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软件工程 软件工程 刘迎春 软件工程 第12章软件质量与可靠性 12 1软件质量保证12 2软件能力12 3软件可靠性12 4软件质量管理标准 第12章软件质量与可靠性 软件质量 是贯穿于整个软件生存周期的一个重要问题 它渗透到软件开发和维护的每一个时期 每个阶段 乃至每一个细节活动中 20世纪90年代以来 质量认证逐渐在企业流行 把对于产品的质量保证扩展到对于整个企业的质量认证 软件现代质量管理的内容也相应地扩展为包括质量保证与质量认证等两个方面 12 1软件质量保证 质量是任何产品生命的关键 对于软件也不例外 由于软件产品的特殊性 质量保证 QualityAssurance 比硬件产品更加困难 12 1 1软件的质量要求 12 1 2软件质量保证的内容 软件质量保证的内容主要包括 审查 开发方法 配置控制与程序测试的综合应用 在 软件开发规范 的指导下 对于软件计划和开发时期各个阶段的工作都要进行复审 每个阶段产生的文档都必须严格管理 以确保文档和程序的完整性与一致性 最后要对程序进行不同类型的测试 12 2软件能力 12 2 1CMM的由来与发展20世纪80年代后期 卡内基 梅隆大学 CMU SEI 根据美国联邦政府的要求开始研究软件企业的开发能力 于1991年正式公布了软件过程能力成熟度模型 CapabilityMaturityModel CMM1 0版 标志着软件质量管理向质量认证迈出了重要的一步 SW CMM的由来与发展 2 20世纪60年代中期 大型软件系统生产中爆发的软件危机 使程序中大量的错误难以消除 软件生产的进度无法预测 开发应用费用失去控制 程序员人数增长需求很难满足要求 人们将工程的概念 原理 技术和方法引入了软件系统开发 在一定程度上解决了软件生产过程中遇到的问题 软件工程成为软件产业的重要分支 直至80年代还是没有提出一套管理软件开发的通用原则 软件管理不善的问题依旧在大范围内存在 SW CMM的由来与发展 3 70年代中期美国国防部曾立题专门研究软件项目做不好的原因 发现70 的项目是因为管理不善而引起 而并不是因为技术实力不够 90年代中期 软件工程管理不善的问题仍然存在 据美国软件工程实施现状的调查 大约只有12 的项目能够在预定的费用和进度下交付 1995年 美国共取消了812亿美元的软件项目 其中31 的项目未做完就取消了 53 的软件项目进度通常要延长50 的时间 通常只有9 的软件项目能够及时交付并且费用也不超支 结论 管理是影响软件研发项目全局的因素 而技术只影响局部 SW CMM的由来与发展 4 80年代中期 美国联邦政府提出对软件承包商的软件开发能力进行评估的要求 在Mitre公司的帮助下 1987年9月 美国卡内基 梅隆大学软件工程研究所发布了软件过程成熟度框架 并提供了软件过程评估和软件能力评价两种评估方法和软件成熟度提问单 4年之后 SEI将软件过程成熟度框架进化为软件能力成熟度模型 CapabilityMaturityModelForSoftware 简称SW CMM 1991年8月 SEI发布了最早的SW CMMv1 0 经过两年的试用 1993年SEI正式发布了SW CMMv1 1 这是目前使用最为广泛的版本 SW CMM的由来与发展 5 从1995年 CMM又进入了另一个修改的高峰期 美国政府和软件业界大力支持和积极参与下 SEI先后发表了CMM2 0版的A版 B版和C版草案 1997年 CMM2 0C版草案停止推进 SEI宣布 CMM1 1版和CMM2 0C版草案都有效 自CMM1 1发布起 SEI相继研制并发布了 人员能力成熟度模型 P CMM 软件访问能力成熟度模型 SA CMM 和 系统工程能力成熟度模型 SE CMM 及其支持文件 经过试运行 把SM CMM P CMM SA CMM和SE CMM合并在一起 CMMI SW CMM的由来与发展 6 SEI的CMM为软件工程管理开辟了一条新的途经 其的本质还是软件工程的一个部分 迄今为止 