如何查找嵌入式軟件設(shè)計(jì)中的缺陷

本文將介紹如何避免那些隱蔽然而常見的錯(cuò)誤，并介紹的幾個(gè)技巧幫助工程師發(fā)現(xiàn)軟件中隱藏的錯(cuò)誤。大部分軟件開發(fā)項(xiàng)目依靠結(jié)合代碼檢查、結(jié)構(gòu)測(cè)試和功能測(cè)試來識(shí)別軟件缺陷。盡管這些傳統(tǒng)技術(shù)非常重要，而且能發(fā)現(xiàn)大多數(shù)軟件問題，但它們無法檢查出當(dāng)今復(fù)雜系統(tǒng)中的許多共性錯(cuò)誤。

結(jié)構(gòu)測(cè)試或白盒測(cè)試能有效地發(fā)現(xiàn)代碼中的邏輯、控制流、計(jì)算和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。這項(xiàng)測(cè)試要求對(duì)軟件的內(nèi)部工作能夠一覽無遺(因此稱為白盒或玻璃盒)，以便了解軟件結(jié)構(gòu)的詳細(xì)情況。它檢查每個(gè)條件表達(dá)式、數(shù)學(xué)操作、輸入和輸出。由于需要測(cè)試的細(xì)節(jié)眾多，結(jié)構(gòu)測(cè)試每次檢查一個(gè)軟件單元，通常為一個(gè)函數(shù)或類。

代碼審查也使用與實(shí)現(xiàn)缺陷和潛在問題查找同樣復(fù)雜的技術(shù)。與白盒測(cè)試一樣，審查通常針對(duì)軟件的各個(gè)單元進(jìn)行，因?yàn)橐粋€(gè)有效的審查過程要求的是集中而詳盡的檢查。

與審查和白盒測(cè)試不同，功能測(cè)試或黑盒測(cè)試假設(shè)對(duì)軟件的實(shí)現(xiàn)一無所知，它測(cè)試由受控輸入所驅(qū)動(dòng)的輸出。功能測(cè)試由測(cè)試人員或開發(fā)人員所編寫的測(cè)試過程組成，它們規(guī)定了一組特定程序輸入對(duì)應(yīng)的預(yù)期程序輸出。測(cè)試運(yùn)行之后，測(cè)試人員將實(shí)際輸出與預(yù)期輸出進(jìn)行比較，查找問題。黑盒測(cè)試可以有效地找出未能實(shí)現(xiàn)的需求、接口問題、性能問題和程序最常用功能中的錯(cuò)誤。

雖然將這些技術(shù)結(jié)合起來可以找出隱藏在一個(gè)特定軟件程序中的大部分錯(cuò)誤，但它們也有局限。代碼審查和白盒測(cè)試每次只針對(duì)一小部分代碼，忽視了系統(tǒng)的其它部分。黑盒測(cè)試通常將系統(tǒng)作為一個(gè)整體來處理，忽視了實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。一些重要的問題只有在集中考察它們?cè)谡麄€(gè)系統(tǒng)內(nèi)相互作用時(shí)的細(xì)節(jié)才能被發(fā)現(xiàn)；傳統(tǒng)的方法無法可靠地找出這些問題。必須整體地檢查軟件系統(tǒng)，查找具體問題的特定原因。由于詳盡徹底地分析程序中的每個(gè)細(xì)節(jié)和它與代碼中所有其它部分之間的相互作用通常是不大可能的，因此分析應(yīng)該針對(duì)程序中已經(jīng)知道可能導(dǎo)致問題的特定方面。本文將探討其中三個(gè)潛在的問題領(lǐng)域：

* 堆棧溢出

* 競(jìng)爭(zhēng)條件

* 死鎖

讀者可在網(wǎng)上閱讀本文的第二部分，它將探討下列問題：

* 時(shí)序問題

* 可重入條件

在采用多任務(wù)實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)技術(shù)的系統(tǒng)中，以上所有問題都相當(dāng)普遍。

堆棧溢出

處理器使用堆棧來存儲(chǔ)臨時(shí)變量、向被調(diào)函數(shù)傳遞參數(shù)、保存線程“狀態(tài)”，等等。如果系統(tǒng)不使用虛擬內(nèi)存(換句話說，它不能將內(nèi)存頁(yè)面轉(zhuǎn)移到磁盤上以釋放內(nèi)存空間供其它用途)，堆棧將固定為產(chǎn)品出廠時(shí)的大小。如果由于某種原因堆棧越出了編程人員所分配的數(shù)量范圍，程序?qū)⒆兊貌淮_定。這種不穩(wěn)定可能導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障。因此，確保系統(tǒng)在最壞情況下能夠分配到足夠的堆棧至關(guān)重要。

確保永不發(fā)生堆棧溢出的唯一途徑就是分析代碼，確定程序在各種可能情況下的最大堆棧用量，然后檢查是否分配了足夠的堆棧。測(cè)試不大可能觸發(fā)特定的瞬時(shí)輸入組合進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)最壞情況。

堆棧深度分析的概念比較簡(jiǎn)單：

1. 為每個(gè)獨(dú)立的線程建立一棵調(diào)用樹。

2. 確定調(diào)用樹中每個(gè)函數(shù)的堆棧用量。

3. 檢查每棵調(diào)用樹，確定從樹根到外部“樹葉”的哪條調(diào)用路徑需要使用的堆棧最多。

4. 將每個(gè)獨(dú)立線程調(diào)用樹的最大堆棧用量相加。

5. 確定每個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)內(nèi)各中斷服務(wù)程序(ISR)的最大堆棧用量并計(jì)算其總和。但是，如果ISR本身沒有堆棧而使用被中斷線程的堆棧，則應(yīng)將ISR使用的最大堆棧數(shù)加到各線程堆棧之上。

6. 對(duì)于每個(gè)優(yōu)先級(jí)，加上中斷發(fā)生時(shí)用來保存處理器狀態(tài)的堆棧數(shù)。

7.如果使用RTOS，則加上RTOS自身內(nèi)部用途需要的最大堆棧數(shù)(與應(yīng)用代碼引發(fā)的系統(tǒng)調(diào)用不同，后者已包含在步驟2中)。

除此之外，還有兩個(gè)重要事項(xiàng)需要考慮。首先，僅僅從高級(jí)語(yǔ)言源代碼建立的調(diào)用樹很可能并不完善。大部分編譯器采用運(yùn)行時(shí)庫(kù)(run-time library)來優(yōu)化常用計(jì)算任務(wù)，如大值整數(shù)的乘除、浮點(diǎn)運(yùn)算等，這些調(diào)用只在編譯器產(chǎn)生的匯編語(yǔ)言中才可見。運(yùn)行時(shí)庫(kù)函數(shù)本身可能使用大量的堆?？臻g，在分析時(shí)必須將它們包括進(jìn)去。如果使用的是C++語(yǔ)言，則以下所有類型的函數(shù)(方法)也都必須包含到調(diào)用樹內(nèi)：結(jié)構(gòu)器、析構(gòu)器、重載運(yùn)算符、復(fù)制結(jié)構(gòu)器和轉(zhuǎn)換函數(shù)。所有的函數(shù)指針也都必須進(jìn)行解析，并且將它們調(diào)用的函數(shù)包含進(jìn)分析之中。