ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Phạm Ngọc Thắng ĐẶC TẢ VÀ KIỂM CHỨNG PHẦN MỀM SỬ DỤNG CafeOBJ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin HÀ NỘI - 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Phạm Ngọc Thắng ĐẶC TẢ VÀ KIỂM CHỨNG PHẦN MỀM SỬ DỤNG CafeOBJ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Việt Hà Cán bộ đồng hướng dẫn: ThS. Đặng Việt Dũng HÀ NỘI - 2010 Đặc tả và kiểm chứng phần mềm sử dụng CafeOBJ Phạm Ngọc Thắng i Lời cảm ơn Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Việt Hà và ThS. Đặng Việt Dũng về sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, cùng với những lời khuyên quý giá của thầy trong quá trình em học tập cũng như thực hiện khóa luận. Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giảng dạy tại Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã trang bị cho em những kiến thức quý báu trong thời gian em học tại trường. Đó cũng là tiền đề cơ sở để em có thể thực hiện được tốt khóa luận của mình. Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy các cô trong bộ môn Công nghệ phần mềm đã tạo điều kiện cho em được làm việc ở trên bộ môn với đầy đủ trang thiết bị cho em học tập và làm việc. Cảm ơn bạn bè, người thân về sự động viên, giúp đỡ về mặt tinh thần cũng như về mặt vật chất trong thời gian em thực hiện khóa luận này. Hà nội, tháng 6 năm 2010 Sinh viên thực hiện Phạm Ngọc Thắng Đặc tả và kiểm chứng phần mềm sử dụng CafeOBJ Phạm Ngọc Thắng ii Tóm tắt Công nghệ thông tin hiện nay là một trong những ngành phát triển mạnh mẽ nói chung, cùng với công nghệ phần mềm nói riêng. Nhằm tạo ra những sản phẩm phần mềm đảm bảo chất lượng và tính chính xác cao. Nên việc đặc tả và kiểm chứng phần mềm hết sức quan trọng trong nhiều lĩnh vực sử dụng phần mềm, đặc biệt là các ngành công nghệ cao đòi hỏi sự chính xác cao của phần mềm. Trong khuôn khổ của một bài luận văn tốt nghiệp em đi sâu vào phương pháp đặc tả và kiểm chứng phần mềm sử dụng ngôn ngữ CafeOBJ và đặc biệt đã áp dụng phương pháp này cho một hệ thống lò vi sóng. Cùng với việc học tập và nghiên cứu trong khi làm khóa luận tốt nghiệp để được tiếp cận với thực tế em đã thu được một số kết quả nhất định. Thông qua đó, cùng với kiến thức cơ sở khi ngồi trên ghế nhà trường, em đã tìm hiểu thêm về những tiến bộ trong việc phát triển phần mềm trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Đặc tả và kiểm chứng phần mềm sử dụng CafeOBJ Phạm Ngọc Thắng iii Mục lục Chương 1. Giới thiệu 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Nội dung nghiên cứu của khóa luận 1 1.3 Cấu trúc khóa luận 2 Chương 2. Phương pháp hình thức 3 2.1 Phân loại 3 2.2 Sử dụng 4 2.2.1 Đặc tả hình thức 4 2.2.2 Phát triển 5 2.2.3 Kiểm chứng 5 2.2.3.1 Chứng minh của con người 5 2.2.3.1 Chứng minh tự động 6 Chương 3. Ngôn ngữ CafeOBJ 7 3.1 Giới thiệu 7 3.2 Đặc tả và kiểm chứng trong CafeOBJ 9 3.2.1 Ví dụ 9 3.2.2 Đặc tả số tự nhiên 10 3.2.3 Đặc tả thuộc tính 10 3.2.4 Kiểm chứng thuộc