Độ tin cậy của phần mềm

Các lỗi thường gặp

Khi phân tích chất lượng, phần mềm thường gặp một số lỗi như:

+ Lỗi chiến lược: ý đồ thiết kế sai

+ Phân tích các yêu cầu không đầy đủ hoặc lệch lạc

+ Hiểu sai về các chức năng

+ Vi phạm nguyên lý đối tượng

+ Lỗi tại các thủ tục chịu tải, đây là những lỗi nặng.

+ Lỗi lây lan: lỗi được truyền từ chương trình này sang chương trình khác

+ Lỗi cú pháp: viết sai quy định của ngôn ngữ.

+ Hiệu ứng phụ: lỗi xảy ra khi một đơn vị chương trình làm thay đổi giá trị của một biến ngoài ý kiến của lập trình viên.

Các lỗi của phần mềm tuân theo nguyên lý mức độ lỗi:

a) Mức chịu tải tăng theo chiều đi xuống: lỗi phát ra ở mức dưới được xem là nặng hơn ở mức trên.

b) Lỗi nặng nhất nằm ở mức cao nhất (ý đồ thiết kế ) và ở mức thấp nhất

(thủ tục chịu tải lớn nhất)

Do vậy, khi phát triển phần mềm, cần đảm bảo nguyên lý an toàn là: Mọi lỗi dù nhỏ lớn đều phải được phát hiện ở một bước nào đó của chương trình, trước khi lỗi đó hoành hành.

Độ tin cậy của một hệ phần mềm là độ đo về mức độ tốt của các dịch vụ mà hệ cung cấp cho máy tính. Cần chú ý là người dùng không xét rằng các dịch vụ là quạn trọng như nhau: chẳng hạn một hệ điều khiển máy bay có thể rất, rất hiếm khi thất bại, nhưng nếu chúng có thất bại gây ra tai nạn máy bay thì các người bị nạn và thân nhân người bị nạn không thể xem hệ đó là đáng tin.

Độ tin cậy là một đặc trưng động của hệ thống, nó là một hàm của số các thất bại phần mềm. Một thất bại phần mềm là một sự kiện thi hành mà khi đó phần mềm hành xử không như người ta mong đợi. Chú ý rằng một thất bại phần mềm khác nột hư hỏng phần mềm. Hư hỏng phần mềm là một đặc trưng tĩnh, và nó sẽ gây ra thất bại phần mềm khi mà mã lỗi được thi hành với một tập hợp đặc biệt các thông tin vào. Các hư hỏng không phải luôn luôn xuất đầu lộ diện, vì vậy đọ tin cậy phụ thuộc vào việc sử dụng hệ thống như thế nào. Không thể đưa ra một phát biểu đơn giản và khái quát về độ tin cậy phần mềm.

Các hư hỏng phần mềm không phải là các khuyết tật của chương trình. Một hành xử bất ngờ có thể xảy ra khi mà phần mềm phù hợp với các yêu cầu của nó, nhưng mà chính các yếu tố đó lại không đầy đủ. Các sai sót trong các tư liệu phần mềm cũng có thể dẫn đến các hành vi bất ngờ mặc dầu rằng phần mềm không có khiếm khuyết.

Có công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng có thể rút bỏ 60% các khiếm khuyết mà chỉ có thể cải tạo được 3% độ tin cậy. Cũng có người đã chú ý rằng nhiều khiếm khuyết trong sản phẩm chỉ là kết quả của hàng trăm hoặc hàng nghìn tháng sử dụng.

Một số đánh giá vì độ tin cậy

1. Đặc tả độ tin cậy phần mềm: gồm các bước

+ Phân tích hệ quả của các thất bại.

+ Chia các thất bại thành các nhóm khác nhau.

+ Thiết lập các yêu cầu về độ tin cậy bằng cách sử dụng các độ đo thích hợp cho từng loại.

2. Đođộ tin cậy: theo một vài cách đo như sau

+ Xác suất thất bại tính theo đòi hỏi.

+ Tỷ lệ xuất hiện thất bại

+ Thời gian trung bình giữa hai thất bại kế tiếp nhau.

+ Độ đo mức sẵn sàng hoạt động của hệ.

3 . Thử ngh i ệm tĩnh

Mục tiêu chủ yếu của thử nghiệm tĩnh là xác định độ tin cậy của phần mềm chứ không phải là xác định các hư hỏng phần mềm.

Quá trình thử nghiệm tĩnh liên quan đến 4 bước sau:

i) Xác định độ đo thao tác phần mềm. Độ đo thao tác là một mẫu sử dụng phần mềm và xác định mẫu đó liên quan đến việc phát hiện các lớp thông tin vào của chương trình và ước tính xác suất của chúng.

ii) Chọn ra hoặc sinh ra một tập các dữ liệu thử tương ứng với độ đo đó.

iii) Áp dụng các trường hợp thử chương trình, ghi lại độ dài thời gian thi hành giữa mỗi cặp thất bại quan sát được. Thích hợp hơn là dùng thời gian thô, với đơn vị thời gian thích hợp cho độ đo mức tin cậy.

iv) Tính toán độ đo mức tin cậy sau một số đáng kể (về mặt thống kê) các thất bại đã quan sát được.

