基于傳播鏈的缺陷定位及修復技術研究.pdf

1、缺陷作為軟件系統(tǒng)設計和維護過程中不可避免的產(chǎn)物，隨著軟件系統(tǒng)的規(guī)模和復雜程度的增加也在不斷增加。將軟件缺陷的定位與修復工作進行自動化，對于提升軟件調試效率以及軟件質量有著重要意義。多年來學術界和工業(yè)界一直致力于高效的、準確的缺陷定位和自動修復技術的研究，取得了不少進展。然而由于軟件缺陷作用機理的復雜性，目前的缺陷定位和自動修復技術仍然面臨很大挑戰(zhàn)。本文基于軟件執(zhí)行過程中錯誤的傳播過程，對現(xiàn)有的缺陷定位技術以及基于缺陷定位的自動修復技術修

2、復效果進行研究分析，并針對缺陷定位、補丁生成以及補丁驗證三個方面，研究基于測試用例聚類的缺陷定位優(yōu)化技術、基于可疑代碼集過濾的程序自動修復技術以及基于測試用例分組的迭代修復技術，提出了一系列提高缺陷定位能力和自動修復能力的優(yōu)化技術，并通過對大型開源軟件真實歷史錯誤進行缺陷定位和修復實驗，依據(jù)科學統(tǒng)計和度量方法驗證了這些優(yōu)化技術的效能。論文的主要研究工作及創(chuàng)新點如下：
　　1)從缺陷容忍和缺陷排除的角度出發(fā)，對現(xiàn)有的程序自動修復工具

3、的修復效果進行分析
　　在研究領域，缺陷容忍和缺陷排除是兩類主流的提升軟件可靠性和安全性的方式。現(xiàn)有的程序自動修復工具均專注于通過補丁生成的方式來修復目標程序暴露出來的故障，卻忽略了對修復效果的分析研究。本文通過收集兩種主流的軟件自動修復工具：Genprog以及CETI所生成的修復補丁，分析各個修復補丁中所修改的代碼與目標程序中的軟件缺陷之間的關聯(lián)性，研究現(xiàn)有修復工具的修復效果是傾向于實現(xiàn)缺陷容忍還是缺陷排除。此外，本文還提出了缺

4、陷復雜程度和錯誤深度的概念，通過缺陷所涉及的代碼數(shù)來簡單表示缺陷的復雜程度，以及通過從缺陷到失效所經(jīng)過的傳播鏈的長度和缺陷所影響的錯誤傳播鏈的數(shù)量來定義程序中所包含錯誤的深度，并分析統(tǒng)計了缺陷的復雜程度、錯誤深度與最終修復效果（生成補丁是屬于缺陷容忍還是缺陷排除？）之間的關聯(lián)程度。分析結果表明，現(xiàn)有程序自動化修復工具更多地是以缺陷容忍方式而不是缺陷排除方式來修復目標程序，缺陷的復雜程度越低、錯誤深度越小，就越可能通過缺陷排除的方式進行修

5、復，反之，則只能通過缺陷容忍的方式進行修復。
　　2)提出了基于測試用例聚類的缺陷定位技術優(yōu)化方法
　　基于程序譜的缺陷定位技術（SFL）是目前最為流行的一種缺陷定位技術，然而由于其是根據(jù)測試用例集來進行統(tǒng)計定位缺陷的，它的定位精度必然受到巧合正確性現(xiàn)象（coincidental correctness）的影響。巧合正確性是指在測試用例執(zhí)行過程中，缺陷所在代碼被執(zhí)行，但缺陷并未被激活或錯誤的傳播并未導致失效的情況，由于SFL

6、是根據(jù)執(zhí)行測試用例所覆蓋的代碼以及執(zhí)行結果來統(tǒng)計得到各個程序代碼為缺陷所在的可疑度，巧合正確的測試用例越多，其定位缺陷的精度就越受影響。本文通過對部分缺陷程序進行缺陷定位實驗，觀察到在巧合正確的測試用例之間，測試用例執(zhí)行過程中的錯誤的傳播鏈之間具有很高的相似性，基于這個觀測結果，假設在執(zhí)行所有巧合正確的測試用例時，其行為之間均具有很高的相似度，并提出了一種基于聚類分析的缺陷定位優(yōu)化方法TSAR(Test case Selection A

7、nd Reconsitution)，通過將測試用例進行聚類，并基于聚類來構建新的覆蓋矩陣來進行缺陷定位的可疑度計算，從而盡可能地削弱巧合正確性現(xiàn)象對SFL的定位精度的影響。實驗結果表明，在大部分情況下，通過TSAR能有效提高SFL的定位精度。
　　3)提出了基于可疑代碼集過濾的程序自動修復技術優(yōu)化方法
　　目前，自動化的程序修復技術往往是通過修改一處或多處的代碼來產(chǎn)生修復補丁，這些可進行修改的代碼集合通常是通過缺陷定位技術來

8、得到的,且被稱為可疑代碼集。然而，現(xiàn)有的可疑代碼集中往往包含大量與成功修復無關的代碼，這些代碼影響了自動修復的效率。本文提出了一種過濾可疑代碼集中無用代碼的方法SFCSF(Suspicious Faulty Code Snippet Filtering)，在保證修復成功率的同時可以有效地減少可疑代碼集的大小。SFCSF依托于基于程序譜的缺陷定位（SBFL）技術來獲得各個代碼的可疑值。基于錯誤的傳播鏈，SFCSF只從可疑代碼集中過濾出在錯

9、誤傳播鏈上那些可疑值即將發(fā)生變化的節(jié)點處代碼作為過濾后的可疑代碼集進行自動修復。實驗結果表明了SFCSF在大多數(shù)情況下能夠大大提高了自動修復工具的修復效率，但同時，SFCSF的有效性也受到了測試用例集的制約：程序譜過于相似的測試用例集將使得SFCSF失效。
　　4)提出了基于測試用例分組的迭代修復技術
　　在補丁驗證階段，自動化的程序修復技術往往使用測試用例集來驗證所生成補丁的有效性:只有使得所有測試用例的執(zhí)行結果均正確的補

10、丁才是正確的修復補丁。這種驗證方式表明現(xiàn)有的自動化的程序修復技術仍是基于缺陷排除的思想來生成并驗證補丁的，而忽略了部分修復的可能性。而本文之前的研究表明，修復結果大部分是缺陷容忍的。自動修復技術的目標與結果之間的矛盾性使得修復的成功率和效率受到很大影響，特別是針對復雜缺陷，現(xiàn)有的自動修復技術的修復效果并不理想。本文從實現(xiàn)缺陷容忍的角度出發(fā)，提出了一種基于測試用例分組的迭代修復方法，該方法根據(jù)測試用例的代碼執(zhí)行信息將測試用例進行分組，并基