CN106502669A - 一种软件复杂网络的三维坐标模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种软件复杂网络的三维坐标模型构建方法，应用于软件复杂网络领域。本发明首先确定目标结构化软件，并获取其完整的软件源代码，再对目标软件源代码进行静态扫描，分析软件中的函数以及函数之间的调用关系，然后以函数作为网络节点，函数调用关系作为网络边，构建函数调用网络，在函数调用网络中加入函数调用顺序信息，根据函数调用顺序信息以及函数调用拓扑结构，为每个函数节点生成一组唯一的三维坐标并写入网络节点中，得到结构化软件基于函数调用顺序的函数调用坐标网络，然后使用这些三维坐标来指导网络可视化工作。本发明得到的网络节点呈现极强的有序性，能够在复杂网络的模型下提供软件运行相关的逻辑信息。

Description

一种软件复杂网络的三维坐标模型构建方法

技术领域

本发明应用于软件复杂网络领域，是一种基于软件代码的软件复杂网络模型构建方法。

背景技术

随着各领域系统的数字化进程，计算机软件应用于各类系统中的比例越来越大，甚至在某些系统中超过了硬件在系统中所占的比例，软件的重要性急剧上升。同时在另一方面，由于软件应用的增多、规模的增大以及复杂性增加，软件缺陷数剧增，导致了软件问题频出。更为糟糕的是软件缺陷密度的增加随着软件规模增大呈几何级数增长，并且已经超出了开发人员的控制，这对于系统来说是非常危险的。为此，软件工程思想与UML被应用于软件开发过程；控制流图、数据流图与Petri网等方法被应用于软件建模分析。而传统的软件分析方法，或着眼于宏观的架构，或着眼于局部的逻辑，难以给予已复杂逻辑关系为主的软件系统一个形象化的表示，并以模型的方式进行模型描述。而复杂网络的出现，为描述软件系统的复杂性提供了新的解决途径。

复杂网络是一种用于描述复杂系统的模型，能够将复杂系统内部各元素与元素之间的关系抽象为网络节点与边。对于结构化软件系统，所有的函数都可以被抽象为结点，函数之间的调用关系可以被抽象为链接，即可将整个软件系统抽象为一种具有特定拓扑结构的有向网络，这样的网络通常被称为结构化软件的函数调用图，或函数调用网络。这样的函数调用网络有助于程序开发人员对于软件整体框架有一个直观全面的理解，有利于对整个软件项目的开发、测试等工作。同时，这种软件网络在软件的演化规律、软件结构的复杂性和稳定性等方面的取得了很好的研究效果。

由于在从软件代码构建函数调用网络的过程中遗失了巨大信息量，代码最终生成的软件网络是一种无序、零散的拓扑结构。这种拓扑结构的特点是节点与节点之间没有顺序信息。换句话说，在对这样的网络结构进行可视化工作时，只要不改变节点之间的连接关系，节点在空间中的位置排布可以任意进行。这样的特点决定了随着软件规模的增大、函数数量的急剧增加，生成的函数调用网络也越来越复杂，得到的可视化网络图像变得复杂、混乱且没有规律，难以为开发或研究人员提供清晰准确的软件拓扑结构信息。

发明内容

本发明针对目前结构化软件函数调用网络模型中节点无序性这一弱点所导致的可视化网络图像复杂、混乱且没有规律，难以为开发或研究人员提供清晰准确的软件拓扑结构信息这个问题，提出一种软件复杂网络的三维坐标模型构建方法。

本发明提出的一种软件复杂网络的三维坐标模型构建方法，包括如下步骤：

步骤1：确定目标结构化软件，并获取其完整的软件源代码。

步骤2：对目标软件源代码进行静态扫描，分析软件中的函数以及函数之间的调用关系。

步骤3：在步骤2的基础上，以函数作为网络节点，函数调用关系作为网络边，构建目标结构化软件的函数调用网络。

步骤4：在步骤3得到的结构化软件函数调用网络的基础上，加入函数调用顺序信息，得到增强信息的函数调用网络。函数调用顺序以函数调用语句在代码中行号顺序为准。

步骤5：在步骤4所得到的网络基础上，根据函数调用顺序信息以及函数调用拓扑结构，为每个函数节点生成一组唯一的三维坐标并写入网络节点中，得到结构化软件的基于函数调用顺序的函数调用坐标网络。同时使用所获得的三维坐标来指导网络可视化工作。