CMM虽然只是美国卡内基 梅隆大学软件工程研究所 SEI 发表的一份技术报告 既不是政府也不是行业协会批准的标准 但它在美国和国际上已成为事实上的软件行业标准 围绕以CMM为基础的软件过程评估和软件能力评价 建立了从审核员培训到提供评估和评价的一整套服务体系 12 2 2软件能力的概念 软件能力是表示软件企业或项目机构的开发能力 是度量软件过程完善程度的尺度 软件过程成熟度用来表达一个特定的软件过程被明确和有效的定义 管理 测量和控制的程度 软件过程成熟度高的企业 对于软件管理以及工程的方法 规程和过程等均有明确的定义 不会因人员的变化而变化 将软件过程的能力成熟度分成不同的等级 每个等级包括一组过程目标 等级越高 表明企业的软件过程成熟度越高 其软件过程能力也就越高 12 2 3CMM模型的内容 SW CMM为软件企业的过程能力提供了一个阶梯式的进化框架 它是基于过去所有软件工程成果的过程改善的框架 吸取了以往软件工程的经验教训 指明了一个成熟的软件组织在软件开发方面需要管理的主要工作 这些工作之间的关系以及以怎样的先后次序 一步一步的做好这些工作使软件组织走向成熟 1 初始级特征 软件过程的特点是杂乱无章 有时甚至混乱 几乎没有定义过程的规则或步骤 过分的承诺 常作出良好的承诺 按照软件工程方式 有序的工程过程来工作 或达到高目标的许诺 但实际上却出现一系列危机 遇到危机就放弃原计划过程 反复编码和测试 成功完全依赖个人努力和杰出的专业人才 取决于超常的管理人员和杰出有效的软件开发人员 具体的表现和成果都源于或者说是决定于个人的能力和他们先前的经验 知识以及他们的进取心和积极程度 能力只是个人的特性 而不是开发组织的特性 依靠着个人的品质或承受着巨大压力 或找窍门取得成果 但此类人一旦离去 对组织的稳定作用也消失 软件过程是不可确定的和不可预见的 软件成熟性程度处于第一级的软件组织的软件过程在实际的工作过程中被经常的改变 过程是随意的 这类组织也在开发产品 但其成果是不稳定的 不可预见的 不可重复的 也就是说 软件的计划 预算 功能和产品的质量都是不可确定和不可预见的 CMM模型的内容 1 初始级 极少存在或使用稳定的过程所谓 过程 往往是 就这么干 而言 各种条例 规章制度互不协调 甚至互相矛盾 过程 依赖个人努力和杰出人物 一旦优秀人物离去 项目就无法继续 人们的工作方式如同 救火 就是在开发过程中不断地出现危机 以及不断的 救火 人员 引进新技术是极大风险 技术 不收集数据或分析数据 度量 CMM模型的内容 1 初始级 建立项目管理过程 实施规范化管理 保障项目的承诺 首要任务是进行需求管理 建立客户与软件项目之间的共同理解 使项目真正反映客户的要求 建立各种软件项目计划 如软件开发计划 软件质量保证计划 软件配置计划 软件测试计划 风险管理计划及过程改进计划 开展软件质量保证活动 SQA 改进方向 CMM模型的内容 2 可重复级 进行较为现实的承诺 可按以前在同类项目上的成功经验建立的必要过程准则来确保再一次的成功 主要是逐个项目地建立基本过程管理条例来加强过程能力 建立了基本的项目管理过程来跟踪成本 进度和功能 管理工作主要跟踪软件经费支出 进度及功能 识别在承诺方面出现的问题 采用基线 BASELINE 来标志进展 控制完整性 定义了软件项目的标准 并相信它 遵循它 通过子合同建立有效的供求关系 特征 CMM模型的内容 2 可重复级 软件开发和维护的过程是相对稳定的 但过程建立在项目一级 有规则的软件过程是在一个有效的工程管理系统的控制之下 先前的成功经验可以被重复 过程 项目的成功依赖于个人的能力以及管理层的支持 理解管理的必要性及对管理的承诺 注意人员的培训问题 人员 建立技术支持活动 并有稳定的计划 技术 每个项目建立资源计划 主要是关心成本 产品和进度 有相应的管理数据 度量 CMM模型的内容 2 可重复级 不再按项目制定软件过程 而是总结各种项目的成功经验 使之规则化 把具体经验归纳为全组织的标准软件过程 把改进组织的整体软件过程能力的软件过程活动 作为软件开发组织的责任 