01

引 言

數(shù)據(jù)耦合和控制耦合是復(fù)雜軟件設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的一種情況。DO-178C要求高安全等級(jí)軟件( DAL A/ B /C) 的測(cè)試覆蓋分析，必須要確認(rèn)基于需求的測(cè)試執(zhí)行了代碼組件之間的數(shù)據(jù)耦合和控制耦合。如果控制耦合未被正確分析，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在某些情況下做出錯(cuò)誤的決策。因此當(dāng)測(cè)試覆蓋率未滿(mǎn)足要求時(shí)，還要給出相關(guān)的解決方案。

02

定 義

從DO-178C中得到數(shù)據(jù)耦合與控制耦合的定義。

數(shù)據(jù)耦合：The dependence of a software component on data not exclusively under the control of that software component.某個(gè)軟件組件對(duì)該軟件組件控制下的非獨(dú)占數(shù)據(jù)的依賴(lài)性。

控制耦合：The manner or degree by which one software component influences the execution of another software component. 某個(gè)軟件組件對(duì)其它軟件組件的執(zhí)行所產(chǎn)生的影響方式或程度。

其中component的定義如下：

Component：A self contained part,combination of parts,subassemblies,or units that perform a distinct function of a system. 系統(tǒng)中能執(zhí)行明確功能的獨(dú)立部件、部件的組合、子組件或單元。

一般來(lái)說(shuō)，Component可被解釋為：過(guò)程、函數(shù)、子程序、模塊和其他類(lèi)似的編程構(gòu)造。

具體目標(biāo)在DO-178及其補(bǔ)充文件的目標(biāo)矩陣表A-7中有詳細(xì)的條目說(shuō)明，完整表格參見(jiàn)附錄A。

6.4.4.d：Test coverage of software structure, both data coupling and control coupling, is achieved. 軟件結(jié)構(gòu)測(cè)試覆蓋的實(shí)現(xiàn)應(yīng)該包含數(shù)據(jù)耦合和控制耦合。

在6.4.4.2.c中有著如下進(jìn)一步的定義。

6.4.4.2.c：Analysis to confirm that the requirements-based testing has exercised the data and control coupling between code components. 分析以確認(rèn)基于需求的測(cè)試已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了代碼組件之間的數(shù)據(jù)和控制耦合。

DO-178B和DO-178C標(biāo)準(zhǔn)中的示例主要說(shuō)明了：代碼組件之間的數(shù)據(jù)和控制耦合的結(jié)構(gòu)覆蓋率分析應(yīng)通過(guò)評(píng)估基于需求的測(cè)試結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)6.4.4.2.c）。但這些定義并沒(méi)有清晰地確定要進(jìn)行的實(shí)際檢查。在一般情況下，它們針對(duì)的是其他覆蓋技術(shù)無(wú)法檢測(cè)到的故障。在接下來(lái)的討論中，將詳細(xì)探討這些概念，以制定實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的實(shí)用技術(shù)。但是能夠清晰得知的是，航空機(jī)載軟件是需要針對(duì)數(shù)據(jù)耦合與控制耦合進(jìn)行靜態(tài)的分析，以及基于需求的測(cè)試覆蓋。

03

實(shí)例解析

本章結(jié)合一些具體例子進(jìn)行控制耦合與數(shù)據(jù)定義的詳細(xì)說(shuō)明。

3.1 控制耦合

例子1

以下具有三個(gè)文件的模型，每個(gè)文件中至少有一個(gè)對(duì)函數(shù)foo的調(diào)用。然而，其中兩個(gè)文件包含函數(shù)foo的定義。這兩個(gè)定義可以相同或可能相似（相同的接口）。

圖1 文件及其定義示意圖

鏈接器可以選擇解析對(duì)文件A中的函數(shù)定義的所有調(diào)用（情況1），也可以對(duì)文件A中對(duì)其包含的定義的調(diào)用、文件B中對(duì)其包含的定義的引用和文件C中的調(diào)用中的任何一個(gè)進(jìn)行解析（情況2）。這是一個(gè)控制耦合缺陷的例子，因?yàn)檫@導(dǎo)致了定義的模糊性。

例子2

第二個(gè)例子是參數(shù)的控制耦合。一個(gè)具有函數(shù)指針參數(shù)的函數(shù)foo，即可以通過(guò)foo的參數(shù)列表傳遞另一個(gè)函數(shù)的名稱(chēng)（地址）。

