（计算机应用技术专业论文）智能化细粒度软件抗衰策略及相关技术研究.pdf

智能化细粒度软件抗衰策略及相关技术研究博士学位论文 摘要 随着计算系统复杂性程度的提高，许多已知和未知的软件缺陷无法避免，由 其引发的软件老化现象成为软件运行中必须面对的重要问题，由此，软件抗衰技 术应运而生：为了最大程度地提高软件抗衰的效率，缩减抗衰成本，降低系统性 能衰退以及意外失效所导致的损失，智能化细粒度软件抗衰技术的提出迫在眉 睫。本文针对上述应用需求展开的主要研究工作及取得的创新性成果概述如下： ( 1 )针对现有组件重启相关度判定规则及系统重启树构建步骤相对粗糙、不 够完善的问题，提出了以软件工程为依据的新型高准确度重启相关度判定规 则和系统重启树的构建方法。通过分析软件体系结构和各组件间的数据访问 关系，给出了组件间依赖程度的数据化表示，通过搜索两组件间的可达路径， 求得任意两个组件间的重启相关度，并据此判定组件重启群，构建系统重启 树，从而完成抗衰重启的前期准备。 ( 2 )建立了多级嵌套软件抗衰策略的形式化模型，给出了模型的求解方法。 为了更清晰地描述复杂系统细粒度多级嵌套软件抗衰策略，论文综合采用 p e t r i 网和有限状态自动机建立k 级嵌套软件抗衰模型，用p e t r i 网表示各次重 启的动态行为细节，用自动机控制策略的重启组件、组件重启次序和执行周 期，最终得到简单且易于理解的策略模型，同时避免了直接将模型同构为马 尔可夫过程可能遇到的状态空间爆炸问题。 ( 3 )分析了软件抗衰智能化的可实现性，初步提出了智能化抗衰的实现原理 及模型，构建并制定了基于软件抗衰的神经网络模型、遗传算法及d n a 计算。 首先分析神经网络、遗传算法及d n a 计算的工作原理，确定其在抗衰技术中 的可用性；由此依据抗衰原理，构建出五层神经网络结构模型，给出基于抗 衰的遗传算法及d n a 计算，最终智能化地判定组件重启相关度及组件可达 集，提高了抗衰效率，节约了抗衰成本，为实现智能化软件抗衰提供支持。 ( 4 )制定了分布式系统智能化细粒度软件抗衰策略，给出了基于该策略的 a g e n t 系统体系结构。根据分布式系统各重启层组件的运行特点，提出了系统 四层嵌套的抗衰策略，将抗衰粒度细化至线程级。通过分析系统各级组件间 控制、调用及数据访问的关系，确定了适应各层的直接依赖组件判定方法； 智能化细粒度软件抗衰策略及相关技术研究博l j 学位论文 同时通过监控系统资源的使用情况，确定系统重启组件，明确各级重启组件 间的嵌套重启关系，建立了系统重启链，给出了抗衰体系结构；为实现了分 布式系统的智能化细粒度软件抗衰奠定了基础。 ( 5 ) 2 定义了基于软件抗衰的数据流系统模型，提高了抗衰技术的准确度，增 强了抗衰实时性。在数据流的基础上，结合软件抗衰重启理论，制定了较为 全面的系统性能参数，给出基于软件抗衰的数据流系统模型，并通过异常模 式提取和趋势分析的方法有效地对异常组件进行预测，由此判定组件间重启 相关度、确定重启组件及重启次序，最终构建系统的重启链，实现了高效准 确的软件抗衰技术，全面改善了重启效果。 关键词：软件抗衰，软件老化，软件体系结构，重启相关度，重启层，重启树， 重启链，p e t r i 网，自动机，神经网络，遗传算法，d n a 算法，自主计 算体，数据流； 智能化细粒度软件抗衰策略及相关技术研究 博士学位论文 a b s t r a c t a st h ec o m p l e x i t yo fc o m p u t e rs y s t e mi n c r e a s e s ，m a n ys o t t w a r eb u g s i n d u c i n gs o f t w a r e a g i n gc a n n o tb ea v o i d e d , i th a sb e e nap r o b l e mt h a tw eh a v et of a c e ，s os o t t w a r er e j u v e n a t i o ni s i n t r o d u c e d i no r d e rt oa d v a n c et h ee f f i c i e n c yo fs o f t w a r e 厕u v e n a t i o na n dr e d u c et h ec o s to f r e j u v e n a t i o na n dt h el o s st h a tr e s u l t sf r o mp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o na n df a i l u r eo fc o m p u t e r s y s t e m , t h ei n t e l l i g e n ta n df i n e g r a i n e ds o t l w a r er e j u v e n a t i o ns h o u l db er e s e a r c h e du r g e n t l y f o r t h e s er e q u i r e m e n t so fa p p l i c a t i o n , t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d 豳 f o l l o w s ： l i r s d y ，t h en e wd e t e r m i n a t i o nm e t h o db a s e do ns o t