嚴(yán)悍等

摘 要： 針對場景測試法中多場景切換代價優(yōu)化問題，在復(fù)合狀態(tài)分析、邏輯蘊含概念基礎(chǔ)上，從測試場景結(jié)構(gòu)分解的角度，給出狀態(tài)蘊含和場景蘊含關(guān)系的定義及推論，由場景蘊含形成場景蘊含圖SIG，然后采用圖論方法求解優(yōu)化路徑。給出系統(tǒng)化處理方法，并與其他方法比較。最后實例驗證該方法的有效性。

關(guān)鍵字： 場景測試法； 蘊含關(guān)系； 路徑優(yōu)化； 場景蘊含圖； 狀態(tài)蘊含

中圖分類號： TN911?34； TP311 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）12?0118?05

0 引 言

場景測試法[1]（Scenario Test）也稱為用例測試法（Use Case Test），是一種軟件黑盒測試方法，廣泛用于復(fù)雜交互式軟件測試，尤其適用于嵌入式軟件的分布式測試。分布式測試中人員、設(shè)備和測試對象都具有特定的地理分布要求，導(dǎo)致測試場景的構(gòu)建和撤銷代價較大。如何通過減少場景數(shù)量、避免重建場景、優(yōu)化場景切換路徑來減少代價，提高測試效率，已成為一個重要且亟待解決的問題。場景測試法依據(jù)測試需求形成多個不同測試場景。測試實施中先建立場景、執(zhí)行測試用例、撤銷場景，再建下一個場景，如此循環(huán)直到完成所有場景。對于多場景執(zhí)行次序目前缺乏科學(xué)有效的定義和方法指導(dǎo)。多場景執(zhí)行次序如果選擇不當(dāng)，將導(dǎo)致重復(fù)建設(shè)和浪費。當(dāng)測試失敗時往往需要重建多個場景后重測，代價更大。

Jacobson在文獻[2?3]中提出用例驅(qū)動的軟件工程思想，在此基礎(chǔ)上IBM Rational公司在RUP2000中提出場景測試法。該方法未說明多場景執(zhí)行的次序。文獻[4]采用用例行為矩陣度量場景的優(yōu)先級，通過該優(yōu)先級對多個場景進行排序和路徑合并，從而減少測試代價。文獻[5]先依據(jù)用例事件流建立事件有向樹，然后對該樹進行路徑搜索，最后合并子路徑，提高場景重用率。文獻[6]依據(jù)業(yè)務(wù)流選擇部分場景優(yōu)先測試，減少測試代價的同時保證功能可用性。以上研究大多側(cè)重于測試場景的行為特征，而忽視場景結(jié)構(gòu)特性。本文通過研究測試場景結(jié)構(gòu)、復(fù)合狀態(tài)分析、邏輯蘊含概念，通過狀態(tài)蘊含和場景蘊含關(guān)系，探索一種新思路來減少多場景切換代價。

1 測試場景的構(gòu)成與場景蘊含

首先分析場景簡單切換的問題，給出狀態(tài)蘊含和場景蘊含的關(guān)系。

1.1 測試場景的簡單切換

在一般場景測試法中，測試一個場景s1前構(gòu)建該場景，測試完成后需撤銷該場景。場景切換就是撤銷前一個場景并構(gòu)建下一個場景的過程，如圖1所示。

圖1中假設(shè)場景s1的構(gòu)建代價為b1，撤銷代價為d1，場景s2的構(gòu)建代價為b2，撤銷代價為d2，那么在由s1切換到s2時，切換代價可量化為d1+b2，由s2切換到s1時，代價為d2+b1。這種切換稱為簡單切換。這種切換可能導(dǎo)致重復(fù)構(gòu)建/撤銷。以s1切換到s2為例，如果s1中的部分對象在s2中也要使用，那么切換時就額外增加了撤銷和重建的代價。

簡單切換的好處是可在任意兩個場景之間進行切換，缺點是代價高。

將場景作為結(jié)點，簡單切換作為有向邊，切換代價作為邊權(quán)值，就可形成一個賦權(quán)有向圖，而且該圖是有向完全圖?；谠搱D選擇任何路徑都無法得到優(yōu)化，原因是簡單切換邊不能表示場景之間內(nèi)在的蘊含關(guān)系。

1.2 場景和狀態(tài)蘊含關(guān)系

定義1：測試場景。一個測試場景s是針對一個或幾個用例的測試需求，由一組語境對象組成的執(zhí)行環(huán)境，這些對象具有特定的類型、個體及其狀態(tài)的要求。場景s的語境對象的集合記為c（s）。