所述的函数坐标网络表示为D_COORD，定义如下：

D_COORD＝{V,E}

V＝{v_i＝(name,file,coord＝(ρ_i,θ_i,z_i),val＝(α_i,β_i))|i∈[1,n]}

E＝{e_i＝(v_source,v_target,codeline)|v_source,v_target∈V；v_source≠v_target}

其中，n表示目标结构化软件中的函数个数。V为节点集合，该集合中的每一个元素v_i对应软件中的一个函数。节点v_i包含的信息有：函数名name、函数所在文件file、三维坐标coord、影响力角度区间val。ρ_i,θ_i,z_i为节点v_i三维坐标的三个值，α_i,β_i为节点v_i影响力角度区间的最小值和最大值。E为边集合，该集合中的每一个元素对应软件中的一对函数调用关系，边e_i的属性包括：调用起始节点v_source、调用终止v_target、该边对应的函数调用语句首次出现在代码中的行号codeline。

本发明所提出的一种基于函数调用顺序的结构化软件函数调用坐标网络模型构建方法，与现有技术相比，具有如下优点和积极效果：本发明通过对传统的软件函数调用网络加入调用顺序信息来对原有的网络进行限制与增强，使得最终得到的网络节点呈现极强的有序性。这种有序性与软件实际运行的逻辑顺序有着强烈的相关关系，能够在复杂网络的模型下提供软件运行相关的逻辑信息。含有坐标信息的软件函数调用网络与其可视化所得的三维图像，能提供统一标准的、形象化的三维模型来展示软件系统内部的结构关系，以便于开发或研究人员能够直观准确的理解软件结构，同时便于将不同软件在一个标准下进行对比，对软件开发、测试等工作提供一定的指导作用，对在软件演化规律、软件缺陷规律等方面的研究提供了新的研究角度与研究方法。

附图说明

图1是本发明软件复杂网络的三维坐标模型构建方法的整体流程图；

图2是软件函数调用网络构建方法示意图；

图3是the_silver_searcher软件某版本函数调用网络的模型示意图；

图4是the_silver_searcher软件某版本函数调用三维坐标网络模型图像；

图5是the_silver_searcher软件某版本函数调用三维坐标网络模型第一层的平面图像。

具体实施方式

本发明在现有的结构化软件的函数调用网络的基础上，加入函数调用顺序等信息，并为每个函数节点计算生成一组唯一的三维坐标。为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明的软件复杂网络的三维坐标模型构建方法，包括五个步骤，如图1所示。步骤1，首先确定目标结构化软件，并获取其完整的软件源代码。步骤2，再对目标软件源代码进行静态扫描，分析软件中的函数以及函数之间的调用关系。步骤3，然后以函数作为网络节点，函数调用关系作为网络边，构建出一般意义的结构化软件的函数调用网络。步骤4，在步骤3得到的结构化软件函数调用网络的基础上，加入函数调用顺序信息，得到得到增强信息的函数调用网络。步骤5，根据函数调用顺序信息以及函数调用拓扑结构，为每个函数节点生成一组唯一的三维坐标并写入网络节点中，得到结构化软件基于函数调用顺序的函数调用坐标网络，然后使用这些三维坐标来指导网络可视化工作。

为了更清晰的介绍本发明，首先说明步骤3中结构化软件的函数调用网络。对于一个结构化软件，将其每一个函数作为网络中一个节点，函数之间的调用关系作为节点之间的连接边，可以将函数调用的软件逻辑结构转化为节点与边的网络结构。一个包含n个函数的结构化程序，其函数调用网络D定义如下：

D＝{V,E}

V＝{v_i＝(name,file)|i∈[1,n]}

E＝{(v_source,v_target)|v_source,v_target∈V；v_source≠v_target}

其中，V为节点集合，该集合中的每一个元素v_i对应软件中的一个函数，具有的信息包括函数名name和函数所在文件file；n表示函数的个数；E为边集合，该集合中的每一个元素对应软件中的一对函数调用关系，v_source表示调用起始节点，v_target表示调用终止点。函数调用网络构建方法示意图如图2所示，图2所示一段代码有四个函数main、echo、recall和init，构成的函数调用网络如右侧所示。对一个实际软件——the_silver_searcher软件函数调用网络如图3所示，有很多节点和边。

步骤5中，在上述软件函数调用网络的基础上，本发明提出了一种基于函数调用顺序的结构化软件函数调用坐标网络模型。整个网络坐标模型遵循以下原则：

(1)以每个函数第一次被软件系统调用的状态作为该函数节点的坐标计算依据。

(2)不考虑函数调用的情况下，每个函数体本身对于软件的重要度相同。如果一个函数能够调用更多的其他函数，则该函数对于整个软件的重要度越高。

(3)函数调用顺序以函数调用语句在代码中行号顺序为准，代码靠前的调用语句所对应的调用关系在前。

在遵循以上原则的前提下，软件运行时函数调用顺序就等同于对该软件网络的一次深度优先遍历。同时，从重要度最高的节点出发，进行深度优先遍历所得的树表示网络最大概率初次调用运行顺序。这样的树可以作为原网络的一种简化结构，作为函数节点坐标计算依据。

