. Б. Коммунистическая, д. 25.
http://www.ict.edu.ru/ft/005645/62322e1-st09.pdf - IEEE 1012-2004 Standard for Software Verification and Validation. IEEE, 2005.
- IEEE 610.12-1990 Standard Glossary of Software Engineering Terminology, Corrected Edition. IEEE, February 1991.
- B. W. Boehm. Software Engineering; R&D Trends and Defense Needs. In R. Wegner, ed. Research. Directions in Software Technology. Cambridge, MA:MIT Press, 1979.
- ISO/IEC 12207 Systems and software engineering - Software life cycle processes. Geneva, Switzerland: ISO, 2008.
Очень часто путают два понятия валидация и верификация. Кроме того, часто путают валидацию требований к системе с валидацией самой системы. Я предлагаю разобраться в этом вопросе.
В статье я рассмотрел два подхода к моделированию объекта: как целого и как конструкции. В текущей статье нам это деление понадобится.
Пусть у нас есть проектируемый функциональный объект. Пусть этот объект рассматривается нами как часть конструкции другого функционального Объекта. Пусть есть описание конструкции Объекта, такое, что в нем присутствует описание объекта. В таком описании объект имеет описание как целого, то есть, описаны его интерфейсы взаимодействия с другими объектами в рамках конструкции Объекта. Пусть дано описание объекта как конструкции. Пусть есть информационный объект, содержащий требования к оформлению описания объекта как конструкции. Пусть есть свод знаний, который содержит правила вывода, на основании которых из описания объекта как целого получается описание объекта как конструкции. Свод знаний – это то, чему учат конструкторов в институтах – много, очень много знаний. Они позволяют на основе знанию об объекте спроектировать его конструкцию.
Итак, можно начинать. Мы можем утверждать, что если правильно описан объект как целое, если свод знаний верен, и если правила вывода были соблюдены, то полученное описание конструкции объекта, будет верным. То есть, на основе этого описания будет построен функциональный объект, соответствующий реальным условиям эксплуатации. Какие могут возникнуть риски:
1. Использование неправильных знаний об Объекте. Модель Объекта в головах у людей может не соответствовать реальности. Не знали реальной опасности землетрясений, например. Соответственно, могут быть неправильно сформулированы требования к объекту.
2. Неполная запись знаний об Объекте – что-то пропущено, сделаны ошибки. Например, знали о ветрах, но забыли упомянуть. Это может привести к недостаточно полному описанию требований к объекту.
3. Неверный свод знаний. Нас учили приоритету массы над остальными параметрами, а оказалось, что надо было наращивать скорость.
4. Неправильное применение правил вывода к описанию объекта. Логические ошибки, что-то пропущено в требованиях к конструкции объекта, нарушена трассировка требований.
5. Неполная запись полученных выводов о конструкции системы. Все учли, все рассчитали, но забыли написать.
6. Созданная система не соответствует описанию.
Понятно, что все артефакты проекта появляются, как правило, в завершенном своем виде только к концу проекта и то не всегда. Но, если предположить, что разработка водопадная, то риски такие, как я описал. Проверка каждого риска – это определенная операция, которой можно дать название. Если кому интересно, можно попытаться придумать и озвучить эти термины.
Что такое верификация? По-русски, верификация – это проверка на соответствие правилам. Правила оформляются в виде документа. То есть, должен быть документ с требованиями к документации. Если документация соответствует требованиям этого документа, то она прошла верификацию.
Что есть валидация? По-русски валидация – это проверка правильности выводов. То есть, должен быть свод знаний, в котором описано, как получить описание конструкции на основе данных об объекте. Проверка правильности применения этих выводов – есть валидация. Валидация - это в том числе проверка описания на непротиворечивость, полноту и понятность.
Часто валидацию требований путают с валидацией продукта, построенного на основе этих требований. Так делать не стоит.
Дадим несколько определений, определяющих общую структуру процесса сертификации программного обеспечения:
Сертификация ПО – процесс установления и официального признания того, что разработка ПО проводилась в соответствии с определенными требованиями. В процессе сертификации происходит взаимодействие Заявителя, Сертифицирующего органа и Наблюдательного органа
Заявитель - организация, подающая заявку в соответствующий Сертифицирующий орган на получения сертификата (соответствия, качества, годности и т.п.) изделия.
