Kỹ Thuật Kiểm Thử Đột Biến Trong Phần Mềm

Chiến lược kiểm thử tổng thể hệ thống thường sử dụng phương pháp từ thấp đến cao, bao gồm kiểm thử đơn vị, tích hợp, hệ thống và chấp nhận. Kiểm thử đơn vị kiểm tra các thành phần nhỏ nhất, thường do lập trình viên thực hiện. Kiểm thử tích hợp kết hợp các thành phần và kiểm tra giao tiếp giữa chúng. Kiểm thử hệ thống xác minh toàn bộ hệ thống đáp ứng yêu cầu. Kiểm thử chấp nhận do khách hàng thực hiện để đảm bảo sản phẩm phù hợp với mong đợi của họ. Các mức kiểm thử này đảm bảo chất lượng phần mềm từ các thành phần nhỏ nhất đến toàn bộ hệ thống.

Thiết kế kiểm thử phần mềm là quá trình thu thập, phân tích và thực hiện yêu cầu. Mục tiêu là thiết kế các trường hợp kiểm thử có khả năng phát hiện nhiều lỗi nhất với thời gian và công sức tối thiểu. Theo [19], vấn đề quan trọng nhất trong kiểm thử phần mềm là thiết kế và tạo ra các trường hợp kiểm thử hiệu quả. Kiểm thử "vét cạn" là không thể, do đó, kiểm thử một chương trình phải luôn xác định là không thể vét cạn. Vấn đề quan trọng là cố gắng làm giảm sự “không thể vét cạn” nhiều nhất có thể.

Kiểm thử đường dẫn cơ sở là kỹ thuật kiểm thử hộp trắng do Tom McCabe đề xuất. Phương pháp này 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. Các 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. Phương pháp này giúp đảm bảo độ bao phủ mã và phát hiện lỗi tiềm ẩn.

Đồ thị luồng điều khiển là công cụ hữu ích để hiểu các luồng điều khiển và minh họa cho phương pháp kiểm thử đường dẫn cơ sở. Cấu trúc của đồ thị luồng điều khiển bao gồm các đỉnh (biểu thị một đoạn các câu lệnh thực hiện tuần tự), các cạnh (biểu diễn dòng điều khiển nối hai nút với nhau) và miền (phần được bao bởi các cạnh và các đỉnh). Đồ thị luồng điều khiển giúp người kiểm thử hình dung luồng thực thi của chương trình và thiết kế các trường hợp kiểm thử phù hợp.

Độ phức tạp Cyclomatic là một thước đo phần mềm, cung cấp các 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 Cyclomatic 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. Việc tính toán độ phức tạp Cyclomatic sẽ cho chúng ta biết có bao nhiêu đường dẫn cần tìm.

Kiểm thử đột biến tạo ra các phiên bản lỗi của chương trình gốc bằng cách thay đổi nhỏ mã nguồn. Các thay đổi này được gọi là đột biến và các phiên bản lỗi được gọi là mutant. Mục tiêu là tạo ra các mutant mà các trường hợp kiểm thử hiện tại có thể phát hiện ra. Nếu một trường hợp kiểm thử có thể phát hiện ra một mutant, mutant đó được coi là bị "giết". Nếu không, mutant đó vẫn còn "sống". Kiểm thử đột biến giúp đánh giá chất lượng của bộ kiểm thử hiện tại.

Quy trình kiểm thử đột biến bao gồm các bước sau: (1) Tạo ra các mutant của chương trình gốc. (2) Chạy các trường hợp kiểm thử hiện tại trên các mutant. (3) Xác định các mutant bị giết bởi các trường hợp kiểm thử. (4) Phân tích các mutant còn sống và tạo ra các trường hợp kiểm thử mới để giết chúng. (5) Lặp lại các bước 2-4 cho đến khi đạt được độ bao phủ đột biến mong muốn. Độ bao phủ đột biến là tỷ lệ mutant bị giết trên tổng số mutant được tạo ra.

Các toán tử đột biến là các quy tắc được sử dụng để tạo ra các mutant. Các toán tử này thay đổi mã nguồn theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như thay đổi các toán tử số học, toán tử logic, giá trị hằng số, hoặc các biến. Một số toán tử đột biến phổ biến bao gồm thay thế toán tử cộng bằng toán tử trừ, thay thế toán tử AND bằng toán tử OR, hoặc thay đổi giá trị của một biến. Việc lựa chọn các toán tử đột biến phù hợp là rất quan trọng để tạo ra các mutant có ý nghĩa và có khả năng phát hiện lỗi.

Lấy mẫu đột biến là kỹ thuật giảm số lượng mutant cần được tạo ra và kiểm tra. Thay vì tạo ra tất cả các mutant có thể, lấy mẫu đột biến chỉ tạo ra một tập con ngẫu nhiên của các mutant. Điều này giúp giảm đáng kể chi phí tính toán mà vẫn duy trì hiệu quả phát hiện lỗi. Các kỹ thuật lấy mẫu đột biến khác nhau có thể được sử dụng, chẳng hạn như lấy mẫu ngẫu nhiên đơn giản, lấy mẫu phân tầng, hoặc lấy mẫu dựa trên độ quan trọng.

Tạo dữ liệu thử tự động là kỹ thuật tạo ra các trường hợp kiểm thử tự động để giết các mutant. Các kỹ thuật này sử dụng các thuật toán tìm kiếm và tối ưu hóa để tìm ra các trường hợp kiểm thử có khả năng phát hiện lỗi cao. Tạo dữ liệu thử tự động giúp giảm công sức thủ công trong việc tạo ra các trường hợp kiểm thử và tăng tốc quá trình kiểm thử đột biến. Các kỹ thuật tạo dữ liệu thử tự động phổ biến bao gồm thuật toán di truyền, tìm kiếm leo đồi, và mô phỏng tôi luyện.

MuJava là một công cụ mã nguồn mở miễn phí cung cấp các chức năng phân tích và tạo đột biến cho Java. JUnit là một framework kiểm thử đơn vị phổ biến cho Java. Kết hợp MuJava và JUnit, các nhà phát triển có thể dễ dàng thực hiện kiểm thử đột biến cho các chương trình Java của họ. MuJava tạo ra các mutant của chương trình, và JUnit được sử dụng để chạy các trường hợp kiểm thử trên các mutant và xác định xem chúng có bị giết hay không.

Quy trình ứng dụng kiểm thử đột biến để kiểm thử các chương trình Java sử dụng MuJava và JUnit bao gồm các bước sau: (1) Cài đặt và cấu hình MuJava và JUnit. (2) Tạo các trường hợp kiểm thử JUnit cho chương trình Java. (3) Sử dụng MuJava để tạo ra các mutant của chương trình. (4) Chạy các trường hợp kiểm thử JUnit trên các mutant. (5) Phân tích kết quả và tạo ra các trường hợp kiểm thử mới để giết các mutant còn sống. (6) Lặp lại các bước 4-5 cho đến khi đạt được độ bao phủ đột biến mong muốn.