Надежность программ

Вопрос определения и повышения надежности программ приобретает в последнее время особую важность в связи с возросшим уровнем сложности применения вычислительной техники.

В подходе к проблеме надежности программ иногда ориентируются на применение основных положений теории надежности аппаратуры к программам. Вводится понятие отказа программы – это ошибка в программе, вызывающая неправильное функционирование программы в каких-либо условиях. Соответственно может рассматриваться наработка на отказ, время восстановления и т.д.

Надо, однако, представлять себе разницу между аппаратурой и программой, которая заключается, прежде всего, в том, что аппаратура отказывает с определенной вероятностью, даже если она не функционирует; программа же не изнашивается, поломка программы невозможна. Практически не влияют на функционирование программы и производственные дефекты (например, ошибки копирования системы во время ее переноса), так как они редки, быстро обнаруживаются и легко устраняются. Ошибки в программах проявляются как систематические и далеко не случайные. Кроме того, в разных применениях одна и та же программа может демонстрировать различную интенсивность отказов, что вызывает серьезные трудности при попытке использовать методы теории надежности аппаратуры для анализа надежности программного обеспечения.

Существует и другой подход, ориентированный на анализ структуры программы с учетом специфики ее применения. Важную роль при таком подходе играет управляющий граф программы. Управляющий граф (граф переходов) программы определяется как ориентированный граф, вершины которого соответствуют одному или нескольким операторам этой программы, а дуги отражают возможности передач управления между соответствующими операторами.

Управляющий граф программы является моделью этой программы, отражающей логику ее выполнения, сложность функционирования при любых значениях исходных данных. Изучение управляющего графа позволяет понять закономерности поведения программы в динамике, обнаружить многие некорректности в программе, преобразовать программу с целью ее оптимизации. Управляющий граф – основа для определения стратегии тестирования программы, ее анализа, отладки.

В литературе встречаются различные определения надежности программ. Одну группу определений можно сформулировать так: надежность программы есть качество ее отладки или число оставшихся в программе ошибок.

Вторую группу определений подытожил Г. Майерс: надежность программного обеспечения есть вероятность его работы без отказов в течение определенного периода времени, рассчитанная с учетом стоимости (важности) для пользователя каждого отказа.

Наличие таких различных подходов как к самой проблеме надежности программ, так и к определению надежности неизбежно демонстрирует, что это – понятие не простое, включающее различные аспекты.

Надежная программа должна обладать двумя основными свойствами:

1) правильно функционировать при корректной внешней среде. Мы подразумеваем, что задание на проектирование программы оговаривает, что такое правильное функционирование и для какой внешней среды (это и значения входных величин, и параметры управляющих программ, операционной системы, виртуальной и реальной машины, и внешние воздействия, и т.п.) должно быть обеспечено это правильное функционирование. Естественно, оно должно быть обеспечено и для конструктивных средств программы, и для управляющих средств. Такое свойство программы называют безошибочностью. Добиться абсолютной безошибочности программы не представляется возможным, поэтому по отношению к такому свойству, как безошибочность, можно говорить о количестве оставшихся в программе ошибок (еще не обнаруженных); заметим, что существуют методы, позволяющие оценить это количество. Соответственно можно говорить об уровне безошибочности;

2) однозначно реагировать на некорректную внешнюю среду. Для каких-то случаев она должна продолжать функционирование (отметив, что столкнулась с некорректностью), для каких-то должны быть выбраны обходные пути, для каких-то может быть выбран путь снижения производительности (деградации). В каких-то случаях программа может прекратить выполнение, но в любом случае не должно быть непредсказуемого поведения, все отклонения от нормы должны быть заранее предусмотрены, недопустимо распространение некорректностей в другие программы. Такое свойство программы называется помехоустойчивостью.

Таким образом, можно говорить о двух видах причин, снижающих надежность функционирования программы:

внутренние причины, ошибки в конструктивных средствах программы, приводящие к нарушению правильности, к тому, что при некоторых корректных значениях входных величин (включая и внешние воздействия) программа либо выдает неправильный результат, либо вообще не завершается. Иначе говоря, снижается уровень безошибочности программ;

внешние причины, недостаточная защита от некорректных значений входных величин и внешних воздействий. Строго говоря, это можно считать ошибками в управляющих средствах программы, снижающими помехоустойчивость программы, достоверность получения правильного результата.

В соответствии с этим повышение надежности программы связано либо с повышением уровня безошибочности программы, либо с повышением уровня помехоустойчивости, либо и с тем и с другим. В дальнейшем будем рассматривать методы повышения надежности именно с этих позиций.