CN105930272A - 基于重要语句的分支覆盖测试数据生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种基于重要语句的分支覆盖测试数据生成方法,旨在可以高效地生成覆盖目标分支的测试数据。具体步骤如下:(1)利用弱变异测试转化方法对原程序进行转化;(2)根据语句重要度指标体系对原程序语句进行排序;(3)基于以重要度排序后的原程序语句序列,确定相应的变异分支优先级;(4)建立以分支覆盖为准则的测试数据生成问题的数学模型;(5)设计适应度函数,以优先级最高的变异分支为目标;(6)设置相关遗传操作,采用遗传算法生成覆盖目标分支的测试数据。

Description

基于重要语句的分支覆盖测试数据生成方法
技术领域
本专利属于软件变异测试领域,具体涉及一种基于重要语句的分支覆盖测试数据生成方法,可用于软件测试中生成覆盖目标分支的测试数据。
背景技术
软件测试旨在揭示软件中存在的漏洞或者风险,保证所开发软件的安全性和可靠性。而生成有效的测试数据,是软件测试的核心工作。随着手机等移动设备的普及,各行业对软件的开发力度都在逐步加大,与人们生活相关的订餐软件、网上购物等方方面面,都需要较高的软件可靠性支持。为了确保软件质量得到较高的保障,软件开发人员需要在软件开发的各个阶段对软件反复检测,以揭露软件可能存在的漏洞。软件测试过程,主要有软件需求分析、设计测试数据、执行测试数据以及测试报告的撰写等,测试过程繁琐,而且容易导致新的缺陷产生,所以,研究有效的测试方法,简化软件测试过程,对提高测试效率,是极为必要的。
研究表明,传统的覆盖测试,例如:语句覆盖和分支覆盖等,与缺陷的检测能力没有很强的联系;变异测试的目标对象是程序缺陷,采用适当的方法,添加新的代码到原语句之中,以仿造程序漏洞。其中,每一个新生成的漏洞,称为一个变异体;相应的缺陷产生规则,称为变异算子。因此,基于变异测试,能够生成具有更强缺陷检测能力的测试数据集。变异测试产生了众多的变异体,为了杀死每一变异体,需要生成相应的测试数据,并通过执行原程序和某一变异体,判定该变异体能否被杀死。
作为一种测试技术,变异分析能够真实的反映真实软件的各种缺陷。但是,实际软件通常包含规模庞大的代码行、复杂的语句,以及各种变量,显著增加了可变异的位置和可实施的变异算子类型,从而产生为数众多的变异体。为了杀死这些变异体,必须采用充分的测试数据,反复执行原程序和变异体,明显降低了变异测试的效率,从而限制了变异测试的应用范围。
然而,已有的变异体约简方法应用范围小,约简程度低。主要表现在:变异体的抽样和选择,会随着所选变异体数目的减少降低变异测试充分度;变异体聚类需要基于一定的准则,而不同的准则得到的变异体聚类结果不同,从而选择用于实施变异测试的变异体也不同;高阶变异体能够有效减少需要杀死的变异体数量,但是,如何高效生成杀死这些高阶变异体的测试数据,目前尚缺少有效的方法。测试数据生成方面,目前已有诸多的研究工作,而设计合适的生成策略,并使用先进的算法进行求解,将会进一步降低变异执行代价。Papadakis和Malevris基于弱变异测试准则,将变异体进行变换,然后插桩到原语句之前,覆盖变异分支真分支即为杀死变异体,提高了弱变异测试的效率。基于此,设计高效的分支覆盖策略,并利用遗传算法生成测试数据,变异测试的执行效率将大大提高。因此,针对变异测试,研究有效的分支覆盖测试数据生成方法,是非常有必要的。
发明内容
本发明利用弱变异测试转化方法,生成变异分支并插桩到原程序中,设计分支覆盖优先策略;基于分支覆盖准则,建立基于该策略的测试数据生成问题的数学模型;使用遗传算法求解,生成覆盖目标分支的测试数据。
