淺談計算機軟件可靠性設計的認識
摘要：隨著科學技術的不斷進步，軟件可靠性成為我們關注的一個問題，軟件系統(tǒng)規(guī)模越做越大越復雜，其可靠性越來越難保證 針對這一問題，本文僅就軟件可靠性工程在軟件開發(fā)過程中的應用談談自己的認識。
1.軟件可靠性設計的基本概念
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。
1. 2軟件可靠性關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，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(MTBSD或MTBD設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—MTBsDITv一軟件正常工作總時間(h)·d一系統(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一平均不工作時間，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 M"ITR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)應小于l。一般的MTTR也應小于7天，變差系數(shù)小于l。
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l0min一般的MDT<3Omin。
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計水平、檢查項13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l O00h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l，即每千小時不到1個故障，亦即MTBF超過1000h。
3.軟件可靠性設計方法
從軟件可靠性的概念可知，軟件的缺陷可以導致錯誤并造成系統(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，因此應想方設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)定所用的結構、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構。
這種說明書是軟件設計人員和用戶間相互了解的基礎，是軟件設計人員進行程序設計、調(diào)試的基礎和評價軟件的依據(jù)。
3.2軟件設計軟件系統(tǒng)是根據(jù)要求/規(guī)格說明(規(guī)范)設計的，通過設計將確定程序結構、測試點及限制等。為設計出可靠的軟件，需要在考慮諸如機型、資源、語言、模型及數(shù)據(jù)結構等實際問題的基礎上，采取一些有效的設計方法。
3.2.1 “自頂向下設計”法。這種設計方法是處理分級問題最有效的設計技術。它是以一個系統(tǒng)功能的最抽象描述開始作為最高層次;從它出發(fā)，設計一系列較詳細的子系統(tǒng)。由這些子系統(tǒng)來完成員高層次的功能;再以每個子系統(tǒng)為基礎，設計出一系列更詳細的子系統(tǒng)，等等。如此逐次向下作功能分解，直到最低層次的子系統(tǒng)能夠比較方便用計算機程序設計語言來實現(xiàn)為止。自頂向下設計方法的價值在于，它在設計的同時，指出了復雜性不同的處理層次，而且各種設計要素之間的關系是比較清楚的。通過這樣一種結構化構造途徑，有可能在早期就洞察出設計問題，從而避免了不必要地先去考慮較低層次的細節(jié)問題。
3.2.2 結構化程序設計。軟件結構對軟件的可靠性具有重要的意義。結構良好的程序易于編寫、檢查，便于查錯定位、修改和維護。結構化程序設計(也稱為模塊化程序設計)把程序要求分成若干獨立的、更小的程序要求或模塊化的功能要求，分別提出各自的要求/規(guī)格說明，并注明是如何與程序中的其他部分接口，還必須指出所有的輸入與輸出，以及測試要求。對每一個更小的程序和模塊，可分別編程和測試，使得模塊間高度分離。
3.2.3 容錯設計。對軟件錯誤所引起的后果特別嚴重的情況，如飛機的飛行控制系統(tǒng)、空中交通管制系統(tǒng)、核反應堆安全系統(tǒng)等，需采用容錯軟件。容錯設計的途徑有： (1)加強軟件的健壯性;使程序設計得能夠緩解錯誤的影響，不致造成諸如死鎖或崩潰這樣的嚴重后果，井能指出錯誤源。(2)采用N(>2)版本編程法：即盡可能用不同的算法與編程語言，經(jīng)不同的班組編制，以提高各軟件版本的獨立性。這N個軟件版本同時在N臺計算機上運行，各計算機間能進行高效通信，并作出快速比較，當結果不一致時，按多數(shù)表決或預定的策略選擇輸出。(3)恢復塊法：給需要作容錯處理的塊(基本塊)提供備份塊，并附加錯誤檢測和恢復措施。
3.3軟件編碼在軟件結構設計的基礎上就可以進行編碼，編碼產(chǎn)生的缺陷是軟件錯誤的主要來源。一般的編碼錯誤是：鍵入錯代碼;數(shù)值錯誤，丟失代碼;用了被零除這樣不定值的表達式等。為了減少編碼錯誤，實現(xiàn)設計與生產(chǎn)分離，首先由高水平的軟件工程師完成結構設計，再由程序設計員完成程序的編制是合理的、必要的，并在編碼過程中盡早地查出缺陷予以改正。
4.結束語
軟件可靠性設計工程是一門雖然得到普遍承認，但還處于不成熟的正在發(fā)展確立階段的新工程學科，任然存在很多問題，需要去探索、研究和解決。本文介紹只在軟件可靠性設計方面拋磚引玉，提供借鑒。
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