程序动态切片技术研究毕业设计.docx

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程序动态切片技术研究毕业设计

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第一章绪论

第一节课题研究目的和意义

软件危机曾经是软件界甚至整个计算机界最热门的话题为了解决这场危机，软件从业人员、专家和学者做出了大量的努力。

现在人们已经逐步认识到所谓的软件危机实际上仅是一种状况，那就是软件中存在故障，正是这些故障导致了软件开发在成本、进度和质量上的失控。

故障是软件的属性，而且是无法改变的，因为软件是由人来编写的，所有由人做的工作都不会是完美无缺的。

软件测试就是“为了发现故障而执行程序的过程”，其根本目的就是尽可能地消除软件中的故障，使得软件在正式投入使用之前，软件中的故障密度达到尽可能低或者可以接受的程度。

软件测试是软件生命周期中的重要一环，在当前的软件开发过程中发挥着越来越重要的作用。

统计表明，在典型的软件开发项目中，软件测试工作量往往占软件开发总工作量的40%以上;在软件开发的总成本中，用在测试上的开销要占到50%左右。

软件测试的实质是根据软件开发各阶段的规格说明和程序的内部结构精心选取一批测试数据，形成测试用例，并用这些测试用例去驱动被测程序，观察程序的执行结果，验证实际运行结果与期望结果是否一致，然后做相应的调整。

可见，测试数据生成是软件测试的核心与关键。

白盒测试（结构测试）一般是根据被测程序的内部结构设计测试用例，具有很强的理论基础。

这种结构测试要求对被测程序的结构特性做到一定程度的覆盖。

路径覆盖是一种相对比较强的覆盖标准，要求生成足够多的测试数据，尽可能覆盖所有程序路径。

但是，实际中往往会出现这样的情况：

多个测试用例执行的是同一条程序路径，而有的程序路径则从未被执行过。

因此，探讨一种有效的手段，以辅助基于路径的测试数据生成，有着很现实的意义。

第二节研究内容和本文结构

本文在理解M.Weiser的切片算法的基础上，根据H.Agrawai等人提出的基于静态程序依赖图的算法，编写程序，最终实现切片系统。

并对程序切片进行测试分析。

本文的第一章简要介绍本课题研究的背景、意义以及关于切片系统的实现目标；第二章主要介绍程序切片的技术概述和应用发展；第三章则是动态程序切片的具体算法设计；第四章关于动态程序切片系统设计的介绍；第五章则是本系统的开发环境和运行结果分析；第六章则是对本文的总结以及展望。

第二章程序切片技术

第一节程序切片技术的概述

程序切片技术是M.Weiser在他的1979年的博士论文中首次提出的一种程序分解技术。

主要通过寻找程序内部的相关特性，从而分解程序，然后对分解所得的程序切片进行分析研究，以此达到对整个程序理解和认识的目的。

后来在1981年和1984年，M.Weiser博士又发表了两篇论文对这种技术进行推广和完善。

后来切片技术引起了研究者们广泛的关注，由于它起到了其他技术无可替代的作用，因此可以说是程序分解领域的一场大变革，无论在程序的分析和理解、调试还是测试和维护过程都起到了巨大的作用，另外切片技术还在硬件描述语言和其他规约语言以及形式化模型等方面的分析有至关重要的作用，因此它的研究具有极其重要的理论和实际意义。

M.Weiser博士首先在1979年定义了程序切片的概念:

程序中的某个输出只与这个程序的部分相关语句以及控制谓词有关系，因此如果删除其他的语句或者控制谓词将对这个输出没有任何影响。

也就是说，对于一个特定的输出，源程序和对于删除不相关的语句和控制谓词后所得的程序是作用相同的。

其形式化定义如下:

把满足如下两个条件的切片称为M.Weiser切片:

第一，一个程序切片需要对应一个切片准则，用表示，其中n指程序中的某个兴趣点，一般指一条语句，V表示在这条语句使用的变量的集合。

第二，程序P的切片s可以通过在P中删除零条或者多条语句后得到，且保证程序P和所得的切片S关于切片准则的作用是相同的。

当时，M.Weiser博士把只与某个输出相关联的语句和控制谓词构成的程序称之为源程序的静态切片。

由此可见，一个程序的切片大多数是源程序的一个子集，这个概念准确的说其实就是程序切片的一个核心思想。

后来随着研究的发展，研究者们对M.Weiser博士程序切片的概念进行了扩展，由于程序切片不一定都是可执行的，因此又包含了不可执行的切片思想，这也是一种静态切片，这样就丰富和发展了程序切片的内涵。