本发明所要解决的技术问题:针对转化后的变异分支,提供一种覆盖优先策略,用以提高测试数据生成效率,降低测试代价。
本发明的技术方案:提出了一种分支覆盖测试数据生成方法。
其特征在于步骤如下:
步骤1:分支覆盖优先策略
利用弱变异测试转化方法,生成变异分支并插桩到原程序P中,形成新的被测程序P',原程序转化后的变异分支为集合B={b1,b2,…,bi,…,bm}。根据原程序中各语句重要度,设计分支覆盖顺序。
步骤2:数学模型的建立
针对转化后的新程序P',记执行测试数据t,被覆盖的变异分支集合为f(t)。因而,测试数据覆盖变异分支问题,可以表示为:在P'的输入域D中,搜索能够覆盖B中的全部变异真分支的测试数据集T={t1,t2,…,ti,…tn},其中ti,i=1,2,…,n,是P'的一个测试输入,n是包含的元素个数。记T中所有的测试数据,覆盖的变异分支集合为F(T),F(T)=f(t1)∪f(t2)∪…∪f(ti)∪…∪f(tn)。因此,未被覆盖的变异分支,可以表示为B-F(T)。如此一来,转化后的问题,可以表示为如下最小化问题:
min{B-F(T)}
s.t.T∈D1×D2×…Di×…×Dn
式中,D表示P'的输入域,n为包含的测试数据个数。因而,当B中的全部变异分支均被覆盖时,B-F(T)为空。
步骤3:变异测试数据的进化生成
利用遗传算法,求解步骤2建立的数学模型,生成覆盖目标分支的测试数据。具体方法如下:
[1]:根据分支覆盖优先策略,确定被测试程序变异分支优先级,对遗传算法所需的控制参数赋值;
[2]:种群初始化,在输入域内随机产生测试数据;
[3]:利用种群中的新个体,以B中优先级最高的分支作为覆盖目标,执行转化后的新程序;
[4]:若B中的变异分支被覆盖,则删除相关分支,同时保留新个体;
[5]:根据执行信息,判断算法是否结束,如果是,转步骤7;
[6]:实施遗传操作,得到子代种群,转步骤3;
[7]:算法结束,输出结果。
本发明的主要贡献在于:(1)提出变异分支覆盖优先策略,依此建立以分支覆盖为准则的测试数据生成问题的数学模型;(2)使用遗传算法,对所建模型求解,自动生成覆盖变异分支的测试数据;(3)将所提方法应用于多个基准与工业程序的测试,并验证本发明所提方法的有效性。
附图说明
图1是本发明的总流程图;
图2是变异分支构建过程图;
图3是转化后的新程序;
图4是遗传算法基本流程图。
具体实施方式
本发明根据原程序中变异测试对象的重要程度,提出基于重要语句的分支覆盖测试数据生成方法。该方法根据对原程序各语句依据重要度进行降序排列,并依此确定变异分支的覆盖优先策略,建立以分支覆盖为准则的测试数据生成问题的数学模型。针对该模型,利用遗传算法求解,生成覆盖目标分支的测试数据。
该部分结合具体附图,对本发明的实施方式做详细说明。所提出方法的流程图如图1所示,具体实施步骤亦根据该图拟定,下面对本发明的技术方案做进一步详细描述。
步骤1:分支覆盖优先策略
步骤101:记被测程序为P,其变异体集合为M,为了杀死变异体,生成的测试数据集为T。根据Papadakis和Malevirs提出的弱变异测试转化方法,利用MuClipse生成变异体,手工检测并确定等价变异体;从日志文件“mutation_log”中自动获取操作之后的语句,并与原语句进行组合,形成变异分支,如图2所示。插桩到原语句之前,得到的新程序记为P',如图3所示。植入后的新语句,不影响原程序的执行。若共有个m变异体,对于新程序,可以记这些转化后的变异分支真分支分别表示为b1,b2,…,bi,…,bm,其中1≤i≤m。那么,原程序转化后的变异分支为集合B={b1,b2,…,bi,…,bm}。
