Интегрированная методика автоматизированного построения формальных поведенческих моделей C-приложений по исходному кодуЮсупо

Особенности промышленной разработки программного обеспечения
постоянный рост требований к качеству производимого ПО
борьба за качество начинается на самых ранних этапах разработки ПО и заключается в нахождении и исправлении ошибок в первых версиях программных продуктов
обеспечение необходимого уровня качества только за счет динамической проверки (тестированием) правильности функционирования ПО становится невозможным
переиспользование старого кода
восстановление документации и ее поддержка в актуальном виде

Цели и задачи исследования
Цель – разработка методики автоматизированного построения формальных
поведенческих моделей C-приложений по исходному коду, пригодных для
статического и визуального анализа поведенческих и структурных свойств.
Задачи:
анализ области автоматизированного построения формальных моделей по их исходному коду на основе сравнительного анализа промышленных инструментов возвратного проектирования и формальных нотаций;
определение модели поведения для систем, реализованных на языке C, пригодной для статического и визульного анализа;
создание методик формализации фрагментов исходного кода C-приложений с помощью выбранной формальной нотации;
разработка программной реализации, позволяющей обеспечить генерацию формальных спецификаций по фрагментам исходного кода C-приложений;
внедрение разработанной методики и программных средств в процесс производства и поддержки ПО.

Область исследования
Возвратное проектирование –
“это процесс анализа системы с целью идентификации системных компонентов и их взаимодействий (поведенческих свойств) и создания представления системы в другой форме или на более высоком уровне абстракции”. (E. Chikofsky, J. Cross)
Цели возвратного проектирования:
создание альтернативных форм описания системы для облегчения понимания и повышения уровня осмысления;
восстановление утраченной информации о системе с целью восстановления документации;
построение моделей программ с целью верификации и тестирования.
Методы возвратного проектирования:
Статический анализ.
Динамический анализ.

Инструментарий возвратного проектирования
Klocwork
Insight
Source-
Navigator
CodeSurfer
CC-Rider
Imagix 4D
Cristal
FLOW
* Пригодных для статического и визуального анализа автоматизированными средствами

Сравнительный анализ формальных нотаций

Концепция предлагаемого подхода

Атрибутная транзиционная система
< S, A, T, L, l >
– S – множество состояний;
– А – множество действий;
– T – множество размеченных переходов
и неразмеченных (скрытых) переходов
– L – множество атрибутных разметок;
– – частично определенная
функция разметки состояний.
Аппарат описания модели поведения программной системы
E = (e1, e2, e3,…)
M = (m1, m2, m3,…)
Sin = (in1, in2, in3,…)
Sout = (out1, out2, out3,…)

Динамические аспекты модели поведения
…
int pid;
int replyEvent;
char *replyMessage;
void *replyPointer;
int len;
int notification = 0; /* not notification by default */
char * rpcmode = ""; /*no extra text by default */
if (argc > 1 && strcmp (argv[1], "-listpm") == 0) {
/* Get all postmaster! */
int bufferPid[100];
char* bufferText[100];
int noOfPM;
int i;
noOfPM = SPFindActivePostMasters (bufferPid, bufferText, 100);
for (i = 0; i < noOfPM; i++) {
if (bufferText[i] != NULL) {
printf ("Pid: %d, Created: %s\n", bufferPid[i], bufferText[i]);
SPFree (bufferText[i]);
}
}
/* break when ready*/
exit (0);
}
if ( argc > 3 && !strcmp( argv[argc-1], "-notification" ) ) {
notification = 1;
rpcmode = "NOTIFICATION";
argc--;
argv[argc] = 0; /* hide this flag to avoid later confusion */
}
if (argc < 3) {
printf ("usage: %s
[
...] [-notification]\n", argv[0]);
exit (1);
…
1. Исходный код
3. Дерево поведения
4. Поведенческие сценарии
2. Базовые протоколы

Методика 1: сохранение потока управления программы
False
True
for
while
do-
while
switch
default
case1
case2
…
Фрагменты систем переходов
для нелинейных фрагментов кода
Связь базовых протоколов по
состояниям агента-приложения
st_2, st_3, st_4, st_5, st_6 – состояния агента-приложения;
bp2, bp3, bp4, bp5 – базовые протоколы.

