examen.press ist eine Reihe, die Theorie und Praxis aus allen Bereichen der Informatik für die Hochschulausbildung vermittelt.

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2 examen.press ist eine Reihe, die Theorie und Praxis aus allen Bereichen der Informatik für die Hochschulausbildung vermittelt.

3 Dirk W. Hoffmann Software-Qualität 123

4 Prof. Dr. Dirk W. Hoffmann Hochschule Karlsruhe Fakultät für Informatik Moltkestrasse Karlsruhe ISBN e-isbn DOI / ISSN Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar Springer-Verlag Berlin Heidelberg Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandgestaltung: KünkelLopka Werbeagentur, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier springer.com

5 Vorwort Computerabstürze, Rückrufaktionen, Sicherheitslecks: Das Phänomen Software- Fehler hat sich zum festen Bestandteil unseres täglichen Lebens entwickelt. Mit dem unaufhaltsamen Vordringen der Computertechnik in immer mehr sicherheitskritische Bereiche ist die Software-Qualitätssicherung zu einer tragenden Säule der gesamten Informationstechnik herangereift. Doch warum ist die Qualität vieler Software-Systeme heute eigentlich so schlecht? Und viel wichtiger noch: Stehen wir der Misere hilflos gegenüber? Auf den folgenden Seiten werde ich versuchen, eine Antwort auf die oben gestellten Fragen zu geben. Neben einer Ursachenanalyse historischer Software- Fehler werden die verschiedenen Methoden und Techniken diskutiert, die uns heute zur Erreichung der kontinuierlich wachsenden Qualitätsanforderungen zur Verfügung stehen. Ein besonderes Augenmerk habe ich dabei stets auf große, langlebige Software-Systeme gelegt, die in einem professionellen Umfeld entwickelt werden. Die hierfür erforderlichen technischen und organisatorischen Maßnahmen werden in diesem Buch genauso behandelt wie die allgegenwärtige Problematik der Software-Alterung. Zwei Leitmotive durchdringen die nachfolgenden Kapitel wie ein roter Faden. Zum einen habe ich mich bemüht, einen durchweg praxisnahen Zugang zu den oft theoretisch geprägten Themen zu schaffen. So werden die verschiedenen Methoden und Verfahren stets anhand konkreter Problemstellungen eingeführt und daraufhin untersucht, inwieweit sie für den produktiven Einsatz in der professionellen Software-Entwicklung geeignet sind. Zum anderen war es mir ein großes Anliegen, ein tiefergehendes Problembewusstsein für die Materie Software zu schaffen. Hierzu werden anhand zahlreicher Beispiele die klassischen Ursachen und Fallstricke aufgezeigt, die in der Praxis für viele Software-Fehler verantwortlich zeichnen. Auch hier gilt: Nur wer seine Feinde kennt, wird im Stande sein, sie zu besiegen. In diesem Sinne wünsche ich Ihnen viel Vergnügen bei der Lektüre dieses Buches. Leider ist das Phänomen des Fehlers allgegenwärtig und macht auch vor Manuskripten keinen Halt. Für Hinweise oder Verbesserungsmöglichkeiten bin ich jedem aufmerksamen Leser ausdrücklich dankbar. v

6 vi Vorwort Bevor wir endgültig in die Tiefen der verschiedenen Methoden und Verfahren der Software-Qualitätssicherung eintauchen, möchte ich an dieser Stelle all denjenigen meinen Dank aussprechen, die mich bei der Durchführung dieses Projekts unterstützt und damit maßgeblich zum Gelingen dieses Buches beigetragen haben. Karlsruhe, im November 2007 Prof. Dr. Dirk W. Hoffmann

7 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Aufbruch in das ubiquitäre Computerzeitalter Was ist Software-Qualität? Warum ist Software eigentlich so schlecht? Gibt es Licht am Ende des Tunnels? Produktqualität Prozessqualität Software-Fehler Lexikalische und syntaktische Fehlerquellen Semantische Fehlerquellen Parallelität als Fehlerquelle Numerische Fehlerquellen Portabilitätsfehler Optimierungsfehler Von tickenden Zeitbomben Spezifikationsfehler Nicht immer ist die Software schuld Fehlerbewertung Konstruktive Qualitätssicherung Software-Richtlinien Notationskonventionen Sprachkonventionen Typisierung Typsysteme Grenzen der Typisierung Vertragsbasierte Programmierung Vor- und Nachbedingungen Invarianten Zusicherungen vii

