一种程序不可达路径的自动检测方法技术

本发明专利技术公开了一种程序不可达路径的自动检测方法，通过将待检测的计算机程序转化为控制流图；将控制流图转化为程序模型，进行可达性分析得到不可达状态，通过自动检测不可达状态得到不可达状态的集合，然后根据不可达状态的集合得到不可达路径集合。本发明专利技术以理论上较为简单的状态搜索技术为基础，相比已有技术通常基于较复杂的数学理论，有效降低了技术运用与推广的难度；提供了完整的、具有较高自动化程度的程序不可达路径检测方法；解决了控制流图的可达性检测问题；解决了静态分析技术在处理较复杂程序时所存在的困难与低效问题；解决了静态分析技术在处理多分支程序的过程中，难以表达复合型数据的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于软件测试领域，具体地，本专利技术涉及一种程序不可达路径的自动检测方法。
技术介绍
术语解释：控制流图:控制流图(ControlFlowGraph)是程序语句逻辑执行顺序的图形化表达方式，简称为CFG。CFG包括节点和有向边两类元素：节点表示程序中的语句，并且有唯一的入口节点与出口节点；边表示节点之间的顺序关系。程序路径:是指由CFG中的节点构成的一个序列，若该序列的首节点为入口节点，末节点为出口节点，则该路径称为完整路径。不可达路径:是指在任何情况下都不会出现的程序路径。软件测试是软件质量保障的重要手段，需要耗费大量的人力与物力。统计数据表明，软件测试的开销占到了软件开发总成本的60％以上。软件测试的自动化是提高软件测试质量、降低成本、提高效率的一个重要途径，因此被学术界与工业界广泛地关注与研究。大体上，软件测试可以分为功能测试与结构测试，后者是指对程序的内部逻辑结构进行测试，以判定程序的各条路径是否能够满足需求。然而充分覆盖程序的测试是难以达成的，因为即使是并不复杂的程序段，也会由于分支、循环结构的存在，导致产生规模巨大的路径空间。因此，结构测试的一个重要研究领域，就是解决面向程序路径的测试数据生成问题。而不可达路径的检测，则是其中的一个重要研究热点。所谓的程序不可达路径，是指在任何输入下，都不会被执行的程序路径。程序不可达路径的存在，会导致在生成测试数据时，产生大量的无效测试数据，从而在测试执行时浪费大量的人力与物力，从而大大影响到测试的效率。因此，不可达路径的检测不仅能够降低测试成本，还能够有效提高测试效率，一直以来都是软件测试领域的一个研究热点。程序中所存在的不可达路径是代码冗余的一种表现形式，Liverpool大学的Yates与Malevris两位学者，通过实验证明了在大型软件系统中通常都会包含有10-25％的冗余代码。不可达路径的检测问题已经被证明是一个不可判定问题，因此所有的检测方法都是非完备的，即不存在能够检测出所有不可达路径的算法。目前，检测程序不可达路径的方法，可以分为静态检测与动态检测两类。1.静态检测技术静态检测技术可依据原理，分为两类：●基于路径条件可满足性的方法：是指针对所有的程序路径，通过对满足路径条件的谓词组合进行求解，依据解的存在性来判定路径的可达性。这类方法具有较高的复杂度。●基于分支相关性的方法：是指通过对分支语句进行相关性分析的手段，来检测不可达路径。在第一类技术中，典型的方法，是抽取程序的每条路径的分支谓词，并规约为一个方程组，通过求解方程组是否有解来判定路径是否可达。然而这类方法具有较高的复杂性，并且缺乏表达数组、结构体等复合数据类型的能力。此外，还有一些类似的方法：使用区间算术规约程序路径，但这类方法在处理条件谓词中的非线性表达式时，效率较为低下；使用代码模式检测程序分支，并通过符号执行技术进行路径的可达性检测，但这类方法的通用性受到代码模式的约束；使用变量的抽象取值范围规约程序的状态条件，通过判断路径的变量取值范围来判定路径是否可达，但这类方法不能很好地处理复合的分支条件。程序分支之间的相关性是产生不可达路径的主要原因，在具有一定复杂度的程序中，9-40％的分支语句会存在相关系。但基于相关性分析的检测方法由于无法分析结构复杂的分支条件，因此难以获得令人满意的节点覆盖率。该类方法的代表性工作包括：在传统的数据流分析中加入了分支相关性分析，从而提高传统数据流分析的精度；通过判断赋值语句、分支语句之间的冲突性来识别不可达路径，然而该方法却缺乏处理循环结构的能力；通过对控制流与数据流的静态分析，来确定相关性语句，并进而判定不可达路径，其特点是能够处理函数调用关系。2.动态检测技术动态检测技术是指在进行路径测试的过程中，依据测试用例生成的复杂度来判定待测试的路径是否可达。然而动态检测技术的检查代价通常较大，并且无法保证检测结果的绝对准确，具有较强的不确定性。