tính 10 Chương 4. Khái quát về OTS và bài toán QLOCK 13 4.1 Giới thiệu về OTS 13 4.2 OTS (Observation transition system) 14 4.3 Mô tả bài toán QLOCK 17 Đặc tả và kiểm chứng phần mềm sử dụng CafeOBJ Phạm Ngọc Thắng iv 4.4 Đặc tả QLOCK với OTS 17 4.5 Đặc tả thuộc tính và kiểm chứng đặc tả 21 Chương 5. Đặc tả và kiểm chứng hệ thống lò vi sóng 24 5.1 Hệ thống lò vi sóng 24 5.1.1 Mô tả hệ thống 24 5.1.2 Mô tả các thuộc tính 26 5.2 Mô hình hóa hệ thống trong OTS/CafeObj 26 5.2.1 Mô hình hóa và mô tả hệ thống trong OTS 26 5.2.2 Đặc tả hình thức hệ thống trong CafeObj 28 5.2.3 Không gian trạng thái của hệ thống đặc tả hình thức 29 5.2.4 Các thuộc tính được mô tả 29 5.3 Kiểm chứng bằng phương pháp quy nạp 33 5.3.1 Các bước quy nạp 33 5.3.2 Kiểm chứng bằng phương pháp quy nạp trong CafeOBJ 33 5.4. Kiểm chứng bằng phương pháp tìm kiếm trạng thái 33 Chương 6. Kết luận 36 Đặc tả và kiểm chứng phần mềm sử dụng CafeOBJ Phạm Ngọc Thắng v Danh mục hình vẽ Hình 3.1: Mô đun EXAMPLE trong CafeOBJ. 8 Hình 3.2: Đặc tả của module PNAT cho ví dụ. 9 Hình 3.3: Đặc tả thuộc tính cho điều kiện (*) 10 Hình 3.4: Kiểm chứng quy nạp với module ISTEP. 11 Hình 3.5: Kiểm chứng quy nạp cho đặc tả 11 Hình 4.1: Thuật toán của bài toán QLOCK. 17 Hình 4.2: Kiểu biến tổng quát cho hàng đợi QUEUE 18 Hình 4.3: Hàng đợi QUEUE cho bài toán QLOCK. 19 Hình 4.4: Đặc tả cho hệ thống QLOCK. 20 Hình 4.5: Hành động try trong hệ thống QLOCK 20 Hình 4.6: Mô đun INV và ISTEP dùng để kiểm chứng. 21 Hình 4.7: Kiểm chứng với trường hợp (1) 22 Hình 4.8: Kiểm chứng với trường hợp (2) 22 Hình 4.9: Kiểm chứng với bổ đề. 23 Hình 5.1: Cấu trúc Kripke của Lò vi sóng [1]. 25 Hình 5.2: Mô hình của lò vi sóng 27 Hình 5.3: Đặc tả của lò vi sóng trong CafeOBJ 28 Hình 5.4: Mô đun LABEL trong CafeOBJ 29 Hình 5.5: Hình thức hóa không gian trạng thái của hệ thống 29 Hình 5.6: Hình thức hóa các thuộc tính. 30 Hình 5.7: Đặc tả các thuộc tính trong CafeOBJ 31 Hình 5.8: Mô đun ISTEP trong CafeOBJ 32 Chương 1: Giới thiệu Phạm Ngọc Thắng 1 Chương 1 Giới thiệu 1.1 Đặt vấn đề Đặc tả và kiểm chứng hình thức là một pha quan trọng nhằm nâng cao độ tin cậy và chất lượng của phần mềm sử dụng phương pháp hình thức. Đối với các hệ thống yêu cầu độ tin cậy cao như hệ thống điều khiển lò phản ứng hạt nhân hay điều khiển tên lửa, … Các phương pháp đặc tả và kiểm chứng hình thức sẽ được áp dụng cho những hệ thống này trước khi triển khai chúng. Trong khi việc kiểm thử phần mềm (software testing) chỉ có thể chỉ ra các lỗi phát hiện được nhưng không thể chỉ ra được phần mềm hoàn toàn không có lỗi, các phương pháp kiểm chứng có thể đảm bảo hệ thống không có lỗi sau khi đã được kiểm chứng đúng đắn. Hiện nay, đã có nhiều phương pháp và công cụ hỗ trợ cho việc đặc tả và kiểm chứng phần mềm như OBJ [14], Maude [14], CafeOBJ [13], SPIN [15], SMV [17], NuSMV [16], …. Mỗi phương pháp có những ưu và nhược điểm riêng và bị hạn chế trong một số hệ thống nhất định. Mục đích của khóa luận là tìm hiểu về phương