t w a r ee n g i n e e r i n gf o rt h ed e g r e eo fr e s t a r t d e p e n d e n c eb e t w e e nc o m p o n e n t sa n dr e s t a r tt r e eo f $ o t h a r a r es y s t e mi sp u tf o r w a r d , w h i c ha i m sa t t h ep r o b l e mo f r o u g h n e s s b ya n a l y i n gs o f t w a r es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dc o u p l i n gr e l a t i o nb e t w e e n c o m p o n e n t s ，t h ed a t a e de x p r e s s i o no fc o u p l i n gr e l a t i o nb e t w e e nc o m p o n e n t si sp r e s e n t e d ；t h e nt h e d e g r e eo fr e s t a r td e p e n d e n c eb c t w c c , dc o m p o n e n t si so b t a i n e db ys e a r c h i n ga e e e s s i b l op a t l i ，o n w h i c ht h or e s t a r tg r o u po fa n ym o d u l ei sd e f i n e d s ot h ep r i m a r yp r e p a i r a t i o nf o rs o t t w a r o r e j u v e n a t i o nf i n i s h e s s e c o n d l y ，t h em u l t i l e v e ln e s t e ds o f t w a r er e j u v e n a t i o np o l i c yi sm o d e l e da n da n a l y z e d i n t h i sp a p c l r , b o t hp e t r in e ta n df j m i t e - s t a t oa u t o m a t aa r eu s e dt od e p i c tt h ek - l e v e ln e s t e d r e j u v e n a t i o np o l i c y i i lt h ep r o c e s so fe x e c u t i n gap o l i c y , p e t r in o ti su s e dt od e n o t ed y n a m i c b e h a v i o ro fe v e r yr e s t a r ti nc l e t a i t , a n da u t o m a t ai su s e dt oc o n t r o lt h er e s t a r tc o m p o n e n t s ，t h e s c q u e n c a n di m p l e m e n tl , e r i o d s o ft h e m t h eo b t a i n e d p o l i c y m o d e li s s i m p l ea n d u n d e r s t a n d a b l e ，a n dt h i sm e t h o da v o i d st h eb l a s to fs t a t es p a c et h a tw o u l do c c u l ti ft h em o d e lw a s s o l v e dd i r e c t l yb ym a r k o v i r r o e e s s t h i r d l y ，t h ei n t e l l i g e n tf i n e - g r a i n e ds o t t w a r cr e j u v e n a t i o np o l i c yo fd i s t r i b u t e ds y s t e mi s e s t a b l i s h e d , a n dt h ea r c h i t e c t u r eo fa g e n ts y s t e m si sb u i l t b a s e do nt h ef t m e t i o ne h a r a e t e r i s l i e so f c o m p o n e n t so nd i f f e r e n tl e v e l s , t h ef o u r - l e v e li i c s i c 4 tr e j u v 翻a a l i o np o l i c yi ss e td o w na n d r e j u v e n a t i o ng r a n u l a r i t yi s f i n e dt ot h r e a d 伊o e e s sl e v d b ya n a l y z i n gt h ec o u p l i n gr e l a t i o n b c t w c c i lc o m p o n e n t s0 1 1d i f f e r e n tl o v e l s ，t h em e t h o d st os e a r c ht h ed i r e c tc o u p l e dc o m p o n e n t s a n dt h or e s t a r ts e t s 撇p u tf o r w a r d ；b yi m p e e t i n gt h o 吣鸩eo fs y s t e m 麟。