确定全组织的标准软件过程 把软件工程及管理活动集成到一个稳固确定的软件过程中 从而可以跨项目改进软件过程效果 也可作为软件过程剪裁的基础 建立软件工程过程小组 SPEG 长期承担评估与调整软件过程的任务 以适应未来软件项目的要求 积累数据 建立组织的软件过程库及软件过程相关的文档库 加强培训 改进方向 CMM模型的内容 3 确定级 无论管理方面或工程方面的软件过程都已文件化 标准化 并综合成软件开发组织的标准软件过程 软件过程标准被应用到所有的工程中 用于编制和维护软件 有的项目也可根据实际情况 对软件开发组织的标准软件过程进行剪裁 在从事一项工程时 产品的生产过程 花费 计划以及功能都是可以完全控制的 从而软件质量也可以控制 软件工程过程组 SPEG 负责软件过程活动 在全组织范围内安排培训计划 特征 CMM模型的内容 3 确定级 整个组织全面采用综合性的管理及工程过程来管理 软件工程和管理活动是稳定的和可重复的 具有连续性的 软件过程起了预见及防范问题的作用 能使风险的影响最小化 过程 以项目组的方式进行工作 如同综合产品团队 在整个组织内部的所有人对于所定义的软件过程的活动 任务有深入理解 大大加强了过程能力 有计划地按人员的角色进行培训 人员 在定性基础上建立新的评估技术 技术 在全过程中收集使用数据 在全项目中系统地共享数据 度量 CMM模型的内容 3 确定级 开始着手软件过程的定量分析 以达到定量地控制软件项目过程的效果 通过软件的质量管理达到软件的质量目标 改进方向 CMM模型的内容 4 管理级 制定了软件过程和产品质量的详细而具体的度量标准 软件过程和产品的质量都可以被理解和控制 软件组织的能力是可预见的 原因是软件过程是被明确的度量标准所度量和操作 不言而喻 软件产品的质量就可以预见和得以控制 组织的度量工作保证所有项目对生产率和质量进行度量 并作为作为重要的软件过程活动 具有良好定义及一致的度量标准来指导软件过程 并作为评价软件过程及产品的定量基础 在开发组织内已建立软件过程数据库 保存收集到的数据 可用于各项目的软件过程 特征 CMM模型的内容 4 管理级 开始定量认识软件过程 软件过程的变化小 一般在可接受的范围内 可以预见软件过程中和产品质量方面的一些趋势 一旦质量经度量后超出这些标准或是有所违反 可以采用一些方法去改正 以达到良好的目标 过程 每个项目中存在强烈的群体工作意识 因为每人都了解个人的作用与组织的关系 因此能够产生这种群体意识 人员 不断地在定量基础上评估新技术 技术 在全组织内进行数据收集与确定 度量标准化 数据用于定量地理解软件过程及稳定软件构成 度量 CMM模型的内容 4 管理级 缺陷防范 不仅仅在发现了问题时能及时改进 而且应采取特定行动防止将来出现这类缺陷 主动进行技术变动管理 标识 选择和评价新技术 使有效的新技术能在开发组织中施行 进行过程变动管理 定义过程改进的目的 经常不断地进行过程改进 改进方向 CMM模型的内容 5 优化级 整个组织特别关注软件过程改进的持续性 预见及增强自身 防止缺陷及问题的发生 不断地提高他们的过程能力 加强定量分析 通过来自过程的质量反馈和吸收新观念 新科技 使软件过程能不断地得到改进 根据软件过程的效果 进行成本 效益分析 从成功的软件过程实践中吸取经验 加以总结 把最好的创新成绩迅速向全组织转移 对失败的案例 由软件过程小组进行分析以找出原因 组织能找出过程的不足并预先改进 把失败的教训告知全体组织以防止重复以前的错误 对软件过程的评价和对标准软件过程的改进 都在全组织内推广 特征 CMM模型的内容 5 优化级 不断地系统地改进软件过程 理解并消除产生问题的公共根源 在任何一个系统中都可找到 由于随机变化造成重复工作 进而导致时间浪费 为了防止浪费人力可能导致的系统变化 要消除 公共 的无效率根源 防止浪费发生 尽管所有级别都存在这些问题 但这是第五级的焦点 过程 整个组织都存在自觉的强烈的团队意识 每个人都致力于过程改进 人们不再以达到里程碑的成就而满足 而要力求减少错误率 人员 基于定量的控制和管理 事先主动考虑新技术 追求新技术 