| Планирование уроков на учебный год | Основные этапы моделирования

Урок 2
Основные этапы моделирования

Изучив эту тему, вы узнаете:

Что такое моделирование;
- что может служить прототипом для моделирования;
- какое место занимает моделирование в деятельности человека;
- каковы основные этапы моделирования;
- что такое компьютерная модель;
- что такое компьютерный эксперимент.

Компьютерный эксперимент

Чтобы дать жизнь новым конструкторским разработкам, внедрить новые технические решения в производство или проверить новые идеи, нужен эксперимент. Эксперимент - это опыт, который производится с объектом или моделью. Он заключается в выполнении некоторых действий и определении, как реагирует экспериментальный образец на эти действия.

В школе вы проводите опыты на уроках биологии, химии, физики, географии.

Эксперименты проводят при испытании новых образцов продукции на предприятиях. Обычно для этого используется специально создаваемая установка, позволяющая провести эксперимент в лабораторных условиях, либо сам реальный продукт подвергается всякого рода испытаниям (натурный эксперимент). Для исследования, к примеру, эксплуатационных свойств какого-либо агрегата или узла его помещают в термостат, замораживают в специальных камерах, испытывают на вибростендах, роняют и т. п. Хорошо, если это новые часы или пылесос - не велика потеря при разрушении. А если самолет или ракета?

Лабораторные и натурные эксперименты требуют больших материальных затрат и времени, но их значение, тем не менее, очень велико.

С развитием компьютерной техники появился новый уникальный метод исследования - компьютерный эксперимент. В помощь, а иногда и на смену экспериментальным образцам и испытательным стендам во многих случаях пришли компьютерные исследования моделей. Этап проведения компьютерного эксперимента включает две стадии: составление плана эксперимента и проведение исследования.

План эксперимента

План эксперимента должен четко отражать последовательность работы с моделью. Первым пунктом такого плана всегда является тестирование модели. 

Тестирование - процесс проверки правильности построенной модели.

Тест - набор исходных данных, позволяющий определить пра- - вильность построения мЪдели.

Чтобы быть уверенным в правильности получаемых результатов моделирования, надо: ♦ проверить разработанный алгоритм построения модели; ♦ убедиться, что построенная модель правильно отражает свойства оригинала, которые учитывались при моделировании.

Для проверки правильности алгоритма построения модели используется тестовый набор исходных данных, для которых конечный результат заранее известен или предварительно определен другими способами.

Например, если вы используете при моделировании расчетные формулы, то надо подобрать несколько вариантов исходных данных и просчитать их «вручную». Это тестовые задания. Когда модель построена, вы проводите тестирование с теми же вариантами исходных данных и сравниваете результаты моделирования с выводами, полученными расчетным путем. Если результаты совпадают, то алгоритм разработан верно, если нет - надо искать и устранять причину их расхождения. Тестовые данные могут совершенно не отражать реальную ситуацию и не нести смыслового содержания. Однако полученные в процессе тестирования результаты могут натолкнуть вас на мысль об изменении исходной информационной или знаковой модели, прежде всего в той ее части, где заложено смысловое содержание.

Чтобы убедиться, что построенная модель отражает свойства оригинала, которые учитывались при моделировании, надо подобрать тестовый пример с реальными исходными данными.

Проведение исследования

После тестирования, когда у вас появилась уверенность в правильности построенной модели, можно переходить непосредственно к проведению исследования. 

В плане должен быть предусмотрен эксперимент или серия экспериментов, удовлетворяющих целям моделирования. Каждый эксперимент должен сопровождаться осмыслением итогов, что служит основой анализа результатов моделирования и принятия решений.

Схема подготовки и проведения компьютерного эксперимента приведена на рисунке 11.7.

Рис. 11.7. Схема компьютерного эксперимента

Анализ результатов моделирования

Конечная цель моделирования - принятие решения, которое должно быть выработано на основе всестороннего анализа результатов моделирования. Этот этап решающий - либо вы продолжаете исследование, либо заканчиваете. На рисунке 11.2 видно, что этап анализа результатов не может существовать автономно. Полученные выводы часто способствуют проведению дополнительной серии экспериментов, а подчас и изменению задачи.

Основой выработки решения служат результаты тестирования и экспериментов. Если результаты не соответствуют целям поставленной задачи, значит, на предыдущих этапах были допущены ошибки. Это может быть либо неправильная постановка задачи, либо слишком упрощённое построение информационной модели, либо неудачный выбор метода или среды моделирования, либо нарушение технологических приемов при построении модели. Если такие ошибки выявлены, то требуется корректировка модели у то есть возврат к одному из предыдущих этапов. Процесс повторяется до тех пор, пока результаты эксперимента не будут отвечать целям моделирования.