步骤102:针对插桩后的新程序,利用变异测试对象重要度评价方法,分析原程序,统计变异测试对象所在语句的类型、包含关键变量的个数,以及其所含变量被依赖的变量个数,根据评价语句重要度的指标体系,计算各程序语句的重要度;接着,根据重要度大小,对程序原语句进行降序排列;最后,按照上述排序,设计变异分支的覆盖顺序,优先覆盖优先级最高的变异分支。
步骤2:数学模型的建立
步骤201:在生成变异测试数据之前,集合B={b1,b2,…,bi,…,bm}中包含所有的变异分支,且其中的变异分支都是未被覆盖的。此时,测试数据集T为空集,即覆盖变异分支的过程为:首先,以优先级最高的变异分支b1为目标分支,在各输入分量的定义域内随机生成测试数据t;然后,执行转化后的程序P',如果目标分支b1或其他分支被覆盖,那么,将被覆盖分支从B中删除,并把t加入到T中。多次执行,直到全部分支都被覆盖,或达到算法设置的最大运行次数为止。当T中的元素覆盖所有的变异分支时,B变成空集,T即为生成的分支覆盖变异测试数据。变异分支覆盖算法的步骤如下:
[1]:根据变异测试对象重要度评价方法,计算原程序各语句重要度,并对原程序语句进行降序排列;
[2]:依据原程序语句重要度排列次序,确定变异分支的覆盖顺序;
[3]:选择优先级最高的变异分支为目标分支,并生成覆盖其的测试数据t;
[4]:若覆盖B中的变异分支,删除被杀死的变异分支,同时将t加入T中;
[5]:判断算法是否结束?如果是,输出T;否则,转[3]。
步骤202:针对转化后的新程序P',记执行测试数据t,被覆盖的变异分支集合为f(t)。因而,测试数据覆盖变异分支问题,可以表示为:在P'的输入域D中,搜索能够覆盖B中的全部变异真分支的测试数据集T={t1,t2,…,ti,…tn},其中ti,i=1,2,…,n,是P'的一个测试输入,n是包含的元素个数。记T中所有的测试数据,覆盖的变异分支集合为F(T),F(T)=f(t1)∪f(t2)∪…∪f(ti)∪…∪f(tn)。因此,未被覆盖的变异分支,可以表示为B-F(T)。基于弱变异测试转化方法,对原程序进行分析处理,将变异语句与原语句组合,并插桩到原语句之前。因而,求解目标变成覆盖所有的变异真分支。如此一来,转化后的问题,可以表示为如下最小化问题:
min{B-F(T)}
s.t.T∈D1×D2×…Di×…×Dn
式中,D表示P'的输入域,n为包含的测试数据个数。因而,当B中的全部变异分支均被覆盖时,B-F(T)为空。
步骤3:变异测试数据的进化生成
步骤301:设计适应度函数
利用遗传算法,求解步骤2建立的模型,主要包括适应度函数设计和相关参数的设置。基于遗传算法的测试数据生成,适应度函数由分支距离和层接近度构成,即
fitness(t)=Appr(t)+dist(t)
层接近度,与测试数据执行的代码,偏离目标语句所在分支的程度有关,用Appr(t)表示。偏离的越远,该值越大。分支距离和目标分支的覆盖与否有关,记为dist(t)。如果目标被覆盖,则为0。反之,根据相应的准则,计算分支距离。具体的方法如表1所示,根据复杂程度,有两种不同的计算方法。最后,由于程序规模较大,分支零散的原因,还根据公式Normal(dist)=1-1.001-dist,对其进行标准化处理。因此,测试数据的适应度函数最终可以表示为fitness(t)=Appr(t)+Normal(dist(t))。
表1分支距离计算公式
步骤302:测试数据生成方法
