用軟件系統(tǒng)規(guī)模越做越大越復(fù)雜，其可靠性越來越難保證。應(yīng)用本身對系統(tǒng)運行的可靠性要求越來越高，在一些關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域，如航空、航天等，其可靠性要求尤為重要，在銀行等服務(wù)性行業(yè)，其軟件系統(tǒng)的可靠性也直接關(guān)系到自身的聲譽和生存發(fā)展競爭能力。

　　特別是軟件可靠性比硬件可靠性更難保證，會嚴重影響整個系統(tǒng)的可靠性。在許多項目開發(fā)過程中，對可靠性沒有提出明確的要求，開發(fā)商(部門)也不在可靠性方面花更多的精力，往往只注重速度、結(jié)果的正確性和用戶界面的友好性等，而忽略了可靠性。在投入使用后才發(fā)現(xiàn)大量可靠性問題，增加了維護困難和工作量，嚴重時只有束之高閣，無法投入實際使用。

　　一. 軟件可靠性與硬件可靠性的區(qū)別

　　軟件可靠性與硬件可靠性之間主要存在以下區(qū)別:

　　1.最明顯的是硬件有老化損耗現(xiàn)象，硬件失效是物理故障，是器件物理變化的必然結(jié)果，有浴盆曲線現(xiàn)象；軟件不發(fā)生變化，沒有磨損現(xiàn)象，有陳舊落后的問題，沒有浴盆曲線現(xiàn)象。

　　2.硬件可靠性的決定因素是時間，受設(shè)計、生產(chǎn)、運用的所有過程影響，軟件可靠性的決定因素是與輸入數(shù)據(jù)有關(guān)的軟件差錯，是輸入數(shù)據(jù)和程序內(nèi)部狀態(tài)的函數(shù)，更多地決定于人。

　　3.硬件的糾錯維護可通過修復(fù)或更換失效的系統(tǒng)重新恢復(fù)功能，軟件只有通過重設(shè)計。

　　4.對硬件可采用預(yù)防性維護技術(shù)預(yù)防故障，采用斷開失效部件的辦法診斷故障，而軟件則不能采用這些技術(shù)。

　　5.事先估計可靠性測試和可靠性的逐步增長等技術(shù)對軟件和硬件有不同的意義。

　　6.為提高硬件可靠性可采用冗余技術(shù)，而同一軟件的冗余不能提高可靠性。

　　7.硬件可靠性檢驗方法已建立，并已標(biāo)準化且有一整套完整的理論，而軟件可靠性驗證方法仍未建立，更沒有完整的理論體系。

　　8.硬件可靠性已有成熟的產(chǎn)品市場，而軟件產(chǎn)品市場還很新。

　　9.軟件錯誤是永恒的，可重現(xiàn)的，而一些瞬間的硬件錯誤可能會被誤認為是軟件錯誤。

　　總的說來，軟件可靠性比硬件可靠性更難保證，即使是美國宇航局的軟件系統(tǒng)，其可靠性仍比硬件可靠性低一個數(shù)量級。

　　二. 影響軟件可靠性的因素

　　軟件可靠性是關(guān)于軟件能夠夠滿足需求功能的性質(zhì)，軟件不能滿足需求是因為軟件中的差錯引起了軟件故障。軟件中有哪些可能的差錯呢?

　　軟件差錯是軟件開發(fā)各階段潛入的人為錯誤：

　　1.需求分析定義錯誤。如用戶提出的需求不完整，用戶需求的變更未及時消化，軟件開發(fā)者和用戶對需求的理解不同等等。

　　2.設(shè)計錯誤。如處理的結(jié)構(gòu)和算法錯誤，缺乏對特殊情況和錯誤處理的考慮等。

　　3.編碼錯誤。如語法錯誤，變量初始化錯誤等。

　　4.測試錯誤。如數(shù)據(jù)準備錯誤，測試用例錯誤等。

　　5.文檔錯誤。如文檔不齊全，文檔相關(guān)內(nèi)容不一致，文檔版本不一致，缺乏完整性等。

　　從上游到下游，錯誤的影響是發(fā)散的，所以要盡量把錯誤消除在開發(fā)前期階段。

　　錯誤引入軟件的方式可歸納為兩種特性：程序代碼特性，開發(fā)過程特性。

　　程序代碼一個最直觀的特性是長度，另外還有算法和語句結(jié)構(gòu)等，程序代碼越長，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其可靠性越難保證。