Главное, надо всегда помнить: выявленная ошибка - тоже результат. Как гласит народная мудрость, на ошибках учатся. Об этом писал и великий русский поэт А. С. Пушкин:

О, сколько нам открытий чудных Готовят просвещенья дух И опыт, сын ошибок трудных, И гений, парадоксов друг, И случай, бог изобретатель...

Контрольные вопросы и задания

1. Назовите два основных типа постановки задач моделирования.

2. В известном «Задачнике» Г. Остера есть следущая задача:

Злая колдунья, работая не покладая рук, превращает в гусениц по 30 принцесс в день. Сколько дней ей понадобится, чтобы превратить в гусениц 810 принцесс? Сколько принцесс в день придется превращать в гусениц, чтобы управиться с работой за 15 дней?
Какой вопрос можно отнести к типу «что будет, если...», а какой - к типу «как сделать, чтобы...»?

3. Перечислите наиболее известные цели моделирования.

4. Формализуйте шутливую задачу из «Задачника» Г. Остера:

Из двух будок, находящихся на расстоянии 27 км одна от другой, навстречу друг другу выскочили в одно и то же время две драчливые собачки. Первая бежит со скоростью 4 км/час, а вторая - 5 км/час.
Через сколько времени начнется драка? 

5. Назовите как можно больше характеристик объекта «пара ботинок ». Составьте информационную модель объекта для разных целей:

■ выбор обуви для туристского похода; ■ подбор подходящей коробки для обуви; ■ покупка крема для ухода за обувью.

6. Какие характеристики подростка существенны для рекомендации по выбору профессии?

7. По каким причинам компьютер широко используется в моделировании?

8. Назовите известные вам инструменты компьютерного моделирования.

9. Что такое компьютерный эксперимент? Приведите пример.

10. Что такое тестирование модели?

11. Какие ошибки встречаются в процессе моделирования? Что надо делать, когда ошибка обнаружена?

12. В чем заключается анализ результатов моделирования? Какие выводы обычно делаются?

Тестирование программного обеспечения (ПО) выявляет недоработки, изъяны и ошибки в коде, которые необходимо устранить. Его также можно определить как процесс оценки функциональных возможностей и корректности ПО с помощью анализа. Основные методы интеграции и тестирования программных продуктов обеспечивают качество приложений и заключаются в проверке спецификации, дизайна и кода, оценке надежности, валидации и верификации.

Методы

Главная цель тестирования ПО - подтверждение качества программного комплекса путем систематической отладки приложений в тщательно контролируемых условиях, определение их полноты и корректности, а также обнаружение скрытых ошибок.

Методы можно разделить на статические и динамические.

К первым относятся неформальное, контрольное и техническое рецензирование, инспекция, пошаговый разбор, аудит, а также статический анализ потока данных и управления.

Динамические техники следующие:

1. Тестирование методом белого ящика. Это подробное исследование внутренней логики и структуры программы. При этом необходимо знание исходного кода.
2. Тестирование методом черного ящика. Данная техника не требует каких-либо знаний о внутренней работе приложения. Рассматриваются только основные аспекты системы, не связанные или мало связанные с ее внутренней логической структурой.
3. Метод серого ящика. Сочетает в себе предыдущие два подхода. Отладка с ограниченным знанием о внутреннем функционировании приложения сочетается со знанием основных аспектов системы.

Прозрачное тестирование

В методе белого ящика используются тестовые сценарии контрольной структуры процедурного проекта. Данная техника позволяет выявить ошибки реализации, такие как плохое управление системой кодов, путем анализа внутренней работы части программного обеспечения. Данные методы тестирования применимы на интеграционном, модульном и системном уровнях. Тестировщик должен иметь доступ к исходному коду и, используя его, выяснить, какой блок ведет себя несоответствующим образом.

Тестирование программ методом белого ящика обладает следующими преимуществами:

• позволяет выявить ошибку в скрытом коде при удалении лишних строк;
• возможность использования побочных эффектов;
• максимальный охват достигается путем написания тестового сценария.

Недостатки:

• высокозатратный процесс, требующий квалифицированного отладчика;
• много путей останутся неисследованными, поскольку тщательная проверка всех возможных скрытых ошибок очень сложна;
• некоторая часть пропущенного кода останется незамеченной.

Тестирование методом белого ящика иногда еще называют тестированием методом прозрачного или открытого ящика, структурным, логическим тестированием, тестированием на основе исходных текстов, архитектуры и логики.