首先,依据步骤201提出的变异分支覆盖优先策略,从B中选择优先级最高的分支b1作为目标分支;接着,初始化种群,在定义域内随机生成测试数据t,计算并评价个体适应值;若t执行了目标分支或B中的其它分支,则保留t,并删除相关分支;然后,实施遗传操作,得到新的测试数据,并依据变异分支的覆盖顺序,选择B中优先级最高的分支作为新的目标分支;往复执行该过程,直到B为空集,或达到算法终止条件,求解过程结束。
步骤303:测试数据的生成具体步骤
步骤如下:
[1]:根据分支覆盖优先策略,确定被测试程序变异分支优先级,对遗传算法所需的控制参数赋值;
[2]:种群初始化,在输入域内随机产生测试数据;
[3]:利用种群中的新个体,以B中优先级最高的分支作为覆盖目标,执行转化后的新程序;
[4]:若B中的变异分支被覆盖,则删除相关分支,同时保留新个体;
[5]:根据执行信息,判断算法是否结束,如果是,转步[7];
[6]:实施遗传操作,得到子代种群,转[3];
[7]:算法结束,输出结果。
步骤304:遗传算法具体步骤
遗传算法的基本步骤如图4所示,描述如下:
[1]对算法所需的控制参数赋值,编码被测程序的语句,确定目标路径,插装被测程序;
[2]初始化种群;
[3]解码进化个体,执行插桩后的被测程序,计算进化个体适应值;
[4]判断是否满足算法终止条件,若满足,转[6];
[5]实施选择、交叉和变异等遗传操作,生成子代种群,转[3];
[6]终止算法运行,输出测试数据。
步骤4:实例分析
步骤401:测试程序
选取8个基准和工业程序作为被测程序,进一步验证本章方法的有效性,8个被测程序都是开源工业类。这些程序均采用Java语言编写,基本信息如表2所列。
表2被测程序基本信息
步骤402:遗传操作设置
遗传算法通过不断进化种群中的个体,得到满足需求的优秀个体,对于种群的进化,遗传操作必不可少。基本的操作包括选择、交叉、变异,其中,选择操作使得种群中的优秀个体,能够有更高的概率保留到下一代种群,本章采用轮盘赌选择;交叉操作则是通过重组两个个体,产生两个新个体,本章采用单点交叉;变异操作则是对个体编码的某些位置,进行随机改变,并得到一个新的个体,本章采用基本位变异。
步骤403:实验结果及分析
(1)生成测试数据的代价
对于变异分支排序前后的测试程序,均采用遗传算法生成测试数据,通过实验得到的迭代次数和时间,评价生成测试数据的代价。结果如表3所列,表中,未对变异分支进行排序的方法,称为传统方法。
由表3可知,(1)对于不同的被测程序,采用相同的方法生成测试数据,迭代次数和时间明显不同。对于本章方法,在8个被测程序中,迭代次数最高的是程序J7,为2433次,时间花费最多的是程序J4,为28234.91ms;迭代次数最低的是程序J8,为42次,时间花费最少的是程序J2,为27.17ms;对于传统方法,也是如此;(2)对于同一被测程序,本章方法的迭代次数和时间明显少于传统方法。比如,对于程序J1,传统方法的迭代次数和时间为411次97.50ms,而本章方法的迭代次数和时间为253次53.39ms,两者的迭代次数比和时间比分别为1.6和1.83;(3)对于所有程序,本章方法所需的迭代次数和时间为5360次40806.22ms,远低于传统方法的9730次85724.62ms。这说明,采用本章方法生成的变异测试数据,能够有效地降低变异测试代价。
表3生成测试数据需要的迭代次数和时间
(2)生成测试数据的有效性
对于变异分支排序前后的被测程序,采用遗传算法生成的测试数据,分别对程序执行弱变异和强变异测试,考察变异分支覆盖情况以及取得的变异得分,结果如表4和表5所列。
表4测试数据对变异分支的覆盖情况
