Kỹ Thuật Kiểm Thử Hộp Trắng (White-Box Testing)

Kiểm thử hộp trắng hay còn gọi là kiểm thử hướng logic, cho phép kiểm tra cấu trúc bên trong của phần mềm với mục đích đảm bảo rằng tất cả các câu lệnh và điều kiện sẽ được thực hiện ít nhất một lần.

Hộp trắng đúng nghĩa phải gọi là hộp trong suốt . Chính vì vậy, kỹ thuật này còn có một số tên khác là kiểm thử hộp thuỷ tinh (Glass-Box Testing), hay kiểm thử

hộp trong suốt (Clear-Box Testing). Người kiểm thử truy nhập vào mã nguồn chương trình và có thể kiểm tra nó, lấy đó làm cơ sở để hỗ trợ việc kiểm thử.

Tương tự như vấn đề kiểm thử đầu vào trong kỹ thuật kiểm thử hộp đen, đó là vấn đề kiểm thử các đường dẫn lệnh trong kỹ thuật hộp trắng. Nếu phải thực hiện tất cả các đường dẫn của lưu trình điều khiển trong chương trình thông qua việc chạy tất cả các trường hợp kiểm thử thì có thể nói rằng chương trình đã được kiểm thử triệt để. Tuy nhiên điều đó không thể thực hiện được vì số đường dẫn logic khác nhau trong một chương trình là cực kỳ lớn. Ví dụ trong hình 2.2, sơ đồ khối của một chu trình điều khiển. Sơ đồ biểu diễn một vòng lặp từ 1 đến 20 lần. Trong thân của vòng lặp có một tập các lệnh điều kiện rẽ nhánh lồng nhau. Số đường dẫn trong vòng lặp là 5. Như vậy, tổng số đường dẫn có thể là (5 + 52 + 53 + … + 520) khoảng xấp xỉ 1014.

Ngoài những điều bất khả thi như trên, chương trình cũng có thể còn nhiều lỗi do các nguyên nhân khác. Đây chính là nhược điểm của kỹ thuật kiểm thử hộp trắng.

 Việc kiểm thử bằng kỹ thuật hộp trắng không thể đảm bảo rằng chương trình đã tuân theo đặc tả.

 Một chương trình sai do thiếu đường dẫn. Việc kiểm thử hộp trắng không thể biết được sự thiếu sót này.

 Việc kiểm thử bằng kỹ thuật hộp trắng không thể phát hiện được lỗi do dữ liệu.

Như vậy, việc kiểm thử chỉ dùng kỹ thuật hộp trắng là không đủ để phát hiện lỗi. Vì vậy, khi thiết kế các trường hợp kiểm thử thường cần phải kết hợp với cả kỹ thuật kiểm thử hộp đen.

Nguyên tắc của kỹ thuật kiểm thử hộp trắng là:

 Thực hiện mọi điều kiện logic (if-then-else) trên các giá trị true và false của chúng.

 Thực hiện mọi vòng lặp (các vòng lặp for, while-do) tại các biên và trong phạm vi hoạt động của chúng.

 Thực hiện mọi cấu trúc dữ liệu bên trong để đảm bảo tính hợp lệ của chúng.

Hình 2.2- Ví dụ chu trình điều khiển 2.2.1. Kiểm thử đƣờng dẫn cơ sở (Basic Path Testing)

Kiểm thử đường dẫn cơ sở là một kỹ thuật kiểm thử hộp trắng do Tom McCabe đề xuất. Phương pháp đường dẫn cơ sở cho phép người thiết kế trường hợp kiểm thử thực hiện phép đo độ phức tạp logic của thiết kế thủ tục và sử dụng phép đo này như một chỉ dẫn cho việc thiết kế một tập cơ sở các đường dẫn thực hiện. Những trường hợp kiểm thử được suy diễn để thực hiện tập cơ sở. Các trường hợp kiểm thử đó được đảm bảo để thực hiện mỗi lệnh trong chương trình ít nhất một lần trong quá trình kiểm thử.

