ソフトウェア工学/ 検証指向開発VODの巻 九州産業大学情報科学部 松本正雄 2009 Prof. Dr. Masao J. Matsumoto 2009 1 Verification-oriented Development （VOD) Prof. Dr. Masao J. Matsumoto University of Dortmund, University of Tsukuba,GSSM Kyushu Sangyo University 2009 2 検証指向のソフトウエア開発 検証とは？ 正しいか否か調べて証拠付で結論付け ること 検証は必要か？ 検証指向の開発（VOD）を行うのは何故 か？ そうしないと検証不可能に陥ってしま うから 2009 3 VOD講義内容 テスト技法 検証指向の開発手順 状態遷移を含むソフトウエアの検証法 2009 4 VOD:Verification-oriented Development Competitive Software Technology 2009 5 信 頼 を 得 る 秘 訣 2009 エ検 ア証 開指 発向 技の 法ソ フ ト ウ 6 検証は重要 設計 Relation 各種仕様 設計の検証 2009 Fig.6.9 検証作業 被検証物 比較 正当 比較： 本来設計結果が満たすべき条件 を予測正解値として求め、その 条件と実際に行われた設計を 比較 7 Verification is Crucial Design Relation Specification Testee Compare Correct Verification Design 2009 Fig.6.9 Verification Activities 8 Mathematical Review 被検証物 設計 証明 証明責任 不一致 Relation Specification 証明妥当性の確認 2009 Fig.6.15 Review by Mathematical Approach 9 Mathematical Review Testee Design Proof Fulfil Proof Responsibility Unmatch Relation Specification Check the Proof Feasibility 2009 Fig.6.15 Review by Mathematical Approach 10 Technical Review 被検証物 設計 レビュー者の能力 仕様 レビュー レビュー視点 Fig.6.16 Review by Technical Approach 2009 11 Technical Review Design Testee Reviewers' Expertise&Ability Specification Review Review Viewpoints Fig.6.16 Review by Technical Approach 2009 12 Managerial Review Specification 仕様 設計 作業記録 確認 成果 納期やUI レビュー者の 能力 標準 開発管理 2009 Fig.6.17 Review by Managerial Approach 13 Managerial Review Specification Specification Design Activity Records Confirmation Products Looks and Delivery Date Reviewers' Expertise&Ability Standards Development Management 2009 Fig.6.17 Review by Managerial Approach 14 ライフサイクルにおける検証 1 12 2 3 11 4 5 10 1 分析Analysis 6 ３ 概要設計 5 詳細設計 7 実装 12 運用 7 9 8 11 システムテスト 10 複合テスト 2,4,6,8 レビュー 2009 9 単体テスト 15 Fig 6.11 Verification throughout Life Cycle Verification in Life Cycle 1 12 2 3 11 4 1 Analysis 2 Gross 5Design Detail Design 7 Implement'n 5 6 10 12 Operations 7 9 8 11 System Test 10 Compound Test 2,4,6,8 Reviews 2009 9 Unit Test 16 Fig 6.11 Verification throughout Life Cycle Intermediate Products in Life Cycle 1 12 2 3 1Analysis 4 5 3 Gross Design 5 Detail Design 6 7 9 7 Implement'n 2 Functn'l Specificat'n 8 4 Block Specificat'ns 6 Module Specificat'ns 8 Code Modules 2009 12' 11 11' 10 9' 12 Operations 10' 12'Evaluat'n 11 System Test 11' System 10 Compound Test 10' C.Tested Block 9 Unit Test 9' C.TestedModule 17 テスト 最小の労力で最大のテスト効果を狙う 背景 2009 ・検証に多大な労力時間を要す ・テスト網羅率を向上させたい 18 テスト技法の種類 テスト 静的：実行しないでテスト 動的：実行してテスト 網羅テスト 制御フロー 機能データフロー 2009 19 同値 入力データを個々に識別するかわりに、同じ 特性を有する部分集合を捉え、その部分集合 に対して１つのテストを行う。 部分集合を同値クラス（または単に同値と呼 ぶ）を使って、テストを行う。 仕様合致：有効同値。 仕様不一致：無効同値。 2009 Ｘｙｚ、４５６、ｂ２ｙ７、＠ｈｋｓ 20 同値を使用したテストの例題 仕様書: データを読み、それが – – 8桁以内の英数字（半角小文字）なら“正しい （または1）“そうでなければ“誤り（または 0）”と表示する。 