峨，厕u v e n a t i o n c o m p o n e n t sa n dt h en e s t e dr e s t a r tr e l a t i o n sa r ei l l u m i n a t 踟l , t h el e s t a r tl a c ea n dr e s t a r tc h a i na f o r m e 4 , 瓶dt h ea r e h e t e e h t l u oi sf o r m e d ；s ot h ei n t e l l i g e n t6 m e - 霉 a i n e ds o t t w a r or e j u v c n a t i o l l p o l i c yo f d i s t r i b u t e ds y s t e mi sg r o u n d e d - - 智能化细粒度软件抗衰策略及相关技术研究 博仁学位论文 f o u n h ly ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h er e a l i z a t i o no fi n t e l l i g e n ts o f t w a r er e j u v e n a t i o n ，t h ep r i n c i p i u m a n dm o d e la res e td o w n t h em o d e lo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 、g e n e t i ca l g o r i t h ma n dd n a c o m p u t i n gb a s e do ns o f t w a r er e j u v e n a t i o na r eb u i l ta n dd e t e r m i n e d b ya n a l y z i n gt h ef u n c t i o n p r i n c i p i u m so fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 、g e n e t i ca l g o r i t h ma n dd n aa l g o r i t h m ，t h ea v a i l b i l i t i e s o ft h e ma r ed e t e r m i n e d ；o nt h eb a s i so fp r i n c i p i u mo fs o f t w a r er e j u v e n a t i o n , t h em o d e lo f f i v e l e v e l a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki sb u i l t ，a n dg e n e t i ca l g o r i t h ma n dd n ac o m p u t i n ga r es e t d o w n ，s ot h ed e g r e eo fr e s t a r td e p e n d e n c ea n dr e a c h a b l es e t so fc o m p o n e n t sa r eg e ti n t e l l i g e n t l y s ot h a tt h ee f f i c i e n c yo fs o f t w a r er e j u v e n a t i o ni si m p r o v e d ，t h ec o s td e c r e a s e s ，a n dt h en e c e s s a r y s u r p o r to fi n t e l l i g e n ts o f t w a r er e j u v e n a t i o ni sp r o v i d e d f i f t h l y ，t h em o d e lo fd a t as t r e a m ss y s t e mb a s e do ns o f t w a r er e j u v e n a t i o ni sb u i l t ，s ot h a tt h e c h a r a c t e r so fr e a lt i m ea n dv e r a c i t yo fp o l i c ya r ee n h a n c e d o nt h eb a s i so fd a t as t r e a m sa n d s o f t w a r er e j u v e n a t i o np r i n c i p i u m ，b yd e t e r m i n a t i o no fg e n e r a lp e r f o r m a n c ef e a t u r e