　　開發(fā)過程特性包括采用的工程技術(shù)和使用的工具，也包括開發(fā)者個人的業(yè)務(wù)經(jīng)歷水平等。

　　除了軟件可靠性外，影響可靠性的另一個重要因素是健壯性，對非法輸入的容錯能力。

　　所以提高可靠性從原理上看就是要減少錯誤和提高健壯性。

　　三. 提高軟件可靠性的方法和技術(shù)

　　1.建立以可靠性為核心的質(zhì)量標(biāo)準

　　在軟件項目規(guī)劃和需求分析階段就要建立以可靠性為核心的質(zhì)量標(biāo)準。這個質(zhì)量標(biāo)準包括實現(xiàn)的功能、可靠性、可維護性、可移植性、安全性、吞吐率等等，雖然還沒有一個衡量軟件質(zhì)量的完整體系，但還是可以通過一定的指標(biāo)來指定標(biāo)準基線。

　　軟件質(zhì)量從構(gòu)成因素上可分為產(chǎn)品質(zhì)量和過程質(zhì)量。

　　產(chǎn)品質(zhì)量是軟件成品的質(zhì)量，包括各類文檔、編碼的可讀性、可靠性、正確性，用戶需求的滿足程度等。

　　過程質(zhì)量是開發(fā)過程環(huán)境的質(zhì)量，與所采用的技術(shù)、開發(fā)人員的素質(zhì)、開發(fā)的組織交流、開發(fā)設(shè)備的利用率等因素有關(guān)。

　　還可把質(zhì)量分為動態(tài)質(zhì)量和靜態(tài)質(zhì)量。靜態(tài)質(zhì)量是通過審查各開發(fā)過程的成果來確認的質(zhì)量，包括模塊化程度、簡易程度、完整程度等內(nèi)容。動態(tài)質(zhì)量是考察運行狀況來確認的質(zhì)量，包括平均故障間隔時間(MTBF)、軟件故障修復(fù)時間(MTRF)、可用資源的利用率。在許多實際工程中，人們一般比較重視動態(tài)質(zhì)量而忽視靜態(tài)質(zhì)量。

　　所定的質(zhì)量標(biāo)準度量，至少應(yīng)達到以下兩個目的:

　　(1).明確劃分各開發(fā)過程(需求分析過程，設(shè)計過程，測試過程，驗收過程)，通過質(zhì)量檢驗的反饋作用確保差錯及早排除并保證一定的質(zhì)量。

　　(2).在各開發(fā)過程中實施進度管理，產(chǎn)生階段質(zhì)量評價報告，對不合要求的產(chǎn)品及早采取對策。

　　確定劃分的各開發(fā)過程的質(zhì)量度量：

　　(1).需求分析質(zhì)量度量

　　需求分析定義是否完整、準確(有無二義性)，開發(fā)者和用戶間有沒有理解不同的情況，文檔完成情況等，要有明確的可靠性需求目標(biāo)、分析設(shè)計及可靠性管理措施等。

　　(2).設(shè)計結(jié)果質(zhì)量度量

　　設(shè)計工時，程序容量和可讀性、可理解性，測試情況數(shù)，評價結(jié)果，文檔完成情況等。

　　(3).測試結(jié)果質(zhì)量度量

　　測試工時，差錯狀況，差錯數(shù)量，差錯檢出率及殘存差錯數(shù)，差錯影響評價，文檔等，以及有關(guān)非法輸入的處理度量。

　　(4).驗收結(jié)果質(zhì)量度量

　　完成的功能數(shù)量，各項性能指標(biāo)，可靠性等。

　　最后選擇一種可靠度增長曲線預(yù)測模型，如時間測量、個體測量、可用性，在后期開發(fā)過程中，用來計算可靠度增長曲線的差錯收斂度。

　　在建立質(zhì)量標(biāo)準之后，設(shè)計質(zhì)量報告及評價表，在整個開發(fā)過程中就要嚴格實施并及時作出質(zhì)量評價，填寫報告表。