圖2表示測試場景中的語境對象的性質(zhì)。

圖2 測試場景的構(gòu)成

圖2中一個測試場景包含一個或多個語境對象，而且每個語境對象都具有類型、個體及其狀態(tài)的限定。語境對象按類別可劃分為：測試人員、測試設(shè)備、測試對象。其中，測試對象可能是一套受測軟件，或者一組構(gòu)件，或者一組對象，或者單個對象（最簡單場景）。

由定義1可知，兩個測試場景之間的差別就是其語境對象之間的差別，即對象類型、對象個體及其狀態(tài)的差別。下面分析對象狀態(tài)之間關(guān)系及其對測試用例（test case，下稱測例）執(zhí)行的作用機制。

UML狀態(tài)機定義了一個對象的2個狀態(tài)s1s2之間可能具有子狀態(tài)的復(fù)合關(guān)系。假設(shè)s1是s2的一個子狀態(tài)，若處于s1態(tài)則必處于s2態(tài)，反之不然[7]。

定義2：狀態(tài)蘊含。設(shè)一個語境對象有狀態(tài)s1和s2，若s1是s2的一個子狀態(tài)，則s1s2有狀態(tài)蘊含關(guān)系，記作s1→s2。

直觀理解，若s1→s2，則s2態(tài)表示較簡單場景，s1態(tài)較復(fù)雜且具有更多屬性限制要求，即針對s1態(tài)測試的判定斷言比針對s2更多。

推論1：一個測例tc對s1s2態(tài)分別測試，有s1→s2，若s2測試失敗，則s1也失敗，記為fail（tc，s2）→fail（tc，s1）。

直觀理解，若較簡單場景測試失敗，則較復(fù)雜場景也失敗。

證明，因s1→s2，s1驗證需要比s2更多判定斷言，且增加的斷言（記為s1.newAssert）都以合取式出現(xiàn)。假設(shè)s2的斷言為s2.assert，那么s1的斷言式為s2.assert∧s1.newAssert。若s2測試失敗，則s2.assert為假，此時s1的斷言式也為假，故s1測試也失敗，證畢。

該推論的逆否形式也成立，若s1測試成功，則s2也成功，記為success（tc，s1）→succss（tc，s2）。

推論2：一個測例tc在s1s2兩個狀態(tài)分別測試，且有s1→s2，則應(yīng)先創(chuàng)建s2場景測試，再切換到s1場景測試。

這是推論1的一個簡單延伸。先測試簡單場景s2，后測試較復(fù)雜場景s1。若s2測試成功，再測試s1。若s2測試失敗，由推論1知，s1也推定失敗而無需再切換到更復(fù)雜場景，從而減少代價。該推論為多場景測試提供了優(yōu)化依據(jù)：從較簡單到復(fù)雜場景逐步測試，若測試成功則進入子狀態(tài)來測試更復(fù)雜場景，而未撤銷任何語境對象，直接減少代價；若測試失敗則可立即斷定從成功場景到失敗場景的新加斷言失敗，范圍小易分析原因，也減少測試代價。

推論3：設(shè)有兩個不同測例tc1，tc2，若tc1需測試狀態(tài)s1，tc2需測試狀態(tài)s2，且有s1→s2，則只需狀態(tài)s1就能滿足tc1和tc2的測試要求。

實際上，tc2測試s1與測試s2具有相同的判定斷言的結(jié)果。

證明：因tc2針對s2態(tài)測試，故tc2僅持有s2的判定斷言s2.assert。而tc1持有斷言為s2.assert∧s1.newAssert。由推理1，success（tc2，s1）→succss（tc2，s2），即tc2測試s1若成功，則測試s2也成功。若tc2測試s1失敗，則其斷言s2.assert判定為假，故此測試s2也失敗。兩者斷言判定結(jié)果相同，證畢。

由推論3可能將兩個測試場景合并為一個，能同時滿足多個測例需求，減少測試場景數(shù)量，也就減少測試代價。

1.3 場景蘊含關(guān)系

定義3：場景差。設(shè)s1，s2是2個測試場景，場景差是從場景s1切換到s2的語境對象的差別，記為c（s2）-c（s1）。

定義4：場景蘊含。設(shè)s1，s2是兩個測試場景，c（s2）-c（s1）=M，若M=[?]，或M非空，且M僅包含新建對象；或至少一個語境對象從場景s1到s2轉(zhuǎn)換為其一個子狀態(tài)，即有狀態(tài)蘊涵；前兩種情形兼有，則稱場景s2蘊含s1，記為s2→s1。