Основные разновидности:

1) тестирование управления потоком - структурная стратегия, использующая поток управления программой в качестве модели и отдающая предпочтение большему количеству простых путей перед меньшим числом более сложных;

2) отладка ветвления имеет целью исследование каждой опции (истинной или ложной) каждого оператора управления, который также включает в себя объединенное решение;

3) тестирование основного пути, которое позволяет тестировщику установить меру логической сложности процедурного проекта для выделения базового набора путей выполнения;

4) проверка потока данных - стратегия исследования потока управления путем аннотации графа информацией об объявлении и использовании переменных программы;

5) тестирование циклов - полностью сосредоточено на правильном выполнении циклических процедур.

Поведенческая отладка

Тестирование методом черного ящика рассматривает ПО как «черный ящик» - сведения о внутренней работе программы не учитываются, а проверяются только основные аспекты системы. При этом тестировщику необходимо знать системную архитектуру без доступа к исходному коду.

Преимущества такого подхода:

• эффективность для большого сегмента кода;
• простота восприятия тестировщиком;
• перспектива пользователя четко отделена от перспективы разработчика (программист и тестировщик независимы друг от друга);
• более быстрое создание теста.

Тестирование программ методами черного ящика имеет следующие недостатки:

• в действительности выполняется избранное число тестовых сценариев, результатом чего является ограниченный охват;
• отсутствие четкой спецификации затрудняет разработку тестовых сценариев;
• низкая эффективность.

Другие названия данной техники - поведенческое, непрозрачное, функциональное тестирование и отладка методом закрытого ящика.

1) эквивалентное разбиение, которое может уменьшить набор тестовых данных, так как входные данные программного модуля разбиваются на отдельные части;

2) краевой анализ фокусируется на проверке границ или экстремальных граничных значений - минимумах, максимумах, ошибочных и типичных значениях;

3) фаззинг - используется для поиска погрешностей реализации с помощью ввода искаженных или полуискаженных данных в автоматическом или полуавтоматическом режиме;

4) графы причинно-следственных связей - методика, основанная на создании графов и установлении связи между действием и его причинами: тождественность, отрицание, логическое ИЛИ и логическое И - четыре основных символа, выражающие взаимозависимость между причиной и следствием;

5) проверка ортогональных массивов, применяемая к проблемам с относительно небольшой областью ввода, превышающей возможности исчерпывающего исследования;

6) тестирование всех пар - техника, набор тестовых значений которой включает все возможные дискретные комбинации каждой пары входных параметров;

Тестирование методом черного ящика: примеры

Техника основана на спецификациях, документации, а также описаниях интерфейса программного обеспечения или системы. Кроме того, возможно использование моделей (формальных или неформальных), представляющих ожидаемое поведение ПО.

Обычно данный метод отладки применяется для пользовательских интерфейсов и требует взаимодействия с приложением путем введения данных и сбора результатов - с экрана, из отчетов или распечаток.

Тестировщик, таким образом, взаимодействует с ПО путем ввода, воздействуя на переключатели, кнопки или другие интерфейсы. Выбор входных данных, порядок их введения или очередность действий могут привести к гигантскому суммарному числу комбинаций, как это видно на следующем примере.

Какое количество тестов необходимо произвести, чтобы проверить все возможные значения для 4 окон флажка и одного двухпозиционного поля, задающего время в секундах? На первый взгляд расчет прост: 4 поля с двумя возможными состояниями - 24 = 16, которые необходимо умножить на число возможных позиций от 00 до 99, то есть 1600 возможных тестов.

Тем не менее этот расчет ошибочен: мы можем определить, что двухпозиционное поле может также содержать пробел, т. е. оно состоит из двух буквенно-цифровых позиций и может включать символы алфавита, специальные символы, пробелы и т. д. Таким образом, если система представляет собой 16-битный компьютер, то получится 216 = 65 536 вариантов для каждой позиции, результирующих в 4 294 967 296 тестовых случаев, которые необходимо умножить на 16 комбинаций для флажков, что в общей сложности дает 68 719 476 736. Если их выполнить со скоростью 1 тест в секунду, то общая продолжительность тестирования составит 2 177,5 лет. Для 32 или 64-битных систем, длительность еще больше.

Поэтому возникает необходимость уменьшить этот срок до приемлемого значения. Таким образом, должны применяться приемы для сокращения количества тестовых случаев без уменьшения охвата тестирования.