先頭の１バイトが＊であるなら、終了する。 例題： 上記のプログラムをテストする場合、用意 すべきテストデータと実施すべきテスト ケースは何通りか？ 2009 21 同値を使用したテストの例題 仕様書: データを読み、それが – – 8バイト以内の英数字（半角小文字と限らない） なら“1”そうでなければ“0”と表示する。 先頭の１バイトが＊であるなら、終了する。 例題： 上記のプログラムをテストする場合、用意 すべきテストデータと実施すべきテスト ケースは何通りか？ 回答用紙に学籍番号、氏名：ファイル名は 英数字で学籍番号.doc 6.12（金）13:00 2009 22 採点基準 論理を示していて、しかもその論理が 正しい。100点 論理を示しているが、その論理が間 違っている。間違い１件ごとに10点 減。 論理を示さず、思いつきを幾つか並べ た。高々50点 未提出。0点 2009 23 多い間違い １．論理を示していない（ただ場合を幾つか 列挙しただけ）。 ２．網羅的でない。 ３．テストデータの通りを示さずテストケー スのみ。 ４．U－（A or B)から選ばず。 ５．正しいデータ（有効同値）の場合、処理 結果が正しいと応答したか」が脱落してい る。 2009 24 正解 前提：データは読めた。大文字小文字 は問わない。 停止性のテスト： １．*がきたら停止した。 ２．＊がきたが停止しなかった。￥ ３．＊以外がきたら停止した。￥ ４．＊以外がきたら停止しなかった。 2009 25 正解（続） データごとの処理妥当性→30通り – 入力データを全角とみなす場合5x3=15通り 有効同値データがきたら１とした。 有効同値データがきたら0とした。 有効同値データがきたら0,1以外とした。 無効同値データ4通りに対して上記3通り。 – 入力データを半角とみなす場合5x3＝15通 り 2009 26 全体で34通り 停止性→4通り 妥当性→30通り 2009 27 システムとしては、さらに多い ファームウエアのテスト DOSレベルのテスト OSレベルのテスト ミドゥルウエアレベルのテスト アプリケーションレベルのテスト 2009 28 過誤の２種類 第一種の過誤：間違いを正しいとする 第二種の過誤：正しいを間違いとする 2009 29 回答 このプログラムのテストケースは以下 の□通りです： １. ＊を使って結果がプログラム停止 ２．tdを使って結果が１であるか ３．tdを使って結果が１であるか 続く （td：具体的にテストデータを書く） 2009 30 １ ０ ２ ０ ３ ０ ４ ４ ５ ０ ６ ４ ７ １ ８以上 2009 ０ 31 同値の例題 入力データについて、その長さが8文字以内 で、しかも英数字だけから構成されているか 否かを調べ、もしそうなら「１」、そうでな ければ「0」を表示するプログラムをテスト するときに必要なデータは何通りか？＊で停 止。半角小文字。データ5、Tケース10通り 正常データ使用して結果が0か 正常データ使用して結果が1か 異常データ使用して結果が0か 異常データ使用して結果が1か 2009 32 ある方法 前記例題を網羅的にテストするための データ入力の数は？ n個の文字種のなかから１文字選び、ｒ 桁の文字列を作ること n＝36、0＝＜r＜＝８ 何通りになるか？ 2009 33 C＝Σnr r＝１から8 n＝36 異常な場合がさらに加算されなければ ならない！ 2009 34 Equivalent Value a c b u a: Subspace of which elements are those string of which size is 8 character-long or less b: Subspace of which elements are strings which are composed only by alphanumeric c= a AND b u: all possible combinations of remaining inputs 2009 Fig 6.20 Subspaces and equivalent values 35 Equivalent Value ベン図 a u c b a: Subspace of which elements are those string of which size is 8 character-long or less b: Subspace of which elements are strings which are composed only by alphanumeric c= a AND b u: all possible combinations of remaining inputs 2009 Fig 6.20 Subspaces and equivalent values 36 回答 2009 有効同値使用して結果が1か 上記で結果が0か 無効同値（英数以外で8桁）使用して結果が0か 上記で結果が１か 無効同値（英数で8桁超え）使用して結果が0か 上記で結果が１か 無効同値（英数以外で8桁超え）使用して結果が0か 上記で結果が１か ＊が来て停止するか 上記で停止しないか 37 Input Grouping by Functional Decomposition Input Blackbox Input Group 1 F1 Input Group 2 F2 Input Group 3 F3 Functionalities Fig 6.22 Input Grouping by Functional Division 2009 38 同値分割法 仕様に基づき、「有効な部分集合」 「無効な部分集合」に集約すること。 