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Software-Engineering II Eingebettete Systeme, Softwarequalität, Projektmanagement

Software-Engineering II Eingebettete Systeme, Softwarequalität, Projektmanagement. Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik. Hinweise.

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Software-Engineering II Eingebettete Systeme, Softwarequalität, Projektmanagement

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Presentation Transcript

  1. Software-Engineering IIEingebettete Systeme, Softwarequalität, Projektmanagement Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik

  2. Hinweise • Nochmal Werbung:Blockseminar im Sommersemester„spezifikationsbasierter Softwaretest“(Vorbespr. + Sa., 10.6. und Sa., 17.6. 2006 ganztägig) • Ab Sommer neue Jobs bei FraunhoferEU-Projekt „Evolutionäre Testerzeugung“ • Fr.: Automotive Software Engineering III • nächste Wo. Freitag letzte Vorlesung

  3. Verifikation: Hoare-Logik • Aus dem Grundstudium bekannt? • Kalkül zum Beweis der partiellen Korrektheit von (imperativen) Programmen • Anwendbar z.B. auf C ohne dynamische Speicherverwaltung • Erweiterungen für parallele Programme • Toolunterstützung Darstellung folgt www1.isti.cnr.it/~bolognesi/Siena/Lucidi0102/16-HoareLogic.ppt

  4. While-Programme • Zuweisungen: y:=t • Komposition: S1; S2 • if-then-else: if e the S1 else S2 fi • while: while e do S od • for, repeat • switch • goto

  5. Beispiel: ggT (größter gem. Teiler) {x1>0 /\ x2>0} y1:=x1; y2:=x2; while ¬(y1=y2) do if y1>y2 then y1:=y1-y2 else y2:=y2-y1 fi od {y1=ggT(x1,x2)}

  6. Warum funktioniert das? Angenommen y1 und y2 sind nichtnegative Integer. • Wenn y1>y2 dann ggT(y1,y2)=ggT(y1-y2,y2) • Wenn y2>y1 dann ggT(y1,y2)=ggT(y1,y2-y1) • Wenn y1=y2 dann ggT(y1,y2)=y1=y2 {ggT(y1,y2)=k /\ y1>0 /\ y2>0 /\ y1>y2}y1:=y1-y2 {ggT(y1,y2)=k /\ y1>0 /\ y2>0}

  7. Zuweisungsaxiom {p[t/y]} y:=t {p} Beispiele: {y+5=10} y:=y+5 {y=10} {y+y<z} x:=y {x+y<z} {2*(y+5)>20} y:=2*(y+5) {y>20} Begründung: Setze p mit y’ statt y, und füge die Bedingung y’=t hinzu. Ersetze y’ durch t. Im Beispiel gilt: {ggT(y1-y2,y2)=k /\ y1-y2>0 /\ y2>0}y1:=y1-y2 {ggT(y1,y2)=k /\ y1>0 /\ y2>0}

  8. Vorwärtsrechnung {p} y:=t {?} Regel: Setze für ? ein (p /\ y=t), wobei y in p und t durch y’ ersetzt wird, eliminiere y’. {y>5} y:=2*(y+5) {?} {p} y:=t {$y’ (p[y’/y] /\ t[y’/y]=y)} (y’>5 /\ y=2*(y’+5)) y>20

  9. Kompositionsregel {p} S1 {r}, {r} S2 {q} {p} S1;S2 {q} Beispiel: Voraussetzungen 1. {x+1=y+2} x:=x+1 {x=y+2} 2. {x=y+2} y:=y+2 {x=y} ergibt {x+1=y+2} x:=x+1; y:=y+2 {x=y}

  10. weitere Beispiele {p} S1 {r}, {r} S2 {q} {p} S1;S2 {q} {x1>0 /\ x2>0} y1:=x1{ggT(x1,x2)=ggT(y1,x2) /\ y1>0 /\ x2>0} {ggT(x1,x2)=ggT(y1,x2) /\ y1>0 /\ x2>0}y2:=x2{ggT(x1,x2)=ggT(y1,y2) /\ y1>0 /\ y2>0} {x1>0 /\ x2>0} y1:=x1 ; y2:=x2{ggT(x1,x2)=ggT(y1,y2) /\ y1>0 /\ y2>0}