Эквивалентное разбиение

Эквивалентное разбиение представляет собой простой метод, применимый для любых переменных, присутствующих в программном обеспечении, будь то входные или выходные значения, символьные, числовые и др. Он основан на том принципе, что все данные из одного эквивалентного разбиения будут обрабатываться тем же образом и теми же инструкциями.

Во время тестирования выбирается по одному представителю от каждого определенного эквивалентного разбиения. Это позволяет систематически сокращать число возможных тестовых случаев без потери охвата команд и функций.

Другим следствием такого разбиения является сокращение комбинаторного взрыва между различными переменными и связанное с ними сокращение тестовых случаев.

Например, в (1/x) 1/2 используется три последовательности данных, три эквивалентных разбиения:

1. Все положительные числа будут обрабатываться таким же образом и должны давать правильные результаты.

2. Все отрицательные числа будут обрабатываться так же, с таким же результатом. Это неверно, так как корень из отрицательного числа является мнимым.

3. Ноль будет обрабатываться отдельно и даст ошибку «деление на ноль». Это раздел с одним значением.

Таким образом, мы видим три различных раздела, один из которых сводится к единственному значению. Есть один «правильный» раздел, дающий достоверные результаты, и два «неправильных», с некорректными результатами.

Краевой анализ

Обработка данных на границах эквивалентного разбиения может выполняться иначе, чем ожидается. Исследование граничных значений - хорошо известный способ анализа поведения ПО в таких областях. Эта техника позволяет выявить такие ошибки:

• неправильное использование операторов отношения (<,>, =, ≠, ≥, ≤);
• единичные ошибки;
• проблемы в циклах и итерациях,
• неправильные типы или размер переменных, используемых для хранения информации;
• искусственные ограничения, связанные с данными и типами переменных.

Полупрозрачное тестирование

Метод серого ящика увеличивает охват проверки, позволяя сосредоточиться на всех уровнях сложной системы путем сочетания методов белого и черного.

При использовании этой техники тестировщик для разработки тестовых значений должен обладать знаниями о внутренних структурах данных и алгоритмах. Примерами методики тестирования серого ящика являются:

• архитектурная модель;
• унифицированный язык моделирования (UML);
• модель состояний (конечный автомат).

В методе серого ящика для разработки тестовых случаев изучаются коды модулей по технике белого, а фактическое испытание выполняется на интерфейсах программы по технологии черного.

Такие методы тестирования обладают следующими преимуществами:

• сочетание преимуществ техник белого и черного ящиков;
• тестировщик опирается на интерфейс и функциональную спецификацию, а не на исходный код;
• отладчик может создавать отличные тестовые сценарии;
• проверка производится с точки зрения пользователя, а не дизайнера программы;
• создание настраиваемых тестовых разработок;
• объективность.

Недостатки:

• тестовое покрытие ограничено, так как отсутствует доступ к исходному коду;
• сложность обнаружения дефектов в распределенных приложениях;
• многие пути остаются неисследованными;
• если разработчик программного обеспечения уже запускал проверку, то дальнейшее исследование может быть избыточным.

Другое название техники серого ящика - полупрозрачная отладка.

1) ортогональный массив - использование подмножества всех возможных комбинаций;

2) матричная отладка с использованием данных о состоянии программы;

3) проводимая при внесении новых изменений в ПО;

4) шаблонный тест, который анализирует дизайн и архитектуру добротного приложения.

тестирования ПО

Использование всех динамических методов приводит к комбинаторному взрыву количества тестов, которые должны быть разработаны, воплощены и проведены. Каждую технику следует использовать прагматично, принимая во внимание ее ограничения.

Единственно верного метода не существует, есть только те, которые лучше подходят для конкретного контекста. Структурные техники позволяют найти бесполезный или вредоносный код, но они сложны и неприменимы к крупным программам. Методы на основе спецификации - единственные, которые способны выявить недостающий код, но они не могут идентифицировать посторонний. Одни техники больше подходят для конкретного уровня тестирования, типа ошибок или контекста, чем другие.

Ниже приведены основные отличия трех динамических техник тестирования - дана таблица сравнения между тремя формами отладки ПО.

Автоматизация

Автоматические методы тестирования программных продуктов намного упрощают процесс проверки независимо от технической среды или контекста ПО. Их используют в двух случаях:

1) для автоматизации выполнение утомительных, повторяющихся или скрупулезных задач, таких как сравнение файлов в нескольких тысяч строк с целью высвобождения времени тестировщика для концентрации на более важных моментах;

2) для выполнения или отслеживания задач, которые не могут быть легко осуществимы людьми, таких как проверка производительности или анализ времени отклика, которые могут измеряться в сотых долях секунды.

