Автономное тестирование модулей программы

Программа состоит из модулей, что сильно облегчает тестирование, так как каждый модуль может быть отдельно прове­рен для всех возможных комбинаций, поскольку их число меньше. Если программа хорошо структурирована, необходимо проверять только интерфейс между проверенными ранее модулями. Даже ес­ли проверяются все варианты интерфейса, это является посильной ношей как для программиста, так и для вычислительной системы.

К сожалению, объектно-ориентированное программирование ускоряет создание сложных программ, но зато увеличивает число ошибок, которые к тому же очень тяжело искать.

Автономное тестирование модуля должно как минимум обес­печивать прохождение всех путей вычислений. Проектная проце­дура тестирования модуля состоит из следующих действий:

1) по внешним спецификациям модуля готовятся тесты для ка­ждой ситуации и каждого недопустимого условия;

2) просматривается текст модуля с целью убедиться, что все ус­ловные переходы будут выполняться в каждом направлении. При необходимости добавляются соответствующие тесты;

3) изучается текст модуля с целью убедиться, что тесты охваты­вают достаточно много путей. Для циклов должны быть тесты без повторения, с одним повторением и с несколькими повторениями;

4) проверяется текст модуля, чтобы определить его чувствитель­ность к особым значениям данных. Наиболее опасные числа это ноль и единица. В случае необходимости нужно добавить тесты.

МЕТОДЫ ТЕСТИРОВАНИЯ

Существует два крайних подхода к проектированию тестов. Сторонники первого подхода создают тесты, исследуя вне­шние спецификации сопряжения программы или модуля, который необходимо протестировать. В этом случае программа является как бы «черным ящиком». Необходимо проверить все возможные ком­бинации и значения на входе. Обычно их слишком много даже для простейших алгоритмов. Для программы расчета среднего арифме­тического четырех чисел надо готовить 10⁷ тестовых данных.

Сторонники второго подхода связывают тесты только с логикой программы. При этом стремятся, чтобы каждая команда была бы выполнена хотя бы один раз. Цикл должен выполняться один раз, ни разу, максимальное число раз. Такое тестирование всех путей извне также недостижимо. В программе из двух последовательных циклов, внутри каждого из которых включено ветвление на десять путей имеется 10¹⁸ путей расчета.

Чтобы построить разумную стратегию тестирования надо ра­зумно сочетать оба этих подхода и пользоваться математическими доказательствами.

Восходящее тестирование. Сначала автономно тести­руются модули нижних уровней, которые не вызывают других мо­дулей. При этом достигается такая же их высокая надежность, как и у встроенных в компилятор функций. Затем тестируются модули более высоких уровней вместе с уже проверенными модулями и так далее по схеме иерархии.

Нисходящее тестирование. При этом подходе изоли­рованно тестируется головной модуль или группа модулей голов­ного ядра. Программа собирается и тестируется сверху вниз. Не­достающие модули заменяются заглушками. Достоинством этого подхода является то, что тестирование модуля совмещается с тес­тированием сопряжений.

Модифицированный нисходящий метод. Соглас­но этому методу каждый модуль автономно тестируется перед включением в программу, собираемую сверху вниз.

Метод большого скачка. Каждый модуль тестируется автономно. По окончании автономного тестирования все модули интегрируются в готовую программную систему. Этот метод при­меняется, если программа мала и хорошо спроектирована по со­пряжениям.

Метод сэндвича. Представляет собой компромисс между нисходящим и восходящим подходами. По этому методу реализа­ция и тестирование ведется одновременно сверху и снизу, и два этих процесса встречаются в заранее намеченной точке.

Модифицированный метод сэндвича. Нижние мо­дули тестируются снизу вверх, а модули верхних модулей сначала тестируются автономно, а затем собираются нисходящим методом.

АКСИОМЫ ТЕСТИРОВАНИЯ

Тестирование программных систем в настоящее время остается в большей мере искусством, чем наукой. При проведении тестов рекомендуется придерживаться так называемых аксиом тес­тирования, представляющих собой эвристические приемы. Вот не­которые из них:

1) хорошим считается тот тест, в котором высока вероятность обнаружения ошибок;

2)тестирование собственной программы существенно ослож­няется психологическими причинами;

3) необходимой частью тестов считается описание выходных результатов;

4)нужно готовить тесты как для правильных, так, и для непра­вильных данных;,

5) нельзя тестировать «с лету», наскоком;

6) необходимо тщательно изучать результаты каждого теста;

7) по мере обнаружения все большего числа ошибок в про­грамме, возрастает вероятность обнаружения в ней еще большего числа ошибок;

8) тестирование программ должны осуществлять самые лучшие и опытные программисты;

9)одной из главных задач разработчиков программы является возможность осуществления ее тестирования;

10)нельзя изменять программу только с целью облегчить про­цесс ее тестирования;

11)чем раньше спроектирован тест, тем выше вероятность вы­явления ошибок. Лучше всего готовить тесты еще на этапе проек­тирования системы;

12)процесс тестирования должен быть документирован и пол­ностью управляем, хаотичность недопустима;

13)необходимы повторяемость и завершенность тестов;

14)следует избегать добавления новых тестов уже в процессе тестирования.

КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕСТОВ

По условиям их поведения тесты могут быть класси­фицированы следующим образом:

Доказательство (proof) - попытки найти ошибки в программе путем доказательств на основе математических теорем о правиль­ности программы, безотносительно к внешней программной среде.

Верификация программы (program verification) - попытка найти ошибки, выполняя программу в тестовой или моделируемой среде.

Испытание (validation) - попытка найти ошибки, выполняя программу в заданной программной среде.

Приемо-сдаточные испытания - проверка пригодности про­граммы для эксплуатации; такие испытания обычно проводят под контролем поставщика системы.

По назначению тесты классифицируются:

тестирование модуля (автономное тестирование) (module testing) — контроль, отдельного модуля в изолированной среде (например, с помощью ведущей программы), инспекция текста модуля на сес­сии программистов, которая иногда дополняется математическим доказательством правильности модуля;

тестирование сопряжений (integration testing) - контроль со­пряжений между частями программной системы, как между ком­понентами в комплексе, так и между модулями отдельного компо­нента (например, у заглушки);

комплексное тестирование (system testing) — контроль и испы­тание системы по отношению к исходным целям. Осуществляется с целью проверки правильной совместной работы составных час­тей программы. При комплексном тестировании особое внимание обычно уделяется взаимодействию компонентов. Комплексное тес­тирование является процессом контроля, если оно выполняется в условиях моделируемой среды, и процессом испытания при вы­полнении в реальной среде;

системное тестирование - при системном тестировании вся система в целом обычно рассматривается как некоторый «черный ящик»; поведение этой системы исследуют, не вникая в подробно­сти отдельных ее компонентов и взаимодействий между ними;

тестирование приемлемости (acceptance testing) - проверка соответствия программы требованиям пользователя.

ОТЛАДКА

Процесс тестирования нельзя путать с процессом от­ладки (debugging). Первый служит лишь для обнаружения факта существования ошибок, а не для их локализации и устранения.

Отладка программ обычно осуществляется с использованием специальных программных средств. Последние используются для исследования внутреннего поведения программы. Типичный от­ладчик позволяет вводить в программу точки останова для оценки промежуточных результатов и производить проверку и модифика­цию значений переменных в этих точках.

Существуют несколько способов отладки программы.

Распечатка текущего состоя н и я. Используется с це­лью фиксации фактических значений переменных для проверки хода вычислений. Для этого во время отладки программы в места, которые программист считает критическими, помещают процеду­ры распечатки текущего состояния переменных. После окончания теста вызовы этих процедур удаляются, и программа снова пере­компилируется.

Точки останова. Используются в случае разного рода за­цикливаний, когда программа в какой-то момент «зависает». В текст программы включают процедуры останова программы. Например, можно поместить процедуру вывода обычного сообщения вроде «Достигнута точка #ппп» и инициировать паузу до нажатия на лю­бую клавишу. При таком подходе программист точно знает, до ка­кой точки дошла программа перед зацикливанием.

Метод деления п о п о л а м. Этот метод используют свя­зисты, когда ищут обрыв в кабеле, закопанном в землю. Например, если приблизительно известно до какого момента программа ус­пешно выполняется, то в этом месте программы ставят точку ос­танова. Затем ставят точку в конце «подозреваемой» процедуры и посредине - между первой и последней точками. Снова компили­руют и выполняют программу. Если программа дошла до второй точки, то зацикливание произошло где-то между второй и третьей точками, если не дошла - между первой и второй. После этого вставляется новая точка останова в локализованный участок и про­грамма снова компилируется. Таким образом, постоянно сжимая район поисков, можно найти ошибочный участок.

Трассировка. Является последним средством обнаружения ошибки. Она может оказаться очень эффективной, но значительно замедляет выполнение программы и, не будучи тщательно сплани­рованной, приводит к колоссальным объемам выдаваемой инфор­мации. При трассировке происходит пошаговое выполнение про­граммы с возможностью просмотра состояния всех переменных.