　　2. 選擇開發(fā)方法

　　軟件開發(fā)方法對軟件的可靠性也有重要影響。

　　目前的軟件開發(fā)方法主要有Parnas方法、Yourdon方法、面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的Jackson方法和Warnier方法、PSL/PSA方法、原型化方法、面向?qū)ο蠓椒?、可視化方法、ICASE方法、瑞理開發(fā)方法等，其他還有BSP方法、CSF方法等。這里特別要提一下的是Parnas方法。

　　Parnas方法是最早的軟件開發(fā)方法，是Parnas 在1972年提出來的，基本思想是在概要設(shè)計時預(yù)先估計未來可能發(fā)生變化，提出了信息隱藏的原則以提高軟件的可靠性和可維護性。

　　在設(shè)計中要求先列出將來可能要變化的因素，在劃分模塊時將一些可能發(fā)生變化的因素隱含在某個模塊的內(nèi)部，使其他模塊與此無關(guān)，這樣就提高了軟件的可維護性，避免了錯誤的蔓延，也就提高了軟件的可靠性。還提出了提高可靠性的措施：

　　(1)考慮到硬件有可能出故障，接近硬件的模塊要對硬件行為進行檢查，及時發(fā)現(xiàn)錯誤。

　　(2)考慮到操作人員有可能失誤，輸入模塊對輸入數(shù)據(jù)進行合法性檢查，是否合法、越權(quán)，及時糾錯。

　　(3)考慮到軟件本身有可能失誤，加強模塊間檢查，防止錯誤蔓延。

　　對瑞理方法可能許多人還不熟悉，這里簡要介紹一下。 [NextPage]

　　瑞理（Rational)模式是美國瑞理軟件工程公司發(fā)展出來的，其模式是：
　　面向?qū)ο螅?
　　螺旋式上升；
　　管理與控制；
　　高度自動化；

　　以管理觀點和技術(shù)觀點把軟件生命周期劃分為起始、規(guī)劃、建構(gòu)、轉(zhuǎn)移、進化五個階段，也可把這五個階段歸并為研究時期（起始和規(guī)劃）和生產(chǎn)時期（建構(gòu)和轉(zhuǎn)移），最后是維護時期（進化），特別適合對高風(fēng)險部分及變動需求的處理。

　　在以上的眾多方法中，可視化方法主要用于與圖形有關(guān)的應(yīng)用，目前的可視化開發(fā)工具只能提供用戶界面的可視化開發(fā)，對一些不需要復(fù)雜圖形界面的應(yīng)用不必使用這種方法；ICASE 技術(shù)還沒有完全成熟，所以可視在方法和ICASE方法最多只能用作輔助方法。面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方法、PSL/PSA方法及原型化方法只適合于中小型系統(tǒng)的開發(fā)。

　　面向?qū)ο蟮姆椒ū阌谲浖?fù)雜性控制，有利于生產(chǎn)率的提高，符合人類的思維習(xí)慣，能自然地表達現(xiàn)實世界的實體和問題，具有一種自然的模型化能力，達到從問題空間到解空間的較為直接自然的映射。

　　在面向?qū)ο蟮姆椒ㄖ?，由于大量使用具有高可靠性的庫，其可靠性也就有了保證，用面向?qū)ο蟮姆椒ㄒ怖趯崿F(xiàn)軟件重用。

　　所以建議采用面向?qū)ο蟮姆椒?，借鑒Parnas和瑞理模式的思想，在開發(fā)過程中再結(jié)合使用其他方法，吸取其它方法的優(yōu)點。

　　3.軟件重用

　　最大限度地重用現(xiàn)有的成熟軟件，不僅能縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率，也能提高軟件的可維護性和可靠性。因為現(xiàn)有的成熟軟件，已經(jīng)過嚴格的運行檢測，大量的錯誤已在開發(fā)、運行和維護過程中排除，應(yīng)該是比較可靠的。在項目規(guī)劃開始階段就要把軟件重用列入工作中不可缺少的一部分，作為提高可靠性的一種必要手段。