常见的方法包括：使用基于启发式策略的方法检测不可达路径，其依据是可达路径的部分属相同这一原理，从而通过检测试数据的生成轨迹来实现路径可达性的检测；使用语义更新技术，从程序语义上来排除程序中的不可达路径；利用遗传算法来检测不可达路径，为了更好地引导搜索，该类方法会通过融合控制流图的信息，进行适应度函数的设计。现有的技术方案，存在以下的问题：(1)复杂度较高，检测效率较低。(2)难以处理复合的数据类型。(3)理论、方法及过程较为复杂，不利于推广与应用。(4)检测结果具有不确定性。(5)自动化程度较低。(6)在处理复杂的程序分支以及分支条件时，效果不佳。为了弥补上述缺点,本专利技术提出了一种程序不可达路径检测方法，是基于模型检测技术，通过将程序控制流图转化为自动机模型，使用状态空间搜索的方法来判定自动机状态的可达性，并依据状态的可达性来生产不可达路径。在已知的方法中，还没有发现与本专利技术相类似的实现方案。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种程序不可达路径的自动检测方法。本专利技术以理论上较为简单的状态搜索技术为基础，相比已有技术通常基于较复杂的数学理论，有效降低了技术运用与推广的难度；提供了完整的、具有较高自动化程度的程序不可达路径检测方法；解决了控制流图的可达性检测问题；解决了静态分析技术在处理较复杂程序时所存在的困难与低效问题；解决了静态分析技术在处理多分支程序的过程中，难以表达复合型数据的问题。为达到上述技术效果，本专利技术的技术方案是：一种程序不可达路径的自动检测方法，包括如下步骤：步骤1)将待检测的计算机程序转化为控制流图；步骤2)通过改进的广度优先搜索策略将控制流图转化为程序模型；步骤3)分析每个状态是否可达，寻找程序中的不可达路径，方法为：验证程序模型中的每个状态s是否存在一条包含s的状态序列；若对于某个状态s，不存在包含s的状态序列，则此状态为不可达状态；步骤4)采用模型检测技术自动检测步骤2)中的程序模型，得到不可达状态的集合；步骤5)根据不可达状态的集合，搜索程序路径是否包含不可达状态，得到不可达路径集合。进一步的改进，所述步骤2)中，程序模型为包含状态、迁移和迁移标号三大要素的形式化模型，且不包含状态、迁移和标号三大要素以外的性质要素。进一步的改进，所述改进的广度优先搜索策略具体为：3.1)遍历控制流图中的每个节点，若该节点是一个赋值语句，则创建一个新的状态，并以该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种程序不可达路径的自动检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)将待检测的计算机程序转化为控制流图；步骤2)通过改进的广度优先搜索策略将控制流图转化为程序模型；步骤3)分析每个状态是否可达，寻找程序中的不可达路径，方法为：验证程序模型中的每个状态s是否存在一条包含s的状态序列；若对于某个状态s，不存在包含s的状态序列，则此状态为不可达状态；步骤4)采用模型检测技术自动检测步骤2)中的程序模型，得到不可达状态的集合；步骤5)根据不可达状态的集合，搜索程序路径是否包含不可达状态，得到不可达路径集合。

【技术特征摘要】
1.一种程序不可达路径的自动检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)将待检测的计算机程序转化为控制流图；
步骤2)通过改进的广度优先搜索策略将控制流图转化为程序模型；
步骤3)分析每个状态是否可达，寻找程序中的不可达路径，方法为：验证程序模型中的
每个状态s是否存在一条包含s的状态序列；若对于某个状态s，不存在包含s的状态序列，则
此状态为不可达状态；
步骤4)采用模型检测技术自动检测步骤2)中的程序模型，得到不可达状态的集合；
步骤5)根据不可达状态的集合，搜索程序路径是否包含不可达状态，得到不可达路径
集合。
2.如权利要求1所述的程序不可达路径的自动检测方法，其特征在于，所述步骤2)中，
程序模型为包含状态、迁移和迁移标号三大要素的形式化模型，且不包含状态、迁移和标号
三大要素以外的性质要素。
3.如权利要求1所述的程序不可达路径的自动检测方法，其特征在于，所述改进的广度
优先搜索策略具体为：
3.1)遍历控制流图中的每个节点，若该节点是一个赋值语句，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐郑熠，王金水，薛醒思，洪茂雄，胡文瑜，刘建华，
申请(专利权)人：福建工程学院，
类型：发明
国别省市：福建;35