Сертифицирующий орган – организация, рассматривающая заявку Заявителя о проведении Сертификации ПО и либо самостоятельно, либо путем формирования специальной комиссии производящая набор процедур направленных на проведение процесса Сертификации ПО Заявителя .
Наблюдательный орган – комиссия специалистов, наблюдающих за процессами разработки Заявителем сертифицируемой информационной системы и дающих заключение, о соответствии данного процесса определенным требованиям, которое передается на рассмотрение в Сертифицирующий орган .
Сертификация может быть направлена на получение сертификата соответствия, либо сертификата качества.
В первом случае результатом сертификации является признание соответствия процессов разработки определенным критериям, а функциональности системы определенным требованиям. Примером таких требований могут служить руководящие документы Федеральной службы по техническому и экспортному контролю в области безопасности программных систем .
Во втором случае результатом является признание соответствия процессов разработки определенным критериям, гарантирующим соответствующий уровень качества выпускаемой продукции и его пригодности для эксплуатации в определенных условиях. Примером таких стандартов может служить серия международных стандартов качества ISO 9000:2000 (ГОСТ Р ИСО 9000-2001) или авиационные стандарты DO-178B , AS9100 , AS9006 .
Тестирование сертифицируемого программного обеспечения имеет две взаимодополняющие цели:
· Первая цель - продемонстрировать, что программное обеспечение удовлетворяет требованиям на него.
· Вторая цель - продемонстрировать с высоким уровнем доверительности, что ошибки, которые могут привести к неприемлемым отказным ситуациям, как они определены процессом, оценки отказобезопасности системы, выявлены в процессе тестирования.
Например, согласно требованиям стандарта DO-178B, для того, чтобы удовлетворить целям тестирования программного обеспечения, необходимо следующее:
· Тесты, в первую очередь, должны основываться на требованиях к программному обеспечению;
· Тесты должны разрабатываться для проверки правильности функционирования и создания условий для выявления потенциальных ошибок.
· Анализ полноты тестов, основанных на требованиях на программное обеспечение, должен определить, какие требования не протестированы.
· Анализ полноты тестов, основанных на структуре программного кода, должен определить, какие структуры не исполнялись при тестировании.
Также в этом стандарте говорится о тестировании, основанном на требованиях. Установлено, что эта стратегия наиболее эффективна при выявлении ошибок. Руководящие указания для выбора тестовых примеров, основанных на требованиях, включают следующее:
· Для достижения целей тестирования программного обеспечения должны быть проведены две категории тестов: тесты для нормальных ситуаций и тесты для ненормальных (не отраженных в требованиях, робастных) ситуаций.
· Должны быть разработаны специальные тестовые примеры для требований на программное обеспечение и источников ошибок, присущих процессу разработки программного обеспечения.
Целью тестов для нормальных ситуаций является демонстрация способности программного обеспечения давать отклик на нормальные входы и условия в соответствии с требованиями.
Целью тестов для ненормальных ситуаций является демонстрация способности программного обеспечения адекватно реагировать на ненормальные входы и условия, иными словами, это не должно вызывать отказ системы.
Категории отказных ситуаций для системы устанавливаются путем определения опасности отказной ситуации для самолета и тех, кто в нем находится. Любая ошибка в программном обеспечении может вызвать отказ, который внесет свой вклад в отказную ситуацию. Таким образом, уровень целостности программного обеспечения, необходимый для безопасной эксплуатации, связан с отказными ситуациями для системы.
Существует 5 уровней отказных ситуаций от несущественной до критически опасной. Согласно этим уровням вводится понятие уровня критичности программного обеспечения. От уровня критичности зависит состав документации, предоставляемой в сертифицирующий орган, а значит и глубина процессов разработки и верификации системы. Например, количество типов документов и объем работ по разработке системы, необходимых для сертификации по самому низкому уровню критичности DO-178B могут отличаться на один-два порядка от количества и объемов, необходимых для сертификации по самому высокому уровню. Конкретные требования определяет стандарт, по которому планируется вести сертификацию.
20. Верификация и аттестация программного обеспечения
Верификацией и аттестацией называют процессы проверки и анализа, в ходе которых проверяется соответствие программного обеспечения своей спецификации и требованиям заказчиков. Верификация и аттестация охватывают полный жизненный цикл ПО – они начинаются на этапе анализа требований и завершаются проверкой программного кода на этапе тестирования готовой программной системы.