圖2 例子2代碼展示圖

對(duì)于這段示例代碼來(lái)說(shuō)，通過(guò)下方兩個(gè)用例可以實(shí)現(xiàn)代碼動(dòng)態(tài)執(zhí)行的完全語(yǔ)句覆蓋。

圖3 例子2代碼全覆蓋用例圖

可能有兩個(gè)函數(shù)（func1與func2）在調(diào)用，而對(duì)于上述兩個(gè)數(shù)據(jù)集，每個(gè)只調(diào)用一個(gè)函數(shù)，在用例1調(diào)用func1，在用例2調(diào)用func2?？刂岂詈弦笤诿總€(gè)用例執(zhí)行所有潛在的調(diào)用。為了確保執(zhí)行所有控制流調(diào)用，基于需求的測(cè)試數(shù)據(jù)因此需要包括兩個(gè)額外的數(shù)據(jù)集。這個(gè)概念可以應(yīng)用于使用指向函數(shù)的指針的所有情況。如果通過(guò)指針解引用調(diào)用函數(shù)，則必須執(zhí)行所有可以調(diào)用的潛在函數(shù)。同樣，在C++等面向?qū)ο蟪绦蛑?，所有可以在特定調(diào)用的虛函數(shù)都必須要有基于需求的測(cè)試數(shù)據(jù)執(zhí)行。

3.2數(shù)據(jù)耦合

數(shù)據(jù)耦合完全取決于整個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)的控制流圖結(jié)構(gòu)。

例子1

如下圖所示為官方文檔給出的一個(gè)數(shù)據(jù)耦合的例子。

圖4 數(shù)據(jù)耦合示例圖

如上圖所示Calculate Air Speed和Display Air Speed兩個(gè)函數(shù)都是從同一個(gè)主程序調(diào)用的，并且共享一個(gè)全局變量“AirSpeed”。Calculate Air Speed計(jì)算變量“速度”的值，即設(shè)定操作，而功能Display Air Speed“速度”值輸出到顯示設(shè)備，即使用操作。代碼可能采用下圖所示的形式。

圖5 數(shù)據(jù)耦合代碼1展示圖

可以構(gòu)建一個(gè)執(zhí)行Display Air Speed的測(cè)試用例，然后構(gòu)建另一個(gè)執(zhí)行計(jì)算空速的測(cè)試實(shí)例。在這種情況下，控制耦合按要求進(jìn)行測(cè)試（即執(zhí)行的每個(gè)語(yǔ)句和執(zhí)行的每個(gè)分支/決策，在這種情況中沒(méi)有MC/DC要求），但呼叫的順序有缺陷，因?yàn)轱@示空速?zèng)]有有效的顯示速度。同樣，如果一個(gè)測(cè)試用例調(diào)用Calculate Airspeed，而隨后沒(méi)有調(diào)用Display Airspeed，則很可能存在另一個(gè)缺陷。

這個(gè)例子表明，需要證明給定過(guò)程的所有輸入在調(diào)用時(shí)都有有效值，并且使用了分配給全局變量的所有值。在這種情況下，全局變量可以看做在使用過(guò)程中外部聲明和設(shè)置的變量。

例子2

如下所示，這個(gè)函數(shù)多次使用了變量x。

圖6 數(shù)據(jù)耦合代碼2展示圖

主函數(shù)同樣多次調(diào)用了foo函數(shù)。

圖7 數(shù)據(jù)耦合代碼3展示圖

運(yùn)行main函數(shù)，由于循環(huán)通過(guò)參數(shù)y調(diào)用foo可以讓foo中的每條語(yǔ)句都被執(zhí)行，此外還有每個(gè)分支/決策。然而使用參數(shù)z調(diào)用foo單個(gè)用例無(wú)法達(dá)到語(yǔ)句與分支/決策的全覆蓋，因此需要多個(gè)測(cè)試用例來(lái)保證在z的值改變的情況下，foo函數(shù)的語(yǔ)句會(huì)被全部覆蓋。根據(jù)上述的分析，主函數(shù)main與函數(shù)foo含有數(shù)據(jù)耦合，它們通過(guò)調(diào)用參數(shù)y與z，形參x而產(chǎn)生了耦合。