Методика 2: формализация вызовов функции (1)
начало
конец
БП вызывающей функции
1
Протокол-коннектор для
передачи управления в
вызываемую функцию
2
Протокол-коннектор для
возвращения управления в
вызывающую функцию
4
БП вызывающей функции
5
РП вызываемой функции
3
1) bpn=(an-1,an)
2) cp1=(an,b1)
3) ep=(b1, bm)
4) cp2=(bm,an+1)
5) bpn+1=(an+1,an+2)
(an-1, an)
A
(b1, bm)
B
(an+1)
A
(bm)
B
(an)
A
(b1)
B
(an+1, an+2)
A
A – множество состояний
вызывающей функции
B – множество состояний
вызываемой функции

<Имя базового протокола>
<Имя файла>
Графическое представление
шаблона MSC диаграммы
Текстовое представление
шаблона MSC диаграммы
Методика 3: построение базовых протоколов

– функция_Det – базовые протоколы, описывающие поведение функции на детальном уровне – функция_Comp – базовые протоколы, описывающие поведение функции на некотором уровне абстракции
– !Connectors – протоколы-коннекторы для моделирования вызовов функций
– EP_ функция – расширенные протоколы, описывающие поведение вызываемых функций
Методика 4: структурирование базовых протоколов
1
директория
2
файл
директория
3
файл
директория
функция
5
файл
директория
функция
!Connectors
функция_Det
функция_Comp
EP_функция
4
файл
директория
функция
функция_Det
функция_Comp

В рамках работы для решения поставленных задач и реализации разработанных методик создан следующий инструментарий:
Программная поддержка
c
c
c
h
h
Формальная модель
Динамически
подключаемая
библиотека
Исходные файлы обработчика
Приложение
dll
Исходные
C-файлы
Базовые
протоколы
Klocwork
Объект разработки
Конфигурационный файл
dll
АСД

Метрика оценки объема модели
k – количество функций в проекте;
BP – количество базовых протоколов, кодирующих детальное поведение функции;
EP – количество расширенных протоколов, кодирующих поведение вызываемых функций;
CP – количество протоколов-коннекторов, необходимых для моделирования вызовов функций.
LOC – количество строк кода функции, каждая из которых содержит хотя бы один оператор;
i, e, f, s, w, F – количество операторов if, else, for, switch, while и вызовов функций в коде функции соответственно.

Общая схема применения методики

Пилотирование и применение разработанного комплекса методик и программных средств проведено в следующих 4 проектах:
Учебный проект. Применение методики к исходному коду приложения с целью проверки всех разработанных методик и программных средств (40 BPs).
Проект автомобильного радио (CarRadio). Применение методики структурирования базовых протоколов для получения проекта, структура которого позволяет работать с моделью покомпонентно и на разных уровнях абстракции (70 BPs).
Проект анализатора A-деревьев. Применение методики к исходному коду реализованного обработчика с целью проверки корректности его реализации (8000 BPs).
Приложение для тестирования мобильного телефона. Применение методики к исходному коду приложения для мобильного телефона с целью верификации реализованного приложения (70000 BPs).
Проекты пилотирования и применения методики

Анализ результатов применения
Зависимость трудозатрат от размеров модели
(аппроксимация на основе пилотирования)
чел.-часа
чел.-часа
чел.-часа
чел.-часа
Тип А
Тип Б
- трудозатраты автоматиз. подхода
- трудозатраты ручного подхода
- трудозатраты автоматиз. подхода
- трудозатраты ручного подхода

Анализ результатов применения
Зависимость размеров моделей от уровня абстракции (аппроксимация на основе пилотирования)

Заключение
На основе теории агентов и сред предложена модель поведения C-приложений в виде структурированного множества базовых протоколов, пригодная для статического и визуального анализа поведенческих и структурных свойств в среде инсерционного программирования.
Разработана методика структуризации представления модели, обеспечивающая свойство декомпозиции модели на структурные элементы и их независимый анализ на заданном уровне абстракции.
Разработана методика использования расширенных протоколов и протоколов-коннекторов для спецификации и моделирования вызовов функций и других фрагментов исходного кода, обеспечивающая сокращение размеров модели и достижение различной степени ее детализации
Создана программная реализация разработанных методик формализации исходного кода C-приложений, обеспечивающая автоматизацию построения поведенческих моделей.
Оценка эффективности разработанных методик и ПО проведена в 4-х программных проектах различной сложности и позволила установить минимум трехкратное преимущество по трудозатратам автоматизированного подхода перед ручным.
Анализ результатов позволил получить оценки применения методики в промышленных проектах.

модель поведения приложений, реализованных на языке C, представляемая структурированным множеством базовых протоколов. Модель является пригодной для статического и визуального анализа ее поведенческих и структурных свойств в среде инсерционного программирования;
методика структуризации представления модели, позволяющая проводить ее докомпозицию на структурные элементы и их независимый анализ, что обеспечивает возможность работы с крупными моделями промышленных систем;
методика использования расширенных протоколов для формализации отдельных фрагментов исходного кода, обеспечивающая сокращение размеров модели и предоставляющая возможность достижения различной степени ее детализации;
программные средства, обеспечивающие автоматизацию построения формальных моделей C-приложений по их исходному коду;
проверка работоспособности предложенных методик и инструментальных средств в ряде учебных и промышленных проектов.
На защиту выносятся