一種基于C#的Cantata工具變更過程改進方法

　　摘要: 航空發(fā)動機控制軟件在升級過程中使用 Cantata 工具開展單元測試活動時，存在著未變更函數(shù)的 Cantata 測試腳本需重新人工隔離插樁，致使時間和人力耗費的問題。通過研究 Cantata 自動生成測試腳本的過程及插樁特點，提出了一種基于 C#的 Cantata 工具變更過程改進方法。該方法通過 C#語言結(jié)合正則表達式進行代碼分析，識別出升級過程中的變更函數(shù)和全局變量，并按照 Cantata 插樁格式，自動完成測試腳本更新工作。詳細介紹了該方法的設(shè)計過程，并在某型航空發(fā)動機控制軟件升級過程中進行實踐應(yīng)用。實踐結(jié)果表明，該方法可準確識別源碼信息并完成變更前后的差異比對，能正確快速實現(xiàn)未變更函數(shù)的自動隔離插樁工作，有效解決了人力和時間消耗的問題，對回歸測試效率有極大提升。

　　本文源自測控技術(shù)2021-02-01《測控技術(shù)》雜志，月刊，于1982年經(jīng)國家新聞出版總署批準正式創(chuàng)刊，由中國航空工業(yè)集團有限公司主管，中國航空工業(yè)集團北京長城航空測控技術(shù)研究所主辦的學(xué)術(shù)性刊物，本刊在國內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：綜述、航空裝備保障與維修技術(shù)專題、數(shù)據(jù)采集與處理等。

　　關(guān)鍵詞: DO-178C; 嵌入式系統(tǒng); 單元測試; C#

　　航空發(fā)動機控制軟件( 簡稱控制軟件) 是一種嵌入式軟件，根據(jù)《民航機載軟件適航標準 DO-178》的規(guī)定，屬于安全關(guān)鍵軟件[1]。為滿足適航認證，控制軟件必須要達成 DO-178C 提出的各項指標要求。其中，針對低層需求與高層需求的符合性這一目標，執(zhí)行單元測試并建立追溯關(guān)系是一種常見的實現(xiàn)手段。

　　針對嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境不一致的現(xiàn)象，單元測試具有可在宿主機環(huán)境下執(zhí)行、能提早測試介入時機且最大程度降低測試活動對目標環(huán)境依賴性等優(yōu)點; 然而，單元測試也存在著的測試驅(qū)動難編寫、測試程序難管理、測試結(jié)果難界定等問題。對此，市場上出現(xiàn)了一批如 Cppunit、Jnuit 等開源測試框架[2]和 cantata、TestBed、Qt、TBrun 等單元測試軟件[3 - 5]。

　　其中 QA Systems 公司推出的 cantata 單元測試工具，可提供基于 DO-178B 的覆蓋率分析，目前已在國內(nèi)外航空航天軟件的單元測試活動中得到廣泛應(yīng)用[6 - 10]。該工具針對 C /C + + 語言，通過使用 EGT 分析器提取源碼信息，結(jié)合插樁器和自動封裝技術(shù)，實現(xiàn)測試腳本一鍵生成; 通過提供測試用例管理器，實現(xiàn)測試用例便捷管理; 通過運行結(jié)果自動比對、覆蓋結(jié)果樹形分析技術(shù)，縮短測試驗證時間，確保驗證結(jié)論的正確性和完整性。

　　然而，由于 cantata 工具在執(zhí)行單元測試活動時所有過程均需基于服務(wù)器執(zhí)行，而且工具對被測單元的隔離插樁過程與被測單元所屬文件有直接關(guān)聯(lián)。這就導(dǎo)致軟件升級時，若被測單元所屬文件發(fā)生變化，即使被測單元未發(fā)生更改，原有的單元測試用例也需要重新隔離插樁才能通過。由于隔離插樁過程需要人工操作，另外受到服務(wù)器響應(yīng)和處理時間長的制約，在實際執(zhí)行控制軟的 cantata 單元測試回歸時，需要耗費大量時間和人力來更新未變更函數(shù)的隔離插樁。

　　目前，國內(nèi)外的相關(guān)研究文獻，主要集中在對 cantata 單元測試方法和工具使用的介紹說明[6 - 10]。針對本文提出的這一問題，尚未有具體解決方案。筆者提出了一種基于 C#的 cantata 工具變更過程改進方法。通過分析 cantata 工具的單元測試插樁結(jié)果，提煉出工具的插樁規(guī)則，進而結(jié)合 C#與正則表達式，完成源代碼變更前后差異分析，并依照提煉的插樁規(guī)則，自動修改測試用例管理器中的測試腳本和被插樁后的代碼，實現(xiàn)未變更函數(shù)的自動隔離插樁。從而解決人工操作繁瑣，解決隔離插樁過程對 cantata 服務(wù)器強依賴的問題。

　　1 基于 C#的 cantata 變更過程改進方法

　　1. 1 整體方案分析

　　cantata 工具執(zhí)行單元測試過程主要由源代碼隔離插樁、測試腳本生成、可執(zhí)行文件構(gòu)建和運行這 4 個活動組成，各活動均由服務(wù)器執(zhí)行并將相應(yīng)結(jié)果返回給用戶，具體如圖 1 所示。

