К сокращению каких ошибок приводит использование компьютерных программ

Введение

Программное обеспечение, согласно ГОСТ 19781-90, – совокупность программ системы обработки информации и программных документов, необходимых для их эксплуатации.

Существует и другое, более простое определение, согласно которому программное обеспечение представляет собой совокупность компьютерных инструкций. Оно охватывает программы, подпрограммы (разделы программы) и данные. Таким образом, программное обеспечение указывает компьютеру, что делать, как, когда, в какой последовательности и как часто. Нередко программное обеспечение называют просто программой.

Проблема надежности программного обеспечения относится, похоже, к категории «вечных». В посвященной ей монографии Г.Майерса, выпущенной в 1980 году (американское издание — в 1976), отмечается, что, хотя этот вопрос рассматривался еще на заре применения вычислительных машин, в 1952 году, он не потерял актуальности до настоящего времени. Отношение к проблеме довольно выразительно сформулировано в книге Р.Гласса: «Надежность программного обеспечения — беспризорное дитя вычислительной техники». Следует далее отметить, что сама проблема надежности программного обеспечения имеет, по крайней мере, два аспекта: обеспечение и оценка (измерение) надежности. Практически вся имеющаяся литература на эту тему, включая упомянутые выше монографии, посвящена первому аспекту, а вопрос оценки надежности компьютерных программ оказывается еще более «беспризорным». Вместе с тем очевидно, что надежность программы гораздо важнее таких традиционных ее характеристик, как время исполнения или требуемый объем оперативной памяти, однако никакой общепринятой количественной меры надежности программ до сих пор не существует.

Для обеспечения надежности программ предложено множество подходов, включая организационные методы разработки, различные технологии и технологические программные средства, что требует, очевидно, привлечения значительных ресурсов. Однако отсутствие общепризнанных критериев надежности не позволяет ответить на вопрос, насколько надежнее становится программное обеспечение при соблюдении данных процедур и технологий и в какой степени оправданы расходы. Получается, что таким образом, приоритет задачи оценки надежности должен быть выше приоритета задачи ее обеспечения, чего на самом деле не наблюдается.

Цель данной работы – рассмотреть классификацию ошибок программного обеспечения для обеспечения его надежности.

Показатели качества программного обеспечения

Оценка качества программного обеспечения могут проводиться с двух позиций: с позиции положительной эффективности и непосредственной адекватности их характеристик назначению, целям создания и применения, а также с негативной позиции, возможного при этом ущерба – риска от пользования ПС или системы. Показатели качества преимущественно отражают положительный эффект от применения программного обеспечения и основная задача разработчиков проекта состоит в обеспечении высоких значений качества. Риски характеризуют возможные негативные последствия проявившихся в ходе эксплуатации ошибок или ущерб для пользователя при применении и функционировании программного обеспечения.

Качество программного обеспечения оценивается следующими характеристиками:

• Функциональные возможности (Functionality). Набор атрибутов, относящихся к сути набора функций и их конкретным свойствам. Функциями являются те, которые реализуют установленные или предполагаемые потребности.
• Надежность (Reliability). Набор атрибутов относящихся к способности программного обеспечения сохранять свой уровень качества функционирования при установленных условиях за установленный период времени.
• Практичность (Usability). Набор атрибутов, относящихся к объему работ, требуемых для использования и индивидуальной оценки такого использования определенным и предполагаемым кругом пользователей.
• Эффективность (Efficiencies). Набор атрибутов, относящихся к соотношению между уровнем качества функционирования программного обеспечения и объемом используемых ресурсов при установленных условиях.
• Сопровождаемость (Maintainability). Набор атрибутов, относящихся к объему работ, требуемых для проведения конкретных изменений (модификаций).
• Мобильность (Portability). Набор атрибутов, относящихся к способности программного обеспечения быть перенесенным из одного окружения в другое.

В общем случае под ошибкой подразумевается неправильность, погрешность или неумышленное искажение объекта или процесса, что может быть причиной ущерба – риска при функционировании или применении программы. При этом предполагается, что известно правильное, эталонное состояние объекта или процесса по отношению к которому может быть определено наличие отклонения. Исходным эталоном для любого программного обеспечения являются спецификации требований заказчика или потенциального пользователя, предъявляемых к программам и ожидаемый пользователем или заказчиком эффект от использования программного обеспечения. Важной особенностью при этом является отсутствие полностью определенной программы – эталона, которой должны соответствовать текст и результаты функционирования разрабатываемой программы. Поэтому определить качество программного обеспечения и наличие ошибок в нем путем сравнения разрабатываемой программы с эталонной программой невозможно.