　　軟件重用不僅僅是指軟件本身，也可以是軟件的開發(fā)思想方法、文檔，甚至環(huán)境、數(shù)據(jù)等，包括三個方面內(nèi)容的重用：

　　(1)開發(fā)過程重用，指開發(fā)規(guī)范、各種開發(fā)方法、工具和標(biāo)準等。

　　(2)軟件構(gòu)件重用，指文檔、程序和數(shù)據(jù)等。

　　(3)知識重用，如相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的重用。

　　一般用的比較多的是軟件構(gòu)件重用。

　　軟件重用的過程如下：候選，選擇，資格，分類和存儲，查找和檢索。在選擇可重用構(gòu)件時，一定要有嚴格的選擇標(biāo)準，可重用的構(gòu)件必須是經(jīng)過嚴格測試的、甚至是經(jīng)過可靠性和正確性證明的構(gòu)件，應(yīng)模塊化（實現(xiàn)單一、的完整的功能）、結(jié)構(gòu)清晰（可讀、可理解、規(guī)模適當(dāng)），且有高度可適應(yīng)性。

　　4.使用開發(fā)管理工具

　　開發(fā)一個大的軟件系統(tǒng)，離不開開發(fā)管理工具，作為一個項目管理員，僅僅靠人來管理是不夠的，需要有開發(fā)管理工具來輔助解決開發(fā)過程中遇到的各種各樣的問題，以提高開發(fā)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

　　如Intersolv公司的PVCS軟件開發(fā)管理工具，在美國市場占有率已超過70％，使用PVCS可以帶來不少好處：規(guī)范開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本，降低項目投資風(fēng)險；自動創(chuàng)造完整的文檔，便于軟件維護；管理軟件多重版本；管理和追蹤開發(fā)過程中危及軟件質(zhì)量和影響開發(fā)周期的缺陷和變化，便于軟件重用，避免數(shù)據(jù)丟失，也便于開發(fā)人員的交流，對提高軟件可靠性，保證質(zhì)量有很大作用。

　　在我國，開發(fā)管理工具并沒有得到有效地使用，許多軟件公司還停留在人工管理階段，所開發(fā)的軟件質(zhì)量不會很高。

　　人的管理比較困難，在保證開發(fā)人員素質(zhì)的同時，要保持人員的穩(wěn)定性，盡可能避免人員的經(jīng)常流動。人員流動影響了軟件的質(zhì)量，工作連續(xù)性難保證，繼承者不可能對情況了解很清楚等，也可能影響工作進程等。PVCS也提供了適當(dāng)?shù)娜藛T管理方法。

　　5.加強測試

　　軟件開發(fā)前期各階段完成之后，為進一步提高可靠性，只有通過加強測試來實現(xiàn)了。為最大限度地除去軟件中的差錯，改進軟件的可靠性，就要對軟件進行完備測試。要對一個大的軟件系統(tǒng)進行完備測試是不可能的，所以要確定一個最小測試數(shù)和最大測試數(shù)，前者是技術(shù)性的決策，后者管理性的決策，在實際過程中要確定一個測試數(shù)量的下界?？偟膩碚f，要在可能的情況下，進行盡可能完備的測試。

　　誰來做測試呢？一般說來，用戶不大可能來進行模塊測試，模塊測試應(yīng)該由最初編寫代碼的程序員來進行，要在他們之間交換程序進行模塊測試，自己設(shè)計的程序自己測試一般都達不到好的效果。

　　測試前要確定測試標(biāo)準、規(guī)范，測試過程中要建立完整的測試文檔，把軟件置于配置控制下，用形式化的步驟去改變它，保證任何錯誤及對錯誤的動作都能及時歸檔。

　　測試規(guī)范包括以下三類文檔：

　　(1)測試設(shè)計規(guī)范：詳細描述測試方法，規(guī)定該設(shè)計及其有關(guān)測試所包括的特性。還應(yīng)規(guī)定完成測試所需的測試用例和測試規(guī)程，規(guī)定特性的通過/失敗判定準則。

　　(2)測試用例規(guī)范：列出用于輸入的具體值及預(yù)期輸出結(jié)果。規(guī)定在使用具體測試用例時對測試規(guī)程的各種限制。

　　(3)測試規(guī)程規(guī)范：規(guī)定對于運行該系統(tǒng)和執(zhí)行指定的測試用例來實現(xiàn)有關(guān)測試所要求的所有步驟。