在有向网络D中，V,E∈D。若存在一个边的集合满足下面条件：

Γ＝{e₁＝(v_start,v₂),e₂＝(v₂,v₃),...,e_k＝(v_n,v_end)|v∈V；e∈E}，即从节点v_start出发可以到达节点v_end，则认为节点v_start到v_end是连通的，记为：

有了节点连通的定义后，则节点v_i的波及度RF(v_i)定义如下：

波及度RF(v_i)是将节点v_i所能到达的节点总数再加上1得到。

基于上述相关概念，这里定义基于函数调用顺序的函数坐标网络D_COORD。该网络模型可以定义为：

D_COORD＝{V,E}

V＝{v_i＝(name,file,coord＝(ρ_i,θ_i,z_i),val＝(α_i,β_i))|i∈[1,n]}

E＝{e_i＝(v_source,v_target,codeline)|v_source,v_target∈V；v_source≠v_target}

其中每条边e_i都额外拥有一个属性codeline，这个属性表示对应的函数调用语句首次出现在代码中的行号。对于D_COORD，其中coord＝(ρ_i,θ_i,z_i)为节点的三维坐标，ρ_i,θ_i,z_i为节点v_i三维坐标的三个值，val＝(α_i,β_i)代表节点的影响力角度区间，α_i,β_i为节点v_i影响力角度区间的最小值和最大值。

为了计算coord，首先需要对网络进行分层处理。每个软件网络可以分为若干层，层数等同于所有节点中入度为零的节点数量n_entrance，软件网络分层表示如下：

分层的子网络D_l定义如下：

E_l＝{(v_source,v_target,codeline)|v_source,v_target∈V_l}

其中，表示取补集，节点v_maxRF的定义为：记集合V_l的根节点root(V_l)＝v_maxRF。

然后对每层的子网络D_l进行深度优先遍历，所得到D_l的深度优先遍历树D_l'：

令coord(root(V_l))＝(ρ_i＝0,θ_i＝0,z_i＝l)，val(root(V_l))＝(α_i＝0,β_i＝2π)，则对且RF(v_k)＞0，一定存在V_*满足：

其中，v_k1,v_k2,...,v_km表示树D_l'中节点v_k的子节点，m表示子节点个数；codeline(v_ki)为节点v_k到v_ki的边codeline属性值。则节点v_k的子节点v_ki的影响力角度区间(α_ki,β_ki)为：

至此，可以计算v_ki点的坐标为coord＝(ρ_ki,θ_ki,z_ki)为：

z_ki＝l

表示节点root(V_l)到节点v_ki的连接边数量。根据上面过程，在获得父节点的三维坐标和影响力角度区间后可计算获得子节点的三维坐标和影响力角度区间。

通过上述计算，对于每个函数节点，coord＝(ρ_i,θ_i,z_i)便为其对应的三维坐标。对于实际软件，本发明以每个函数节点的coord＝(ρ_i,θ_i,z_i)属性作为该节点所在三维极坐标，进行函数调用网络图像绘制，可得到软件复杂网络的三维坐标模型，如图4展示了the_silver_searcher软件函数调用三维坐标网络模型图像，而其中第一层子网络D₁的剖面图像如图5所示。

坐标网络意义可以从以下几个方面来阐述。首先，坐标模型的层数—z轴高度，是软件网络所有节点中入度为零的节点数量n_entrance。入度为零的节点从软件函数调用关系来看，就是没有直接被其他函数调用过的函数。这类函数最有可能称为整个软件的调用入口，直接被其他服务、进程所激活调用，从而开始软件内部的代码执行。从软件测试的角度来看，入口函数的数量也就是如果需要完全测试所有的函数所最少需要运行程序的次数，从入口函数开始执行测试所获得的一次测试覆盖度也最大。综合上述原因，本发明将入口函数及其能调用到的函数区域作为网络分层的原则；将入口函数定义为每一层的坐标原点。

