ГЛАВА 6. Структурное тестирование программного обеспечения

В этой главе определяются общие понятия и принципы тестирования ПО (принцип «черного ящика» и принцип «белого ящика»). Читатель знакомится с содержанием процесса тестирования, после этого его внимание концентрируется на особенностях структурного тестирования программного обеспечения (по принципу «белого ящика»), описываются его достоинства и недостатки. Далее рассматриваются наиболее популярные способы структурного тестирования: тестирование базового пути, тестирование ветвей и операторов отношений, тестирование потоков данных, тестирование циклов.

Основные понятия и принципы тестирования ПО

Тестирование — процесс выполнения программы с целью обнаружения ошибок. Шаги процесса задаются тестами.

Каждый тест определяет:

q свой набор исходных данных и условий для запуска программы;

q набор ожидаемых результатов работы программы.

Другое название теста — тестовый вариант. Полную проверку программы гарантирует исчерпывающее тестирование. Оно требует проверить все наборы исходных данных, все варианты их обработки и включает большое количество тестовых вариантов. Увы, но исчерпывающее тестирование во многих случаях остается только мечтой — срабатывают ресурсные ограничения (прежде всего, ограничения по времени).

Хорошим считают тестовый вариант с высокой вероятностью обнаружения еще не раскрытой ошибки. Успешным называют тест, который обнаруживает до сих пор не раскрытую ошибку.

Целью проектирования тестовых вариантов является систематическое обнаружение различных классов ошибок при минимальных затратах времени и стоимости.

Важен ответ на вопрос: что может тестирование?

Тестирование обеспечивает:

q обнаружение ошибок;

q демонстрацию соответствия функций программы ее назначению;

q демонстрацию реализации требований к характеристикам программы;

q отображение надежности как индикатора качества программы.

А чего не может тестирование? Тестирование не может показать отсутствия дефектов (оно может показывать только присутствие дефектов). Важно помнить это (скорее печальное) утверждение при проведении тестирования.

Рассмотрим информационные потоки процесса тестирования. Они показаны на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Информационные потоки процесса тестирования

На входе процесса тестирования три потока:

q текст программы;

q исходные данные для запуска программы;

q ожидаемые результаты.

Выполняются тесты, все полученные результаты оцениваются. Это значит, что реальные результаты тестов сравниваются с ожидаемыми результатами. Когда обнаруживается несовпадение, фиксируется ошибка — начинается отладка. Процесс отладки непредсказуем по времени. На поиск места дефекта и исправление может потребоваться час, день, месяц. Неопределенность в отладке приводит к большим трудностям в планировании действий.

После сбора и оценивания результатов тестирования начинается отображение качества и надежности ПО. Если регулярно встречаются серьезные ошибки, требующие проектных изменений, то качество и надежность ПО подозрительны, констатируется необходимость усиления тестирования. С другой стороны, если функции ПО реализованы правильно, а обнаруженные ошибки легко исправляются, может быть сделан один из двух выводов:

q качество и надежность ПО удовлетворительны;

q тесты не способны обнаруживать серьезные ошибки.

В конечном счете, если тесты не обнаруживают ошибок, появляется сомнение в том, что тестовые варианты достаточно продуманы и что в ПО нет скрытых ошибок. Такие ошибки будут, в конечном итоге, обнаруживаться пользователями и корректироваться разработчиком на этапе сопровождения (когда стоимость исправления возрастает в 60-100 раз по сравнению с этапом разработки).

Результаты, накопленные в ходе тестирования, могут оцениваться и более формальным способом. Для этого используют модели надежности ПО, выполняющие прогноз надежности по реальным данным об интенсивности ошибок.

Существуют 2 принципа тестирования программы:

q функциональное тестирование (тестирование «черного ящика»);

q структурное тестирование (тестирование «белого ящика»).

Тестирование «черного ящика»

Известны:функции программы.

Исследуется:работа каждой функции на всей области определения.

Как показано на рис. 6.2, основное место приложения тестов «черного ящика» — интерфейс ПО.

Рис. 6.2.Тестирование «черного ящика»

Эти тесты демонстрируют:

q как выполняются функции программ;

q как принимаются исходные данные;

q как вырабатываются результаты;

q как сохраняется целостность внешней информации.

При тестировании «черного ящика» рассматриваются системные характеристики программ, игнорируется их внутренняя логическая структура. Исчерпывающее тестирование, как правило, невозможно. Например, если в программе 10 входных величин и каждая принимает по 10 значений, то потребуется 10¹⁰ тестовых вариантов. Отметим также, что тестирование «черного ящика» не реагирует на многие особенности программных ошибок.

Тестирование «белого ящика»

Известна:внутренняя структура программы.

Исследуются:внутренние элементы программы и связи между ними (рис. 6.3).

Рис. 6.3.Тестирование «белого ящика»

Объектом тестирования здесь является не внешнее, а внутреннее поведение программы. Проверяется корректность построения всех элементов программы и правильность их взаимодействия друг с другом. Обычно анализируются управляющие связи элементов, реже — информационные связи. Тестирование по принципу «белого ящика» характеризуется степенью, в какой тесты выполняют или покрывают логику (исходный текст) программы. Исчерпывающее тестирование также затруднительно. Особенности этого принципа тестирования рассмотрим отдельно.

Особенности тестирования «белого ящика»

Обычно тестирование «белого ящика» основано на анализе управляющей структуры программы [2], [13]. Программа считается полностью проверенной, если проведено исчерпывающее тестирование маршрутов (путей) ее графа управления.

В этом случае формируются тестовые варианты, в которых:

q гарантируется проверка всех независимых маршрутов программы;

q проходятся ветви True, False для всех логических решений;

q выполняются все циклы (в пределах их границ и диапазонов);

q анализируется правильность внутренних структур данных.

Недостатки тестирования «белого ящика»:

1. Количество независимых маршрутов может быть очень велико. Например, если цикл в программе выполняется k раз, а внутри цикла имеется п ветвлений, то количество маршрутов вычисляется по формуле

.

При п = 5 и k = 20 количество маршрутов т = 10¹⁴. Примем, что на разработку, выполнение и оценку теста по одному маршруту расходуется 1 мс. Тогда при работе 24 часа в сутки 365 дней в году на тестирование уйдет 3170 лет.

2. Исчерпывающее тестирование маршрутов не гарантирует соответствия программы исходным требованиям к ней.

3. В программе могут быть пропущены некоторые маршруты.

4. Нельзя обнаружить ошибки, появление которых зависит от обрабатываемых данных (это ошибки, обусловленные выражениями типа if abs (a-b) < eps..., if(a+b+c)/3=a...).

Достоинстватестирования «белого ящика» связаны с тем, что принцип «белого ящика» позволяет учесть особенности программных ошибок:

1. Количество ошибок минимально в «центре» и максимально на «периферии» программы.

2. Предварительные предположения о вероятности потока управления или данных в программе часто бывают некорректны. В результате типовым может стать маршрут, модель вычислений по которому проработана слабо.

3. При записи алгоритма ПО в виде текста на языке программирования возможно внесение типовых ошибок трансляции (синтаксических и семантических).

4. Некоторые результаты в программе зависят не от исходных данных, а от внутренних состояний программы.

Каждая из этих причин является аргументом для проведения тестирования по принципу «белого ящика». Тесты «черного ящика» не смогут реагировать на ошибки таких типов.