  11. If-then-else-Regel {p /\ e} S1 {q}, {p /\ ¬e} S2 {q} {p} if e then S1 else S2 fi {q} Beispiel: p sei ggT(y1,y2)=ggT(x1,x2) /\ y1>0 /\ y2>0 /\ ¬(y1=y2) q sei ggT(y1,y2)=ggT(x1,x2) /\ y1>0 /\ y2>0 {p /\ y1>y2} y1:=y1-y2 {q}, {p /\ ¬y1>y2} y2:=y2-y1 {q} {p} if y1>y2 then y1:=y1-y2 else y2:=y2-y1 fi {q}

  12. While-Regel _______{p /\ e} S {p}_______ {p} while e do S od {p /\ ¬e} Beispiel: S sei if y1>y2 then y1:=y1-y2 else y2:=y2-y1 fi {ggT(y1,y2)=ggT(x1,x2) /\ y1>0 /\ y2>0 /\ ¬(y1=y2)}S {ggT(y1,y2)=ggT(x1,x2) /\ y1>0 /\ y2>0}______ {p} while ¬(y1=y2) do S od {p /\ y1=y2}

  13. Implikationsregeln • Verstärkung einer Voraussetzung rp, {p} S {q} {r} S {q} • Abschwächung einer Konsequenz {p} S {q}, qr {p} S {r}

  14. Anwendung der Implikationsregel Wir wollen beweisen {x1>0 /\ x2>0} y1:=x1{ggT(x1,x2)=ggT(y1,x2) /\ y1>0 /\ x2>0} Verstärkungsregel: x1>0 /\ x2>0 ggT(x1,x2)=ggT(x1,x2) /\ x1>0 /\ x2>0 Zuweisungsregel: {ggT(x1,x2)=ggT(x1,x2) /\ x1>0 /\ x2>0} y1:=x1 {ggT(x1,x2)=ggT(y1,x2) /\ y1>0 /\ x2>0}

  15. Noch‘n Beispiel Beispiel: {ggT(y1,y2)=k /\ y1>0 /\ y2>0 /\ y1>y2} {ggT(y1-y2,y2)=k /\ y1-y2>0 /\ y2>0} {ggT(y1-y2,y2)=k /\ y1-y2>0 /\ y2>0} y1:=y1-y2 {ggT(y1,y2)=k /\ y1>0 /\ y2>0} ergibt {ggT(y1,y2)=k /\ y1>0 /\ y2>0 /\ y1>y2} y1:=y1-y2 {ggT(y1,y2)=k /\ y1>0 /\ y2>0}

  16. Zusammensetzung zum Programm {x1>0 /\ x2>0} y1:=x1; y2:=x2; {ggT(x1,x2)=ggT(y1,y2) /\ y1>0 /\ y2>0} while ¬(y1=y2) do {ggT(y1,y2)=ggT(x1,x2) /\ y1>0 /\ y2>0 /\ ¬(y1=y2)} if y1>y2 then {ggT(y1,y2)=ggT(x1,x2) /\ y1>0 /\ y2>0 /\ ¬(y1=y2) /\ y1>y2} y1:=y1-y2 {ggT(y1,y2)=ggT(x1,x2) /\ y1>0 /\ y2>0} else {ggT(y1,y2)=ggT(x1,x2) /\ y1>0 /\ y2>0 /\ ¬(y1=y2) /\ ¬y1>y2} y2:=y2-y1 {ggT(y1,y2)=ggT(x1,x2) /\ y1>0 /\ y2>0} fi {ggT(y1,y2)=ggT(x1,x2) /\ y1>0 /\ y2>0} od {ggT(x1,x2)=ggT(y1,y2) /\ y1>0 /\ y2>0 /\ y1=y2}