s ，e x t r a c t i o n a n dt r e n dd e t e c t i o no fu n u s u a lp a t t e r n so fd a t as t r e a m s ，t h em o d e lo fd a t as t r e a m ss y s t e mb a s e do n s o f t w a r er e j u v e n a t i o ni sb u i l t , w h i c hd e t e r m i n e st h ed e g r e eo fr e s t a r td e p e n d e n c eb e t w e e n c o m p o n e n t s ，t h er e s t a r to n e sa n ds e q u e n c e so ft h e m ，t h e nt h er e s t a r tc h a i no fs y s t e mi sb u i l t t h e e f f i c i e n ta n dv e r a c i o u ss o f t w a r er e j u v e n a t i o nr e a l i z e d ，a n dt h er e j u v e n a t i o ne f f e c ti si m p r o v e d k e y w o r d s ：s o f t w a r er e j u v e n a t i o n ，s o f t w a r ea g i n g ，s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，d e g r e eo fr e s t a r t d e p e n d e n c e ，r e s t a r tl e v e l ，r e s t a r tt r e e ，r e s t a r tc h a i n ，p e t r in e t ，a u t o m a t a , a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k , g e n e t i ca l g o r i t h m ，d n a a l g o r i t h m ，a g e n t , d a t a s t r e a m s ； 图清单博士学位论文 图清单 图1 1硬件欠效随时间变化规律2 图1 2 软件失效随时间变化规律3 图1 3 扩展的软件缺陷分类5 图1 4 实施软件抗衰的计算系统的性能变化规律5 图1 5 本文的主要：【作1 2 图1 6 论文结构示意图1 5 图2 1 直接依赖组件图绘图标准1 8 图3 1 单次抗衰过程的s p n 模斑一2 5 图3 2执行三级t m s r p 的系统n f a 模型2 7 图3 3 四级嵌套重启策略的d f a 模型。2 9 图3 4 系统多级嵌套的抗衰重启策略的实施过程模型3 1 图3 5多级嵌套的抗衰重启策略的系统d f a 模型“：3 2 图4 1 第一层神经网络结构图3 5 图4 2第三层神经网络结构图3 6 图4 3第五层神经网络结构图3 8 图5 1嵌套的软件抗衰策略5 3 图5 2 重启链构建a g e n t 的a o c t p n 模型5 5 图5 3 基于软件抗衰的a g e n t 工作流程图5 6 图5 4 系统事务用例图5 7 图5 5 系统进程状态5 8 图5 6 系统线程对象顺序图5 8 图5 7h a m 小波平滑过后的总体物理内存使用序列5 9 图5 8h a a r 小波平滑过后的总体空闲交换空间序列，5 9 图5 9h a a r 小波平滑过后的w e b 服务的物理内存使用序列6 0 图5 10h a a r 小波平滑过后的数据库服务的物理内存使用序列6 0 图5 1 l 三种软件抗衰策略的抗衰成本比较6 1 图5 12 系统直接依赖事务图6 2 图5 13 系统直接依赖进程图6 2 图5 14 系统直接依赖线程图6 3 图5 。l5 系统重启树6 5 图5 16 不同时刻的系统重启链6 5 图6 1 正相关时系统趋势监测及异常组件提取状况图7 4 图6 2 不相关时系统趋势监测及异常组件提取状况图7 5 v 表清单博j ：学位论文 表清单表清早 表3 1由位置组标识的系统状态2 5 表3 2 对应图3 2 的状态集q 中元素及其含义2 8 表3 3 对应图3 2 的字母表中元素及其含义2 8 表4 2 抗衰策略所含变量及意义4 0 表5 1共享资源不同访问方式与进程重启相关度的对应关系5 0 表5 2 系统资源的趋势估计和资源枯竭时间估计。5 9 表5 3 计算系统性能参数表6 1 表5 4 系统任意事务间的重启相关度。6 2 表5 5 系统任意进程间的重启相关度6 3 表5 6 系统任意线程间重启相关度一“ 表6 1 系统性能参数一6 9 表6 2 系统任意组件间的重启相关度。