ОПТИМИЗАЦИЯ

Обычно программа создается в достаточно жестком временном режиме, что заставляет программиста искать, скорее, более правильные решения, чем более эффективные. Под эффек­тивностью программы понимают, прежде всего, скорость ее вы­полнения, а также ее объем. Сегодня, когда уделяется особое вни­мание пользовательскому интерфейсу, в список влияющих на эф­фективность программы факторов можно, пожалуй, также занести и удобство интерфейса. Таким образом, под оптимизацией пони­мается процесс улучшения программы.

Оптимизация не является обязательным условием разработки программы. Однако существует целый класс программ, критичных как к скорости выполнения, так и к размеру. Таковыми являются программы графического вывода в силу большого объема вычис­лений, связанных с графическими преобразованиями.

При проектировании больших систем оптимизация произво­дится в два этапа, Сначала оптимизируют текст программы на язы­ке высокого уровня, а затем наиболее критичные ко времени вы­полнения процедуры переписывают на язык ассемблера. Сущест­вуют следующие способы оптимизации программных кодов.

Разгрузка участков повторяемости. Является спо­собом оптимизации, который чаще всего подразумевает разгрузку циклов путем вынесения из них выражений, которые могут быть вычислены вне циклов.

К этому виду преобразований относятся также «чистки» тел ре­курсивных процедур, когда выражения в соответствующем цикле (или теле многократно вызываемой процедуры) выносятся и раз­мещаются перед входом в участок повторяемости — это так назы­ваемая чистка вверх.

Иногда применяют чистку вниз, когда соответствующие фраг­менты кода помещаются после цикла. При этом нужно обратить внимание на то, что выносить можно только такие выражения, ко­торые обязательно исполняются при каждом прохождении разгру­жаемого цикла.

Замена сложных операций на более простые. Очень часто одна операция предпочтительнее другой на том осно­вании, что выполняется быстрее, но знание таких нюансов прихо­дит к программисту лишь с опытом.

Например, операция сложения выполняется быстрее операции умножения, а умножение быстрее операции деления. Поэтому один оператор умножения переменной на некоторое небольшое целое число (обычно не более трех) лучше заменить на эквивалентное количество сложений. Выражение:

Total:= Summa + Summa + Summa;

эффективнее выражения: Total:= 3 * Summa;

а операцию деления Summa:= Summa/2; лучше заменить на более быстрое умножение, которое приведет к тому же самому результату Summa:= Summa * 0.5;

Чистка программы. Данный способ повышает качество программы за счет удаления из нее ненужных объектов и конст­рукций. Набор преобразований этого типа включает в себя сле­дующие варианты оптимизации:

удаление несущественных операторов, то есть операторов, не влияющих на результат программы;

удаление бесполезных операторов, вычисляющих вспомога­тельные переменные, используемые только для подстановки в дру­гие выражения;

удаление объявленных, но неиспользуемых переменных и типов;

удаление идентичных операторов;

удаление процедур, к которым нет обращений.

Необходимость в такого рода чистках возникает потому, что очень часто программист «захлебывается» в общем количестве пе­ременных и процедур одного слишком большого модуля. Подчас он объявляет переменные, которые потом нигде в программе не использует.

Например, программист может объявить целочисленную пере­менную для организации цикла, а затем, спустя какое-то время, для организации другого цикла объявляет еще одну переменную, забыв о существовании предыдущей и возможности ее повторного ис­пользования.

Экономия памяти. Одним из главных ресурсов после процессорного времени, который использует программа, является объем оперативной памяти. Объем памяти зависит как от размера кода самой программы, так и от количества статических и динамических переменных.

Программист должен учиться как можно экономнее использо­вать память. Каждую структуру следует тщательно продумывать и не требовать, скажем, для переменной, в которой будут хранить­ся координаты текстового экрана, двухбайтового типа.

Это так называемая экономия на типе переменной. Существует и еще ряд способов более экономного расходования памяти:

1) Глобальная экономия памяти подразумевает совмещение по памяти не существующих одновременно статических переменных. Модульное программирование также подразумевает разнесение объявлений несвязанных переменных в различные модули.

2) Изменение области существования переменной.

3) Перемещение оператора объявления переменной (резервиро­вания памяти) ближе к тому участку программы, в котором содер­жатся операторы, использующие эту переменную, то есть перемен­ную следует объявлять в границах того блока, где она используется.

4) Экономия стека: при передаче массива в качестве параметра подпрограммы, следует использовать ссылку на массив. Помимо экономии памяти это приводит также и к экономии времени за счет того, что система не создает копии передаваемого массива в стеке.

АЛГОРИТМЫ И ИХ РАЗРАБОТКА