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       程序插桩技术
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        在软件动态测试中,程序插桩(Program Instrumentation)是一种基本的测试手段,有着广泛的应用。
               方法简介
               程序插桩方法,简单地说,是借助往被测程序中插入操作,来实现测试目的的方法。
               我们在调试程序时,常常要在程序中插入一些打印语句。其目的在于,希望执行程序时,打印出我们最为关心的信息。进一步通过这些信息了解执行过程中程序的一些动态特性。比如,程序的实际执行路径,或是特定变量在特定时刻的取值。从这一思想发展出的程序插桩技术能够按用户的要求,获取程序的各种信息,成为测试工作的有效手段。
               如果我们想要了解一个程序在某次运行中所有可执行语句被覆盖(或称被经历)的情况,或是每个语句的实际执行次数,最好的办法是利用插桩技术。这里仅以计算整数X和整数Y的最大公约数程序为例,说明插桩方法的要点。下图所示给出了这一程序的流程图。图中虚线框并不是源程序的内容,而是为了记录语句执行次数而插入的。
               
               插桩后求最大公约数程序的流程图
               这些虚线框要完成的操作都是计数语句,其形式为:
               C(i)= C(i)+1i=1,2,…,6
               程序从入口开始执行,到出口结束。凡经历的计数语句都能记录下该程序点的执行次数。如果我们在程序的入口处还插入了对计数器C(i)初始化的语句,在出口处插入了打印这些计数器的语句,就构成了完整的插桩程序,它便能记录并输出在各程序点上语句的实际执行次数。如下图所示表示了插桩后的程序,图中箭头所指均为插入的语句(源程序语句略)。
               
               插桩程序中插入的语句
               通过插入的语句获取程序执行中的动态信息,这一做法如同在刚研制成的机器特定部位安装记录仪表一样。安装好以后开动机器试运行,我们除了可以从机器加工的成品检验得知机器的运行特性外,还可通过记录仪表了解其动态特性。这就相当于在运行程序以后,一方面可检验测试的结果数据,另一方面还可借助插入语句给出的信息了解程序的执行特性。正是这个原因,有时把插入的语句称为“探测器”,借以实现“探查”或“监控”的功能。
               在程序的特定部位插入记录动态特性的语句,最终是为了把程序执行过程中发生的一些重要历史事件记录下来。例如,记录在程序执行过程中某些变量值的变化情况,变化的范围等。又如本书前面章节中所讨论的程序逻辑覆盖情况,也只有通过程序的插桩才能取得覆盖信息。实践表明,程序插桩方法是应用很广的技术,特别是在完成程序的测试和调试时非常有效。
               设计插桩程序时需要考虑的问题包括:
               . 探测哪些信息;
               . 在程序的什么部位设置探测点;
               . 需要设置多少个探测点。
               
               插桩后求最大公约数程序的流程图
               其中前两个问题需要结合具体情况解决,并不能给出笼统的回答。至于第三个问题,需要考虑如何设置最少探测点的方案。例如,在如上图所示的程序入口处,若要记录语句Q=X和R=Y的执行次数,只需插入C(1)=C(1)+1这样一个计数语句就够了,没有必要在每个语句之后都插入一个计数语句。在一般的情况下,我们可以认为,在没有分支的程序段中只需一个计数语句。但程序中如果出现了多种控制结构,使得整个结构十分复杂,则为了在程序中设计最少的计数语句,需要针对程序的控制结构进行具体的分析。这里我们以Fortran程序为例,列举至少应在哪些部位设置计数语句:
               . 程序块的第一个可执行语句之前;
               . entry语句的前后;
               . 有标号的可执行语句处;
               . do、do while、do until及do终端语句之后;
               . block-if、else if、else及endif语句之后;
               . logical if语句处;
               . 输入/输出语句之后;
               . call语句之后;
               . 计算go to语句之后。
               断言语句
               在程序中的特定部位插入某些用以判断变量特性的语句,使得程序执行中这些语句得以证实,从而使程序的运行特性得到证实。我们把插入的这些语句称为断言(assertions)。这一作法是程序正确性证明的基本步骤,尽管算不上严格的证明,但方法本身仍然是很实用的。下面以求两个非负数NUM和DEN之商的Wensley迭代算法为例,对断言语句的作用作一简要说明。
               假定两个非负数中,NUM小于M(即所得之商小于1),算法中只用到加、减及除2的运算。该迭代算法的程序如下图所示。
               
               计算两非负数之商的迭代程序
               从程序中可以看出,在每次迭代中由分母得到的变量B以及权增量W都要缩小一半,而且变量A随着迭代次数的增加将接近分子。这些粗略的观察和分析可以用以下4个断言语句表达,在每次迭代开始时4个断言必定为真:
               ①W =2-K(K是迭代次数,并且K≥0);
               ②A=DEN*Q;
               ③B=DEN*W/2;
               ④NUM/DEN-W
               此外,我们还看出,在循环外W
               NUM/DEN-E
               它和上面的第④断言很相似。
               假定我们所用的编译系统能够处理表达式形式的断言语句,插入断言以后的程序如下图所示。其中带有标记@的语句是断言语句。新增加的变量K只是在计算第①断言时用到。
               
               插入断言后的迭代程序
               首先来检验在初始化以后循环后的断言。
               ①由于K=0,所以是初值。W=2-K=1。
               ②由于Q=0,A的初始A=DEN*Q=0。
               ③将W的值代入DEN * W/2,则得B的初值:B=DEN/2。
               ④我们曾假定0≤NUM
               以上说明了这些断言在初始状态下为真。如果继续迭代,要证明断言为真,就必须证明无论if-then结构中执行什么路径这些断言都为真。我们先来考虑在初始测试中NUM-A-B≥0为假,即检验失败,然后给出程序向量的新值(A′,B′,W′,Q′和K′),我们有:
               A*=A
               B*=B/2
               W*=W/2
               Q*=Q
               K*=K+1
               再来检验4个断言:
               ①W*=W/2=1/2 ** K*
               ②A*=A=DEN*Q=DEN*Q*
               ③ B*=B/2=DEN * W/4=DEN* W*/2
               ④把A和B代入(NUM-A-B<0),得到NUM-DEN * Q-DEN * W/2<0,对此关系式两端除以DEN,并加Q,得到,由于Q′=Q, W′=W/2,我们有NUM/DEN-W**,且Q≤NUM/DEN。
               如果if-then检验成立,再来看4个断言。使用A″,B″,W″,Q″和K″作为新的程序向量,我们有:
               ①W′=W/2=1/2 ** K"
               ②A"=DEN * Q+DEN * W/2=DEN *(Q+W/2)=DEN * Q"
               ③ B″=B/2=DEN * W/4=DEN * W″/2
               ④代入(NUM-A-B ≥ 0),并作同前的变换,得到NUM/DEN - W″/2
               总之,无论执行哪一路径,在每一迭代的开始,4个断言均为真。尽管并未考虑输出断言,但是我们知道,第④断言成立,由于W
 
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