由表4可知,(1)对于8个被测程序,共有变异分支2843个,其中,包含201个不可覆盖分支;(2)采用传统方法生成的测试数据,覆盖的变异分支个数为2627个,分支覆盖率为99.43%;(3)采用本章方法生成的测试数据,覆盖的变异分支个数为2628个,分支覆盖率99.47%。这说明,基于弱变异准则,通过本章方法对变异体排序之后生成的测试数据,其有效性不弱于排序之前。
表5测试数据对强变异测试的有效性
由表5可知,(1)对于8个被测程序,共有变异体2662个,其中,包含404个等价变异体;(2)采用传统方法生成的测试数据,杀死的变异体个数为2192个,取得的变异得分为97.08%;(3)采用本章方法生成的测试数据,杀死的变异体个数为2195个,取得的变异得分为97.21%。由此可见,基于强变异准则,通过本章方法对变异体排序之后生成的测试数据,其有效性不弱于排序之前。
通过上述实验结果与分析,可以得出如下结论:采用本章方法生成的测试数据,能够大幅度减少算法迭代次数,缩短程序运行时间;同时,基于此生成的测试数据,能够维持很高的变异测试充分度。因此,本章方法在确保变异测试有效性的同时,能够降低执行成本。

Claims (1)

1.基于重要语句的分支覆盖测试数据生成方法,其特征在于如下步骤:
步骤1.1:针对弱变异测试转化后的新程序P',利用变异测试对象重要度评价方法,对程序原语句进行降序排列;按照上述排序,设计变异分支的覆盖顺序,重要度最高的原语句对应的变异分支拥有最高的覆盖优先级;
步骤1.2:针对转化后的新程序P',记执行测试数据t,被覆盖的变异分支集合为f(t);因而,测试数据覆盖变异分支问题,可以表示为:在P'的输入域D中,搜索能够覆盖B中的全部变异真分支的测试数据集T={t1,t2,…,ti,…tn},其中ti,i=1,2,…,n,是P'的一个测试输入,n是包含的元素个数;记T中所有的测试数据,覆盖的变异分支集合为F(T),F(T)=f(t1)∪f(t2)∪…∪f(ti)∪…∪f(tn);因此,未被覆盖的变异分支,可以表示为B-F(T);基于弱变异测试转化方法,对原程序进行分析处理,将变异语句与原语句组合,并插桩到原语句之前;因而,求解目标变成覆盖所有的变异真分支;如此一来,转化后的问题,可以表示为如下最小化问题:
min{B-F(T)}
s.t.T∈D1×D2×…Di×…×Dn
式中,D表示P'的输入域,n为包含的测试数据个数;因而,当B中的全部变异分支均被覆盖时,B-F(T)为空;
步骤1.3:针对步骤1.2中给出的数学模型,设计了一种含约束的进化优化的求解方法,适应度函数表示为:
fitness(t)=Appr(t)+dist(t)
Appr(t)表示层接近度,dist(t)表示分支距离,由于程序规模较大,分支零散的原因,还根据公式Normal(dist)=1-1.001-dist,对其进行标准化处理;因此,测试数据的适应度函数最终可以表示为fitness(t)=Appr(t)+Normal(dist(t));
步骤1.4:使用遗传算法求解其描述的优化问题,以得到覆盖目标变异分支的测试数据;
步骤1.4.1:依据步骤1.1提出的变异分支覆盖优先策略,从B中选择优先级最高的分支b1作为目标分支;
步骤1.4.2:初始化种群,在定义域内随机生成测试数据t,执行被测程序,计算并评价个体适应值;若t执行了目标分支或B中的其它分支,则保留t,并删除相关分支;
步骤1.4.3:实施遗传操作,得到新的测试数据,并依据变异分支的覆盖顺序,选择B中优先级最高的分支作为新的目标分支;往复执行该过程,直到B为空集,或达到算法终止条件,求解过程结束。
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