pháp hình thức (formal method) cũng như phương pháp đặc tả và kiểm chứng hình thức phần mềm trong CafeOBJ. Từ mô tả của hệ thống cần kiểm chứng, chúng ta cần đặc tả hệ thống một cách hình thức bằng ngôn ngữ CafeOBJ. Các thuộc tính cần kiểm chứng của hệ thống cũng được đặc tả một cách tương tự. Sử dụng ngữ nghĩa cú pháp trong ngôn ngữ CafeOBJ để thể hiện các đặc tả hệ thống cũng như các đặc tả thuộc tính của hệ thống cần kiểm chứng dưới dạng hình thức từ các phát biểu của ngôn ngữ tự nhiên. 1.2 Nội dung nghiên cứu của khóa luận Bài toán thực hiện trong khóa luận là bài toán đặc tả và kiểm chứng hệ thống lò vi sóng sử dụng ngôn ngữ CafeOBJ. Đây là một trong hệ thống điển hình sẽ được trình bày về quá trình mô hình hóa hệ thống giúp cho công việc viết đặc tả và kiểm chứng các thuộc tính của chúng được đơn giản hơn. Nhằm kiểm chứng hệ thống một trong những phương pháp chúng tôi quan tâm là viết đặc tả và kiểm chứng bằng CafeOBJ Chương 1: Giới thiệu Phạm Ngọc Thắng 2 theo tư tưởng quy nạp toán học, với phương pháp này chúng ta có thể đặc tả và kiểm chứng các hệ thống vô hạn trạng thái một cách chính xác (trong khi với kiểm chứng mô hình (model checking) chỉ kiểm chứng hữu hạn trạng thái của hệ thống). Ngoài ra CafeOBJ còn hộ trợ sự kiểm chứng bằng phương pháp tìm kiếm (searching) không gian trạng thái dành cho hệ thống hữu hạn trạng thái. Đặc tả cho kiểm chứng cùng với đặc tả hệ thống và đặc tả thuộc tính sẽ được sử dụng để kiểm chứng hệ thống. Kết quả của quá trình kiểm chứng sẽ cho chúng ta biết được đặc tả thỏa mãn thuộc tính cần kiểm chứng hay không. 1.3 Cấu trúc khóa luận Các phần còn lại của khóa luận có cấu trúc như sau: Chương 2 trình bày lý thuyết về phương pháp hình thức, bao gồm các khái niệm cơ bản, các kỹ thuật cơ bản được sử dụng trong đặc tả và kiểm chứng phần mềm. Chương 3 trình bày ngôn ngữ CafeOBJ, kỹ thuật đặc tả và kiểm chứng phần mềm bằng phương pháp hình thức được sử dụng trong CafeOBJ. Chương 4 trình bày phương pháp chuyển dịch hệ thống trực quan (Observation transition system), một trong những phương pháp quan trọng nhằm đơn giản hóa việc đặc tả và kiểm chứng phần mềm, kèm theo ví dụ về hệ thống QLOCK sử dung OTS/CafeOBJ. Chương 5 trình bày về “hệ thống Lò Vi Sóng” được đặc tả và kiểm chứng sử dụng OTS/CafeOBJ, với hai phương pháp kiểm chứng khác nhau gồm quy nạp và tìm kiếm (searching) các trạng thái. Chương 6 tóm tắt kết quả đã đạt được, kết luận, những hạn chế và hướng nghiên cứu phát triển trong tương lai. Chương 2: Phương pháp hình thức Phạm Ngọc Thắng 3 Chương 2 Phương pháp hình thức Trong ngành khoa học máy tính, phương pháp hình thức là các kỹ thuật toán học cho việc đặc tả, phát triển và kiểm chứng các hệ thống phần mềm và phần cứng. Cách tiếp cận này đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống cần có tính toàn vẹn cao, chẳng hạn hệ thống điều khiển lò phản ứng hạt nhân hay điều khiển tên lửa, khi an toàn hay an ninh có vai trò quan trọng, để góp phần đảm bảo rằng quá trình phát triển hệ thống sẽ không có lỗi. Các phương pháp hình thức đặc biệt hiệu quả tại giai đoạn đầu của quá trình phát triển (tại các mức yêu cầu và đặc tả hệ thống), nhưng cũng có thể được sử dụng cho một quá trình phát triển hoàn chỉnh của một hệ thống. 