Верификация и аттестация не одно и то же, хотя их легко перепутать. Кратко различие между ними можно определить следующим образом:
Верификация отвечает на вопрос, правильно ли создана система;
Аттестация отвечает на вопрос, правильно ли работает система.
Согласно этим определениям, верификация проверяет соответствие ПО системной спецификации, в частности функциональным и нефункциональным требованиям. Аттестация– более общий процесс. Во время аттестации необходимо убедиться, что программный продукт соответствует ожиданиям заказчика. Аттестация проводится после верификации, для того чтобы определить, насколько система соответствует не только спецификации, но и ожиданиям заказчика.
Как уже отмечалось ранее, на ранних этапах разработки ПО очень важна аттестация системных требований. В требованиях часто встречаются ошибки и упущения; в таких случаях конечный продукт, вероятно, не будет соответствовать ожиданиям заказчика. Но, конечно, аттестация требований не может выявить все проблемы в спецификации требований. Иногда недоработки и ошибки в требованиях обнаруживаются только после завершения реализации системы.
В процессах верификации и аттестации используются две основные методики проверки и анализа систем.
1. Инспектирование ПО. Анализ и проверка различных представлений системы, например документации спецификации требований, архитектурных схем или исходного кода программ. Инспектирование выполняется на всех этапах процесса разработки программной системы. Параллельно с инспектированием может выполняться автоматический анализ исходного кода программ и соответствующих документов. Инспектирование и автоматический анализ – это статические методы верификации и аттестации, поскольку им не требуется исполняемая система.
2. Тестирование ПО. Запуск исполняемого кода с тестовыми данными и исследование выходных данных и рабочих характеристик программного продукта для проверки правильности работы системы. Тестирование – это динамический метод верификации и аттестации, так как применяется к исполняемой системе.
На рис. 20.1 показано место инспектирования и тестирования в процессе разработки ПО. Стрелки указывают на те этапы процесса разработки, на которых можно применять данные методы. Согласно этой схеме, инспектирование можно выполнять на всех этапах процесса разработки системы, а тестирование – в тех случаях, когда создан прототип или исполняемая программа.
К методам инспектирования относятся: инспектирование программ, автоматический анализ исходного кода и формальная верификация. Но статические методы могут проверить только соответствие программ спецификации, с их помощью невозможно проверить правильность функционирования системы. Кроме того, статическими методами нельзя проверить такие нефункциональные характеристики, как производительность и надежность. Поэтому для оценивания нефункциональных характеристик проводится тестирование системы.
Рис. 20.1. Статическая и динамическая верификация и аттестация
Несмотря на широкое применение инспектирования ПО, преобладающим методом верификации и аттестации все еще остается тестирование. Тестирование – это проверка работы программ с данными, подобными реальным, которые будут обрабатываться в процессе эксплуатации системы. Наличие в программе дефектов и несоответствий требованиям обнаруживается путем исследования выходных данных и выявления среди них аномальных. Тестирование выполняется на этапе реализации системы (для проверки соответствия системы ожиданиям разработчиков) и после завершения ее реализации.
На разных этапах процесса разработки ПО применяют различные виды тестирования.
1. Тестирование дефектов проводится для обнаружения несоответствий между программой и ее спецификацией, которые обусловлены ошибками или дефектами в программах. Такие тесты разрабатываются для выявления ошибок в системе, а не для имитации ее работы.
2. Статистическое тестирование оценивает производительность и надежность программ, а также работу системы в различных режимах эксплуатации. Тесты разрабатываются так, чтобы имитировать реальную работу системы с реальными входными данными. Надежность функционирования системы оценивается по количеству сбоев, отмеченных в работе программ. Производительность оценивается по результатам измерения полного времени выполнения операций и времени отклика системы при обработке тестовых данных.
Главная цель верификации и аттестации – удостовериться в том, что система "соответствует своему назначению". Соответствие программной системы своему назначению отнюдь не предполагает, что в ней совершенно не должно быть ошибок. Скорее, система должна достаточно хорошо соответствовать тем целям, для которых планировалась. Уровень необходимой достоверности соответствия зависит от назначения системы, ожиданий пользователей и условий на рынке программных продуктов.