Риски проявляются как негативные последствия проявления ошибок в программном обеспечении в ходе его пользования и функционирования, которые могут нанести ущерб системе, в которой используется это программное обеспечение, внешней среде или пользователям этой системы в результате отклонения характеристик программного обеспечения заданных или ожидаемых пользователем или заказчиком.

Исходя из определения ошибки в программном обеспечении, приведенном выше, можно сделать вывод, что ошибки, возникающие в ходе использования программного обеспечения, могут изменять некоторые или все показатели качества. В работе рассматриваются ошибки, изменения которых влияют на надежность использования программного обеспечения.

Рис. 1. Надежность по ГОСТ 27.002 – 89

При этом надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от функции объекта и условий его использования может включать безотказность, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость или некоторые сочетания данных свойств (рис. 1). Так как программное обеспечение в процессе эксплуатации не изнашивается, его поломка и ремонт в общепринятом смысле не делается, то надежность программного обеспечения имеет смысл характеризовать только с точки зрения безотказности его функционирования и возможности исправления функционирования после отказов по вызванных проявлениями ошибок.

Рис. 2. Надежность программного обеспечения

В этом случае стабильность и устойчивость характеризуют безотказность программного обеспечения, а восстанавливаемость – возможность восстановления функционирования программного обеспечения после его отказа. Для количественной оценки надежности программного обеспечения необходимо определить показатели надежности для каждого свойства и методику их определения (оценки).

Рис. 3. Показатели безотказности

• общее количество ошибок;
• количество остающихся ошибок;
• время до проявления следующей ошибки;
• вероятность безошибочной работы;
• интенсивность проявления ошибок;
• остаточное время испытаний (до принятия решения);
• максимальное количество ошибок (относительно срока службы).

В общем случае отказ программного обеспечения можно определить как:

• прекращение функционирования программы (искажения нормального хода ее выполнения, зацикливание) на время превышающее заданный порог;
• прекращение функционирования программы (искажения нормального хода ее выполнения, зацикливание) на время не превышающее заданный порог, но с потерей всех или части обрабатываемых данных;
• прекращение функционирования программы (искажения нормального хода ее выполнения, зацикливание) потребовавшее перезагрузки ЭВМ, на которой функционирует программное обеспечение.

Приведенные выше критерии отказов приводят к необходимости анализа временных характеристик функционирования программы и динамических характеристик потребителей данных, полученных в ходе функционирования программного обеспечения. Временная зона перерыва нормальной выдачи информации и потери работоспособности, которую следует рассматривать как зону сбоя (отказа), тем шире, чем более инертный объект находится под воздействием данных, полученным в ходе работы программы. Пороговое время восстановления работоспособного состояния системы, при превышении которого следует соответствующему потребителю (абоненту).

Для любого потребителя данных существует допустимое время отсутствия данных от программы, при котором его характеристики находятся в допустимых пределах. Исходя из этого времени, можно установить границы временной зоны, которая разделяет работоспособное и неработоспособное состояние программного обеспечения и позволяет использовать данные критерии отказов.

Из приведенного выше определения программной ошибки с точки зрения надежности, можно сделать вывод о том, что ошибки, при их проявлении, не всегда вызывают отказ программного обеспечения и каждую ошибку можно характеризовать условной вероятностью возникновения отказа при проявлении этой ошибки. Следует также отметить, что само по себе наличие ошибки в исходном коде не определяет надежность программы до тех пор, пока не произойдет проявления этой ошибки, поэтому пользоваться для оценки надежности программного обеспечения только показателями характеризующие общее количество ошибок в программе, количество оставшихся ошибок и максимального количества ошибок нельзя.

Рис. 4. Метрики и оценочные элементы устойчивости программного обеспечения по ГОСТ 28195 – 89

Таблица 1. Категории тяжести ошибки в программном обеспечении, нарушение работоспособности которого могут привести к катастрофическим последствиям

Таблица 2. Категории тяжести ошибки в программном обеспечении, нарушение работоспособности которого не приводят к катастрофическим последствиям

Источниками ошибок в программном обеспечении являются специалисты – конкретные люди с их индивидуальными особенностями, квалификацией, талантом и опытом. Вследствие этого плотность потоков ошибок и размеры необходимых корректировок в модулях и компонентах при разработке и сопровождении программного обеспечения могут различаться в десятки раз. Однако в крупных комплексах программ статистика и распределение ошибок и типов выполняемых изменений, необходимых для их исправления, для коллективов разных специалистов нивелируются и проявляются общие закономерности, которые могут использоваться как ориентиры при выявлении ошибок и их систематизации. Этому могут помогать оценки типовых ошибок, модификаций и корректировок путем их накопления и обобщения по опыту создания определенных классов программного обеспечения.