2.1 Phân loại Các phương pháp hình thức có thể được sử dụng tại nhiều mức: Mức 0: Đặc tả hình thức có thể được thực hiện và rồi một chương trình được phát triển từ đặc tả này một cách không hình thức. Trong nhiều trường hợp, cách này có thể là lựa chọn hiệu quả nhất về mặt chi phí. Mức 1: Sử dụng phát triển và kiểm chứng hình thức để tạo ra một chương trình theo một quy trình hình thức hơn. Ví dụ, có thể thực hiện các chứng minh về các tính chất hoặc quá trình tinh chỉnh từ đặc tả hình thức tới một chương trình. Đây có thể là lựa chọn phù hợp nhất đối với các hệ thống yêu cầu tính toàn vẹn cao với các tiêu chí vè an toàn và an ninh. Mức 2: Sử dụng các bộ chứng minh định lý (theorem prover) để thực hiện các chứng minh hình thức hoàn toàn và được kiểm chứng bằn máy móc. Việc này có thể đòi hỏi chi phí rất cao và chỉ đáng lựa chọn trong thực tiễn nếu phí tổn cho các lỗi sai là cực kỳ cao. Cùng với ngữ nghĩa hình thức của ngôn ngữ lập trình, các phương pháp hình thức có thể được phân loại tương đối như sau: Ngữ nghĩa ký hiệu (Denotational semantics), trong đó ý nghĩa của một hệ thống được biểu diễn bằng lý thuyết toán học về miền xác định. Lợi điểm của những phương pháp này phụ thuộc vào bản chất được hiểu rõ của các miền xác định để từ đó đem lại [...]... thực hiện bởi hai biểu thức và được khai báo bởi eq 8 Chương 3: Ngôn ngữ CafeOBJ Phạm Ngọc Thắng 3.2 Đặc tả và kiểm chứng trong CafeOBJ 3.2.1 Ví dụ Để tìm hiểu về đặc tả và kiểm chứng trong CafeOBJ, chúng ta tìm hiểu một ví dụ đơn giản về sự đặc tả hệ thống số tự nhiên, đặc tả thuộc tính cần chứng minh và kiểm chứng thuộc tính đó Trong ví dụ này chúng ta chỉ mô tả một số đặc tả cơ bản với phép toán cộng... toàn tương tự 20 Chương 4: Khái quát về OTS và bài toán QLOCK Phạm Ngọc Thắng 4.5 Đặc tả thuộc tính và kiểm chứng đặc tả Chúng ta sẽ tạo ra 2 mô đun INV và ISTEP (Hình 4.6) sử dụng để kiểm chứng tính chất độc quyền truy xuất của đặc tả được nêu như trên: mod INV{ pr(QLOCK) ops i j : -> Pid op inv1 : Sys Pid Pid -> Bool var S : Sys vars I J : Pid sử dụng để chứng minh cho trường hợp cụ thể eq inv1 (S,I,J)... mẽ sẽ được đề cập ở phần sau Được xem như là một tư tưởng nổi bật của việc kiểm chứng phần mềm và kiểm thử phần mềm Nhờ phương pháp quy nạp này mà việc kiểm chứng các thuộc tính của hệ thống với không gian trạng thái vô hạn được thực hiện một cách rõ ràng Nhằm đảm bảo phần mềm không có lỗi Và trong Hình 3.5 chúng ta thấy được sự kiểm chứng qua hai trường hợp đó là trường hợp cơ sở và trường hợp tổng... tương tự trường hợp (1) chúng ta có thỏa mãn Vậy đặc tả đã được kiểm chứng thỏa mãn điều kiện bài toán đã cho 23 Chương 5: Đặc tả và kiểm chứng hệ thống lò vi sóng Phạm Ngọc Thắng Chương 