　　由于 cantata 工具使用 c 文件作為自動封裝的最小單位( 一個自動封裝可包含多個 c 文件) ，當(dāng)被測單元所處自動封裝中的 c 文件出現(xiàn)全局變量、函數(shù)或外部函數(shù)調(diào)度變化時，即使被測函數(shù)不存在任何變更，也必須更新自動封裝，重新執(zhí)行隔離插樁，才能確保單元測試用例執(zhí)行通過。

　　cantata 測試用例管理器通過管理 test _FuncX. c、 test. mk 和 ipg. cop 這 3 個文件來管控生成的測試腳本和被插樁代碼。

　　其中 test. mk 是測試腳本的 makefile 信息，用來指導(dǎo) Build 構(gòu)建器編譯生成可執(zhí)行文件; ipg. cop 是測試級別配置文件，描述需要被隔離的全局變量和函數(shù)，指導(dǎo) cantata 工具自動生成被測函數(shù) FuncX( ) 的隔離插樁信息; test_FuncX. c 是被測函數(shù) FuncX( ) 的測試腳本，用來存儲被測函數(shù)的環(huán)境定義、覆蓋率分析方式、測試用例和隔離插樁接口等信息。

　　據(jù)此，在進行工具二次開發(fā)時，通過執(zhí)行代碼分析，識別出變更后代碼新增、刪除的全局變量、函數(shù)及函數(shù)調(diào)用信息，再將這些信息按照 cantata 單元測試的格式要求，更新到 test_FuncX. c、test. mk 和 ipg. cop 中去，實現(xiàn)對未變更單元的測試腳本和被插樁代碼的更新。二次開發(fā)后的 cantata 單元測試原理如圖 2 所示。由圖2 可以看出，基于 C#的 cantata 工具二次開發(fā)可以脫離對服務(wù)器的依賴，自動識別源碼的變更信息，完成測試腳本和被插樁代碼的修改。

　　1. 2 cantata 插樁規(guī)則提煉

　　通過分析 cantata 單元測試結(jié)果，對 cantata 插樁規(guī)格進行了提煉。圖 3 展示了某待測試文件 XX. c 的文件結(jié)構(gòu)，包含有全局變量 GLB _ a、函數(shù) FuncX( ) 和 FuncY( ) ，其中 FuncY( ) 調(diào)用了一個外部函數(shù) UT_a ( ) 。

　　當(dāng) FuncX( ) 作為被測函數(shù)時，cantata 工具對 test_ FuncX. c、test. mk 和 ipg. cop 文件插樁規(guī)則如下。

　　test_FuncX. c 中，待隔離函數(shù) FuncY( ) 的插樁規(guī)則如下函數(shù)隔離規(guī)則: / * Iaolate for function FuncY * / void ISOLATE_FuncY( void) { REGISTER_CALL( “FuncY”) ; IF_INSTANCE( “default”) { return; } LOG_SCRIPIT_ERROR( “Call instance not defined. ”) ; Return; }

　?、?test_FuncX. c 中，全局變量 GLB_a 量的隔離規(guī)則: / * Global data * / int GLB_a; / * Expected variables for global data * / int expected_GLB_a; static void initialse_global_data( ) { TEST _ SCRIPT _WARNING( “Verify initialse _global _ data ( ) \ n”) ; INITIALISE( GLB_a) ; } static void initialse_expected_global_data( ) { TEST _ SCRIPT _ WARNING( “Verify initialse _ expected _ global_data( ) \ n”) ; COPY_TO_EXPECTED( GLB_a，expected_GLB_a) ; } static void check_global_data( ) {TEST_SCRIPT_WARNING( “Verify check_global_data( ) \ n”) ; CHECK_MEMORY( “GLB_a”，&GLB_a，&expected_GLB _a，sizeof( expected_GLB_a) ) ; }

　　ipg. cop 中，待隔離函數(shù) funcY( ) 和 UT_a( ) 的插樁規(guī)則: “- - sm: - - isolate: FunY( ) ” “- - sm: - - isolate: UT_a( ) #FunY( ) ” ④ ipg. cop 中，全局變量 GLB_a 的隔離規(guī)則: “- - sm: - - access_variable: ”XX. c”: GLB_a”

　　1. 3 二次開發(fā)方法設(shè)計

　　基于 C#進行 cantata 工具二次開發(fā)時，主要難點在于源代碼分析和變更差異比對。對此，以文件為單位，設(shè)計了文件信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具體的文件信息類圖如圖 4 所示。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過對頭文件引用、宏、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、全局變量、函數(shù)聲明、函數(shù)等信息進行分類存儲，實現(xiàn)變更差異的快速識別和比對。

　　文件信息提取流程如圖 5 所示。為便于使用正則表達式提取源碼中的有效信息，首先需對源碼進行規(guī)格化處理，具體為剔除源碼中由條件編譯忽略的代碼、注釋代碼、不規(guī)范和冗余的空格信息。由于條件編譯的判斷條件多使用宏信息，故需先對源碼進行一次宏定義分析，再按照定制的形式進行規(guī)格化處理，導(dǎo)出規(guī)格化后的源碼。