Тестовые инструменты могут быть классифицированы по-разному. Следующее деление основано на поддерживаемых ими задачах:

• управление тестированием, которое включает поддержку управления проектом, версиями, конфигурациями, риск-анализ, отслеживание тестов, ошибок, дефектов и инструменты создания отчетов;
• управление требованиями, которое включает хранение требований и спецификаций, их проверку на полноту и многозначность, их приоритет и отслеживаемость каждого теста;
• критический просмотр и статический анализ, включая мониторинг потока и задач, запись и хранение комментариев, обнаружение дефектов и плановых коррекций, управление ссылками на проверочные списки и правила, отслеживание связи исходных документов и кода, статический анализ с обнаружением дефектов, обеспечением соответствия стандартам написания кода, разбором структур и их зависимостей, вычислением метрических параметров кода и архитектуры. Кроме того, используются компиляторы, анализаторы связей и генераторы кросс-ссылок;
• моделирование, которое включает инструменты моделирования бизнес-поведения и проверки созданных моделей;
• разработка тестов обеспечивает генерацию ожидаемых данных исходя из условий и интерфейса пользователя, моделей и кода, управление ими для создания или изменения файлов и БД, сообщений, проверки данных исходя из правил управления, анализа статистики условий и рисков;
• критический просмотр путем ввода данных через графический интерфейс пользователя, API, командные строки с использованием компараторов, помогающих определить успешные и неудавшиеся тесты;
• поддержка сред отладки, которая позволяет заменить отсутствующее оборудование или ПО, в т. ч. симуляторы оборудования на основе подмножества детерминированного выхода, эмуляторы терминалов, мобильных телефонов или сетевого оборудования, среды для проверки языков, ОС и аппаратного обеспечения путем замены недостающих компонентов драйверами, фиктивными модулями и др., а также инструменты для перехвата и модификации запросов ОС, симуляции ограничений ЦПУ, ОЗУ, ПЗУ или сети;
• сравнение данных файлов, БД, проверка ожидаемых результатов во время и по окончании тестирования, в т. ч. динамическое и пакетное сравнение, автоматические «оракулы»;
• измерение покрытия для локализации утечек памяти и некорректного управления ею, оценки поведения системы в условиях симулированной нагрузки, генерации нагрузки приложений, БД, сети или серверов по реалистичным сценариям ее роста, для измерения, анализа, проверки и отчета о системных ресурсах;
• обеспечение безопасности;
• тестирование производительности, нагрузки и динамический анализ;
• другие инструменты, в т. ч. для проверки правописания и синтаксиса, сетевой безопасности, наличия всех страниц веб-сайта и др.

Перспектива

С изменением тенденций в индустрии ПО процесс его отладки также подвержен изменениям. Существующие новые методы тестирования программных продуктов, такие как сервис-ориентированнае архитектура (SOA), беспроводные технологии, мобильные услуги и т. д., открыли новые способы проверки ПО. Некоторые из изменений, которые ожидаются в этой отрасли в течение следующих нескольких лет, перечислены ниже:

• тестировщики будут предоставлять легковесные модели, с помощью которых разработчики смогут проверять свой код;
• разработка методов тестирования, включающих просмотр и моделирование программ на раннем этапе, позволит устранить многие противоречия;
• наличие множества тестовых перехватов сократит время обнаружения ошибок;
• статический анализатор и средства обнаружения будут применяться более широко;
• применение полезных матриц, таких как охват спецификации, охват модели и покрытие кода, будет определять разработку проектов;
• комбинаторные инструменты позволят тестировщикам определять приоритетные направления отладки;
• тестировщики будут предоставлять более наглядные и ценные услуги на протяжении всего процесса разработки ПО;
• отладчики смогут создавать средства и методы тестирования программного обеспечения, написанные на и взаимодействующие с различными языками программирования;
• специалисты по отладке станут более профессионально подготовленными.

На смену придут новые бизнес-ориентированные методы тестирования программ, изменятся способы взаимодействия с системами и предоставляемой ими информацией с одновременным снижением рисков и ростом преимуществ от бизнес-изменений.

Аннотация: Основные понятия тестирования. Фазы и этапы тестирования. Типы тестов. Разработка, управляемая тестами (Test Driven Development)

Введение

Тестирование является одним из наиболее устоявшихся способов обеспечения качества разработки программного обеспечения.