7 5 - v 1 1 i - 缩略词及中英文词汇对照博j j 学位论文 缩略词及中英文词汇对照 d s i 一d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，数字用户线 p s t n p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，公用电话交换网 i d c i n t e m a t i o n a ld a t ac o r p o r a t i o n ，国际数据公司 t c 卜t o t a lc o s to fo w n e r s h i p ，总拥有成本 0 l t p o n l i n et r a n s a c t i o np r o c e s s i n g ，在线事务处理 s r s o 胁a r er e j u v e n m i o n ，软件抗衰 n a s a - n 撕o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n ，美国国家航空和宇宙航行局 c m t s 叫a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m ，电缆调制解调终端系统 r o c r e c o v e r yo r i e n t e dc o m p u t i n g ，面向恢复的计算 r r r e c u r s i v er e s t a r t a b l i t y ，递归重启 m 1 限m e a r lt i m et of a i l u r e ，平均失效时间 m t t r _ - m e a i lt i m et or e p a i r ，平均恢复时间 m t t 、r m e a i lt i m et ow a i tr e c o v e r y ，系统等待恢复时间 m ”队r m e a l lt i m et oa c tr e c o v e r y ，系统反应时间 m t t r 驴m e a nt i m et or e s t o r ed a t a ，数据恢复时间 t s r p - t j m e b a s e ds o f t w a r er e j u v e n a t i o np o l i c y ，基于时间的软件抗衰策略 d s r p 巾e t e c t i o n b a s e ds o f t w a r er e j u v e n a t i o np o l i c y ，基于检测的软件抗衰策略 m s r p _ 刈u l t i 1 e v e ls o f t w a r er e j u v e n a t i o np o l i c y ，多级细粒度软件抗衰策略 s m p s e m i m a r k o vp r o c e s s ，半马尔可夫过程 f s a 叫i n i t e s t a t ea u t o m a t a ，有限状态自动机 c t m c o n t i n u o u st i m em a r k o vc h a i n ，连续时间马尔可夫链 m r s p n m a r k o vr e g e n e r a t i v es t o c h a s t i cp e t r in e t ，马尔可夫再生随机p e t r i 网 m r g 卜m a r k o v r e g e n e r a t i v ep r o c e s s ，马尔可夫再生过程 s r 忖一s t o c h a s t i cr e w a r d n e t ，随机回报网 g s p n - - - - - - g e n e r a l i z e ds t o c h a s t i cp e t r in e t ，广义随机p e t r i 网 g f p s rp - 七i v e n f a i l u r e p r o b a b i l i t y - b a s e ds o f t w a r er e j u v e n m i o np o l i c y ，基于特 定失效概率的软件抗衰策略 t d s r p t i m e & d e t e c t i o n b a s e ds o f t w a r er e j u v e n m i o np o l i c y ，基于时间与检 测的软件抗衰策略 t m s r p _ t i m e b a s e dm u l t i 1 e v e ls o f t w a r er e j u v e n a t i o np o l i c y ，、基于时间的多级 软件抗衰策略 d m s r p - 一d e t e c t i o n b a s e d m u l t i 1 e v e ls o f t w a r er e j u v e n a t i o np o l i c y ，基于检测的 i x 缩略词及中英文词汇对照 博t 学位论文 多级软件抗衰策略 p n p e t r in e t ，p e t r i 网 s p n s t o c h a s t i cp e t r in e t ，随机p e t r i 网 m p m a r k o vp r o c e s s ，马尔可夫过程 m s p n m a r k o v i a i ls t o c h a s t i cp e t r in e t ，马尔可夫随机p e t r i 网 n m s p n n o n m a r k o v i a ns t o c h a s t i cp e t r in e t ，非马尔可夫随机p e t r i 网 e s p n e x p e n d e ds t o c h a s t i cp e t r in e t ，扩展的随机p e t r i 网 d s p n m d e t e r m i n i s t i ca n ds t o c h a s t i cp e t r in