例題では「桁数チェック」と「文字種 チェック」の２つの処理があるので、 その２つに分割して、同値を求める： 2009 39 同値 ①有効同値：桁数8以下で英数字だけか らなる文字列 部分集合c ②無効同値1：非英数字を含む8桁以下 の文字列 部分集合（a-c） ③無効同値2：８桁超えていて英数文字 列 部分集合（b-c） ④無効同値3：8桁超えていて非英数字 を含む文字列 u-(a or ｂ) 2009 40 Relationship among Input Equivalent Values Equivalent value group 1 11 Equivalent value 12 1m Equivalent value group 2 21 22 2m Equivalent value group n n1 Combination Output 1 Logic n2 nm 2009 Fig 6.23 Equivalent values Relationship 41 限界値分割 本質的に同値と同概念。得られた同値 分割から実テストデータ作成時境界を 重視する。 例：8文字と9文字の文字列 内部コードA（Z）の１つ前（後）の文 字 2009 42 テスト効果の優れたテストと は？ 網羅率が良いこと（最大のテスト効 果） 効率的であること（最小のテスト工 数） 2009 43 例題１ ファイルの内容を表示するShowMeFileコマン ドの機能をテストする場合を考えよう ShowMeFileコマンドの仕様 指定されたファイルの内容を表示する。もし パラメタが＊なら、すべてのファイルの内容 を、特定のファイル名ならそのファイルの内 容を表示する。 パラメータENDが来たら停止する。 課題 ・使用テストデータは何か？ ・テストケースは？ 2009 44 上記コマンドのテスト設計 行うべき – テストデータ – テストケース を言え。 2009 45 前記のテストを行わねばならない 君なら、どう行うか？ 何通りのテストを行えば済むと思うか？ 答1 ２通り 答2 ３通り 答3 ４通り 答4 ５通り 答5 ６通り 答6 ７通り以上 2009 46 レポート回答結果 7通り、根拠不正：松井、山田 6通り、根拠論理性有るが場合２つ見逃しと数え方誤り：△田中宏 異常の場合の挙げ方が不完全(ENDの場合見逃し)：▽小田 根拠不正解：藤本 、TD無回答：梅野： 5通り、根拠不正：菅原 4通り、根拠正解だが、場合の数え方誤り：◎麻生、◎安東、◎田中賢 根拠論理性有るが場合１つ見逃し：○中村,○坂原,○古田,○廣松 C,E部分回答：白川 Cだけ：林田、廣松、中園 C/根拠不正：廣田、野見山、倉本 ３通り、根拠論理性有るがENDと不正パラメタの場合を見逃し：○西丸 根拠不正：下田、緒方 ２通り、根拠不正：宮川、松下 回答誤りか未了：梶山、川添、貫 未提出：吉村（晴剛、奨太）、伊東、弓崎、増永、豊住、淵脇 2009 47 テストの肝要事項 最も少ない工数で最大の網羅を確実にす ること。 その目的を達成することが品質信頼性の 高い製品を作成するための１つの必要条 件である。 目的達成に役立つ方法を駆使するのが優 秀な技術者。 2009 48 テスト方法の例 同値データ方法 限界値データ方法 原因結果グラフ（CED）方法 ケースフロー図（CFD）方法 2009 49 CED（Cause-Effects Diagram）方法 同値法は必要十分なテストデータを設 計するには便利 テストケース設計には使用テストデー タと期待値と実行結果の組を捉える必 要がある。 ①テストデータ、②その実行結果、③ 期待値の組が与えられれば正常か異常 かの判定が可能。→①②③を見て。 2009 50 CED法の手順 １）原因（テストデータ）と結果（期 待値）を各々列挙する ２) 原因と結果の関係を見極める→図 式化する ３）上記に基づいて、テストケースを 作る(ディシジョンテーブルを作成） 2009 51 CED方法の手順 １）原因結果グラフを作成して最も網 羅的でしかも効率的なテストを行う ２）原因結果グラフとは原因と結果の 関係を同定して図示。 – 入力データとなる同値を原因、出力を結果 と呼ぶ。 ３）原因を列挙する。有効と無効同値 ４）結果を列挙する。 ５）原因と結果の関係からテストケー スを設計する。 2009 52 前記プログラムのCEDを書け 原因には何があるか？ 結果には何があるか？ 原因と結果の関係は何か？ 2009 53 ShowMeFileコマンドのCED ３）原因は次の３つ。 ①＊が指定された ②なんらかのファイル名が指定された ③指定されたファイルは存在している ４）結果は次の３つ。 （70）指定されたファイルの内容を出力する (71)パラメータ不正のエラー表示をする (72)指定されたファイルが存在しない旨エラー 表示する。 2009 54 最小の回数で網羅的なテスト効果を 行なうには、いかなるテストを行え ば良いか（何通りのテスト）？ ヒント １．左側に入力同値（原因）を書き、右側に 結果を書く。 ２．原因から結果に向け、因果関係を結線 し、結果が成立する条件を加味してCED（原 因結果グラフ）を作成する。 ３．それを基にデシジョンテーブルを作成す る。 2009 55 例題に対する原因結果グラフ 原因 1 結果 71 not or 11 2 and and 3 not 70 72 Fig 6.25 Cause-Effect Graph 2009 56 Cause-Effect Graph:Example Causes 1 Effects 71 not or 11 2 and and 3 not 70 72 Fig 6.25 Cause-Effect Graph 2009 57 デシジョンテーブル例1 Table 6.2 Decision Table for Example テスト項目 1 2 3 4 5 原因 (1) (2) (3) 結果 (70) (71) (72) 2009 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 - 0 1 1 1 1 上段 １：真 ０：偽 ー：不問 下段 １： 成立する 空白：成立せず 58 デシジョンテーブル例２ 追加 原因 （４）END 結果（73）プログラム停止 Table 6.2 Decision Table for Example テスト項目 1 2 3 4 5 原因 (1) (2) (3) (4) 結果 (70) (71) (72) (73） 2009 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 － 1 － 0 － 