2.2.1.1. Đồ thị lưu trình (Flow Graph)

Trong thực tế, phương pháp đường dẫn cơ sở có thể được dùng không cần sử dụng đồ thị lưu trình. Tuy nhiên, đồ thị lưu trình là một công cụ hữu ích để hiểu lưu trình điều khiển và minh hoạ phương pháp tiếp cận. Phần này sẽ trình bày một số ký hiệu đơn giản của lưu trình điều khiển, được gọi là đồ thị lưu trình. Đồ thị lưu trình vẽ lưu trình điều khiển logic sử dụng một số ký hiệu được minh hoạ như hình 2.3. Mỗi cấu trúc điều khiển có một ký hiệu đồ thị lưu trình tương ứng.

Đồ thị lưu trình gồm có:

 Mỗi hình tròn gọi là đỉnh, biểu diễn một hoặc nhiều lệnh thủ tục.

 Con trỏ được gọi là cung hoặc liên kết biểu diễn lưu trình điều khiển. Một cung cần phải kết thúc tại một đỉnh.

 Mỗi đỉnh có chứa điều kiện gọi là đỉnh điều kiện.

 Phần được bao bởi các cung và các đỉnh gọi là vùng.

Hình 2.3- Ký hiệu đồ thị lƣu trình

 Biểu diễn các điều kiện phức trong đồ thị lưu trình

Khi gặp các điều kiện phức xuất hiện trong câu lệnh điều kiện được biểu diễn gồm một hoặc nhiều phép toán logic (AND, OR, NOT), cần phải được chia thành các điều kiện đơn trong thực hiện kiểm thử đường dẫn cơ sở. Mỗi đỉnh chứa điều kiện được gọi là đỉnh điều kiện và được đặc trưng bởi hai hoặc nhiều cạnh bắt nguồn từ nó.

Ví dụ: if (a OR b) then {Procedure x } else {Procedure y} if (c AND d) then {Procedure x} else {Procedure y}

Hình 2.4 - Điều kiện phức

Tuần tự Rẽ nhánh Lựa chọn Lặp While

a b x y c d x y

Ví dụ: Cho lưu đồ thuật toán như hình 2.5a, đồ thị lưu trình có thể xác định như hình 2.5b..

(a) (b)

Hình 2.5 – Lƣu đồ thuật toán (a) và đồ thị lƣu trình (b)

2.2.1.2. Độ phức tạp cyclomat

Độ phức tạp cyclomat là một thước đo phần mềm, cung cấp phép đo định lượng độ phức tạp của chương trình. Khi được sử dụng trong ngữ cảnh của phương pháp đường dẫn cơ sở, giá trị được xác định cho độ phức tạp cyclomat cho biết số lượng đường dẫn độc lập trong một tập cơ sở của chương trình và cung cấp cho chúng ta một giới hạn trên số lượng kiểm thử bắt buộc để đảm bảo rằng tất cả các câu lệnh được thực hiện ít nhất một lần.

Một đường dẫn độc lập là một đường dẫn bất kỳ trong chương trình đưa ra ít nhất một tập lệnh xử lý hoặc điều kiện mới.

Tập đường dẫn độc lập cho đồ thị lưu trình được minh hoạ trong hình 2.5b là:

 Đường dẫn 1: 1-11  Đường dẫn 2: 1-2-3-4-5-10-1-11  Đường dẫn 3: 1-2-3-6-8-9-10-1-11  Đường dẫn 4: 1-2-3-6-7-9-10-1-11 1 2 3 4 6 5 7 8 11 10 9 1 2,3 4,5 6 7 8 9 10 11 R2 R1 R3 R4 Đỉn h Cạnh Vùng

Mỗi đường dẫn mới đưa ra một cung mới. Đường dẫn 1-2-3-4-5-10-1-2-3-6-8- 9-10-1-11 không được xem là một đường dẫn độc lập vì nó chỉ là một tổ hợp các đường dẫn đã được chỉ ra (đường dẫn 2 và 3) và nó sẽ không đi qua một cung mới nào.