　　測試的方法多種多樣：

　　(1)走查（Walk-through），即手工執(zhí)行，由不同的程序員(非該模塊設(shè)計者)讀代碼，并進行評論。

　　(2)機器測試，對給定的輸入不會產(chǎn)生不合邏輯的輸出。

　　(3)程序證明或交替程序表示。

　　(4)模擬測試，模擬硬件、I/O設(shè)備等。

　　(5)設(shè)計審查，關(guān)于設(shè)計的所有各方面的小組討論會，利用所獲得的信息，找出缺陷及違反標(biāo)準的地方等。

　　以上可以交替并行循環(huán)執(zhí)行，在實際測試過程中要使用測試工具提高效率。

　　除正常的測試之外，還要對軟件進行可靠性測試，確保軟件中沒有對可靠性影響較大的故障。制定測試計劃方案，按實際使用的概率分布隨機選擇輸入，準確記錄運行時間和結(jié)果，并對結(jié)果進行評價。

　　沒有錯誤的程序同永動機一樣是不可能達到的。一般常用排錯方法有試探法、追溯法、歸納法、演繹法。還要使用適當(dāng)?shù)呐佩e工具，如UNIX提供的sdb和dbx編碼排錯工具，這些排錯工具只有瀏覽功能，沒有修改功能，是實際的找錯工具。

　　6.容錯設(shè)計

　　提高可靠性的技術(shù)一般可以分為兩類，一類是避免故障，在開發(fā)過程中，盡可能不讓差錯和缺陷潛入軟件，這類常用的技術(shù)有：

　　算法模型化，把可以保證正確實現(xiàn)需求規(guī)格的算法模型化。

　　模擬模型化，為了保證在確定的資源條件下的預(yù)測性能的發(fā)揮，使軟件運行時間、內(nèi)存使用量及控制執(zhí)行模型化。

　　可靠性模型，使用可靠性模型，從差錯發(fā)生頻度出發(fā)，預(yù)測可靠性。

　　正確性證明，使用形式符號及數(shù)學(xué)歸納法等證明算法的正確性。

　　軟件危險分析與故障樹分析：從設(shè)計或編碼的結(jié)構(gòu)出發(fā)，追蹤軟件開發(fā)過程中潛入系統(tǒng)缺陷的原因。

　　分布接口需求規(guī)格說明：在設(shè)計的各階段使用形式的接口需求規(guī)格說明，以便驗證需求的分布接口實現(xiàn)可能性與完備性。

　　這些技術(shù)一般都需要比較深厚的數(shù)學(xué)理論知識和模型化技術(shù)。

　　另一類就是采用冗余思想的容錯技術(shù)。

　　容錯技術(shù)的基本思想是使軟件內(nèi)潛在的差錯對可靠性的影響縮小控制到最低程度。

　　軟件的容錯從原理上可分為錯誤分析、破壞程度斷定、錯誤恢復(fù)、錯誤處理四個階段。

　　常用的軟件容錯技術(shù)有N-版本技術(shù)、恢復(fù)塊技術(shù)、多備份技術(shù)等。

　　N-版本程序設(shè)計是依據(jù)相同規(guī)范要求獨立設(shè)計N個功能相等的程序(即版本)。獨立是指使用不同的算法，不同的設(shè)計語言，不同的測試技術(shù)，甚至不同的指令系統(tǒng)等。

　　恢復(fù)塊技術(shù)是使用自動前向錯誤恢復(fù)的故障處理技術(shù)。

　　以上這些技術(shù)可參考有關(guān)文獻，這里要說的是防錯性程序設(shè)計，在程序中進行錯誤檢查。被動的防錯性技術(shù)是當(dāng)?shù)竭_檢查點時，檢查一個計算機程序的適當(dāng)點的信息。主動的防錯性技術(shù)是周期性地搜查整個程序或數(shù)據(jù)，或在空閑時間尋找不尋常的條件。采用防錯性程序設(shè)計，是建立在程序員相信自己設(shè)計的軟件中肯定有錯誤這一基礎(chǔ)上的，有的程序員可能對此不大習(xí)慣，因為他可能太相信自己，相信自己的程序只有很少錯誤，甚至沒有錯誤，作為一個項目管理員應(yīng)該能說服他或者強制他采用這種技術(shù)，雖然在設(shè)計時要花費一定的時間，但這對提高可靠性很有用。

　　參考文獻：

　　軟件工程設(shè)計、可靠性和管理 M.C.舒曼 上海翻譯出版服務(wù)公司，89版
　　計算機軟件可靠性與質(zhì)量管理 趙曉華編 中國經(jīng)濟出版社 92版