04

耦合度啟示

在這個(gè)紛繁復(fù)雜的世界中，耦合度分析的核心思想——系統(tǒng)思維、關(guān)注隱藏依賴(lài)、預(yù)防優(yōu)于修復(fù)、優(yōu)化資源分配以及透明性和可追溯性——不僅適用于軟件開(kāi)發(fā)和航空安全領(lǐng)域，還能為生產(chǎn)工作和生活帶來(lái)深刻的啟示。

1. 系統(tǒng)思維的重要性

耦合度分析強(qiáng)調(diào)從整體出發(fā)，理解各部分之間的相互關(guān)系。在生產(chǎn)中，這意味著要關(guān)注生產(chǎn)流程的全局，而不僅僅是單個(gè)環(huán)節(jié)。例如，工廠中每個(gè)車(chē)間的工作并非孤立存在，它們通過(guò)物料流轉(zhuǎn)、信息傳遞等方式緊密相連。只有從系統(tǒng)層面優(yōu)化這些耦合關(guān)系，才能真正提升效率。

2. 關(guān)注隱藏的依賴(lài)關(guān)系

耦合度分析提醒我們關(guān)注那些不明顯但可能引發(fā)問(wèn)題的隱藏依賴(lài)關(guān)系。在生產(chǎn)工作中，團(tuán)隊(duì)成員之間可能因職責(zé)劃分不清而產(chǎn)生隱性依賴(lài)，例如某個(gè)部門(mén)的工作進(jìn)度可能依賴(lài)于另一個(gè)部門(mén)的數(shù)據(jù)輸出，但這種依賴(lài)并未明確說(shuō)明。提前識(shí)別這些潛在問(wèn)題，可以避免項(xiàng)目延誤。

3. 預(yù)防優(yōu)于修復(fù)

耦合度分析的核心是通過(guò)提前分析和測(cè)試，發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，避免問(wèn)題在后期放大。這種“預(yù)防優(yōu)于修復(fù)”的理念在生產(chǎn)中體現(xiàn)為定期設(shè)備維護(hù)和流程優(yōu)化，減少因設(shè)備故障或流程問(wèn)題導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷。

4. 優(yōu)化資源分配

耦合度分析可以幫助識(shí)別系統(tǒng)中的關(guān)鍵耦合點(diǎn)，從而優(yōu)化資源分配，提高系統(tǒng)整體性能。在生產(chǎn)中，通過(guò)分析各部門(mén)之間的耦合關(guān)系，可以合理分配人力、物力資源，避免資源浪費(fèi)。例如，優(yōu)化供應(yīng)鏈管理可以減少庫(kù)存成本，同時(shí)提高響應(yīng)速度。

5. 透明性和可追溯性

耦合度分析要求對(duì)系統(tǒng)中的耦合關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)記錄和分析，這種透明性和可追溯性有助于快速定位問(wèn)題和優(yōu)化系統(tǒng)。在生產(chǎn)中，通過(guò)記錄生產(chǎn)流程中的各個(gè)環(huán)節(jié)及其耦合關(guān)系，可以快速追溯質(zhì)量問(wèn)題的根源，從而采取有效的改進(jìn)措施。

05

耦合度應(yīng)用

隨著科技發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新，近年來(lái)軌交、汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域的發(fā)展非常迅猛，伴隨而來(lái)的是各類(lèi)安全問(wèn)題。以上領(lǐng)域涉及的安全關(guān)鍵軟件的質(zhì)量與效率都受到了高度重視。因此，高可信嵌入式軟件建模開(kāi)發(fā)工具SmartRocket Modeler應(yīng)運(yùn)而生，誕生自質(zhì)量，扎根于安全。通過(guò)模型語(yǔ)言的圖形化建模、模型靜態(tài)檢查、仿真與調(diào)試與C代碼生成等等功能為用戶(hù)提供一套基于模型的高安全性嵌入式軟件解決方案。在更進(jìn)一步的前提下逐漸替代相關(guān)國(guó)外軟件，為解決卡脖子難題做出貢獻(xiàn)。

圖8 SmartRocket Modeler主頁(yè)圖

在耦合度分析理論的基礎(chǔ)上，上?？匕睸martRocket Modeler團(tuán)隊(duì)，通過(guò)充分的調(diào)研與實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了該功能的具體落地。

