Qualitätssicherung von Software (SWQS)

1. Qualitätssicherung von Software (SWQS) Prof. Dr. Holger Schlingloff Humboldt-Universität zu Berlin und Fraunhofer FOKUS 21.5.2013: Modellprüfung

2. Fragen zur Wiederholung • Was ist ein Modell, ein Transitionssystem, ein endlicher Automat? • Unterschied Systemmodell – Testmodell? • Testgenerierung aus UML State Machines: Testziele und Überdeckungskriterien? • Was versteht man unter einer Transition Tour? • Wie kann man die Effektivität einer Testsuite nachweisen?

3. Wo stehen wir? • Einleitung, Begriffe, Software-Qualitätskriterien • Softwaretest • Verifikation und Validierung, Modellprüfung • statische und dynamische Analysetechniken • Softwarebewertung, Softwaremetriken • Codereview- und andere Inspektionsverfahren • Zuverlässigkeitstheorie, Fehlerbaumanalyse • Qualitätsstandards, Qualitätsmanagement, organisatorische Maßnahmen

4. Validierung Verifikation Verifikation und Validierung • Sprachgebrauch im V-Modell • Verifikation: Vergleich des Ergebnisses eines Entwicklungsschritts mit dem vorherigen • Validierung: Vergleich des analytischen Artefaktes mit dem entsprechenden synthetischen Artefakt • alternativer Sprachgebrauch • Verifikation = formaler Beweis („entspricht der Code der Spezifikation?“) • Validierung = informelle Überprüfung („entspricht die Spezifikation den Anforderungen?“)

5. Techniken für V&V • Validierung • Requirements Engineering, strukturierte Analyse • Konsistenz- und Vollständigkeitsprüfung • Schablonentechnik, systematische Fragebögen • … • Verifikation • Hoare-Kalkül, mathematische Programmbeweise • Modellprüfung, Erreichbarkeitsgraphen • interaktive Abstraktions/Verfeinerungsbeweise • …

6. 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, …

7. Beispiel (nuSMV)

8. Ein Spielbeispiel • Wie viele erreichbare Zustände gibt es? • Wie kann man feststellen, ob ein Zustand erreichbar ist?

9. Coding in SMV

10. Coding in SMV (cont.) • SMV findet sofort eine Lösung (rrddlluurrddlluurrddlluurrdd) • Lola (Humboldt Univ.) ist sogar noch schneller • für 3*4 gut machbar, 4*4 machbar, 5*5 nicht machbar (1025)

11. Ein Hardware-Beispiel • gibts vielleicht noch besser (color)

12. Verifikationsmodell des Schieberegisters

13. Reale Beispiele • Hardware-Verifikation: Stand der Technik • ALUs, PLAs, Memory Controller, Chip Design, ... • Software-Verifikation: Stand der Forschung • Luftfahrtcomputer, Zugsteuerungen, Automobil-Steuergeräte, nichttriviale Suchprobleme, ... http://www-2.cs.cmu.edu/~modelcheck/tour.htm

14. Another Example: Ivor Spence’s Sudoku http://www.cs.qub.ac.uk/~I.Spence/SuDoku/sudoku.jar

15. How Does He Do It? • Propositional modelling • 9 propositions per cell: proposition “ijk” indicates that row i, column j contains value k • individual cell clauses • each cell contains exactly one value • (ij1 v ij2 v … v ij9) ^ ~(ij1 ^ ij2) ^ … ^ ~(ij8 ^ ij9) • row and column clauses • each row i contains each number, exactly once • (i11 v … v i91) ^ (i12 v … v i92) ^ … (i19 v … v i99) • j1 j2, k=1..9: ~(ij1k ^ ij2k) • same for columns • block clauses – similar • pre-filled cells – easy • SAT solving • 729 propositions, ca. 3200 clauses  few seconds

16. Propositional verification • In order to validate a system, we need to represent the transition relation. • The representation is of utmost importance for the success of a verification attempt • Algorithms and data structures are heavily dependent onto each other • Needed: representation of sets, relations, boolean formulas, ...

17. Binary Encoding of Domains • Any variable on a finite domain D can be replaced by log(D) binary variables • similar to encoding of data types by compilers • e.g. var v: {0..15} can be replaced byvar v1,v2,v3,v4: boolean(0=0000, 1= 0001, 2=0010, 3=0011, ..., 15=1111) • State space • still in the order of original domain! • e.g. three int8-variables can have 224=108 states • e.g. buffer of length 10 with 10-bit values  1030 states • Representation of large sets of states?

18. Representation of Sets

19. Ordered Tree Form • Normal form for propositional formulas • Uses only the connective Ite • Linear ordering on the set of propositions • e.g., most significant bit first • Shannon expansion

20. Truth table and tree form formula Reduction: Replace Ite (v,ψ,ψ) by ψ

21. Abbreviations • Introduce abbreviations • maximally abbreviated

22. Binary Decision Trees (BDTs) • Binary decision tree • Elimination ofisomorphic subtrees(abbreviations)

23. Binary Decision Diagrams (BDDs) • Elimination ofredundant nodes(redundant subformulas) Ite (v,ψ,ψ) by ψ