在每层内部，节点坐标是一个二维极坐标，坐标原点是该层的入口函数。每个节点的极径ρ，即距离原点的距离，就是从该入口函数开始运行程序，到达该节点的函数调用深度。而节点的极角θ是由该函数波及度与同深度所有其他节点波及度的大小相比计算决定的。由于本发明假设波及度越大的节点的影响力与重要度越大，所以为这些波及度大的节点预留更大的角度，以彰显其影响力。软件在一个功能层中的调用顺序是从x轴正方向开始，逆时针依深度优先原则运行。对图5所示节点对应的函数名进行分析，可以得到，功能层入口为main函数，之后其调用了读取配置数据、读取对象信息功能、展示、计算、逻辑判断功能，以及最后的清理数据功能。整个调用顺序基本符合软件“读取、计算、输出、清空”的逻辑顺序，表明这样的节点排布是合理可行的。

整个三维坐标网络模型呈现一个金字塔结构：上层节点数量微小，层数较高；底层节点数量庞大，面积较广。实际软件运行的过程近似时由上而下，自内向外的拓扑结构遍历过程。本发明可以认为，上层、靠中心的节点属于上游节点；而下层，靠外侧的节点属于下游节点。综上所述，利用本发明方法所建立的软件网络函数节点坐标可以有效为软件网络提供符合软件运行逻辑的函数特性信息，这对于研究软件缺陷分布、缺陷预测等方面的研究有着重要的意义。

Claims (2)

1.一种软件复杂网络的三维坐标模型构建方法，实现步骤如下：

步骤1：确定目标结构化软件，并获取完整的软件源代码；

步骤2：对目标软件源代码进行静态扫描，分析软件中的函数以及函数之间的调用关系；

步骤3：以函数作为网络节点，函数调用关系作为网络边，构建目标结构化软件的函数调用网络；

其特征在于，

步骤4：在步骤3得到的函数调用网络中，加入函数调用顺序信息，函数调用顺序以函数调用语句在代码中行号顺序为准；

步骤5：根据函数调用顺序以及函数调用拓扑结构，为每个函数节点生成一组唯一的三维坐标，得到目标结构化软件基于函数调用顺序的函数调用坐标网络；

所述的函数坐标网络表示为D_COORD，定义如下：

D_COORD＝{V,E}

V＝{v_i＝(name,file,coord＝(ρ_i,θ_i,z_i),val＝(α_i,β_i))|i∈[1,n]}

E＝{e_i＝(v_so_urce,v_target,codeline)|v_so_urce,v_target∈V；v_so_urce≠v_target}

其中，n表示目标结构化软件中的函数个数；V为节点集合，该集合中的每一个元素v_i对应软件中的一个函数，节点v_i包含属性有：函数名name、函数所在文件file、三维坐标coord、影响力角度区间val；ρ_i,θ_i,z_i为节点v_i三维坐标的三个值，α_i,β_i为节点v_i影响力角度区间的最小值和最大值；E为边集合，该集合中的每一个元素对应软件中的一对函数调用关系，边e_i的属性包括：调用起始节点v_source、调用终止v_target、该边对应的函数调用语句首次出现在代码中的行号codeline。

2.根据权利要求1所述的一种软件复杂网络的三维坐标模型构建方法，其特征在于，所述的步骤5中，为每个函数节点生成一组唯一的三维坐标，具体方法是：

首先，对网络进行分层，层数等同于所有节点中入度为零的节点数量n_entrance；入度为零的节点是指没有直接被其他函数调用过的函数；

分层的子网络D_l定义如下：

$D_l=\{V_l,E_l\}\⊆D_{COORD};l\∈\[1,n\_entrance\]$

E_l＝{(v_source,v_target,codeline)|v_so_urce,v_target∈V_l}

其中，C表示取补集，节点v_maxRF的定义为：记集合V_l的根节点root(V_l)＝v_maxRF；RF(v_i)表示节点v_i的波及度；

然后，对每层的子网络D_l进行深度优先遍历，得到D_l的深度优先遍历树D_l'为：

${D_l}^{\′}=DFS\left(D_l\right)=\{V_l,{E_l}^{\′}\},{E_l}^{\′}\⊆E_l$

令coord(root(V_l))＝(0,0,l)，val(root(V_l))＝(0,2π)，则对且RF(v_k)＞0，一定存在V_*满足：

其中，v_k1,v_k2,...,v_km表示树D_l'中节点v_k的子节点，codeline(v_ki)为节点v_k到v_ki的边的属性值codeline；

节点v_k的子节点v_ki的影响力角度区间(α_ki,β_ki)为：

其中，为中间参数，(α_k,β_k)为节点v_k的影响力角度区间，RF(v_k)为节点v_k的波及度；

最后，得到节点v_ki的坐标coord＝(ρ_ki,θ_ki,z_ki)为：

${\mathrm{\θ}}_{ki}=\frac{1}{2}({\mathrm{\α}}_{ki}+{\mathrm{\β}}_{ki})$

z_ki＝l

表示节点root(V_l)到节点v_ki的连接边数量。