1. 软件可靠性的概述

1.1 定义

• 定义：在规定的时间周期内，规定的条件下，程序执行所要求的功能的能力

下边对高亮部分详细阐述：

1.1.1 规定的时间

• 规定时间的量度：运行时间
• 运行时间：
  • 包括软件系统运行后工作与挂起的累计时间
  • 属于随机变量

由于软件运行的环境与程序路径选取的随机性，软件的失效为随机事件，所以运行时间属于随机变量

1.1.2 规定的条件

• 指软件的运行环境。

  • 包括：硬件环境、软件支持环境、确定的软件输入域

• 主要是描述：

  • 软件系统运行时计算机的配置情况及对输入数据的要求
  • 并假定其他一切因素都是理想的

• 可有效地判断软件失效的责任在用户方还是开发方

• 软件运行剖面（规定条件的另一种描述）

  • 对系统使用条件的定义，即，关于软件可靠性描述中的规定条件

1.1.3 所要求的功能

• 功能不同导致可靠性不同的原因：
  功能不同 —> 调用子模块不同 —> 可靠性不同

1.2 定义的特点和意义

• 其定义描述的特点：
  • 用内在缺陷和外在失效来描述可靠性
  • 用概率的方法去描述可靠性
• 意义：使人们对软件可靠性进行量化评估成为可能

1.3 注意点

• 描述的软件对象必须明确（指明界限）
• 软件失效必须明确定义
• 必须假设硬件无故障、软件有关变量的输入值正确
• 规定的时间必须指明时间基准（见2.1）

2. 软件可靠性的定量描述

2.1 规定时间

• 系统处于稳定工作状态时，可根据经验，按比例换算以下三种时间基准

2.1.1 自然时间

• 概念
  • 即我们日历、时钟的显示的时间
  • 如：9:00 开始 17:30 结束

2.1.2 运行时间

• 概念：
  • 软件从启动到结束的时间
  • 如，软件运行了8 小时

执行时间

• 概念
  • 软件运行过程中，中央处理器 (CPU) 执行程序指令所用的时间总和
• 该方法度量软件可靠性最为准确
  • 使用方法：系统处于稳定工作状态时，根据经验，按比例换算

2.2 失效概率 F(t)

• 概述：

  • 从软件运行开始，到某一时刻 t为止，出现失效的概率
  • 可以看作是关于软件运行时间的一个随机函数
  • 表示：F_(t)

• 特征

  • F(0)=0：软件运行初始时刻失效概率为0
  • F(t) 在时间域(0,$+\infty$) 上是单调递增的
  • F($+\infty$)=1：失效概率在运行时间不断增长时趋向于1

  即，任何软件都存在缺陷

• 为了简化分析，把F(t) 看作关于时间 t 的一个连续函数，并且可导。

• 替代：可用模糊数学中的可能性替代

2.3 可靠度 R(t)

• 概述：

  • 软件系统在规定的条件下、规定的时间内不发生失效的概率
  • 直接反映软件可靠性的度量指标
  • 是一种动态度量

• 工式：R(t)=1-F(t)

• 特征：

  • R(0)=1
  • R($+\infty$)=0

• 另一中表述：表示软件成功执行一个回合的概率

• 软件回合 (Run)：

  • 软件在规定环境下的一个基本执行过程

  即，定一组输入数据，到软件给定相应的输出数据这一过程

  • 是软件运行最小的、不可分的执行单位

2.4 失效强度 f(t)

• 概述：（公式需要和书上对比）
  • Failure Intensity
  • 单位时间软件系统出现失效的概率
  • 表示：f(t)
• 公式：
  

说明：- t 到 t+△t时刻，软件系统出现失效的平均概率为 (F(t+△t)-f(t))/△t, 当△t趋于很小时，就表现为 t时刻的失效强度

2.5 平均失效前时间（MTTF）

• 概念：

  • Mean Time To Failure
  • 定义为从t=0时到故障发生时系统的持续运行时间的值

• 公式：
  

• 不可修复系统的系统平均寿命：系统在失效前的平均时间

2.6 平均恢复前时间 (MTTR)

• 概念
  • Mean Time To Restoration
  • 出现故障到修复成功的时间
  • 包括：
    • 确认失效发生所必需的时间
    • 记录所有任务的时间
    • 将设备重新投入使用的时间
• MTTR越短表示易恢复性越好

2.7 平均故障间隔时间（MTBF）

• 概念：
  • Mean Time Between Failures
  • 失效或维护中所需的平均时间
  • 包括：
    • 故障时间
    • 检测和维护设备的时间
• 特点：MTBF=MTTF+MTTR

3. 可靠性目标

• 对软件运行的影响程度不仅取决于软件失效发生的概率，还和软件失效的严重程度有很大关系

3.1 失效严重程度类

• 概念：
  • Failure Severity Class
  • 对用户具有相同程度影响的失效集合

3.1.1 按对成本影响分类

• 其影响包括：

  • 失效引起的额外运行成本
  • 修复和恢复成本
  • 现有或潜在的业务机会的损失等

• 示例
  

3.1.2 按对系统能力的影响分类

• 其影响包括：
  • 关键数据的损失
  • 系统异常退出、系统崩溃
  • 导致用户操作无效等
• 示例

3.2 可靠性目标

• 概述：

  • 指客户对软件性能满意程度的期望
  • 描述：一般用可靠度、故障强度、平均失效时间等指标
  • 确定可靠性目标：失效严重程度 + 失效强度

• 示例（可靠性目标参考表）

失效严重程度	可靠性要求（%）	失效强度	平均无失效时间
1	99.9999	10-6	114年
2	99.99	10-4	417天
3	99	10-1	4天
4	90	1	9小时

4. 可靠性测试

4.1 可靠性测试的意义

• 软件失效可能造成灾难性的后果

• 软件的失效在整个计算机系统失效中的比例较高

  • 原因：
  • 软件系统的复杂性
  • 无法用全路径方式测试
  • 计算机系统的失效中，有80%和软件有关

• 4.3 软件可靠性技术不成熟

• 4.4 软件可靠性问题造成软件费用增长

  软件可靠性问题是造成费用增长的主要原因之一

• 4.5 系统对软件的依赖性增强，使得可靠性测试更重要

4.2 广义的可靠性测试

• 概述：
  • 指为了最终评价软件系统的可靠性而运用建模、统计、试验、分析和评价等一系列手段对软件系统实施的一种测试
• 完整过程：

4.3 狭义的软件可靠性测试

• 概述：

  • 即，我们通常所说的可靠性测试（Software Reliability Test）
  • 概念：
    • 指为了获取可靠性数据
    • 针对软件的某个重要质量特性，按预先确定的测试用例
    • 在软件的预期使用环境中，对软件实施的一种测试
  • 是面向缺陷的测试

• 目的

  • 发现软件系统在需求、设计、编码、测试和实施等方面的各种缺陷
  • 为软件的使用和维护提供可靠性数据
  • 确认软件是否达到可靠性的定量要求

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