e t ，确定与随机p e t r i 网 h m p h i d d e n m a r k o v i a np r o c e s s ，隐马尔可夫过程 f a _ f i n i t ea u t o m a t a ，有限自动机 n f a 悄o n d e t e r m i n i s t i cf i n i t ea u t o m a t a ，非确定的有限自动机 d f a d e t e r m i n i s t i cf i n i t ea u t o m a t a ，确定的有限自动机 d h 】州d i s c r e t eh o p f i e l dn e u r a ln e t w o r k ，离散的h o p f i e l d 神经网络 p n n p r o b a b i l i s t i cn e u r a ln e t w o r k s ，概率神经网络 l v q l e a r n i n gv e c t o rq u a n t i z a t i o n ，学习矢量量化 软件缺陷s o 脚a r eb u g s 软件失效s o r w a r ef a i l u r e 瞬时软件失效- t i 锄s i e ms o f t w a r ef a i l u r e 永久软件失效p e r m a n e n ts o f t w a r ef a i l u r e 瞬时软件缺陷- t r a n s i e n ts o f t w a r eb u g s 永久软件缺陷p e m a i l e n ts o f t w a r eb u g s 软件老化s o 胁a r ea g i n g 老化相关缺陷a g i n 哥r e l a t e db u g s 多米诺效应d o m i n oe 虢c t n 版编程- n - v e r s i o np r o g r a m m i n g 恢复块咄e c o v e r vb l o c k 检查点与还原技术叫h e c k p o i n t i n ga n dr e c o v e r yt e c h n o l o g y 软件性能恢复技术s o r w a r ec a p a c i t yr e s t o r a t i o n 微重启- m i c r o r e b o o t 自愈系统s e l f h e a l i n gs y s t e m 自主计算m l t o n o m i cc o m p u t i n g 抗衰粒度- re j u v e n a t i o ng r a n u l a r i t y 细粒度软件抗衰策略f i n e - g r a i n e ds o f t w a r er e j u v e n a t i o np o l i c y 重启树r e s t a r tt r e e 小限度维护m i n i m a lm a i n t e n a n c e - x 缩略词及中英文词汇对照 博士学位论文 高效状态u p 有效状态m e d i u m e f f i c i e n t 低效状态l o w e f f i c i e n t 失效状态- r e b 0 0 t 重启链r e s t 矾c h m n 重启群叫e s t a ng r o u p 重启树r - e s t a r tt r e e 重启相关度d e g r e eo fr e s t a r td e p e n d e n c e 位置p l a c e 变迁t r a n s i t i o n 弧a r c 标记- 阳k e n 实施规则f i r i n gr u l e 标识m a r k i n g 人工神经网络a n i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 遗传算法g e n e t i ca l g o r i t h m d n a 计算d n ac o m p u t i n g 分布式系统d i s t r i b u t e ds y s t e m 事务t r a n s a c t i o n 进程p r o c e s s 线程m l r e a dp r o c e s s 物理内存的损耗l e a k a g eo f m e o r y c p u 的损耗w a s t a g eo fc p u 占用的物理内存叫7 s e dp h y s i c a lm e m o r y 空闲的交换空间f r e es w a ps p a c e 数据流d a t as t r e a m s x 1 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：3 二赵一一 7 年肛月幽日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：一量堕 如7 年n 月。2 0 日 第一章绪论 博士学位论文 1 绪论 近年来，随着计算系统性能的迅速提高，处理和存储能力的大幅增强，通信 速度的日益加快；计算系统规模和体系结构也越来越复杂，系统各部分的联系亦 越来越紧密，致使复杂系统的代码多达数千万行，对系统的有效维护和性能的保 持变得越来越困难；另一方面，人们对各类计算系统的可靠性要求却越来越高， 在许多应用领域，如航空、航天、金融、保险、核反应堆、水电工程、交通管制、 输油管线以及冶金、化工等众多的工业过程控制中，如果计算系统在运行过程中 性能不断衰退，却没有有效的维护措施，导致系统不能在规定的时间内稳定可靠 地工作，将会造成巨大的损失，因此研究和发展高效准确的计算系统抗衰技术势 在必行。 