Основными причинами ошибок программного обеспечения являются:

• Большая сложность программного обеспечения, например, по сравнению с аппаратурой ЭВМ.
• Неправильный перевод информации из одного представления в другое на макро и микро уровнях. На макро уровне, уровне проекта, осуществляется передача и преобразование различных видов информации между организациями, подразделениями и конкретными исполнителями на всех этапах жизненного цикла ПО. На микро уровне, уровне исполнителя, производится преобразование информации по схеме: получить информацию, запомнить, выбрать из памяти, воспроизвести информацию.

Источниками ошибок программного обеспечения являются:

Внутренние: ошибки проектирования, ошибки алгоритмизации, ошибки программирования, недостаточное качество средств защиты, ошибки в документации.

Внешние: ошибки пользователей, сбои и отказы аппаратуры ЭВМ, искажение информации в каналах связи, изменения конфигурации системы.

• Признаками выявления ошибок являются:
• Преждевременное окончание программы.
• Увеличение времени выполнения программы.
• Нарушение последовательности вызова отдельных подпрограмм.

Ошибки выхода информации, поступающей от внешних источников, между входной информацией возникает не соответствие из-за: искажение данных на первичных носителях, сбои и отказы в аппаратуре, шумы и сбои в каналах связи, ошибки в документации.

Ошибки, скрытые в самой программе: ошибка вычислений, ошибка ввода-вывода, логические ошибки, ошибка манипулирования данными, ошибка совместимости, ошибка сопряжения.

Искажения входной информации, подлежащей обработке: искажения данных на первичных носителях информации; сбои и отказы в аппаратуре ввода данных с первичных носителей информации; шумы и сбои в каналах связи при передачи сообщений по линиям связи; сбои и отказы в аппаратуре передачи или приема информации; потери или искажения сообщений в буферных накопителях вычислительных систем; ошибки в документировании; используемой для подготовки ввода данных; ошибки пользователей при подготовки исходной информации.

Неверные действия пользователя

• Неправильная интерпретация сообщений.
• Неправильные действия пользователя в процессе диалога с программным обеспечением.
• Неверные действия пользователя или по-другому, их можно назвать ошибками пользователя, которые возникают вследствие некачественной программной документации: неверные описания возможности программ; неверные описания режимов работы; неверные описания форматов входной и выходной информации; неверные описания диагностических сообщений.

Неисправности аппаратуры установки: приводят к нарушениям нормального хода вычислительного процесса; приводят к искажениям данных и текстов программ в основной и внешней памяти.

Итак, при рассмотрении основных причин возникновения отказа и сбоев программного обеспечения можно сказать, что эти знания позволяют своевременно принимать необходимые меры по недопущению отказов и сбоев программного обеспечения.

Характеристика основных видов ошибок программного обеспечения

Рассмотрим классификацию ошибок по месту их возникновения, которая рассмотрена в книге С. Канера «Тестирование программного обеспечения». Фундаментальные концепции менеджмента бизнес-приложений. Главным критерием программы должно быть ее качество, которое трактуется как отсутствие в ней недостатков, а также сбоев и явных ошибок. Недостатки программы зависят от субъективной оценкой ее качества потенциальным пользователем. При этом авторы скептически относятся к спецификации и утверждают, что даже при ее наличии, выявленные на конечном этапе недостатки говорят о ее низком качестве. При таком подходе преодоление недостатков программы, особенно на заключительном этапе проектирования, может приводить к снижению надежности. Очевидно, что для разработки ответственного и безопасного программного обеспечения (ПО) такой подход не годится, однако проблемы наличия ошибок в спецификациях, субъективного оценивания пользователем качества программы существуют и не могут быть проигнорированы. Должна быть разработана система некоторых ограничений, которая бы учитывала эти факторы при разработке и сертификации такого рода ПО. Для обычных программ все проблемы, связанные с субъективным оцениванием их качества и наличием ошибок, скорее всего неизбежны.

В краткой классификации выделяются следующие ошибки.

• ошибки пользовательского интерфейса.
• ошибки вычислений.
• ошибки управления потоком.
• ошибки передачи или интерпретации данных.
• перегрузки.
• контроль версий.
• ошибка выявлена и забыта.
• ошибки тестирования.

Ошибки пользовательского интерфейса.

