Luận án kiểm thử phần mềm dựa trên mô hình với cách tiếp cận mô hình hóa chuyên biệt miền

Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay, các hệ thống phần mềm càng ngày càng trở nên phức tạp và được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết lĩnh vực của đời sống xã hội. Để tăng tính cạnh tranh của các sản phẩm phần mềm, chi phí phát triển phần mềm cần phải được cắt giảm trong khi chất lượng phần mềm phải được nâng cao. Kiểm thử phần mềm (software testing) là một hoạt động quan trọng để đảm bảo chất lượng phần mềm. Hoạt động này chiếm nhiều thời gian và chi phí trong phát triển phần mềm thường từ 30-60% [71].

Khi kiểm thử một ứng dụng, các kiểm thử viên sẽ xây dựng các ca kiểm thử (test cases) dựa trên tài liệu đầu vào, sau đó khi có chương trình phần mềm thì thực thi các ca kiểm thử thủ công hoặc tự động bằng các công cụ thực thi kiểm thử tự động. Trong thực tế, các yêu cầu phần mềm thường hay thay đổi trong suốt quy trình phát triển phần mềm. Khi các yêu cầu phần mềm thay đổi, các ca kiểm thử liên quan phải được xây dựng và thực thi lại (kiểm thử hồi quy). Vì vậy, những nỗ lực được yêu cầu để xác định, bảo trì, và thực thi các ca kiểm thử khi các yêu cầu thay đổi là rất lớn.

Đối với hoạt động kiểm thử phần mềm, giải pháp sinh và thực thi các ca kiểm thử một cách tự động giúp tiết kiệm rất nhiều thời gian và các nỗ lực cũng như giảm được số lượng các lỗi và các sai sót trong hoạt động kiểm thử phần mềm. Do đó, nhiều nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp tăng tính tự động trong phát triển phần mềm cũng như hoạt động kiểm thử phần mềm. 1 Mở đầu 2 Hiện tại trong thực tế, kiểm thử tự động tập trung vào thực thi kiểm thử tự động, còn vấn đề sinh các ca kiểm thử tự động chưa được giải quyết triệt để. Trong các quy trình kiểm thử phần mềm, quy trình kiểm thử dựa trên mô hình (Model-Based Testing - MBT ) đẩy mạnh mức độ tự động hóa cao hơn [71].

Quy trình này không chỉ tự động hóa trong thực thi kiểm thử mà còn tự động hóa trong sinh các ca kiểm thử. Lợi ích chính của MBT là tạo điều kiện thuận lợi cho việc duy trì bộ kiểm thử và phủ của bộ kiểm thử. Khi tiến hóa phần mềm, các mô hình được cập nhật, sau đó bộ kiểm thử được sinh cập nhật một cách tự động. Với ý nghĩa to lớn của MBT trong công nghiệp phần mềm, phương pháp này đang là một giải pháp tối ưu giúp tăng tính tự động, tăng năng suất, tăng chất lượng, và giảm chi phí trong phát triển phần mềm nói chung và trong kiểm thử nói riêng.

Quy trình MBT gồm năm bước chính là (1) mô hình hóa, (2) sinh các ca kiểm thử, (3) sinh các tập lệnh thực thi kiểm thử (test scripts), (4) thực thi kiểm thử, (5) phân tích các ca kiểm thử được minh họa như Hình 2. Trong đó, ba bước cuối cùng đã được giải quyết rất tốt bằng các công cụ thực thi kiểm thử tự động thương mại hoặc miễn phí trên thị trường. Hai bước đầu tiên là (1) mô hình hóa và (2) sinh các ca kiểm thử còn gặp nhiều thách thức với cộng đồng nghiên cứu. Trong hoạt động kiểm thử phần mềm, các yêu cầu chức năng (functional software requirements) của phần mềm là đầu vào để xây dựng các ca kiểm thử chức năng.