随后，Korel和Laski又提出了动态切片的概念，它只考虑程序的某个特定执行情况，程序中的信息如数组、指针和循环依赖关系都可以在程序执行时动态确定。

因此，动态切片与静态切片相比结果更加的准确。

在程序切片技术二十几年的发展过程中主要经历了如图2.1所示的四个阶段：

图2.1程序切片技术的发展历程

第一个阶段是基于数据流方程的切片阶段，这其实就是M.Weiser博士提出切片概念的阶段，主要使用了基于控制流图的数据流方程来计算程序切片。

第二个阶段是基于依赖图的程序切片阶段，这一阶段产生了对程序切片提出了很多新的概念和算法。

首先，Ottenstein等人在提出了基于程序依赖图的图可达性算法，并可以计算过程内后向程序切片，接着又提出了前向切片的概念和算法，以及基于依赖图的两步遍历图的可达性算法。

最后Korel和Laski提出了动态切片的概念和算法。

第三个阶段是面向对象的程序切片阶段，这一阶段是伴随着面向对象的高级程序语言的发展而产生，在1996年M.J.Horrald等人首次使用类依赖图来扩展系统依赖图，从而表示面向对象的c++程序，并通过改进的两步遍历图可达性算法来计算程序的切片。

随后ChristonSteindl在1999年通过对各种数据流以及控制流的计算，提出了面向对象程序切片计算的解决方法，起到了很重要的作用。

最后一个阶段是程序切片变体阶段，这一阶段出现了各种程序切片的变体形式，例如砍片、削片、层次切片等等，这些都极大地促进了程序切片技术的迅速发展。

通过上面程序切片的发展阶段可以看出程序切片有很多种，主要有静态切片和动态切片，前向切片和后向切片，规约切片，削片，砍片，无定型切片等等。

这些种类其实本质都是一致的，也是随着发展阶段一步步演化而来的。

由于本文主要使用到动态切片，因此这里主要对与之相关的静态切片和动态切片以及前向切片和后向切片作简要介绍。

后文中将详细分析动态切片。

如果在计算程序切片时不考虑程序的具体输入，计算对某个感兴趣点影响的语句和谓词集合，这样得到的切片就是静态切片。

其切片准则为。

如果在计算程序切片时考虑程序的某个具体输入

，然后计算程序P在这个特定输入

。

的条件下所有影响V在n点的值的语句和谓词集合，这样得到的切片就是动态切片。

其切片准则为

>。

后向切片是指构造一个集合aflect（v/n），使得这个集合由所有影响v在n点的语句和谓词组成。

例如如果在测试程序时发现了其中的某个错误，我们就需要知道是前面哪条语句或者哪个谓词表达式导致了这个错误，这样也就需要计算程序的后向切片。

前向切片正好相反，是指构造一个集合affect（v/n），使得这个集合由受到n点的变量V的值的影响的所有语句和谓词构成。

前向切片也有广泛的应用，如果对程序的bug修改以后，我们可能想知道这点修改是否会带来其他的副作用，也就是说这点修改会影响后面的哪些语句，这就需要计算程序的前向切片。

第二节切片技术的应用

由于是程序切片，与程序有关，因此毫无疑问在软件的编码和调试阶段用处是最明显的。

尤其在调试阶段，当出现错误时通过程序切片可以快速对程序中的错误进行定位，这样引起错误的代码就被限定在这个程序切片里，从而方便了程序员调试。

对于软件度量，可以利用软件体系结构的切片技术验证体系结构是否正确，从而保证按照这个体系结构设计出的软件是正确可靠的，同时在设计阶段利用模块间的切片技术也可以设计出高内聚低祸合的模块，从而为软件的重用性起到大的作用。