若c（s1）-c（s2）=[?]，表示2個場景具有相同的對象類別、數(shù)量和狀態(tài)，此時2個場景s1s2互相蘊含，語義上表示從測試等價類角度看，這2個場景屬于同一類。

直觀理解，兩個場景之間的蘊含關(guān)系有4種情形：

（1） 相互蘊含；

（2） 后場s2加入新對象；

（3） 后場s2中一個或多個語境對象轉(zhuǎn)入其子狀態(tài)，往往添加屬性值或關(guān)聯(lián)；

（4） 情形（2）、（3）并存。

推論4：場景蘊涵關(guān)系是一種偏序關(guān)系。

證明：

（1） 自反。對于任一個場景s1，s1蘊含s1，即s1→s1成立，證明略。

（2） 反對稱。對于任意2個不同場景s1和s2，若s1→s2，則s2→s1不成立。

證明：反證法，假設(shè)s1→s2成立時，s2→s1也成立，則由定義4可得c（s2）-c（s1）=M，c（s1）-c（s2）=M，則c（s1）=c（s2），s1與s2是相同場景，與前提矛盾，證畢。

（3） 傳遞性。對于任意3個不同場景s1、s2和s3，若s1→s2，s2→s3，則s1→s3。

證明：由定義4，可得c（s1）-c（s2）=M1，c（s2）-c（s3）=M2，兩式相加，得c（s1）-c（s3）=M1+M2，M1+M2滿足定義4中M的條件（子狀態(tài)的復(fù)合關(guān)系有傳遞性），故s1→s3成立。

2 路徑優(yōu)化方法

定義5：場景蘊含圖SIG（Scenario Implication Graph）。一個場景蘊含圖G={V，E}是一個有向圖，其中V是場景集合，E是有向邊集合，若e=∈E，當(dāng)且僅當(dāng)s2→s1且s1≠s2成立。

場景蘊含圖中有向邊表示兩個場景之間的逆蘊含關(guān)系，直觀理解為從較簡單場景指向較復(fù)雜場景，但圖中取消了自反所導(dǎo)致的自回路。

推論5：場景蘊含圖不存在回路。

證明：由推論4，場景蘊含關(guān)系是一種偏序關(guān)系，在取消自回路的前提下，場景蘊含圖是哈斯圖，哈斯圖無回路[8]。

推論6：一個場景蘊含圖作為有向無環(huán)圖，若存在一條哈密爾頓路徑[8]（Hamilton Path，簡稱H路徑），則該路徑就是優(yōu)化的場景切換路徑。

證明：

（1） 由H路徑定義可知，覆蓋所有場景一次且僅一次；

（2） H路徑從簡單場景到復(fù)雜場景，由推論2可知，沿該路徑測試無論成功或失敗，場景切換代價都可控制到最低。

一個場景蘊含圖不一定存在H路徑。若不連通則不存在H路徑。即便連通也不一定存在H路徑。對于一個有向無環(huán)圖，難以簡單求解H路徑。文獻[9]給出一種復(fù)雜的求解方法。

因此本文主張，對有向無環(huán)圖先求其最長路徑，嘗試覆蓋盡可能多的場景結(jié)點。若能覆蓋所有結(jié)點則得到一條H路徑；若不能覆蓋，所得到的最長路徑也可作為次優(yōu)解。

推論7：場景蘊含圖中存在入度為0的場景結(jié)點。證明略。

選擇入度為0的一個或多個場景作為起始結(jié)點，尋求最長路徑，再判斷處理。

如果圖中只有一個入度為0的結(jié)點，則作為單源最長路徑求解；如果有多個入度為0的結(jié)點，則分別作為源結(jié)點求最長路徑，然后在多條路徑中選擇最長路徑。