5 Đặc tả và kiểm chứng hệ thống lò vi sóng 5.1 Hệ thống lò vi sóng 5.1.1 Mô tả hệ thống Để nấu thức ăn trong lò vi sóng, chúng ta phải mở cửa lò, rồi đặt thức ăn vào trong lò và đóng cửa lại Không được đặt các vật chứa... open INV Kiểm tra red inv(0,y,z) close > Trường hợp tổng quát là chúng ta muốn chứng minh rằng: giả sử inv(x,y,z) = true thì inv(s(x),y,z) = true nghĩa là giả sử đặc tả đúng với x bây giờ chúng ta chỉ cần chứng minh nó đúng với s(x) là được ) open ISTEP Kiểm tra red istep(x,y,z) close Hình 3.5: Kiểm chứng quy nạp cho đặc tả Với tư tưởng kiểm chứng bằng phương pháp quy nạp đó, trong CafeOBJ. .. pháp hình thức có thể được sử dụng để mô tả về hệ thống cần phát triển, tại bất kỳ mức độ chi tiết nào mà ta muốn Mô tả hình thức này có thể được sử dụng để hướng dẫn các hoạt động phát triển tiếp theo; ngoài ra, nó có thể được sử dụng để kiểm chứng xem các yêu cầu cho hệ thống đang được phát triển đã được đặc tả một cách đầy đủ và chính xác hay chưa Nhu cầu về các hệ thống đặc tả hình thức đã được nói... Sys -> Sys bop reset : Sys -> Sys Hình 5.3: Đặc tả của lò vi sóng trong CafeOBJ Trước khi đặc tả hê thống trong CafeOBJ bằng mô đun MO, ta tạo mô đun LABEL nhằm đặc tả cho các nhãn trong mỗi thái Các nhãn này được xem như các hằng và chúng sẽ được kiểm tra các quan hệ giữa các nhãn bằng phương thức “_=_” được mô tra trong Hình 5.4 28 Chương 5: Đặc tả và kiểm chứng hệ thống lò vi sóng Phạm Ngọc Thắng... minh eq inv(X,Y,Z) = ((X + Y) + Z = X + (Y + Z)) } Hình 3.3: Đặc tả thuộc tính cho điều kiện (*) 3.2.4 Kiểm chứng thuộc tính Như đã biết trong phần này chúng ta cần phải kiểm chứng thuộc tính hay chứng minh điều kiện (*) thỏa mãn với mọi số tự nhiên bất kỳ Nghĩa là chúng ta cần phải kiểm chứng đặc tả hệ thống PNAT (Hình 3.2) thỏa mãn với đặc tả thuộc tính INV (Hình 3.3) hay sau khi thực hiện chương trình... lỗi 27 Chương 5: Đặc tả và kiểm chứng hệ thống lò vi sóng Phạm Ngọc Thắng 5.2.2 Đặc tả hình thức hệ thống trong CafeObj Từ mô hình lò vi sóng (Hình 5.2) chúng ta có thể đặc tả hệ thống trong CafeOBJ bằng mô đun MO với các thành phần được mô tả trong Hình 5.3 Trong đó, *[Sys]* là khai báo kiểu Sys chính là không gian trạng thái của hệ thống, bop lb là khai báo phương thức trực quan kiểm tra các hằng... cứng) Ví dụ: Nếu đặc tả hình thức là một ngữ nghĩa hoạt động, hành vi được quan sát của hệ thống thực sẽ có thể được so sánh với hành vi trong đặc tả (chính đặc tả cũng nên chạy được hoặc giả lập được) Thêm vào đó, các lệnh hoạt động của đặc tả có thể thích hợp cho việc dịch thẳng mã chạy được Nếu đặc tả hình thức là một ngữ nghĩa tiên đề, các tiền điều kiện và hậu điều kiện của đặc tả có thể trở thành . 17 Đặc tả và kiểm chứng phần mềm sử dụng CafeOBJ Phạm Ngọc Thắng iv 4.4 Đặc tả QLOCK với OTS 17 4.5 Đặc tả thuộc tính và kiểm chứng đặc tả 21. thuật cơ bản được sử dụng trong đặc tả và kiểm chứng phần mềm. Chương 3 trình bày ngôn ngữ CafeOBJ, kỹ thuật đặc tả và kiểm chứng phần mềm bằng phương