利用新技术 可以实现软件开发中的方法和新技术的革新 以防止出现错误 不断提高产品的质量和生产率 技术 CMM模型的内容 5 优化级 利用数据来评估 选择过程改进 改进方向 不收集数据或分析数据 度量 五个成熟级 鼎新公司CMM认证效果 产品质量得到了提高千行代码的错误率减少了百分之三十返工由过去的二至四次减少为一次 总时间缩短70 以上交货期缩短了预算得到了控制高级经理获得了对项目进展情况更好的了解管理的工作量加大了 12 2 4软件企业实施CMM的意义 规范软件开发过程及管理目前我国很多软件企业在软件开发过程方面还处于比较混乱 比较自由化的阶段 有的企业即使有一些规定 实际上也没有或没有完全执行 这主要与市场规范的问题有关 规范市场竞争对中国软件企业来说 CMM不仅是一张国际市场的通行证 它的重要意义更在于 在达到CMM各级标准的过程中 通过软件工程方法的运用达到提高软件质量的目的 从而规范市场竞争 提高软件企业市场竞争能力 帮助企业进行内部软件过程改进这是CMM最具特色的地方 软件过程的改进和软件过程能力的提高可以提高产品质量 控制成本 提高劳动生产率 12 2 4软件企业实施CMM的意义 2 增加企业的国际竞争能力这对我国已加入WTO更为重要 CMM与ISO9000不同 它能明确指出软件企业在软件过程和软件能力方面所达到的水平 软件企业所处的位置 企业应努力的方向及其改进的途径 这样企业的市场竞争能力就可增强 摩托罗拉等跨国公司把CMM3级认证作为其软件供应商的必要条件 CMM是国际公认的 事实 标准 是中国软件业走向国际市场的通行证 可以降低软件开发风险这一点是CMM模型设计的初衷 对软件企业来说 也是极为有益的 ISO9001与CMM异同 与ISO标准系列相比 CMM更为软件产业所看好原因是它专门针对软件工程控制而设置的 不仅进行软件企业工程能力的评估 更致力于软件开发过程的管理 强调 对软件开发过程进行持续改进 引导软件开发过程走向成熟 相同点CMM和ISO9001标准系列都着眼于质量和过程管理 二者都为了解决同样的问题 不同点CMM是动态的 开放的和持续改进的 强调没有最好只有更好 强调不断改进 强调人在软件开发方面的思想认识和主动性 适用于软件过程的改进 CMM模型只关注软件 它能解决 软件危机 这个世界性的问题 ISO9001是静态的质量控制 只要达到几个关键指标就能完成质量控制 更适用于硬件制造生产线的质量控制 ISO9001的适应范围更广 包括硬件 软件和服务 软件业对CMM的认识 并不是实施了CMM 软件项目的质量就能有所保障 CMM不是万能的 它的成功与否 与一个组织内部有关人员的积极参与和创造性活动是密不可分的 而且CMM并未提供实现有关子过程域所需要的具体知识和技能 CMM已经是一套发展相当成熟的方法 但国内要想完全掌握并广泛付诸实践 对绝大多数软件企业来说 可能还需要3 5年的时间 美国曾在1995年做过软件产业成熟程度的调查 发现在美国的软件产业中 CMM成熟度等级为初始级的竟占70 其特征是软件开发过程不能预测 风险度高 为可重复级的占15 其特征是软件开发过程需小心谨慎方能避免失败 为定义级的所占比例小于12 其特征是软件开发过程相当稳定 进展顺利且可以预测 为管理级的所占比例小于5 其特征是软件过程预测准确 值得信赖 为优化级的所占比例小于1 其特征是软件过程能持续改善 实施CMM并非一朝一夕的事情 12 2 5CMM在国内情况 自从IBM与清华大学合资的北京鼎新信息技术有限公司于1999年首先通过CMM2级评估以来 CMM在我国软件企业中越来越得到重视和应用 截止2007年3月通过CMM5评估的企业已有19家 我国通过CMM的认证情况 印度软件业情况 印度超过1200人的软件公司有上百家 前五位的公司员工人数在5000人以上在印度规模最大的软件园内 有软件企业近1200家 占据印度软件业半壁江山 这些软件企业中 8 是跨国公司 24 是中小企业 68 是外资企业 其中43 的软件企业从事应用软件开发 35 从事IT外包服务 22 是软件技术公司印度软件产品远销世界75个国家和地区 