Các yêu cầu chức năng phần mềm thường được cấu trúc và biểu diễn bằng các ca sử dụng. Một mô hình ca sử dụng thường được đặc tả bằng các biểu đồ ca sử dụng và các mô tả của các ca sử dụng ở dạng văn bản có cấu trúc theo mẫu [53]. Với dạng thể hiện này thì mô hình ca sử dụng sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các bên liên quan trong phát triển phần mềm dễ dàng đọc, học, và sử dụng chúng. Tuy nhiên, các mô tả ca sử dụng trong ngôn ngữ tự nhiên là rất khó để xác định tự động các thông tin được mô tả trong nó.

Vì vậy, bài toán sinh các ca kiểm thử chức năng tự động từ mô hình ca sử dụng vẫn còn rất nhiều thách thức. Nhiều nghiên cứu như trong [7, 11, 23, 24, 41, 43, 51, 58, 65, 67, 73] đã chỉ dẫn các cách tiếp cận để sinh tự động các ca kiểm thử từ mô hình ca sử dụng. Một số nghiên cứu như trong [58, 73] đã đề xuất phương pháp sinh tự động các ca kiểm thử chức năng từ các đặc tả ca sử dụng trong ngôn ngữ tự nhiên theo mẫu với các luật hạn chế và các từ khóa. Để sinh tự động được Mở đầu 3 các ca kiểm thử, đầu tiên các nghiên cứu này sử dụng kỹ thuật xử lý ngôn ngữ tự nhiên để sinh các mô hình trung gian.

Sau đó, các mô hình trung gian này được sử dụng để sinh các ca kiểm thử. Tuy nhiên, các ngôn ngữ được sử dụng để đặc tả trong các nghiên cứu này là các ngôn ngữ không hình thức (informal) (không có cú pháp trừu tượng). Vì vậy, việc đảm bảo tính đúng đắn của các đặc tả cũng như sinh các mô hình trung gian phải sử dụng các kỹ thuật xử lý ngôn ngữ tự nhiên vốn khó và chỉ được áp dụng cho một ngôn ngữ cụ thể. Hơn nữa, các ràng buộc được mô tả trong ngôn ngữ tự nhiên nên muốn sinh được dữ liệu kiểm thử cần phải đặc tả chính xác lại các ràng buộc này.

Nhiều nghiên cứu đề xuất sử dụng biểu đồ hoạt động và tuần tự trong UML để đặc tả các thông tin mô tả trong ca sử dụng, sau đó sinh các ca kiểm thử như trong [24, 51, 67]. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu tập trung đề xuất phương pháp để đặc tả phân biệt được hành động của tác nhân và hệ thống bằng các biểu đồ trong UML cho mục đích sinh các ca kiểm thử trừu tượng (kịch bản kiểm thử) mà không đề cập đến sinh tự động dữ liệu cụ thể cho các ca kiểm thử. Một số nghiên cứu khác đã đề xuất cách tiếp cận sinh tự động các ca kiểm thử chức năng từ các mô hình ca sử dụng được đặc tả trong các ngôn ngữ chuyên biệt miền (Domain-Specific Language - DSL). Như nghiên cứu trong [23], các mô tả của ca sử dụng được đặc tả trong ngôn ngữ chuyên biệt miền tên là NDT (Navigational Development Techniques) được đề xuất trong [16].

Tuy nhiên, nghiên cứu không đề cập đến phương pháp xác định các giá trị kiểm thử cho các kịch bản kiểm thử. Trong nghiên cứu [65], các mô tả ca sử dụng được đặc tả trong ngôn ngữ RSL (Requirements Specification Language) đã được đề xuất trong [63] để sinh các ca kiểm thử chức năng. Các ca kiểm thử được sinh cũng được đặc tả rõ ràng trong ngôn ngữ đặc tả kiểm thử tên là TSL (Test Specification Language). Tuy nhiên trong nghiên cứu này, dữ liệu kiểm thử được xác định như các mô tả về điều kiện thay vì là các giá trị cụ thể.