Các đường dẫn 1, 2, 3 và 4 tạo thành một tập cơ sở trong hình 2.5b. Nếu các trường hợp kiểm thử được thiết kế để thực hiện những đường dẫn này (một tập cơ sở) thì mọi lệnh trong chương trình sẽ đảm bảo được thực hiện ít nhất một lần và mọi điều kiện sẽ được thực hiện cả hai mặt đúng (true) và mặt sai (false). Tuy nhiên, tập cơ sở không phải là duy nhất. Trong thực tế, một số các tập cơ sở khác nhau có thể được suy diễn cho việc thiết kế một thủ tục được đưa ra.

Một số nghiên cứu công nghiệp đã chỉ rằng độ phức tạp Cyclomat càng cao, xác suất hoặc lỗi càng cao.

Hình 2.6 - Độ phức tạp Cyclomat

Việc tính toán độ phức tạp cyclomat sẽ cho chúng ta biết có bao nhiêu đường dẫn cần tìm. Cho đồ thị lưu trình G, độ phức tạp Cyclomat V(G) được tính theo một trong 3 công thức sau (dựa trên Lý thuyết đồ thị):

1. V(G) = R, trong đó R là số vùng của đồ thị lưu trình.

2. V(G) = P + 1, trong đó P là số đỉnh điều kiện có trong đồ thị lưu trình G. 3. V(G) = E – N + 2, trong đó E là số cạnh của đồ thị lưu trình, N là số đỉnh

của đồ thị lưu trình G.

Đối chiếu với đồ thị lưu trình trong hình 2.5b, độ phức tạp Cyclomat được tính như sau:

modules

Các module trong vùng này dễ xảy ra nhiều lỗi

1. Công thức 1: V(G) = R = 4

2. Công thức 2: V(G) = P + 1 = 3 + 1 = 4

3. Công thức 3: V(G) = E – N + 2 = 11 – 9 + 2 = 4

Như vậy, độ phức tạp Cyclomat của đồ thị trong hình 2.4b là 4.

2.2.1.3. Phát sinh các trường hợp kiểm thử theo đường dẫn cơ sở

Phương pháp kiểm thử đường dẫn cơ sở có thể được áp dụng để thiết kế thủ tục chi tiết hoặc cho mã nguồn. Kiểm thử đường dẫn cơ sở có thể được xem như một tập các bước.

 Bƣớc 1: Sử dụng thiết kế hoặc mã nguồn như là căn cứ để vẽ đồ thị lưu trình

tương ứng.

 Bƣớc 2: Xác định độ phức tạp Cyclomat của đồ thị lưu trình kết quả.

 Bƣớc 3: Xác định tập cơ sở các đường dẫn độc lập tuyến tính.

 Bƣớc 4: Chuẩn bị các trường hợp kiểm thử có khả năng thực hiện mỗi đường dẫn trong tập cơ sở.

Chúng ta sẽ dùng hàm tính trung bình cộng của các số, average trong C như hình 2.7 để làm ví dụ minh hoạ cho mỗi bước thiết kế các trường hợp kiểm thử. Hàm average là một thuật toán đơn giản có chứa các điều kiện tổ hợp và vòng lặp, trong đó chương trình tính giá trị trung bình của 100 hoặc một vài số trong mảng

values nằm trong khoảng của biên trên (min) và biên dưới (max). Đầu vào được kết thúc bằng giá trị -999.

Hình 2.7 – Ví dụ minh hoạ phát sinh các trƣờng hợp kiểm thử theo đƣờng dẫn cơ sở Bƣớc 1: Vẽ đồ thị lưu trình (như hình 2.7) Bƣớc 2: Xác định độ phức tạp cyclomat V(G) = R (số vùng) = 6 V(G) = P (số đỉnh điều kiện) + 1 = 5 + 1 =6 V(G) = E (số cạnh) – N (số đỉnh) + 2 = 17 – 13 + 2 =6 Bƣớc 3: Tìm tập cơ sở các đường dẫn độc lập. + Đường dẫn 1: 1  2  8  9  11 + Đường dẫn 2: 1  2  8  10  11 + Đường dẫn 3: 1  2  3  8  9  11 + Đường dẫn 4: 1  2  3  4  7  2  … + Đường dẫn 5: 1  2  3  4  5  7  2  … + Đường dẫn 6: 1  2  3 4  5  6  7  2  … Trong hình 2.6, các đỉnh 2, 3, 4, 5, 8 là các đỉnh điều kiện.