其中28个国家完全依靠印度的软件和服务支撑 财富 全球500家大公司中 有203家采用印度计算机软件2008年 印度软件业的产值将达到870亿美元左右 其中出口占500亿美元 印度软件业成功因素 除了语言优势 政府高度支持外 软件企业高度重视质量 积极进行质量认证对其软件走向世界起到了极其重要的作用 1992年摩托罗拉印度软件中心通过CMM5级认证 带动了印度软件企业大量参与CMM认证有170家公司获得ISO9000质量标准认证 在全世界获得美国CMM5级认证的50多家软件企业中 印度占了绝大多数 认证费用 任何企业申请CMM认证必须从2级开始 一级级向上评 不能越级评审 每一个CMM等级评估周期 从准备到完成 约需12 30个月 每一级认证费用约需12万美元 国内CMM认证鼓励政策 国务院关于 鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策 18号文件出台后 各地根据文件精神 陆续制定了CMM认证方面的鼓励政策 依据各地的不同情况 具体补贴金额有所不同 北京市软件产业基地2001年对基地确定的重点企业通过二级认证的 由科技经费给予20万元左右的补贴 对通过三级认证的企业给予30万元左右的补贴 北京中关村科技园区海淀园管委会对在海淀园登记注册的新技术企业通过CMM认证的 给予12万元的奖励 珠海 对通过CMM2级的企业一次性补贴50万元 广州 通过CMM的企业一次性奖励30万元上海 对通过CMM 3补助40万 CMM 4补助60万 CMM 5补助80万元 CMM市场存在的问题 1 CMM工具市场薄弱 缺乏过程管理工具北大青鸟 JBCMRational Clearcase2 我国CMM评估师太少全世界获得CMM主任评估师 LeaderAssessor 资格的有355人 而我国仅有两人 原因CMM的门槛很高 要成为CMM主任评估师的条件 1 具有硕士学历2 十年以上的软件开发经验3 两年以上管理经验4 去美国卡内基 梅隆大学学习 并经过多种考核我们缺乏自己的CMM主任评估师大大制约我国软件事业的发展 请外国评估师做一次CMM评估 花费大约是七八十万元 而且语言问题还会在一定程度上影响到评估 这势必大大阻碍我国软件企业在这方面的发展 CMM市场存在的问题 2 3 存在 牌子 误区CMM是梯子 是镜子 不是牌子 CMM不应该成为软件企业的应试教育 CMM应该是通过改善内部管理为企业带来利益的东西 不能带来利益的CMM 也就不能长久存在 CMM只是一个衡量体系 检验企业的软件工程做得怎么样 并不指导企业怎么做 企业只有有效地实施了软件工程 才能去实施CMM CMM市场存在的问题 3 4 评定牵涉大量人力 财力和时间实施CMM评定将牵涉大量人力 财力和时间 例如 美国的CMM评审机构为进行一次评估 或评价 开出的价码是7 12万美金 从接受评估申请到完成评估跨时2到3个月 如果涉及过程改进 将可能需时18 24个月 为了适应中 小组织的需要 要对CMM进行裁剪和压缩 12 3软件可靠性 12 3 1可靠性概念12 3 2可靠性分析模型12 3 3程序正确性证明 12 3 1软件可靠性的定义 软件可靠性是软件在给定的时间间隔及给定的环境条件下 按设计要求 成功地运行程序的概率 环境条件 指的是软件的使用环境 无论是什么软件 如果不对它的使用环境加以限制 都是会失效的 这种失效的数据 不能用来度量软件的可靠性 规定的时间 在定义中 一般采用 运行时间 t作为时间的尺度 因具体要处理的问题是多种多样的其对应的输入环境是随机程序中相应程序路径的选取也是随机的软件的失效也是随机的应当把运行时间t当作随机变量来考虑 规定的功能 在考虑软件可靠性时 首先应当明确软件的功能是什么 哪些功能是主要的 哪些功能是次要的 一般从软件需求分析说明书和设计说明书中可以了解这些情况 由于功能不同 失效带来的损失就不一样 因此 还要明确哪些失效是致命的 哪些失效是非致命的 哪些又是容易修复的 此外 还要明确 怎样才算是完成了一个规定的功能 成功地运行程序 是指不仅程序能正