Như đã phân tích ở trên để sinh tự động các ca kiểm thử chức năng từ mô hình ca sử dụng, đầu tiên các nghiên cứu đề xuất sử dụng một ngôn ngữ đặc tả để đặc tả các thông tin mô tả trong ca sử dụng. Sau đó, các nghiên cứu sử dụng các đặc tả này để sinh tự động các ca kiểm thử. Trong quá trình khảo sát các phương pháp đặc tả các thông tin mô tả trong ca Mở đầu 4 sử dụng, luận án nhận thấy rằng mô hình ca sử dụng là chế tác (artifact) trung tâm trong phát triển phần mềm. Các mô hình ca sử dụng không chỉ là đầu vào để xây dựng các ca kiểm thử chức năng mà còn là đầu vào để xây dựng các mô hình cấu trúc (biểu đồ lớp, biểu đồ trạng thái, v.), các mô hình hành vi (biểu đồ tuần tự, biểu đồ hoạt động, v.), và làm tài liệu cho hệ thống.

Để tăng tính tự động hóa trong phát triển phần mềm, các mô hình ca sử dụng không chỉ cần được tích hợp vào phương pháp kiểm thử hướng mô hình mà cũng cần được tích hợp vào trong phương pháp phát triển hướng mô hình (Model-Driven Development - MDD). MDD cho phép sử dụng mô hình ca sử dụng là mô hình trung tâm để sinh tự động các ca kiểm thử, các mô hình cấu trúc, các mô hình hành vi. Vì vậy, các ca sử dụng cần được đặc tả rõ ràng và đủ các thông tin cần thiết để sinh tự động các chế tác khác nhau trong phát triển phần mềm. Trong các nghiên cứu mà luận án đã khảo sát, có hai nghiên cứu đã đề xuất các ngôn ngữ đặc tả RSL [63] và SelabReq [59] với mục đích cho phép tích hợp đặc tả ca sử dụng vào trong phương pháp phát triển hướng mô hình.

Tuy nhiên, thông tin mô tả trong các ca sử dụng được đặc tả trong RSL không đủ chi tiết để sinh được dữ liệu kiểm thử cụ thể như trong nghiên cứu [65] đã đề cập ở trên. Ngôn ngữ SelabReq chỉ đề cập đến khả năng sinh các mô hình cấu trúc và mô hình hành vi mà không đề cập đến việc sinh các ca kiểm thử. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu quan tâm giải quyết bài toán sinh các ca kiểm thử chức năng từ mô hình ca sử dụng, cũng như bài toán đặc tả thông tin mô tả trong ca sử dụng để tích hợp vào trong phương pháp phát triển hướng mô hình. Tuy nhiên, bài toán này vẫn còn một số thách thức đặt ra như sau: thách thức thứ nhất là một ngôn ngữ đặc tả chuyên biệt miền cho phép đặc tả các thông tin trong ca sử dụng rõ ràng và đủ chi tiết để có thể tích hợp mô hình ca sử dụng vào trong phương pháp phát triển hướng mô hình.

Việc tích hợp mô hình ca sử dụng vào trong phương pháp phát triển hướng mô hình cho phép sinh tự động các ca kiểm thử, mô hình cấu trúc, mô hình hành vi, và làm tài liệu. Cụ thể trong luận án này, chúng tôi tập trung vào hiện thực hóa khả năng sinh tự động các ca kiểm thử. Thách thức thứ hai là một phương pháp sinh tự động các ca kiểm thử có chứa các thông tin cần thiết để có thể sinh và thực thi tự động các tập lệnh thực thi kiểm thử bằng các công cụ thực thi kiểm thử tự động. Thách thức thứ ba là một ngôn ngữ đặc tả chuyên biệt miền để đặc tả rõ ràng và đầy Mở đầu 5 đủ các thông tin của các ca kiểm thử được sinh.