Bƣớc 4: Thiết kế các trường hợp kiểm thử cho mỗi đường dẫn độc lập trong

tập cơ sở đã chọn. R4 R2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 R1 R3 R5 R6

 Trường hợp kiểm thử đường dẫn 1

Đầu vào: values = {3, 5, 11, -999}, min =0, max = 100 Đầu ra mong muốn: average = (3 + 5 + 11)/3

Mục đích: để kiểm thử việc tính trung bình chính xác.

Chú ý: Đường dẫn 1 không thể kiểm thử một mình, mà phải được kiểm thử như là một phần của các kiểm thử đường dẫn 4, 5, và 6.

 Trường hợp kiểm thử đường dẫn 2

Đầu vào: values = {-999}, min = 0, max = 0 Đầu ra mong muốn: averag = -999

Mục đích: để tạo ra average = -999

 Trường hợp kiểm thử đường dẫn 3

Đầu vào: values = {3, 5, 30, …, 76} (101 số), min = 0, max =100 Đầu ra mong muốn: trung bình của 100 số đầu tiên.

Mục đích: chỉ tính trung bình cho 100 số hợp lệ đầu tiên .

 Trường hợp kiểm thử đường dẫn 4

Đầu vào: values = {67, -2, 12, 23, -999}, min =0, max = 100 Đầu ra mong muốn: (67 + 12 + 23)/3

Mục đích: Kiểm thử biên dưới (values[i]<min, i<100).

 Trường hợp kiểm thử đường dẫn 5

Đầu vào: values = {7, 32, 102, 23, 86, 2, -999}, min =0, max = 100 Đầu ra mong muốn: (7 + 32 + 23 + 86 + 2)/5

Mục đích: Kiểm thử biên trên (values[i]>min, i<100).

 Trường hợp kiểm thử đường dẫn 6

Đầu ra mong muốn: (7 + 32 +99+ 23 + 86 + 2)/6 Mục đích: Việc tính trung bình là đúng.

Phương pháp đường dẫn cơ sở tập trung trên “giá trị đại diện” của mỗi đường dẫn độc lập. Cần các trường hợp kiểm thử bổ sung (trên các trường hợp kiểm thử đường dẫn cơ sở), nhất là để thực hiện các điều kiện biên.

2.2.2. Kiểm thử cấu trúc điều khiển

Phương pháp kiểm thử đường dẫn cơ sở là phương pháp đơn giản và hiệu quả, nhưng nó vẫn chưa đủ. Chúng ta sẽ xem xét các biến thể trên kiểm thử cấu trúc điều khiển mà phủ kiểm thử mở rộng và hoàn thiện chất lượng của kỹ thuật kiểm thử hộp trắng.

2.2.2.1. Kiểm thử điều kiện

Kiểm thử điều kiện là phương pháp thiết kế trường hợp kiểm thử thực thi các điều kiện logic trong module chương trình.

Một số định nghĩa:

 Điều kiện đơn: là một biến logic hoặc một biểu thức quan hệ, có thể có toán tử NOT (!) đứng trước, ví dụ, NOT (a>b)

 Biểu thức quan hệ: là một biểu thức có dạng E1 <op> E2, trong đó E1, E2 là các biểu thức số học và <op> là toán tử quan hệ có thể là một trong các dạng sau: <, <=, >, >=, = =, !=, ví dụ, a > b+1.

 Điều kiện phức: gồm hai hay nhiều điều kiện đơn, toán tử logic AND (&&) hoặc OR (||) hoặc NOT (!) và các dấu ngoặc đơn „(„ và „)‟, ví dụ, (a > b + 1) AND (a <= max).