工程師根據(jù)上層需求，通過(guò)可視化建模方法得到其設(shè)計(jì)模型，其設(shè)計(jì)模型能夠通過(guò)圖形化或者代碼字符串的方式進(jìn)行展示，如下圖所示為示例項(xiàng)目Roll Control的圖形化界面。

圖9 SmartRocket Modeler設(shè)計(jì)模型圖形化展示界面

Modeler使用同步數(shù)據(jù)流語(yǔ)言Lustre代碼進(jìn)行設(shè)計(jì)模型的一致性描述，Lustre是一種經(jīng)過(guò)嚴(yán)格形式化驗(yàn)證的設(shè)計(jì)模型語(yǔ)言，它能夠充分描述機(jī)載軟件在固定時(shí)鐘下的運(yùn)行情況，其示例 lustre 代碼如下所示。

圖10 RollControl飛機(jī)控制模塊Lustre代碼示意圖

Modeler通過(guò)針對(duì)設(shè)計(jì)模型的分析給出其控制耦合與數(shù)據(jù)耦合的結(jié)果，并通過(guò)圖形化與表格的多維度展示，為用戶(hù)確認(rèn)模型預(yù)期性提供便捷。

圖11 SmartRocket Modeler耦合度分析圖

Modeler通過(guò)耦合分析圖來(lái)展示方法或函數(shù)間的控制的耦合，如圖11所示。圖中的點(diǎn)與邊分別代表著函數(shù)與函數(shù)間的調(diào)用關(guān)系，正如第三章控制耦合的示例中從起點(diǎn)函數(shù)出發(fā)，存在多個(gè)調(diào)用的關(guān)系，也存在不同函數(shù)共同調(diào)用統(tǒng)一函數(shù)的關(guān)系。通過(guò)圖的表現(xiàn)形式，生動(dòng)展示了設(shè)計(jì)中的控制耦合關(guān)系。在其中，入度為零的點(diǎn)為全局變量和輸入變量，出度為零的點(diǎn)為輸出變量。該圖可以便于用戶(hù)快速定位搭建的模型與原始需求是否相一致。

圖12 SmartRocket Modeler全局變量使用情況展示圖

圖12中的信息將函數(shù)調(diào)用關(guān)系以表格的形式進(jìn)行了展示，該表中另外對(duì)實(shí)際調(diào)用過(guò)程中傳遞的參數(shù)進(jìn)行映射，該表不僅展示了調(diào)用關(guān)系（控制耦合），更進(jìn)一步包含了調(diào)用的參數(shù)及其類(lèi)型（數(shù)據(jù)耦合），便于用戶(hù)根據(jù)表格和需求進(jìn)行比對(duì)。

圖 13 SmartRocket Modeler全局變量使用情況展示圖

此外Modeler還支持對(duì)全局變量的使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與展示，全局常量與傳感器等變量在模塊間進(jìn)行著數(shù)據(jù)傳輸，如下圖所示。此表目的用于方便用戶(hù)映射需求的數(shù)據(jù)字典對(duì)應(yīng)的全局變量使用情況是否符合用戶(hù)預(yù)期。

Modeler 工具通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)組件間的依賴(lài)關(guān)系進(jìn)行深度分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)耦合度的全景式展示。具體而言，它會(huì)分析變量之間的相互依賴(lài)、函數(shù)調(diào)用鏈的深層次聯(lián)系，以及函數(shù)對(duì)全局?jǐn)?shù)據(jù)的依賴(lài)情況，并以直觀的圖形和層次結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)這種方式，設(shè)計(jì)者不僅可以清晰地看到哪些模塊之間存在緊密耦合，還能識(shí)別出那些可能導(dǎo)致后期維護(hù)和擴(kuò)展困難的高耦合區(qū)域。Modeler 工具的多層次、分組顯示依賴(lài)關(guān)系，允許用戶(hù)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行過(guò)濾和聚類(lèi)，從而精準(zhǔn)定位那些與需求設(shè)計(jì)偏離的部分。在模型設(shè)計(jì)的早期階段，就能通過(guò)實(shí)時(shí)反饋機(jī)制發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)策略，確保整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)與業(yè)務(wù)需求保持高度一致。這樣不僅提升了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率，也為后續(xù)的系統(tǒng)優(yōu)化和升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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審核編輯 黃宇