С технической точки зрения тестирование заключается в выполнении приложения на некотором множестве исходных данных и сверке получаемых результатов с заранее известными (эталонными) с целью установить соответствие различных свойств и характеристик приложения заказанным свойствам. Как одна из основных фаз процесса разработки программного продукта ( Дизайн приложения - Разработка кода - Тестирование), тестирование характеризуется достаточно большим вкладом в суммарную трудоемкость разработки продукта. Широко известна оценка распределения трудоемкости между фазами создания программного продукта: 40%-20%-40%.

С точки зрения математики тестирование можно рассматривать как интерпретацию некоторой формулы и проверки ее истинности на некоторых множествах. Действительно, программу можно представить в виде формулы f = f1* f2* f3*... * fn , где f1 , f 2 , ... fn - операторы языка программирования, а их суперпозиция - программа .

Обосновать истинность такой формулы можно при помощи формального подхода - то есть выводить из исходных формул-аксиом с помощью формальных процедур (правил вывода) искомые формулы и утверждения (теоремы). Преимущество формального подхода заключается в том, что с его помощью удается избегать обращений к бесконечной области значений и на каждом шаге доказательства оперировать только конечным множеством символов. Однако зачастую построение формальной системы и формализация самой программы являются очень сложными процессами. Альтернативным подходом обоснования истинности может служить интерпретация .

Интерпретационный подход применяется, когда осуществляется подстановка констант в формулы, а затем интерпретация формул как осмысленных утверждений в элементах множеств конкретных значений. Истинность интерпретируемых формул проверяется на конечных множествах возможных значений. Сложность подхода состоит в том, что часто число комбинаций значений очень велико и сами комбинации состоят из большого числа значений - а значит, обработка всех комбинаций потребует значительных ресурсов. Существуют различные методы, позволяющие уменьшить количество комбинаций, которые необходимо рассмотреть. Основная проблема тестирования - определение достаточности множества тестов для истинности вывода о правильности реализации программы, а также нахождения множества тестов, обладающих этим свойством.

Статическое тестирование выявляет формальными методами анализа без выполнения тестируемой программы неверные конструкции или неверные отношения объектов программы (ошибки формального задания) с помощью специальных инструментов контроля кода - CodeChecker.

Динамическое тестирование (собственно тестирование) осуществляет выявление ошибок только на выполняющейся программе с помощью специальных инструментов автоматизации тестирования - Testbed или Testbench.

Основы тестирования

Классы критериев тестирования

Структурные критерии используют информацию о структуре программы (критерии так называемого "белого ящика"), что предполагает знание исходного текста программы или спецификации программы в виде потокового графа управления. Структурные критерии базируются на основных элементах графа управления - операторах, ветвях и путях.

• Условие критерия тестирования команд (критерий С0) - набор тестов в совокупности должен обеспечить прохождение каждой команды не менее одного раза.
• Условие критерия тестирования ветвей (критерий С1) - набор тестов в совокупности должен обеспечить прохождение каждой ветви не менее одного раза.
• Условие критерия тестирования путей (критерий С2) - набор тестов в совокупности должен обеспечить прохождение каждого пути не менее 1 раз.

Функциональные критерии формулируются в описании требований к программному изделию (критерии так называемого "черного ящика") Они обеспечивают, прежде всего, контроль степени выполнения требований заказчика в программном продукте. Поскольку требования формулируются к продукту в целом, они отражают взаимодействие тестируемого приложения с окружением. Проблема функционального тестирования - это прежде всего трудоемкость; дело в том, что документы, фиксирующие требования к программному изделию, как правило, достаточно объемны, тем не менее соответствующая проверка должна быть всеобъемлющей.

Выделяют следующие частные виды функциональных критериев :

• тестирование пунктов спецификации;
• тестирование классов входных данных;
• тестирование правил - набор тестов в совокупности должен обеспечить проверку каждого правила, если входные и выходные значения описываются набором правил некоторой грамматики;
• тестирование классов выходных данных;
• тестирование функций;
• комбинированные критерии для программ и спецификаций. Критерии стохастического тестирования формулируются в терминах

проверки наличия заданных свойств у тестируемого приложения, средствами проверки некоторой статистической гипотезы. Применяется при тестировании сложных программных комплексов - когда набор детерминированных тестов (X, Y) имеет громадную мощность.

Мутационные критерии ориентированы на проверку свойств программного изделия на основе подхода Монте-Карло.

Метод мутационного тестирования состоит в том, что в разрабатываемую программу P вносят мутации (мелкие ошибки), т.е. искусственно создают программы- мутанты P1, P2... . Затем программа P и ее мутанты тестируются на одном и том же наборе тестов (X, Y).

