淺析計算機軟件可靠性設(shè)計

摘要：本文介紹了軟件可靠性設(shè)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(shù),并且著重介紹了軟件可靠性設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：計算機軟件；可靠性設(shè)計；機理；參數(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，軟件可靠性成為我們關(guān)注的一個問題，軟件系統(tǒng)規(guī)模越做越大越復(fù)雜，其可靠性越來越難保證。應(yīng)用本身對系統(tǒng)運行的可靠性要求越來越高，在一些關(guān)鍵的應(yīng)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(tǒng)的可靠性也直接關(guān)系到自身的聲譽和生存發(fā)展競爭能力。特別是軟件可靠性比硬件可靠性更難保證，會嚴重影響整個系統(tǒng)的可靠性。在許多項目開發(fā)過程中，對可靠性沒有提出明確的要求，開發(fā)商(部門)也不在可靠性方面花更多的精力，往往只注重速度、結(jié)果的正確性和用戶界面的友好性等，而忽略了可靠性。在投入使用后才發(fā)現(xiàn)大量可靠性問題，增加了維護困難和工作量，嚴重時只有束之高閣，無法投入實際使用。本文僅就軟件可靠性工程在軟件開發(fā)過程中的應(yīng)用談?wù)勛约旱恼J識。

1．軟件可靠性設(shè)計的基本概念

1.1 軟件及軟件故障。軟件(也稱程序)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,它由一組編碼語句組成,這些語句的功能基本上是以下功能之一:(1)計算一個表達式并將其結(jié)果存儲在單元里;(2)決定下一步要執(zhí)行哪個語句;(3)進行輸入/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時間歷程,這個壽命周期包括了提出要求/規(guī)格說明、設(shè)計、實現(xiàn)、檢驗、維護等五個階段,前四個階段為開發(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(tǒng)計的可靠性”的概念密切相關(guān),軟件的可靠性是軟件在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間周期內(nèi)執(zhí)行所要求功能的能力。軟件的可靠度是軟件在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)不引起系統(tǒng)故障的概率,該概率是系統(tǒng)輸入與系統(tǒng)使用的函數(shù)。

2．軟件質(zhì)量的可靠性參數(shù)

2.1 系統(tǒng)平均不工作間隔時間(MTBSD或MTBD)。設(shè)d為軟件正常工作總時間,d為系統(tǒng)由于軟件故障而停止工作的次數(shù),則定義TBSD=Tv/(d+1)。式中,TBSD—MTBSD；Tv—軟件正常工作總時間(h)；d—系統(tǒng)由于軟件故障而停止工作的次數(shù)。MTBSD反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 系統(tǒng)不工作次數(shù)(一定時期內(nèi))。由于軟件故障而停止工作,必須由操作者介入再啟動才能繼續(xù)工作的次數(shù)。

2.3 可用度A。設(shè)Tv為軟件正常工作總時間,TD為由于軟件故障使系統(tǒng)不工作的時間,則定義A=TV/(TV+TD)。它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,亦可表達為A=TBD/(TBD+TDT)。式中,TBD—MTBD(h),TDT—平均不工作時間,以下簡稱MDT(h)。對一般生產(chǎn)用計算機系統(tǒng),要求A≥99.8%；銀行計算機系統(tǒng),要求A>99.9%。

2.4 MTTR。它反映了出現(xiàn)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)對社會服務(wù)的責任心。對于在線系統(tǒng)而言,MTT只要求不超過2天,變差系數(shù)應(yīng)小于1。一般的MTTR也應(yīng)小于7天,變差系數(shù)小于1。

2.5 平均不工作時間(MDT)。即由于軟件故障,系統(tǒng)不工作的均值。對在線系統(tǒng)而言。MDT要求不超過10min一般的MDT30min。

2.6 初期故障。一般以軟件交付使用后的三個月內(nèi)為初期故障期。初期故障率的大小取決于軟件設(shè)計水平、檢查項日數(shù)、軟件規(guī)模、軟件調(diào)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月后為偶然故障期,偶然故障率以每1000h的故障數(shù)為單位,它反映了軟件處于穩(wěn)定狀態(tài)下的質(zhì)量。一般最少要求偶然故障率不超過1,即每千小時不到1個故障,亦即MTBF超過1000h。

2.8 使用方誤用率。使用方不按照軟件規(guī)范及說明等使用造成的錯誤叫使用方誤用。在總使用次數(shù)中,使用方誤用次數(shù)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明理解不深,操作不熟練,但也有可能是說明沒有講得很清楚而引起誤解。其他的原因還有軟件系統(tǒng)的可操作性還應(yīng)改進、對使用方的使用培訓(xùn)還要更深入等等。

2.9 用戶提出補充要求數(shù)。這反映軟件未能充分滿足用戶的需要,有時要求是特定用戶的特定要求,生產(chǎn)方為了更好地為社會服務(wù),應(yīng)該盡力滿足他們的要求。

2.10 處理能力。處理能力有各種指標。例如可用每小時平均處理多少文件、每項工作的反應(yīng)時間多少秒等來表示,根據(jù)需要而定。在評價軟件及系統(tǒng)的經(jīng)濟效益時需用這項指標。

3．軟件可靠性設(shè)計方法

從軟件可靠性的概念可知,軟件的缺陷可以導(dǎo)致錯誤并造成系統(tǒng)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。軟件的缺陷來自軟件壽命周期的各個階段,因此應(yīng)想方設(shè)法在壽命周期的各個階段減少缺陷。缺陷在一定的環(huán)境條件下暴露,導(dǎo)致系統(tǒng)運行中出現(xiàn)錯誤。軟件的錯誤概括地說可能由規(guī)范(要求/規(guī)格說明)、軟件系統(tǒng)設(shè)計及編碼過程產(chǎn)生。

3.1 要求/規(guī)格說明。只要在規(guī)格說明與用戶要求說明之間存在誤差,就會產(chǎn)生規(guī)范錯誤。

規(guī)范它不僅規(guī)定程序的要求,還規(guī)定所用的結(jié)構(gòu)、研制及試驗中需要的程序試驗要求和文件,以及程序語言、輸入和輸出的基本要求。通過對這些方面作出適當?shù)囊?guī)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(xiàn)和改正的程序生成的結(jié)構(gòu)。

這種說明書是軟件設(shè)計人員和用戶間相互了解的基礎(chǔ),是軟件設(shè)計人員進行程序設(shè)計、調(diào)試的基礎(chǔ)和評價軟件的依據(jù)。要求/規(guī)格說明書應(yīng)具有以下性質(zhì):

（1)可測性:生產(chǎn)出來的軟件產(chǎn)品應(yīng)能根據(jù)要求/規(guī)格說明書的內(nèi)容進行測試。（2)完整性:對軟件要求的描述要完整無缺。（3)明確性:對軟件的要求必須是明確的,不存在語義上的支義性。(4)一致性:要求說明書中的概念與規(guī)范化。(5)彈性:當軟件的工作環(huán)境發(fā)生變化時,其功能說明也相應(yīng)地擴充或壓縮。

3.2 軟件設(shè)計。軟件系統(tǒng)是根據(jù)要求/規(guī)格說明(規(guī)范)設(shè)計的,通過設(shè)計將確定程序結(jié)構(gòu)、測試點及限制等。為設(shè)計出可靠的軟件,需要在考慮諸如機型、資源、語言、模型及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等實際問題的基礎(chǔ)上,采取一些有效的設(shè)計方法。