0 1 上段 １：真 ０：偽 ー：不問 下段 １： 成立する 空白：成立せず 1 1 1 1 1 59 Decision Table:Example Table 6.2 Decision Table for Example Test Items 1 2 3 4 5 Causes (1) (2) (3) 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 - 0 Effects (70) (71) (72) 1 1 2009 1 1 60 CFD（Case－Flow Diagram）技法 CED技法よりテスト項目数を減らせる 同値分割と同値間関係をベン図で表現 2009 61 Equivalent Value Subspace by CFD without Common U a Space U a Subspace U - (a or b) b Subspace b U:Large Island for Equivalent value, a,b : Small Island for Equivalent value 2009 Fig 6.27 Equivalent value subspacing by CFD 62 同値集合（共通部分無しの場合） ベン図 CFD U a 母集合 U a 部分集合 U - (a or b) b 部分集合 b U:Large Island for Equivalent value, a,b : Small Island for Equivalent value 2009 Fig 6.27 Equivalent value subspacing by CFD 63 同値集合（共通部分有りの場合） ベン図 CFD U U a a c c c=a^ b b b U-(a or b) 2009 Fig 6.28 Equivalent value subspacing by CFD 64 Equivalent Value Subspace by CFD with Common U U a a c c c=a^ b b b U-(a or b) 2009 Fig 6.28 Equivalent value subspacing by CFD 65 例題２ LHA高圧縮書庫管理プロ グラム LHA 命令、オプション、その他パラメタ 命令 英字１文字（aumfdpexlvst）xor 省略 a:ファイル追加、u:新ファイル追加、m:新ファイ ル移動、f:ファイル更新、d:ファイル削除、p: ファイル閲覧、e:ファイル復元、ｘ：デイレクト リ付でファイル復元、ｌ：書庫一覧表示、ｖ：同 左ｄ付、ｓ：自己解凍書庫作成、ｔ：書庫のテス ト 2009 66 続 オプション –rwxmpcazthonisl 複数指定可 -が指定されていれば、オプション有り、 -が指定されていないなら、オプション無し r：サブデイレクトリも検索、ｗ：ワークデ イレクトリ指定、ｘ：デイレクトリ名を有効 に、ｍ：問い合わせしない、p：名前の比較 を厳密に行う、ｃ：日時参照を行わない、a: 全属性を凍結対象とする、ｚ：無圧縮格納、 ｔ：書庫の時刻を最新ファイルに、ｈ：ヘッ ダ形式 2009 67 続 その他パラメタ – LZH ? [DIR ?][FILES ?] – ?は各名称指定または省略 LHAコマンド全体の形式 – LHA [命令][オプション][LZH ?[DIR 2009 ?][FILES ?]] 68 命令部に関して、CFD図を描け 2009 69 LHA例題に対するケースフロー図 （Case-Flow Diagram ） N:Not specified 命令部 IS:Identifier specified a オプション部 f - N r N N x l N N 無効 LZH 書庫 ディレクトリ IS IS N N 2009 ファイル IS N 70 IEV Final Case-Flow Diagram for LHA Example N:Not specified Operators IS:Identifier specified a Option list f - N r N N x l N N 無効 Fig 6.29 EVS for Example LHA Operators LZH Lib. Fig 6.30 EVS for Example LHA Option List Directory IS IS N N File IS N 2009 71 IEV Fig 6.31 EVS for Example LHA Parameter option 070630演習の結果 田中宏宗：分岐数は正解 貫大路：ごく部分的 2009 72 例題 原因結果グラフとCFDの２通り表示せよ 原因結果グラフ 原因 40通り 内訳 命令部 14通り(12種類命令＋誤り＋空白) オプション部 17通り その他パラメタ ９通り（除くファイル名のループ） 2009 73 １ or ２ １１ ３ ４ and ７０ or ５ １２ ６ ７ CED原因結果グラフ 2009 74 CFD流れ図 CFDでは1,2,3と4,5,6,7は独立とみなす ４ １ ２ ３ 分岐数が３の場合 2009 ５ ６ ７ 分岐数が４の場合 75 原因結果グラフとCFD流れ図 左側原因欄の件数を比較せよ 2009 76 より効果的で効率的な検証へ テストケース Causes 1 2 3 4 5 6 7 Effective Results 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Table 6.3 CEDで設計したテスト項目 2009 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 4 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Table 6.4 CFDによるテスト項目 77 Towards More Effective and Efficient Verification Test Items Causes 1 2 3 4 5 6 7 Effective Results 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Table 6.3 Test Items designed by Cause-Effect Method 2009 1 1 1 1 1 1 3 4 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 Table 6.4 By Case Flow Diagram 78 特別：VODの要諦 １．