Если на наборе (X, Y) подтверждается правильность программы P и, кроме того, выявляются все внесенные в программы- мутанты ошибки, то набор тестов (X, Y) соответствует мутационному критерию, а тестируемая программа объявляется правильной. Если некоторые мутанты не выявили всех мутаций, то надо расширять набор тестов (X, Y) и продолжать тестирование.

Фазы тестирования

При тестировании как правило выделяют три фазы: модульное, интеграционное и системное тестирование.

Модульное тестирование - это тестирование программы на уровне отдельно взятых модулей, функций или классов. Цель модульного тестирования состоит в выявлении локализованных в модуле ошибок в реализации алгоритмов, а также в определении степени готовности системы к переходу на следующий уровень разработки и тестирования. Модульное тестирование проводится по принципу "белого ящика", то есть основывается на знании внутренней структуры программы, и часто включает те или иные методы анализа покрытия кода.

Интеграционное тестирование - это тестирование части системы, состоящей из двух и более модулей. Основная задача интеграционного тестирования - поиск дефектов, связанных с ошибками в реализации и интерпретации интерфейсного взаимодействия между модулями. Основная разница между модульным и интеграционным тестированиями состоит в целях, то есть в типах обнаруживаемых дефектов, которые, в свою очередь, определяют стратегию выбора входных данных и методов анализа.

Системное тестирование качественно отличается от интеграционного и модульного уровней. Оно рассматривает тестируемую систему в целом и оперирует на уровне пользовательских интерфейсов. Основная задача системного тестирования состоит в выявлении дефектов, связанных с работой системы в целом, таких как неверное использование ресурсов системы, непредусмотренные комбинации данных пользовательского уровня, несовместимость с окружением, непредусмотренные сценарии использования, отсутствующая или неверная функциональность, неудобство в применении и тому подобное.

Системное тестирование производится над проектом в целом с помощью метода "черного ящика". Структура программы не имеет никакого значения, для проверки доступны только входы и выходы, видимые пользователю. Тестированию подлежат коды и пользовательская документация.

Кроме того, выделяют регрессионное тестирование - цикл тестирования, который производится при внесении изменений на фазе системного тестирования или сопровождения продукта. Главная проблема регрессионного тестирования - выбор между полным и частичным перетестированием и пополнением тестовых наборов. При частичном перетестировании контролируются только те части проекта, которые связаны с измененными компонентами.

Этапы тестирования

Каждая фаза тестирования включает в себя следующие этапы:

1. Определение целей (требований к тестированию), включающее следующую конкретизацию: какие части системы будут тестироваться, какие аспекты их работы будут выбраны для проверки, каково желаемое качество и т. п.
2. Планирование : создание графика (расписания) разработки тестов для каждой тестируемой подсистемы; оценка необходимых человеческих, программных и аппаратных ресурсов; разработка расписания тестовых циклов . Важно отметить, что расписание тестирования обязательно должно быть согласовано с расписанием разработки создаваемой системы.
3. Разработка тестов (тестового кода для тестируемой системы).
4. Выполнение тестов : реализация тестовых циклов .
5. Анализ результатов .

Тестовый цикл - это цикл исполнения тестов, включающий фазы 4 и 5 тестового процесса. Тестовый цикл заключается в прогоне разработанных тестов на некотором однозначно определяемом срезе системы (состоянии кода разрабатываемой системы). Обычно такой срез системы называют build .

Тестовый план - это документ, или набор документов, который содержит тестовые ресурсы, перечень функций и подсистем, подлежащих тестированию, тестовую стратегию , расписание тестовых циклов , фиксацию тестовой конфигурации (состава и конкретных параметров аппаратуры и программного окружения), определение списка тестовых метрик, которые на тестовом цикле необходимо собрать и проанализировать (например метрик, оценивающих степень покрытия тестами набора требований).

Тесты разрабатывают на основе спецификаций как вручную, так и с помощью автоматизирующих средств. Помимо собственно кода, в понятие "тест" включается его общее описание и подробное описание шагов, выполняемых в данном тесте.

Для оценки качества тестов используют различные метрики, связанные с количеством найденных дефектов, покрытием кода, функциональных требований, множества сценариев.

Вся информация об обнаруженных в процессе тестирования дефектах (тип, условия обнаружения , причина, условия исправления, время, затраченное на исправление) заносятся в базу дефектов.

Информация о тестовом плане , тестах и дефектах используется в конце каждого цикла тестирования для генерации тестового отчета и корректирования системы тестов для следующей итерации.

Типы тестов

В тестовом плане определяются и документируются различные типы тестов .