1. Назначение ПО. Уровень достоверности соответствия зависит от того, насколько критическим является разрабатываемое программное обеспечение по тем или иным критериям. Например, уровень достоверности для систем, критическим по обеспечению безопасности, должен быть значительно выше аналогичного уровня достоверности для опытных образцов программных систем, разрабатываемых для демонстрации некоторых новых идей.
2. Ожидания пользователей. Следует с грустью отметить, что в настоящее время у большинства пользователей невысокие требования к программному обеспечению. Пользователи настолько привыкли к отказам, происходящим во время работы программ, что не удивляются этому. Они согласны терпеть сбои в работе системы, если преимущества ее использования компенсируют недостатки. Вместе с тем с начала 1990-х годов терпимость пользователей к отказам в работе программных систем постепенно снижается. В последнее время создание ненадежных систем стало практически неприемлемым, поэтому компаниям, занимающимся разработкой программных продуктов, необходимо все больше внимания уделять верификации и аттестации программного обеспечения.
3. Условия рынка программных продуктов. При оценке программной системы продавец должен знать конкурирующие системы, цену, которую покупатель согласен заплатить за систему, и назначенный срок выхода этой системы на рынок. Если у компании-разработчика несколько конкурентов, необходимо определить дату выхода системы на рынок до окончания полного тестирования и отладки, иначе первыми на рынке могут оказаться конкуренты. Если покупатели не желают приобретать ПО по высокой цене, возможно, они согласны терпеть большее количество отказов в работе системы. При определении расходов на процесс верификации и аттестации необходимо учитывать все эти факторы.
Как правило, в ходе верификации и аттестации в системе обнаруживаются ошибки. Для исправления ошибок в систему вносятся изменения. Этот процесс отладки обычно интегрирован с другими процессами верификации и аттестации. Вместе с тем тестирование (или более обобщенно – верификация и аттестация) и отладка являются разными процессами, которые имеют различные цели.
1. Верификация и аттестация – процесс обнаружения дефектов в программной системе.
2. Отладка – процесс локализации дефектов (ошибок) и их исправления (рис. 20.2).
Рис. 20.2. Процесс отладки
Простых методов отладки программ не существует. Опытные отладчики обнаруживают ошибки путем сравнения шаблонов тестовых выходных данных с выходными данными тестируемых систем. Чтобы определить местоположение ошибки, необходимы знания о типах ошибок, шаблонах выходных данных, языке программирования и процессе программирования. Очень важны знания о процессе разработке ПО. Отладчикам известны наиболее распространенные ошибки программистов (например, связанные с пошаговым увеличением значения счетчика). Также учитываются ошибки, типичные для определенных языков программирования, например связанные с использованием указателей в языке С.
Определение местонахождения ошибок в программном коде не всегда простой процесс, поскольку ошибка необязательно находится возле того места в коде программы, где произошел сбой. Чтобы локализовать ошибки, программист-отладчик разрабатывает дополнительные программные тесты, которые помогают выявить источник ошибки в программе. Может возникнуть необходимость в ручной трассировке выполнения программы.
Интерактивные средства отладки являются частью набора средств поддержки языка, интегрированных с системой компиляции программного кода. Они обеспечивают специальную среду выполнения программ, посредством которой можно получить доступ к таблице идентификаторов, а оттуда к значениям переменных. Пользователи часто контролируют выполнение программы пошаговым способом, последовательно переходя от оператора к оператору. После выполнения каждого оператора проверяются значения переменных и выявляются возможные ошибки.
Обнаруженная в программе ошибка исправляется, после чего необходимо снова проверить программу. Для этого можно еще раз выполнить инспектирование программы или повторить предыдущее тестирование. Повторное тестирование используется для того, чтобы убедиться, что сделанные в программе изменения не внесли в систему новых ошибок, поскольку на практике высокий процент "исправления ошибок" либо не завершается полностью, либо вносит новые ошибки в программу.
В принципе во время повторного тестирования после каждого исправления необходимо еще раз запускать все тесты, однако на практике такой подход оказывается слишком дорогостоящим. Поэтому при планировании процесса тестирования определяются зависимости между частями системы и назначаются тесты для каждой части. Тогда можно трассировать программные элементы с помощью специальных контрольных примеров (контрольных данных), подобранных для этих элементов. Если результаты трассировки задокументированы, то для проверки измененного программного элемента и зависимых от него компонентов можно использовать только некоторое подмножество всего множества тестовых данных.