　　源碼規(guī)格化后，按照各數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型特點設(shè)計相應(yīng)的正則表達式，依次提取頭文件引用、宏定義、基本數(shù)據(jù)類型、特殊數(shù)據(jù)類型、函數(shù)聲明、全局變量、函數(shù)信息，完成源碼的文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提取。其中特殊數(shù)據(jù)類型特指枚舉、位域結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)體類型，另外考慮到同義宏的存在，設(shè)計了遞歸方法執(zhí)行同義宏的分類和存儲。

　　完成變更前后源碼的文件信息提取后，以文件為單位采用循環(huán)遍歷的方式，判斷并記錄對應(yīng)文件中所有全局變量、函數(shù)及函數(shù)調(diào)用的變更狀態(tài)( 共設(shè)計 3 種狀態(tài): 增加、刪除、無變化) 。依據(jù)記錄的變更狀態(tài)，按照 cantata 隔離插樁格式要求，更新用例管理器中未變化函數(shù)的單元測試用例腳本，實現(xiàn)未變更部分的自動隔離插樁。

　　2 項目應(yīng)用實踐與結(jié)果分析

　　在某項目升級過程中，應(yīng)用基于 C #的 cantata 工具二次開發(fā)方法。通過選中變更前后源碼及 cantata 測試用例管理器的位置，一鍵運行后，完成受升級影響的非變更測試用例隔離插樁的自動修改。具體運行界面如圖 6 所示。

　　更改結(jié)果顯示，此次變更前后源碼共涉及 17 個文件、9 個 全 局 變 量、81 個 函 數(shù) 的 變 更。使 用 Beyond Compare 工具比對變更前后源碼并人工分析，結(jié)果顯示與 C #的 cantata 工具二次開發(fā)方法提取的結(jié)果一致，信息提取功能和變更比對功能正常。

　　此次變更前共計有 436 個單元測試腳本，變更前后共影響到 123 個測試腳本的關(guān)聯(lián)修改，修改量占比 28. 2% 。以其中一個關(guān)聯(lián)修改的測試腳本為例，進行分析:

　　task. c 文件共有 5 個函數(shù)，比對變更前后的源碼，其中僅 task_bigLoop( ) 函數(shù)里新增了函數(shù)調(diào)度 ISM _ Excute25ms( ) ，同步會影響該 c 文件中其他 4 個未變更函數(shù)測試腳本的隔離插樁。觀察分析對應(yīng)未變更函數(shù)自動修改后的測試腳本可見，測試腳本中均按照格式要求完成了腳本修改，具體結(jié)果如圖 7 所示。

　　完成 81 個變更函數(shù)對應(yīng)的測試腳本修改后，在 Score 環(huán)境下批跑所有的 444 個測試腳本，導(dǎo)出結(jié)果如圖 8 所示。結(jié)果顯示所有自動隔離插樁的函數(shù)均通過，其中 11 個未通過的函數(shù)均為特殊實現(xiàn)原因?qū)е赂采w率無法滿足的函數(shù)，與自動隔離插樁過程無關(guān)。

　　基于 cantata 服務(wù)器進行人工手動隔離插樁時，平均每個測試腳本需花費大約 10 min。使用二次開發(fā)方法后，平均只需要不到 3 min 即可完成所有未變更函數(shù)測試腳本隔離插樁工作。以本次 123 個測試腳本的關(guān)聯(lián)修改為例，二次開發(fā)方法可有效節(jié)省約 20. 45 人時，測試工作效率有極大提升。

　　綜上結(jié)果證明，基于 C#的 cantata 工具二次開發(fā)方法可準確識別變更前后的源碼信息并完成差異比對，能正確并快速實現(xiàn)未變更函數(shù)的自動隔離插樁工作。

　　3 結(jié)束語

　　通過分析航空發(fā)動機控制軟件升級過程，在依賴 cantata 工具進行單元測試回歸時，存在未變更函數(shù)的測試腳本需重新人工手動隔離插樁，導(dǎo)致時間和人力耗費的問題。提出了一種基于 C#的 cantata 工具二次開發(fā)方法，項目實踐與分析結(jié)果表明，該方法能準確識別變更信息，正確并快速實現(xiàn)未變更函數(shù)的自動隔離插樁。極大提升了基于 cantata 進行升級過程的單元測試效率，為達成 DO-178C 中低層需求與高層需求的符合性這一目標提供了有力支撐。

　　目前基于 C#的 cantata 工具二次開發(fā)方法已在 3 個項目的 5 次升級過程中得到應(yīng)用，結(jié)果均正確可靠。但相較于市面上常見的源碼分析工具( 如 Eclipse CDT 提供的 API) ，本方法尚不支持函數(shù)內(nèi)部語法分析，也未與同類型代碼分析工具進行優(yōu)劣比對分析，可作為后續(xù)研究的一個方向。