Quality Assurance in Software Development

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1 Qualiy Assurance in Sofware Developmen Qualiässicherung in der Sofwareenwicklung A.o.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Aichernig Insiue for Sofware Technology Graz Universiy of Technology Ausria Summer Term / 23

2 Agenda 1 Spezifikaionen Beispiel Eigenschafen von Spezifikaionen Conracs 2 Invarianen 2 / 23

3 Oracle Definiion: any means used o predic he oucome of a es. Kind of oracles: specificaion exising es cases (regression esing) previous version of he program prooype domain exper acual program (dangerous!) 3 / 23

4 Specificaions fix he crieria o accep an implemenaion. are a basis for a conrac beween user and supplier. define wha should be achieved, bu no how. greaes possible freedom for developer. programs are no suiable as specificaions! 4 / 23

5 Specificaion vs. Implemenaion Specificaion vs. Implemenaions absrac concree wha how 5 / 23

6 Specificaion Implemenaion 1 The specificaion serves as saring poin for he design of he implemenaion. 2 The specificaion is he bases for any verificaion: 1 for proving ha an implemenaion saisfies a specificaion 2 for he generaion of es cases 3 as a es oracle 6 / 23

7 Programs as Specificaions? public saic double P (double Facorial) { double x1=0; double x0=facorial/2; double a=facorial; boolean finished=false; while (finished==false) { x1=(x0+(a/x0))/2; if (x1>x0){ if ((x1-x0)< ){ finished=rue;} } else if (x0>x1){ if ((x0-x1)< ){ finished=rue;} } x0=x1; } reurn x1; } 7 / 23

8 Spezifikaion Vers. 1 Example (Poscondiion) Poscondiion (Nachbedingung): pos P (in, ou) = df ou 2 = in 8 / 23

9 Spezifikaion Vers. 2 No all inpus are valid! Example (Pre-Poscondiion) Poscondiion: pos P (in, ou) = df ou 2 = in Precondiion (Vorbedingung): pre P (in) = df in 0 9 / 23

10 Spezifikaion Vers. 3 We are only ineresed in posiive resuls! Example (Pre-Poscondiion) Poscondiion: pos P (in, ou) = df ou 2 = in ou 0 Precondiion: pre P (in) = df in 0 10 / 23

11 Spezifikaion Vers. 4 In pracice, he resul is an approximaion! Example (Pre-Poscondiion) Poscondiion: pos P (in, ou) = df abs(in ou 2 ) ɛ in ou 0 Precondiion: ɛ... error consan abs... absolue value pre P (in) = df in 0 11 / 23

12 Saisfiabiliy In order o be a meaningful specificaion, one soluion mus exis. Thus, one program/implemenaion mus exis ha saisfies he specificaion. We also say ha here is a model of he specificaion. Or, he specificaion is realisable (implemenable). 12 / 23

13 Underspecificaion Specificaions need no o deermine unique resuls. Examples are fligh reservaion sysems, compilers. Underspecificaion is a form of absracion. 13 / 23

14 Preciseness Specificaions mus be precise. Tha means ha he se of soluions (models) mus be defined. Underspecified does no mean imprecise. Disinguish beween absrac and imprecise! 14 / 23

15 Design by Conrac A mehod for sofware developmen Pre- and poscondiions as conracs beween classes and cliens Pre- and poscondiions are execuable. Hisory: Hoare-Logik (1969), VDM (70-ies), Eiffel (1992), JML (1999), C# Code Conracs (2008) 15 / 23

16 C# Code Conracs... is code ha is only compiled for debugging, no in final build. Example (sqr) public saic double sqr(double x) { Conrac.Requires(x >= 0); Conrac.Ensures( Mah.Abs(x - (Conrac.Resul<double>() * Conrac.Resul<double>())) < ); reurn Mah.Sqr(x); } Precondiion: Requires (normal) Poscondiion: Ensures 16 / 23

17 Java Modeling Language (JML) Conracs... are special commens, opionally compiled wih a pre-compiler. Example (sqr) public final saic double eps = ; //@ requires x >= 0.0; //@ ensures JMLDouble.approximaelyEqualTo(x, \resul * \resul, eps); public saic double sqr(double x) { reurn Mah.sqr(x); } Precondiion: requires (normal) Poscondiion: ensures 17 / 23

18 Voreile von Conracs zur Dokumenaion (Spezifikaion) von Klassen und Inerfaces Konrak absraker als Code (kein Algorihmus!) Konrak kann maschinell geprüf werden (im Gegensaz zu informalen Kommenaren) Fehlersuche (debugging) Warung Schuldzuweisung bei Fehlern: Clien vs. Class Effizienz: Keine ineffizienen defensiven Überprüfungen (checks) im Code 18 / 23

19 Beispiel Effizienz Example (Binärsuche) public saic in search(in[] a, in x) { Conrac.Requires(a!= null); Conrac.Requires(Conrac.ForAll(1, a.lengh, i => a[i-1] <= a[i])); reurn Array.BinarySearch(a, x); } All-quanor ( ): ForAll Endliche Bereichsangabe für i mach den Ausdruck ausführbar. Eine alernaive Prüfschleife im Endprogramm wäre ineffizien: Laufzei: logarihmisch linear 19 / 23

20 Modulariä des Programmversehens Wie kann man solchen Code versehen? Example (Typischer OO Code)... source.close(); arge.close(); gefile.selasmodified( loc.modtime().getime()); reurn modtime(); Möglichkei 1: Lesen des Codes aller Mehoden, lesen des Codes aller Mehoden in den Mehoden, lesen des... Erschwernis: Subypen polymorphismus (dynamische Bindung) Möglichkei 2: Lesen der Konrake aller Mehoden 20 / 23

21 Invarianen Definiion (Klasseninvariane, allgemein) Eine Klasseninvariane is eine Eigenschaf des Klassenzusandes (Variablen, Felder), die immer nach Ausführen eines jeden Konsrukors, sowie vor und nach Ausführen einer jeden Mehode gelen muss. auch Daeninvariane oder kurz Invariane genann. 21 / 23

22 Rolle von Invarianen Typeninvariane: schränk einen Daenyp ein (z.b. Naürliche Zahlen) Repräsenaionsinvariane: dokumenier Designenscheidung der Daenrepräsenaion (z.b. Sorierung einer Lise) Dokumenieren Beziehungen zwischen Variablen (Feldern). Invarianen werden durch Kapselung geschüz. (Repräsenaions-)invarianen sind of für die Korrekhei eines Algorihmus nowendig. 22 / 23

23 C# Beispiel Purse: Translaed from JML [Burdy e al. 2005] 23 / 23