4 . An toàn phần m ềm

Có những hệ thống mà thất bại của nó có thể gây ra một mối đe dọa tính mạng con người. Thí dụ về hệ thống an toàn sinh mệnh như vậy là hệ thống điều khiển máy bay.

Có hai lớp phần mềm an toàn sinh mệnh.

i) Các phần mềm an toàn sinh mệnh sơ cấp: các phần mềm lồng nhúng trong một hệ phần cứng dùng để điều khiển quá trình khác mà sự làm việc sai sót của nó có thể trực tiếp gây ra thương vong hoặc phá hủy môi trường sống của con người.

ii) Các phần mềm an toàn sinh mệnh thứ cấp: các phần mềm có thể gián tiếp gây ra thương vong. Thí dụ hệ thống phần mềm trợ giúp thiết kế kỹ thuật, hệ thống cơ sở dữ liệu y tế liên quan đến các chất độc bảng A.

5 . Thử ngh i ệm khiếm khuyết

Thử nghiệm chương trình có hai mục đích: thứ nhất là chỉ ra rằng hệ thống là phù hợp với các đặc tả của nó, thứ hai là thực hành hệ thống theo một cách sao cho các khuyêt tật được phơi ra. Các thử nghiệm với mục đích thứ nhất chính là các thẩm định, nó là các thử nghiệm để chấp nhận. Các thử nghiệm cho mục đích thứ hai lại khác hẳn: thử nghiệm thành công nhất là thử nghiệm phơi ra được nhiều khuyết tật nhất.

Các thử nghiệm có thể được phát triển song song với việc thiết kế và thực hiện bởi những người không dính dáng tới việc thiết kế.

Lập trình vì độ tin cậy

Lập trình là một là một công đoạn phụ thuộc nhiều vào kỹ xảo cá nhân, sự chú ý đến các chi tiết và kiến thức về việc làm như thế nào để sử dụng các công cụ sẵn có theo cách thức tốt nhất. Nhu cầu các hệ thống đáng tin là đang tăng lên vì vậy cần có các kỹ thuật chuyên biệt nhằm đạt được một hệ thống tin cậy được. Hiện nay, có hai kỹ thuật để tăng độ tin cậy phần mềm khi viết các chương trình ứng dụng là: tránh lỗi và tha thứ lỗi.

1 . Tránh lỗi

Tất cả các kỹ sư phần mềm hẳn đều muốn sản ra các phần mềm không có lỗi. Một quá trình phát triển dựa vào việc phát hiện lỗi và trừ khử lỗi chứ không phải là tránh lỗi là một quá trình kém cõi và lỗi thời.

Phần mềm không có lỗi ở đây là phần mềm tuân theo đúng đặc tả. Nói chung, nó có thể có lỗi trong đặc tả hoặc có thể không phản ánh đúng các nhu cầu của người sử dụng vậy là phần mềm không có lỗi không nhất thiết là các phần mềm luôn luôn hành xử như người dùng dự đoán.

Việc phát triển phần mềm không có lỗi là một việc rất đắt đỏ, và khi mà một số lỗi đã được tháo khỏi chương trình thì giá cả cho việc tìm và tháo lỗi còn lại có xu hướng tăng theo hàm số mũ. Do đó một tổ chức có thể quyết định chấp nhận một vài lỗi còn lưu lại. Tính về mặt giá cả thì thà rằng chịu tiền chi trả cho các thất bại của hệ thống do các lỗi đó gây ra còn hơn là đi phát hiện tháo gỡ các lỗi đó trước khi phân phối.

Tránh lỗi và phát triển phần mềm vô lỗi dựa trên:

+ Sản phẩm của một đặc tả hệ thống chính xác.

+ Chấp nhận một cách tiếp cận thiết kế phần mềm dựa trên việc che dấu thông tin và bao gói thông tin.

2 . Thứ lỗi

Ngay với một hệ vô lỗi thì vẫn cần một tiện ích thứ lỗi: đó là vì có thể có các lỗi đặc tả. Một tiện ích thứ lỗi là cần thiết cho một hệ thống đáng tin cậy.

Có bốn hoạt động cần phải tiến hành nếu hệ thống phải là thứ lỗi:

+ Phát hiện lỗi

+ Định ra mức độ thiệt hại

+ Hồi phục sau khi gặp lỗi. Hệ thống phải hồi phục về trạng thái mà nó biết là an toàn. Cũng có thể là chỉnh lý trạng thái bị hủy hoại (hồi phục tiến), cũng có thể là lui về một trạng thái trước mà an toàn (hồi phục lùi).