此外，程序切片技术还应用于软件安全方面和软件测试方面。

在软件测试中主要用于回归测试，在软件开发过程中，当系统修改了一处或多处后需要对整个软件重新测试，以防止修改不会带来其他模块的问题、一周此工作量是非常大的，而且也会消耗大量的人力物力。

由于在回归测试时，软件只有小部分代码被修改，因此只要通过程序切片技术获得源程序中受到修改代码影响的所有其他代码，这样只要对这些受影响的代码进行测试就可以了，这样就给回归测试带来了极大的方便。

本文主要采用程序切片技术来自动生成测试用例，也属于程序切片的一个应用之一。

程序切片技术有着广泛的应用场合，主要应用如图2.2所示:

图2.2切片技术的应用

第三章动态程序切片技术

第一节动态切片法产生的背景及现有算法

本文主要研究的是动态切片程序，所以在这里对动态切片再进行细致的介绍。

顾名思义，动态切片法是与静态切片法相对应的，它由静态切片法演化而来。

在1988年，B.Korel和J.Laski首次提出动态切片的概念，主要由基于数据流方程的静态切片扩展而来。

他们认为动态切片是源程序的一个可以执行的子集，在对某个变量输入相同的变量值时切片和源程序将会执行相同的程序路径。

后来，1990年，H.Agrawal和J.Horgan又提出了新的动态切片的思想:

动态切片主要包含在某个给定输入的条件下，源程序执行路径上所有对程序某条语句或兴趣点上的变量有影响的语句。

这两种概念的不同之处在于，前者产生的动态切片比较大，常常包含一些多余不必要的语句，而后者产生的切片较小，而且更加的精确。

动态切片法相对与静态切片法有很多优点，首先，由于它只考虑程序在某个特定输入条件下的情况，所以很多如数组下标、指针、循环依赖关系等程序信息可以在动态执行时动态确定，所以相比静态切片结果会更加的精确。

其次，在某些场合下，例如在程序调试过程中，处理一次bug时通常只关注在某个输入下执行的路径行为，而不会关注变量所有可能输入导致的行为，所以动态切片比静态切片更加的方便，大大的减少了切片的大小，调试也因此大大缩小了范围。

当然，动态切片法也有缺点，由于动态切片需要追踪程序的执行行为和执行历史，所以空间代价较高。

从动态切片概念的产生发展至今，主要有以下几个动态切片算法。

1.H.Agrawal和J.Horgan在1990年提出的四种计算动态切片的方法。

第一种方法是以静态程序的程序依赖图为基础，先从程序依赖图里提取出对应给定执行历史的一个投影图，再利用静态切片法对投影图进行操作，即使用两次图可达性算法，从而获得所需的动态切片。

但是这种方法由于常常包含多余的节点，对同一个变量来说某一个节点可能存在很多由该变量引出的数据依赖边，因此计算出的动态切片不够精确。

第二种方法类似第一种方法，也是以静态程序的程序依赖图为基础，在程序执行时首先在程序依赖图中标记出产生的依赖边，然后在图中沿着这些标记的边进行遍历，这样由所有标记经过的节点对应的语句集合就构成了动态切片。

这种方法改进了第一种方法产生多余节点的问题，但是缺点是却不能处理包含循环结构的源程序。

第三种方法不再基于静态依赖图，而是重新提出了一个新图，即动态依赖图：

即为执行历史中语句每一次的出现创建一个节点并只对这一次出现有依赖关系的语句添加引出的依赖边。

对于不同的程序执行历史，同一个程序有不同的动态依赖图。

当建立了程序的动态依赖图之后，先找到执行历史中变量的最后定义所在的节点，然后在图中使用二次图形可达性算法，从而获得变量的动态切片。

2.B.Korel和s.Yalamanchih在1994年提出的前向计算的动态切片算法。

算法的主要思想为把程序看成是若干个基本块，然后通过执行到基本块的出口时判断这个基本块是否应该包含在动态切片中。

这种方法虽然不需要建立动态依赖图，因此节省了大量的执行代价和执行空间。

3.Goswami和Mall在2002年提出的基于压缩的动态程序依赖图的算法。

算法的主要思想为首先建立程序的控制依赖子图，然后再通过程序的执行序列和数据流信息建立程序的数据依赖子图，最后生成动态切片。

第二