9.2 软件可靠性模型

        软件可靠性模型(Software Reliability Model) 是指为估算软件的可靠性所建立的数学模型。

9.2.1 影响软件可靠性的因素

        影响软件可靠性的因素多种多样，包括软件产品的特性、开发过程、运行环境和投入等。识别和优化这些关键因素，可以显著提升软件的可靠性。

1. 运行剖面（环境）：运行环境和用户的使用方式。
2. 软件规模：规模越大更容易有bug
3. 软件内部结构：结构越复杂越容易有bug
4. 开发方法和开发环境：结构化开发方法能显著减少软件缺陷。
5. 软件的可靠性投入：早期投入更多资源在可靠性方面的设计和测试上更可靠。

9.2.2 软件可靠性的建模方法

一个软件可靠性模型通常由以下几部分组成

• 模型假设：
  • 代表性假设：选取的测试用例可以代表软件在实际运行时的环境和情况
  • 独立性假设：软件失效是独立事件，bug彼此之间没有因果关系或影响
  • 相同性假设：所有软件失效的影响或严重程度是相同的
• 性能度量：模型的输出
• 参数估计方法：某些度量的实际值无法直接获取，就需要估计参数的值。模型的参数通常由估计或预测两种方法来确定。
• 数据要求：

9.2.3软件的可靠性模型分类

1、种子法模型：在软件里故意加一点错误（种子），再测试看能找到几个。（比如种10个，找到5个，那就根据真实测试的bug数按比例推算系统的故障数）

2、失效率类模型：在一定时间内出错的次数。

3、曲线拟合类模型：使用统计方法来分析软件的复杂性和出错情况。

4、可靠性增长模型：记录下修复问题后，软件逐渐变好、失效减少的过程

5、程序结构分析模型：把软件看成一个包含不同部分（子程序、模块）的网络，分析它们之间的关系和每部分的可靠性，就像分析一个多车道公路系统中每条路的通畅度，来评估整体的可靠性。

6、输入域分类模型：根据软件在不同输入条件下运行时的表现来判断其可靠性。

7、执行路径分析方法模型：分析软件中不同路径的执行概率，看哪些路径有问题，哪些没有。

9.3 软件可靠性管理

        将可靠性目标、计划、任务、进度、修正措施等融入每个开发阶段，确保软件在各阶段的可靠性要求得到满足。以下是各阶段的主要活动：

1. 需求分析阶段：确定可靠性目标、影响因素、验收标准，制定管理框架和初步计划。
2. 概要设计阶段：确定可靠性度量，制定验收方案，进行可靠性设计和数据收集。
3. 详细设计阶段：继续设计、预测和调整可靠性活动，编制相关文档。
4. 编码阶段：进行可靠性测试和排错，收集数据并调整计划。
5. 测试阶段：进行集成和系统测试，评价可靠性，调整计划并编制报告。
6. 实施阶段：验收测试，排错，收集数据，调整可靠性模型并进行最终评价。

尽管目前的可靠性管理仍多停留在定性描述上，难以量化，如何在有限资源下实现预期的可靠性目标仍是软件项目管理的挑战。

9.4 软件可靠性设计

        软件可靠性设计是在设计阶段将可靠性要求融入软件中，以从根本上提高软件的可靠性并降低后期修改的成本和难度。

9.4.1 容错设计技术

9.4.2 检错技术

        通过在系统运行中监控并发现故障来提高软件可靠性的方法，但不能自动解决故障。其成功主要依赖于以下四大因素：

1、检测对象：

• 检测点：选择容易出错或影响较大的位置。例如：数据输入/输出接口、临界资源访问点、复杂算法的关键步骤。
• 检测内容：选取具有代表性且易于判定的软件行为或指标，例如：数据的合法性、系统状态的正确性、模块的执行结果。

2、检测延时：

        检测延时是指从故障发生到检测出故障的时间间隔，对故障处理的及时性至关重要。需要优化检测机制，减少检测延时。若延时过长，应更换检测点或采用更高效的检测方法。

3. 实现方式

• 结果范围检查：判断模块返回结果是否超出预期范围，超出即触发异常处理。
• 运行时间监控：检查模块或函数是否在规定时间内完成，超时视为可能故障。
• 状态标志位：为模块设置标志位，检测标志位的正确性来判断模块状态是否异常。
• 异常检测工具：利用现成的监控工具，自动捕获异常（如系统日志、断言机制）。
• 冗余结果比对：运行多个模块并比较其输出是否一致。

4. 处理方式

故障检测后的处理方式取决于系统的实时性要求和故障的严重程度：

• 完全停止：故障发生后立即停止软件运行并报警，常见于高安全性系统（如核电控制、医疗设备）。
• 部分停止：系统运行部分功能，减少故障对整体的影响。适用于容错设计较好的系统。
• 不停止：在故障点隔离后，继续运行其余模块。常见于高可靠性系统（如分布式系统）。

9.4.3 降低复杂度设计

        软件复杂度过高会显著增加开发、维护和测试的难度，当软件复杂度超出一定界限时，缺陷数目呈指数增长，可靠性降低。因此我们可以通过降低软件的复杂性来提高软件的可靠性。

1、复杂度

        软件复杂性是指软件系统的内部结构和行为复杂程度，主要包括：

模块复杂性：模块内部的复杂程度，包括：数据流的路径和分布、代码的长度及逻辑嵌套深度

结构复杂性：模块之间的关系，包括：模块间交互程度、数据共享的方式和频率、系统层次的深广。

2. 降低复杂度设计的措施

• 简化结构：通过模块化设计，将复杂的系统分解为功能单一、独立的模块。优化模块间的调用关系。
• 缩短代码长度：避免不必要的冗长代码，采用简洁、可读性高的编程风格。使用函数、方法等技术实现代码复用。
• 优化数据流：减少全局变量，使用局部变量或参数传递。合理设计输入/输出接口，确保数据流向清晰且高效。
• 限制嵌套深度：避免过深的嵌套循环或递归调用。
• 采用标准化设计：使用通用的设计模式和编程规范。