計算機軟件可靠性設計

　　本文介紹了軟件可靠性設計的基本概念，軟件故障產生的機理，軟件質量的可靠性參數，并且著重介紹了軟件可靠性設計策略。

　　摘要： 計算機技術的高速發(fā)展，致使武器裝備系統(tǒng)和自動化指揮系統(tǒng)等軍用系統(tǒng)對軟件的依賴程度越來越高。軟件在武器裝備、航天航海等要求高可靠性的系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。因此，軍用軟件可靠性就成為確保軍事系統(tǒng)質量的瓶頸和關鍵。軟件可靠性是軟件質量中最為重要的一項屬性，軟件可靠性設計技術是確保和提高軟件質量的重要手段。

　　關鍵詞：計算機軟件;可靠性設計;參數

　　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理由，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。在許多項目開發(fā)過程中，對可靠性沒有提出明確的要求，開發(fā)商(部門)也不在可靠性方面花更多的精力，往往只注重速度、結果的正確性和用戶界面的友好性等，而忽略了可靠性。

　　1 軟件可靠性設計的基本概念

　　1.1 軟件及軟件故障

　　軟件的可靠性工作也是貫穿于軟件的整個壽命周期的。軟件的壽命周期，是指從軟件任務的提出一直到它完成使命，因陳舊而被廢棄為止的整個時間歷程，這個壽命周期包括了提出要求/規(guī)格說明、設計、實現、檢驗、維護等五個階段，前四個階段為開發(fā)期，維護階段為使用期。

　　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。

　　2 軟件質量的可靠性參數

　　2.1 系統(tǒng)平均不工作間隔時間(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，則定義TBSD=Tv/(d+1)。式中，TBSD—MTBSD;Tv—軟件正常工作總時間(h);d—系統(tǒng)由于軟件故障而停止工作的次數。MTBSD反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　2.2 系統(tǒng)不工作次數(一定時期內)。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。

　　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—平均不工作時間，以下簡稱MDT(h)。對一般生產用計算機系統(tǒng)，要求A≥99.8%;銀行計算機系統(tǒng)，要求A>99.9%。

　　2.4 MTTR。它反映了出現軟件缺陷后采取策略的效率。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，變差系數應小于1。一般的MTTR也應小于7天，變差系數小于1。

　　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10min一般的MDT<30min。

　　2.6 初期故障。一般以軟件交付使用后的三個月內為初期故障期。初期故障率的大小取決于軟件設計水平、檢查項日數、軟件規(guī)模、軟件調試徹底與否等因素。

　　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1000h的故障數為單位，它反映了軟件處于穩(wěn)定狀態(tài)下的質量。

　　2.8 使用方誤用率。使用方不按照軟件規(guī)范及說明等使用造成的錯誤叫使用方誤用。在總使用次數中，使用方誤用次數占的百分率叫使用方誤用率。造成使用方誤用的理由之一是使用方對說明理解不深，操作不熟練，但也有可能是說明沒有講得很清楚而引起誤解。

　　2.9 用戶提出補充要求數。這反映軟件未能充分滿足用戶的需要，有時要求是特定用戶的特定要求，生產方為了更好地為社會服務，應該盡力滿足他們的要求。

　　2.10 處理能力。處理能力有各種指標。例如可用每小時平均處理多少文件、每項工作的反應時間多少秒等來表示，根據需要而定。在評價軟件及系統(tǒng)的經濟效益時需用這項指標。

　　3 軟件可靠性設計策略

　　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。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)運轉中出現錯誤。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的規(guī)定，就可以建立使產生錯誤的可能性最小、并保證錯誤能被發(fā)現和改正的程序生成的結構。

　　3.2 軟件設計

　　軟件系統(tǒng)是根據要求/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、模型及數據結構等實際理由的基礎上，采取一些有效的設計策略。

　　3.2.1 “自頂向下設計”法。這種設計策略是處理分級理由最有效的設計技術。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為止。自頂向下設計策略的價值在于，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理由，從而避開了不必要地先去考慮較低層次的細節(jié)理由。

　　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作用。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，如飛機的飛行制約系統(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，并能指出錯誤源。(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臺計算機上運轉，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，實現設計與生產分離，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，任然存在很多理由，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。

　　參考文獻：

　　曾福萍，靳慧亮，陸民燕.軟件缺陷模式的研究[J].計算機科學，2011，02.

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