Vì vậy, các thành phần trong một điều kiện có thể gồm phép toán logic, biến logic, cặp dấu ngoặc logic (bao một điều kiện đơn hoặc phức), phép toán quan hệ, hoặc biểu thức tóan học.

Mục đích của kiểm thử điều kiện là để xác định không chỉ các lỗi điều kiện mà cả các lỗi khác trong chương trình. Có một số phương pháp kiểm thử điều kiện được đề xuất:

 Kiểm thử nhánh (Branch Testing): là phương pháp kiểm thử điều kiện đơn giản nhất.

 Kiểm thử miền (Domain Testing): cần 3 hoặc 4 kiểm thử cho biểu thức quan hệ. Với một biểu thức quan hệ có dạng E1 <op> E2, cần có 3 kiểm thử được thiết kế cho E1= = E2, E1 > E2, E1 < E2.

 Kiểm thử nhánh và toán tử quan hệ (Branch and Relational Operator – BRO):

2.2.2.2. Kiểm thử luồng dữ liệu

Phương pháp kiểm thử luồng dữ liệu lựa chọn các đường dẫn kiểm thử của chương trình dựa vào vị trí khai báo và sử dụng các biến trong chương trình. Với kiểm thử luồng dữ liệu mỗi câu lệnh trong chương trình được gán số hiệu lệnh duy nhất và mỗi hàm không thay đổi tham số của nó và biến toàn cục. Cho một lệnh với S là số hiệu câu lệnh. Ta định nghĩa,

DEF(S) = là tập các biến được khai báo trong S. USE(S) = là tập các biến được sử dụng trong S.

Một chiến lược kiểm thử luồng dữ liệu cơ bản là chiến lược mà mỗi chuỗi DU được phủ ít nhất một lần. Chiến lược này được gọi là chiến lược kiểm thử DU. Kiểm thử DU không đảm bảo phủ hết tất cả các nhánh của một chương trình. Tuy nhiên, một nhánh không đảm bảo được phủ bởi kiểm thử DU chỉ trong rất ít tình huống như cấu trúc if-then-else mà trong đó phần then không có một khai báo biến nào và có dạng khuyết (không tồn tại phần else). Trong tình huống đó, nhánh else

của lệnh if là không cần thiết phải phủ bằng kiểm thử DU.

Chiến lược kiểm thử luồng dữ liệu là rất hữu ích cho việc lựa chọn các đường dẫn kiểm thử của chương trình có chứa các lệnh if hoặc vòng lặp lồng nhau.

2.2.2.3. Kiểm thử vòng lặp

Vòng lặp là nền tảng cho hầu hết các thuật toán được cài đặt trong phần mềm. Tuy nhiên, chúng ta thường ít quan tâm đến nó khi thực hiện việc kiểm thử phần mềm. Kiểm thử vòng lặp là một kỹ thuật kiểm thử hộp trắng mà tập trung trên tính hợp lệ của các cấu trúc lặp. Việc xây dựng các trường hợp kiểm thử cho mỗi loại cần thực hiện như sau:

Vòng lặp đơn

Với vòng lặp đơn trong đó N là số lần lặp tối đa, các trường hợp kiểm thử sau được sử dụng để kiểm tra mỗi điều kiện sau:

 Bỏ qua vòng lặp  Chỉ một lần lặp  Hai lần lặp  M lần lặp trong đó M < N  N-1, N, N+1 lần lặp. Vòng lặp lồng nhau

Nếu chúng ta mở rộng phương pháp kiểm thử vòng lặp đơn cho vòng lặp lồng nhau thì các kiểm thử có thể sẽ tăng theo mức phát triển vòng lặp. Điều này có thể tạo ra một số không thực tế các trường hợp kiểm thử. Chính vì vậy, một cách tiếp cận đệ qui như sau sẽ giảm bớt số trường hợp kiểm thử.

 Bắt đầu tại vòng lặp trong cùng.

 Xây dựng các kiểm thử vòng lặp đơn cho vòng lặp trong cùng, trong khi