下面算法是對無環(huán)有向圖求單源最長路徑，采用廣度優(yōu)先搜索。然后找出最長路徑。算法如下：

（1） 根據(jù)廣度優(yōu)先算法標(biāo)記每一個結(jié)點到源結(jié)點的距離并按距離的大小形成隊列。具體過程略。

（2） 從距離最大的結(jié)點開始按距離遞減順序搜索父結(jié)點，直至到源結(jié)點，形成路徑。

輸入：排序后的場景隊列，按開始場景的距離降序排列；

輸出：最長路徑。

過程：path（R）

1. P ：= [?]

2. ENQUEUE（P，R.first）

3. d ：= R.first.d

4. for each vertex u in R

5. d ：= d-1

6. if u.d == d && u == P.last.super then

7. ENQUEUE（P，u）

8. end if

9. end for

10. return P

3 討論與比較

對一個場景蘊含圖G的系統(tǒng)化處理方法如下：

情形1，不連通。有2種方案可選：

方案1：子圖分割，形成多個連通子圖，再分別對各連通子圖按情形2處理。

方案2：在圖中添加第2.1節(jié)討論的簡單切換邊，每條邊添加邊權(quán)值，邊權(quán)值表示切換代價，蘊含邊的權(quán)值是新建對象和轉(zhuǎn)入子狀態(tài)操作的代價，形成一個賦權(quán)有向圖，再求解貨郎擔(dān)問題，即遍歷所有場景一次且僅一次，而且路徑邊權(quán)之和最小。

情形2，連通。求最長路徑P，然后在圖G中去掉P中結(jié)點和邊，剩下子圖若連通則繼續(xù)求最長路徑，若不連通則按情形1的子圖分割處理。

與其他相關(guān)方法進行比較見表1。

4 實例驗證

將該方法應(yīng)用于一個軟件測試實例，被測功能是開發(fā)人員持續(xù)上傳新版本移動應(yīng)用程序，使移動用戶能持續(xù)更新版本。

功能需求：對于一個移動應(yīng)用程序，服務(wù)器僅保留最新版本，包括一個apk文件，一個xml文件記錄當(dāng)前版本號以及版本說明。apk的版本號應(yīng)與xml中版本號一致。開發(fā)人員上傳新版本時，應(yīng)在頁面上輸入新版本號及版本說明，然后上傳apk文件。頁面輸入信息將記錄到xml文件中。

根據(jù)以上功能需求可識別該測試的基本流與備選流，描述如表2所示。

將基本流和備選流組合形成9個測試場景，如表3所示。分析場景間蘊含關(guān)系，形成場景蘊含圖，如圖3所示。為展示清楚，省略一些間接蘊含關(guān)系。對圖3計算最長路徑：場景6→場景5→場景7→場景1→場景4→場景8→場景9。該路徑未覆蓋場景3和2。根據(jù)第3節(jié)討論應(yīng)構(gòu)建賦權(quán)有向圖。

先確定權(quán)值量化規(guī)則如下：

（1） 添加或修改一個頁面屬性權(quán)值為1；

（2） 打包apk權(quán)值為5；

（3） 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)權(quán)值為3。

然后構(gòu)建賦權(quán)有向圖，如圖4所示。

對圖4再計算路徑：場景6→場景5→場景7→場景1→場景4→場景8→場景3→場景2→場景9，此路徑邊權(quán)和為37。若9個場景簡單隨機選擇，經(jīng)計算其平均邊權(quán)和為106。此實例的優(yōu)化率為[106-37106]=65%。采用文獻[5]的優(yōu)化率為44%。

5 結(jié) 語

本文從測試場景的結(jié)構(gòu)特征的角度，定義了場景蘊含關(guān)系，基于蘊含關(guān)系提出一種多場景測試路徑優(yōu)化方法，并給出針對場景蘊含圖SIG的系統(tǒng)化解決方法。該方法適用于多場景測試，尤其是場景切換代價較大的嵌入式分布式系統(tǒng)測試。

參考文獻

[1] 杜慶峰.高級軟件測試技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[2] JACOBSON I. Object oriented software engineering： a use case driven approach [M]. USA： ACM Press， 1992.

[3] JACOBSON I. Basic use?case modeling [J]. The Road to the Unified Software Development Process， 2000， 18： 167?172.

[4] KIM Y， CARLSON C R. Scenario based integration testing for object?oriented software development [C]// Proceedings of 1999 Eighth Asian Test Symposium. [S.l.]： IEEE， 1999： 283?288.

[5] 潘建勇，陳邦興.基于場景的測試用例設(shè)計方法研究[J].通信技術(shù)，2012，44（12）：77?80.

[6] 劉春玲，雷海紅.基于場景的信息系統(tǒng)黑盒測試方法[J].信息與電子工程，2012，10（4）：509?512.

[7] 劉佳，尹治本.基于對象狀態(tài)的面向?qū)ο筌浖y試方法研究[J].電腦知識與技術(shù)，2008，4（35）：2169?2170.

[8] 方世昌.離散數(shù)學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[9] ADLEMAN L M. Molecular computation of solutions to combinatorial problems [J]. Science?AAAS?Weekly Paper， 1994， 266（5187）： 1021?1023.