Типы тестирования по виду подсистемы или продукта таковы:

1. Тестирование основной функциональности, когда тестированию подвергается собственно система, являющаяся основным выпускаемым продуктом.
2. Тестирование инсталляции включает тестирование сценариев первичной инсталляции системы, сценариев повторной инсталляции (поверх уже существующей копии), тестирование деинсталляции, тестирование инсталляции в условиях наличия ошибок в инсталлируемом пакете, в окружении или в сценарии и т. п.
3. Тестирование пользовательской документации включает проверку полноты и понятности описания правил и особенностей использования продукта, наличие описания всех сценариев и функциональности, синтаксис и грамматику языка, работоспособность примеров и т. п.

Типы тестирования по способу выбора входных значений:

1. Функциональное тестирование, при котором проверяется:
   • покрытие функциональных требований;
   • покрытие сценариев использования.
2. Стрессовое тестирование, при котором проверяются экстремальные режимы использования продукта.
3. Тестирование граничных значений.
4. Тестирование производительности.
5. Тестирование на соответствие стандартам.
6. Тестирование совместимости с другими программно-аппаратными комплексами.
7. Тестирование работы с окружением.
8. Тестирование работы на конкретной платформе.

Test Driven Development

Рассмотрим подход к тестированию, несколько отличающийся от приведенного выше. Разработка через тестирование ( Test Driven Development - TDD) - процесс разработки программного обеспечения, который предусматривает написание и автоматизацию модульных тестов еще до момента написания соответствующих классов или модулей. Это гарантирует, что все обязанности любого элемента программного обеспечения определяются еще до того, как они будут закодированы.

TDD задает следующий порядок этапов программирования:

• Красный - напишите небольшой тест, который не работает, а возможно, даже не компилируется.
• Зеленый - заставьте тест работать как можно быстрее, при этом не думайте о правильности дизайна и чистоте кода. Напишите ровно столько кода, чтобы тест сработал.
• Рефакторинг - удалите из написанного вами кода любое дублирование.
• Освоив TDD, разработчики обнаруживают, что они пишут значительно больше тестов, чем раньше, и двигаются вперед маленькими шагами, которые раньше могли показаться бессмысленными.

После того, как программист заставил тест работать и может быть уверен, что эта часть функциональности покрыта, он заставляет работать второй тест, затем третий, четвертый и т. д. Чем сложнее проблема, стоящая перед программистом, тем меньшую область функциональности должен покрывать каждый тест. В итоге получается 100% покрытие кода модульными тестами, чего, как правило, невозможно добиться при классическом подходе к тестированию.

Определенно существуют задачи, которые невозможно (по крайней мере на текущий момент) решить только при помощи тестов. В частности, TDD не позволяет механически продемонстрировать адекватность разработанного кода в области безопасности данных и взаимодействия между процессами. Безусловно, безопасность основана на коде, в котором не должно быть дефектов, однако она основана также на участии человека в процедурах защиты данных. Тонкие проблемы, возникающие в области взаимодействия между процессами, невозможно с уверенностью воспроизвести, просто запустив некоторый код.

Итоги

Чем активней разрабатываются новые информационные системы , усложняются архитектуры, развиваются новые технологии, тем важнее становится процесс тестирования. Появляется все больше сетевых приложений и приложений для мобильных устройств. Тестировать такие системы значительно сложнее, чем однопользовательские программы для домашних ПК. Для таких типов систем требуются эффективные алгоритмы автоматизации тестов. Кроме того, актуальна задача тестирования безопасности информационных систем во всех ее проявлениях. Индустрия видеоигр также нуждается в новых подходах к тестированию.

Тестирование сопровождает практически весь процесс разработки, включая самые ранние стадии. До сих пор необходимо улучшение технологий тестирования спецификаций и требований. Актуальна задача разработки тестов, тестирующих процесс разработки, требования бизнеса и цели всей организации. Речь идет о разработке более эффективных тестов, покрывающих самые различные характеристики информационной системы.

Кроме того, продолжаются исследования в области тестов, ориентированных на конкретную модель разработки (водопадную, спиральную) или на конкретную парадигму программирования. Например, для тестирования компонентно-ориентированных систем предлагается тестирование при помощи агентов. Для тестирования активных Java-апплетов предлагают использовать нейросети. Для тестирования агентов, существующих в web (роботы, пауки), предлагают использовать системы, основанные на знаниях.

Таким образом, несмотря на значительную определенность процесса тестирования и полную автоматизацию многих его этапов, остается масса направлений для исследований и практической работы.