1 1 论文研究背景 软件的复杂性问题已经成为当前i t 领域面临的最大挑战，软件缺陷 ( s o f t w a r eb u g s ) 和操作错误已成为软件界广泛关注的问题，并且不得不面对越 来越普遍的软件老化现象的威胁。 1 1 1 计算系统的复杂化 近年来，随着人们对计算系统要求的不断提高，功能强大、规模结构紧密复 杂的分布式系统越来越成为计算系统的主要形式。然而由此带来的i r 基础设施 不断增长的复杂性已经威胁到信息技术本身带来的好处；早在2 0 0 1 年，i b m 公 司负责研发的高级副总裁p a u lh o r n 就表示，计算机已经变得日益复杂，越来越 多的操作和监控任务- 已经超过了人类能够负担的范引1 1 。 事实上，激烈的竞争要求更强大的功能和更快的更新速度，从而导致软件在 推出之前不可能做全面的测试，一些不常见的异常和可能导致错误操作的程序容 易被忽视；分布式系统和因特网的发展允许全世界的计算设备和计算系统的任意 互连，管理者需要将多个异构环境进行集成，处理不断暴涨的各种信息，消费者 则需要自己安装和检测d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，数字用户线) 服务故障， 因此当前计算系统管理和使用的难度远远超过了个人软件环境，各种操作性错误 也在增加。d p a t t e r s o n 等【2 3 1 2 0 0 2 年对三个i n t e m e t 站点的失效数据的分析结果 第一章绪论 博七学位论文 显示，由操作性错误导致的失效达5 1 ，而对美国p s t n ( p u b l i cs w i t c h e d t e l e p h o n en e t w o r k ，公用电话交换网) 的失效数据的分析结果显示操作性错误引 发的失效占到了5 9 。2 0 0 3 年d o p p e n h e i m e r 也对三类不同的i n t e m e t 服务的失 效原因进行了调查，其报告【4 1 也表明操作性错误已成为系统失效的主要因素。 采用模块化程序设计方法和组件重用技术开发的复杂系统越来越难以维护 和操作，系统的维护成本远远超过了系统本身的软硬件成本。i d c ( i n t e r n a t i o n a l d a t ac o r p o r a t i o n ，国际数据公司) 在2 0 0 1 年的6 月到9 月对1 4 2 个公司( 公司 的雇员均超过1 0 0 人) 的群集系统服务的调查报告【5 j 显示，其总拥有成本( t o t a l c o s to fo w n e r s h i p ，t c o ) 高达系统本身软硬件成本的3 6 到l8 5 倍。 1 1 2 软件缺陷 软件缺陷与硬件缺陷的形成机理大不相同。硬件缺陷主要来源于元部件的失 效，一般说来，硬件交付使用时是无缺陷的，随着使用时间的增长，元部件逐渐 老化、失效，故障也越来越多，所以硬件缺陷可以说是“后生”的；软件缺陷则 主要来源于人的失误和水平、能力的局限性，一旦软件开发好交付使用后，一般 情况下不会出现缺陷数增加的现象，相反，随着使用过程中不断出错、检错、纠 错活动的进行，软件中潜伏的缺陷数将逐步减少，所以软件缺陷可以说是“先天” 的1 6 】。因此，软件缺陷的一个重要性质就是固有性，它决定了软件失效率随时间 的变化规律不像硬件那样是一条浴盆曲线( 图1 1 ) ，而是典型的减函数曲线( 图 1 2 ) 。实际上，这种减函数只是在软件运行的初期，随着使用时间的增长，当 永久性缺陷绝大部分被排除之后，无法避免的瞬时缺陷将使软件的失效率处于一 稳定值。 图1 1 硬件失效随时间变化规律 第一章绪论博十学位论文 图1 2 软件失效随时间变化规律 软件缺陷的另一个重要性质是对环境的敏感性。所谓环境，是指软件的运行 环境( 包括软硬件平台、软硬件配置和其它支撑软件) 和输入环境( 如应用对象、 用户要求、输入数据等) 。在大多数情况下，一个程序的运行，并不一定遍历程 序的所有部分。程序中的各个部分可做多种不同的逻辑组合，形成不同的执行路 径，从而实现不同的功能。而这些组合取决于输入环境，输入环境的改变决定了 程序内部路径的重新组合。如果程序中有缺陷，并且程序的执行路径经过了缺陷 点，那么必然会引起错误；如果程序的执行路径没有经过缺陷点，则不会引起错 误；而对在一定输入环境下执行出错的程序，当退出该环境后，对于其它环境又 可能正常执行，但当再次进入该环境时，程序又会出错。可见，软件缺陷对输入 环境十分敏感。至于软件缺陷对运行环境的敏感性则更容易理解。一般在某一运 行环境下开发和正常执行的程序，改换到另一运行环境下去执行，就会表现出许 多的软件缺陷。 软件缺陷的影响还具有传染性。任一软件缺陷，只要未被排除，始终存在于 该软件中，一旦发生错误，是可以传染其他程序的。例如一个组件的错误，通过 组件间的调用可能传染调用者，通过组件间的通信，还可能传染更多其它的组件。 正是因为软件缺陷的上述三个特性，使得软件缺陷不易被发现，甚至整个使 用寿命期都可能不会被触发。随着软件变得越来越复杂，各种已知或未知的软件 缺陷的出现更加无法避免。越来越多的调查表明软件缺陷已经成为引发软件失效 的主要原因【7 - 1 0 1 。事实上，早在1 9 9 1 年的调查就显示，硬件的不断改进和维护 技术的提高已使得硬件缺陷导致的系统失效由5 0 降低到1 0 ，而软件缺陷导 致的系统