+ Chữa lỗi. Cải tiến hệ thống để cho lỗi đó không xuất hiện nữa. Trong nhiều trường hợp sự thất bại của phần mềm là tàng hình và gây ra bởi một tổ hợp đặc biệt của thông tin vào.

3 . Xử lý bất thường

Một sai loại nào đó hoặc một sự cố bất ngờ xuất hiện thì ta gọi chúng là một bất thường. Các bất thường có thể do phần cứng cũng có thể do phần mềm. Khi mà một bất thường không được dự đoán thì bộ điều khiển sẽ chuyển cho cơ chế xử lý bất thường hệ thống. Nếu một bất thường đã được dự đoán thì mã phải bao gồm cả việc phát hiện và việc xử lý bất thường đó.

Hầu hết các ngôn ngữ lập trình là không có các tiện ích để phát hiện và xử lý bất thường.

Các bất thường có thể được ghi lại bằng cách dùng một biến Logic nhằm chỉ ra rằng có một bất thường đã xuất hiện.

4 . Lập trình phòng thủ

Lập trình phòng thủ là cách phát triển chương trình mà người lập trình giả định rằng các mâu thuẫn hoặc các lỗi chưa được phát hiện có thể tồn tại trong chương trình. Mã sẽ có phần kiểm tra trạng thái hệ thống sau khi biến đổi và phải đảm bảo rằng sự biến đổi trạng thái là kiên định. nếu phát hiện một mâu thuẫn thì việc biến đổi trạng thái là phải rút lại và trạng thái phải trở về trạng thái đúng đắn trước đó.

Lập trình phòng thủ là một cách thứ lỗi, mà được tiến hành không cần bộ điều khiển thứ lỗi. Về cơ bản quá trình vẫn là: phát hiện lỗi, đánh giá lỗi, và phục hồi sau lỗi. Nói chung một lỗi gây ra một sự sụp đổ trạng thái: các biến trạng thái được gắn các trị không hợp luật. Ngôn ngữ lập trình như Ada cho phép phát hiện các lỗi đó ngay trong thời gian biên dịch. Tuy nhiên việc kiểm tra biên dịch chỉ hạn chế cho các giá trị tĩnh và một vài phép kiểm tra thời gian thực là không thể tránh được.

Một cách để phát hiện lỗi trong chương trình Ada là dùng cơ chế xử lý bất thường kết hợp với đặc tả miền trị.

Hồi phục lỗi là một quá trình cải biên không gian trạng thái của hệ thống sao cho hiệu ứng của lỗi là nhỏ nhất và hệ thống có thể tiếp tục vận hành, có lẽ là trong một mức suy giảm. Hồi phục tiến liên quan đến việc cố gắng chỉnh lại trạng thái hệ thống. Hồi phục lùi liên quan đến việc lưu trạng thái của hệ thống ở một trạng thái đúng đã biết.

Hồi phục tiến thường là một chuyên biệt ứng dụng, mà kiến thức miền được sử dụng để tính ra các sự chỉnh lý có thể. Tuy nhiên có hai tình thế chung mà khi đó hồi phục tiến có thể thành công:

1) Khi dữ liệu mã đã bị sụp. Việc sử dụng mã hóa thích hợp bằng cách thêm các dữ liệu dư thừa vào dữ liệu cho phép sửa sai khi phát hiện lỗi.

2) Khi cấu trúc nối bị sụp. Nếu các con trỏ tiến và lùi đã có trong cấu trúc dữ liệu thì cấu trúc đó có thể tái tạo nếu như còn đủ các con trỏ chưa bị sụp. Kỹ thuật này thường được dùng cho việc sửa chữa hệ thống tệp và cơ sở dữ liệu.

Hồi phục lùi là một kỹ thuật đơn giản liên quan đến việc duy trì các chi tiết của trạng thái an toàn và cất giữ trạng thái đó khi mà một sai đã bị phát hiện. Hầu hết các hệ quản trị cơ sở dữ liệu đều có bộ phục hồi lỗi. Cơ sở dữ liệu chỉ cập nhật dữ liệu một khi giao dịch đã hoàn tất và không phát hiện được vấn đề gì. Nếu giao dịch thất bại thì cơ sở dữ liệu không được cập nhật.

Một kỹ thuật khác là thiết lập các điểm kiểm tra thường kỳ mà chúng là các bản sao của trạng thái hệ thống. Khi mà một lỗi được phát hiện thì trạng thái an toàn đó được tái lưu kho từ điểm kiểm tra gần nhất.

Không may là khi hệ thống dính líu tới nhiều quá trình hợp tác thì dãy các thao tác có thể là các điểm kiểm tra của các quá trình đó là không đồng bộ và để phục hồi thì mỗi quá trình phải lần trở lại trạng thái ban đầu của nó.