Презентация "Интегрированная методика автоматизированного построения формальных поведенческих моделей С- приложений по исходному коду" по информатике – проект, доклад

Интегрированная методика автоматизированного построения формальных поведенческих моделей C-приложений по исходному коду Юсупов Юрий Вадимович

Специальность 05.13.11 – Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

Научный руководитель: проф. кафедры ИУС, ФТК Котляров Всеволод Павлович

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 – 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 3 && !strcmp( argv[argc-1], "-notification" ) ) { notification = 1; rpcmode = "NOTIFICATION"; argc--; argv[argc] = 0; /* hide this flag to avoid later confusion */ } if (argc [...] [-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 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) (bm) (an) (b1) (an+1, an+2)

A – множество состояний вызывающей функции B – множество состояний вызываемой функции

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

директория файл функция !Connectors функция_Det функция_Comp EP_функция

В рамках работы для решения поставленных задач и реализации разработанных методик создан следующий инструментарий:

Программная поддержка

c h

Формальная модель

Динамически подключаемая библиотека

Исходные файлы обработчика

Приложение dll Исходные C-файлы

Базовые протоколы

Klocwork

Объект разработки

Конфигурационный файл

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 Тип А Тип Б

- 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

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