V字型工程と検証 ２．設計検証 ３．効果的なテストを効率的に ４．状態遷移プログラムの検証 2009 79 状態遷移を伴うシステムの検証 特別の配慮が要る システムの外部から次のことが困難 – ある状態に設定すること（含むその確認） – 他の状態に遷移させること（含むその確 認） 2009 80 状態遷移プログラムの状態 I O M S I:Input O:Output S:State M:State Transit Program M1:Output Setup M2:State Setup Fig.6.35a Blackbox Program having State Transit 2009 Fig.6.35b Program Subdivide 81 状態遷移プログラムの状態 I O M S I M1 I:Input O:Output S:State M:State Transit Program M1:Output Setup M2:State Setup Fig.6.35a Blackbox Program having State Transit 2009 O M2 S Fig.6.35b Program Subdivide 82 State in State-transition Program I O M S I M1 I:Input O:Output S:State M:State Transit Program M1:Output Setup M2:State Setup Fig.6.35a Blackbox Program having State Transit 2009 O M2 S Fig.6.35b Program Subdivide 83 状態遷移プログラムを分解 Decompose I I:入力 M1 M1:状態設定 S o M2:出力設定 S:状態変数 Si:入力変数複数 I M2 O:出力 O Si Fig.6.36 Decompose M to M1 and M2 2009 84 Decompose State Transition Program I I:Input M1 S M1:State Setup M2:Output Setup S:State Si:Input States I M2 O:output O Si Fig.6.36 Decompose M to M1 and M2 2009 85 状態遷移プログラムのデバッ グの仕組み I O M2 M1 Si 2009 Debugger S Fig.6.37 Test Environment for State Transit Program So 86 How to test State Transit Program I O M2 M1 Si 2009 Debugger S Fig.6.37 Test Environment for State Transit Program So 87 “テスト設計”先行で設計と 実装を制約 Traditional A Test Phases GD DD DT TR DT:テスト設計 TR:テストラン VOD A A:分析 DT GD DD TR GD：概要設計 DD：詳細設計 Fig 6.38 VOD Lifecycle vs.Traditional 2009 88 "Test Design" constraints Design and Implementation Traditional A Test Phases GD DD DT TR DT:Design for Test TR:Test Run VOD A A:Analysis DT GD DD TR G/DD:Gross/ Detail design Fig 6.38 VOD Lifecycle vs.Traditional 2009 89 VODでの設計制約の仕方 Decision Table モジュール Control Decision Causes Data Active Process Effects Process Passive Control External Data/ Internal Data 2009 Processed Process Fig 6.40 Data and Module Structure in VOD 90 制約のポイント モジュールをアクティブとパッシブに 峻別し、前者をマーク データを制御向けと処理向けに峻別 し、前者をマーク 2009 91 Design Constraints in VOD Decision Table Modules Control Decision Causes Data Active Process Effects Process Passive Control External Data/ Internal Data 2009 Processed Process Fig 6.40 Data and Module Structure in VOD 92 Who will be Competitive? TQC will no longer be enough. VOD is a promising technology for software houses to keep striving through good quality, because VOD enables us to avoid as much defects that will always cause failures. VOD plus Product Architect makes software happen. 2009 93
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