  17. Noch nicht ganz fertig {x1>0 /\ x2>0} y1:=x1; y2:=x2; while ¬(y1=y2) do if y1>y2 then y1:=y1-y2 else y2:=y2-y1 fi od {ggT(x1,x2)=ggT(y1,y2) /\ y1>0 /\ y2>0 /\ y1=y2} Aber wir wollten zeigen: {x1>0 /\ x2>0} Prog {y1=ggT(x1,x2)}

  18. Abschwächungsregel {x1>0/\x2>0} Prog {ggT(x1,x2)=ggT(y1,y2) /\ y1>0 /\ y2>0 /\ y1=y2} Abschwächung {ggT(x1,x2) = ggT(y1,y2) /\ y1>0 /\ y2>0 /\ y1=y2}  y1=ggT(x1,x2) Daher {x1>0 /\ x2>0} Prog {y1=ggT(x1,x2)}

  19. Erweiterungen • Totale Korrektheit (Terminierung) • Felder • Prozeduren, Subroutinen • Zeiger (aber keine dynamischen Strukturen) • Parallele Programme, Interferenzfreiheit • Fairness • … • Werkzeugunterstützung, z.B. Isabelle

  20. ein Beispiel aus der Praxis

  21. Pause!

  22. Modellprüfung • Überprüfung eines formalen Modells des Systems gegenüber einer formalen Spezifikation der Anforderungen • vollautomatisch für zustandsendliche Systeme • Modellierung: Automaten, Petrinetze, StateCharts, SDL, … • Spezifikation: temporale Logik, Erreichbarkeit, Verklemmungsfreiheit, …

  23. Beispiel (SMV)

  24. Computation Tree Logic CTL • Formelsprache zur Beschreibung von Eigenschaften (paralleler) Programme • Basis: Aussagenlogik • atomare Aussagen, boolesche Verknüpfungen • Zusätzlich: temporale Operatoren • AG: „für alle Abläufe gilt global“ • EF: „es gibt einen Ablauf mit irgendwann“ • AX: „für alle möglichen nächsten Schritte“ • EX: „es gibt einen nächsten Schritt“ • AU: „für alle Abläufe solange bis“ (zweistellig) • EU: „es gibt einen Ablauf solange bis“ (zweistellig)

  25. Bedeutung

  26. Beispiele • Invarianzen • x ist immer kleiner als 7: AG (x<7) • Es kommt zu keinem Absturz: AG !crash • Das Ergebnis ist immer 3: AG (stop  erg=3) • Lebendigkeit • Terminierung: AF stop • Aushungerungsfreiheit: AG AF eating • Eventualitäten • mögliche Nichtterminierung: EG !stop • Rücksetzbarkeit: AG EF init • Synchronisationsproblem: EF (request & AG !grant) • Synchronisation • Initialisierung (!read_x AU write_x) • Race Condition (!write_P2 AU write_P1)

  27. bekannte Model-Checker • SMV, nuSMV, Cadence SMV (CTL) • SPIN, COSPAN (LTL) • UPPAAL, Kronos, Rabbit (Realzeit) • HyTech (hybride Systeme) • CBMC (bounded Model Checker for C/C++ programs) • Java Pathfinder (für Java Bytecode) • NASA, seit Mitte 2005 open sourcehttp://javapathfinder.sourceforge.net/

  28. Java Pathfinder • Historie • Übersetzung von Java Bytecode nach Promela (Automaten-Beschreibungssprache) • LTL-ModelChecker SPIN • Aktuell • „abstrakte JVM“, die Bytecode symbolisch ausführt • Fokus auf Sicherheitseigenschaften (deadlock usw.) • Zustandsraumexplosion beherrscht durch • konfigurierbare Suchstrategien • Zustandsraumreduktionsverfahren (PO Reduction, Abstraction) • effiziente Zustands-Speicherverfahren (MD5-hashing) • Erweiterbarkeit

  29. Performance • Programme bis 10 KLOC Bytecode • ~103-104 Zustände/sec analysierbar • ~106-107 Zustände speicherbar (bei 512 MB RAM) • virtueller Speicher kaum nutzbar

  30. Beispiel • Abstraktion der Variablen count • neues Boolean für count==event1.count • Synchronisationsfehler • if (count ==…) wird wahr • dann signal_event • dann unbedingtes wait

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