Многие из них субъективны, т.к. часто они являются скорее неудобствами, чем «чистыми» логическими ошибками. Однако они могут провоцировать ошибки пользователя программы или же замедлять время его работы до неприемлемой величины. В результате чего мы будем иметь ошибки информационной системы (ИС) в целом. Основным источником таких ошибок является сложный компромисс между функциональностью программы и простотой обучения и работы пользователя с этой программой. Проблему надо начинать решать при проектировании системы на уровне ее декомпозиции на отдельные модули, исходя из того, что вряд ли удастся спроектировать простой и удобный пользовательский интерфейс для модуля, перегруженного различными функциями. Кроме того, необходимо учитывать рекомендации по проектированию пользовательских интерфейсов. На этапе тестирования ПО полезно предусмотреть встроенные средства тестирования, которые бы запоминали последовательности действий пользователя, время совершения отдельных операций, расстояния перемещения курсора мыши. Кроме этого возможно применение гораздо более сложных средств психо-физического тестирования на этапе тестирования интерфейса пользователя, которые позволят оценить скорость реакции пользователя, частоту этих реакций, утомляемость и т.п. Необходимо отметить, что такие ошибки очень критичны с точки зрения коммерческого успеха разрабатываемого ПО, т.к. они будут в первую очередь оцениваться потенциальным заказчиком.

Ошибки вычислений.

Выделяют следующие причины возникновения таких ошибок:

• неверная логика (может быть следствием, как ошибок проектирования, так и кодирования);
• неправильно выполняются арифметические операции (как правило — это ошибки кодирования);
• неточные вычисления (могут быть следствием, как ошибок проектирования, так и кодирования). Очень сложная тема, надо выработать свое отношение к ней с точки зрения разработки безопасного ПО.

Выделяются подпункты: устаревшие константы; ошибки вычислений; неверно расставленные скобки; неправильный порядок операторов; неверно работает базовая функция; переполнение и потеря значащих разрядов; ошибки отсечения и округления; путаница с представлением данных; неправильное преобразование данных из одного формата в другой; неверная формула; неправильное приближение.

Ошибки управления потоком.

В этот раздел относится все то, что связано с последовательностью и обстоятельствами выполнения операторов программы.

• очевидно неверное поведение программы;
• переход по GOTO;
• логика, основанная на определении вызывающей подпрограммы;
• использование таблиц переходов;
• выполнение данных (вместо команд). Ситуация возможна из-за ошибок работы с указателями, отсутствия проверок границ массивов, ошибок перехода, вызванных, например, ошибкой в таблице адресов перехода, ошибок сегментирования памяти.

Ошибки обработки или интерпретации данных.

• проблемы при передаче данных между подпрограммами (сюда включены несколько видов ошибок: параметры указаны не в том порядке или пропущены, несоответствие типов данных, псевдонимы и различная интерпретация содержимого одной и той же области памяти, неправильная интерпретация данных, неадекватная информация об ошибке, перед аварийным выходом из подпрограммы не восстановлено правильное состояние данных, устаревшие копии данных, связанные переменные не синхронизированы, локальная установка глобальных данных (имеется в виду путаница локальных и глобальных переменных), глобальное использование локальных переменных, неверная маска битового поля, неверное значение из таблицы);
• границы расположения данных (сюда включены несколько видов ошибок: не обозначен конец нуль-терминированной строки, неожиданный конец строки, запись/чтение за границами структуры данных или ее элемента, чтение за пределами буфера сообщения, чтение за пределами буфера сообщения, дополнение переменных до полного слова, переполнение и выход за нижнюю границу стека данных, затирание кода или данных другого процесса);
• проблемы с обменом сообщений (сюда включены несколько видов ошибок: отправка сообщения не тому процессу или не в тот порт, ошибка распознавания полученного сообщения, недостающие или несинхронизированные сообщения, сообщение передано только N процессам из N+1, порча данных, хранящихся на внешнем устройстве, потеря изменений, не сохранены введенные данные, объем данных слишком велик для процесса-получателя, неудачная попытка отмены записи данных).

Повышенные нагрузки.

При повышенных нагрузках или нехватке ресурсов могут возникнуть дополнительные ошибки. Выделяются подпункты: требуемый ресурс недоступен; не освобожден ресурс; нет сигнала об освобождении устройства; старый файл не удален с накопителя; системе не возвращена неиспользуемая память; лишние затраты компьютерного времени; нет свободного блока памяти достаточного размера; недостаточный размер буфера ввода или очереди; не очищен элемент очереди, буфера или стека; потерянные сообщения; снижение производительности; повышение вероятности ситуационных гонок; при повышенной нагрузке объем необязательных данных не сокращается; не распознается сокращенный вывод другого процесса при повышенной загрузке; не приостанавливаются задания с низким приоритетом.

Ошибки тестирования.

