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

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

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

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.

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.

и визуального анализа автоматизированными средствами

>
– 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,…)

*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

…
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.

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

MSC диаграммы
Текстовое представление
шаблона MSC диаграммы
Методика 3: построение базовых протоколов

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

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

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.

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

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

основе пилотирования)

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.

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