Являются ошибками сотрудников группы тестирования, а не программы. Выделяются подпункты:

• пропущенные ошибки в программе;
• не замечена проблема (отмечаются следующие причины этого: тестировщик не знает, каким должен быть правильный результат, ошибка затерялась в большом объеме выходных данных, тестировщик не ожидал такого результата теста, тестировщик устал и невнимателен, ему скучно, механизм выполнения теста настолько сложен, что тестировщик уделяет ему больше внимания, чем результатам);
• пропуск ошибок на экране;
• не документирована проблема (отмечаются следующие причины этого: тестировщик неаккуратно ведет записи, тестировщик не уверен в том, что данные действия программы являются ошибочными, ошибка показалась слишком незначительной, тестировщик считает, что ошибку не будет исправлена, тестировщика просили не документировать больше подобные ошибки).

Ошибка выявлена и забыта.

Описываются ошибки использования результатов тестирования. По-моему, раздел следует объединить с предыдущим. Выделяются подпункты: не составлен итоговый отчет; серьезная проблема не документирована повторно; не проверено исправление; перед выпуском продукта не проанализирован список нерешенных проблем.

Необходимо заметить, что изложенные в 2-х последних разделах ошибки тестирования требуют для устранения средств автоматизации тестирования и составления отчетов. В идеальном случае, эти средства должны быть проинтегрированы со средствами и технологиями проектирования ПО. Они должны стать важными инструментальными средствами создания высококачественного ПО. При разработке средств автоматизированного тестирования следует избегать ошибок, которые присущи любому ПО, поэтому нужно потребовать, чтобы такие средства обладали более высокими характеристиками надежности, чем проверяемое с их помощью ПО.

Меры по повышению надежности программного обеспечения

Лучшим и самым оптимальным способом (если не брать во внимание научно-технический прогресс и постоянное развитие IT-технологий, которые способствуют повышению качества характеристик программ) повышения надёжности программного обеспечения является строжайший контроль продукции на выходе с предприятия.

В последние годы сформировалась комплексная система управления качеством продукции TQM (Totaly Quality Management), которая концептуально близка к предшествующей более общей системе на основе стандартов ИСО серии 9000. Система ориентирована на удовлетворение требований потребителя, на постоянное улучшение процессов производства или проектирования, на управление процессами со стороны руководства предприятия на основе фактического состояния проекта. Основные достижения TQM состоят в углублении и дифференциации требований потребителей по реализации процессов, их взаимодействию и обеспечению качества продукции. Системный подход поддержан рядом специализированных инструментальных средств, ориентированных на управление производством продукции. Поэтому эта система пока не находит применения в области обеспечения качества жизненного цикла программных средств.

Применение этого комплекса может служить основой для систем обеспечения качества программных средств, однако требуется корректировка, адаптация или исключение некоторых положений стандартов применительно к принципиальным особенностям технологий и характеристик этого вида продукции. Кроме того, при реализации систем качества необходимо привлечение ряда стандартов, формально не относящихся к этой серии и регламентирующих показатели качества, жизненный цикл, верификацию и тестирование, испытания, документирование и другие особенности комплексов программ.

Активные методы повышения надежности ПС совершенствуются за счет развития средств автоматизации тестирования программ. Сложность ПС и высокие требования по их надежности требуют выработки принципов структурного построения сложных программных средств, обеспечивающих гибкость модификации ПС и эффективность их отладки. К таким принципам в работе относят:

• модульность и строгую иерархию в структурном построении программ;
• унификацию правил проектирования, структурного построения и взаимодействия компонент ПС;
• унификацию правил организации межмодульного интерфейса;
• поэтапный контроль полноты и качества решения функциональных задач.

Заключение

Несмотря на очевидную актуальность, вопрос надежности программного обеспечения не привлекает должного внимания. Вместе с тем, даже поверхностный анализ проблемы с теоретико-вероятностной точки зрения позволяет выявить некоторые закономерности.

В заключение можно подвести итог:

• В программном обеспечении имеется ошибка, если оно не выполняет того, что пользователю разумно от него ожидать;
• Отказ программного обеспечения — это появление в нем ошибки;
• Надежность программного обеспечения — есть вероятность его работы без отказов в течении определенного периода времени, рассчитанного с учетом стоимости для пользователя каждого отказа.

Из данных определений можно сделать важные выводы:

• Надежность программного обеспечения является не только внутренним свойством программы;
• Надежность программного обеспечения — это функция как самого ПО, так и ожиданий (действий) его пользователей.

• большая сложность ПО, например, по сравнению с аппаратурой ЭВМ;
• неправильный перевод информации из одного представления в другое.