8 viii Inhaltsverzeichnis 3.4 Fehlertolerante Programmierung Software-Redundanz Selbstüberwachende Systeme Ausnahmebehandlung Portabilität Portabilität auf Implementierungsebene Portabilität auf Sprachebene Portabilität auf Systemebene Dokumentation Spezifikationsdokumente Implementierungsdokumente Software-Test Motivation Testklassifikation Prüfebenen Prüfkriterien Prüftechniken Black-Box-Testtechniken Äquivalenzklassentest Grenzwertbetrachtung Zustandsbasierter Software-Test Use-Case-Test Entscheidungstabellenbasierter Test Paarweises Testen Diversifizierende Verfahren White-Box-Testtechniken Kontrollflussmodellierung Anweisungsüberdeckung Zweigüberdeckung Pfadüberdeckung Bedingungsüberdeckung McCabe-Überdeckung Defs-Uses-Überdeckung Required-k-Tupel-Überdeckung Testmetriken Überdeckungsmetriken Mutationstest Grenzen des Software-Tests Statische Code-Analyse Software-Metriken LOC und NCSS Halstead-Metriken McCabe-Metrik...259

9 Inhaltsverzeichnis ix Objektorientierte Metriken Visualisierung von Messwerten Konformitätsanalyse Syntax-Analyse Semantik-Analyse Exploit-Analyse Buffer Overflows Gegenmaßnahmen Anomalienanalyse Kontrollflussanomalien Datenflussanomalien Manuelle Software-Prüfung Walkthroughs Reviews Inspektionen Software-Verifikation Motivation Deduktion Vor- und Nachbedingungen Das Hoare-Kalkül Modellprüfung Temporallogik Verifikation temporaler Eigenschaften Abstrakte Interpretation Fixpunktiteration nach Floyd, Park und Clarke Datenabstraktion Software-Lebenszyklus Wenn Software altert Gründe der Software-Alterung Bewegliche Ziele Auch Software setzt an Kaschieren statt Reparieren Rückwärtskompatibilität Wissen ist flüchtig Ist die Software-Alterung unumgänglich? Refactoring Redesign Software-Infrastruktur Versionsverwaltung Anforderungen und Konzeption Revisionen Entwicklung in großen Teams

10 x Inhaltsverzeichnis Algorithmische Grundlagen der Versionskontrolle Build-Automatisierung Bedingte Compilierung Verteilte Compilierung Testautomatisierung Regressionstests Oberflächentests Defektmanagement Fehlerdatenbanken Crash Reports Managementprozesse Vorgehensmodelle Wasserfallmodell V-Modell Rational Unified Process Extreme Programming Reifegradmodelle Historische Entwicklung CMM CMMI ISO (SPICE) Bewertung und Kritik Literaturverzeichnis Sachverzeichnis...557

11 Abkürzungsverzeichnis ACM ACQ ALU ANSI API ARC ASCII BCD BDD BIOS BP BSD BSS CAN CIFS CIL CISC CLI CM CMM CMMI CPU CRC CTL CV CVS DIN DOI DOS DVD ENG Association for Computing Machinery Aquisition Process Group Arithmetic Logic Unit (Arithmetisch-logische Einheit) American National Standards Institute Application Programming Interface Appraisal Requirements for CMM American Standard Code for Information Interchange Binary Coded Decimal Binary Decision Diagram Basic Input Output System Base Pointer Berkeley Software Distribution Blank Storage Space Controller Area Network Common Internet File System Common Interface Language Complex Instruction Set Computing Command Line Interface oder Common Language Infrastructure Configuration Management Capability Maturity Model Capability Maturity Model Integration Central Processing Unit Cyclic Redundancy Check Computation Tree Logic Class Variables (Metrik) Concurrent Versions System Deutsches Institut für Normung Depth Of Inheritance (Metrik) Disc Operating System oder Denial of Service Digital Versatile Disc Engineering Process Group xi

12 xii Abkürzungsverzeichnis EOF End Of File ESA European Space Agency FIFO First In First Out FP Frame Pointer FPU Floating Point Unit GB Gigabyte (10 9 ) GByte Gigabyte (10 9 ) GiB Gigabyte (2 30 ) GHz Gigahertz GCC Gnu Compiler Collection ggt größter gemeinsamer Teiler GNU Gnu is Not Unix GPL GNU General Public License GTO Geotransfer Orbit GUI Graphical User Interface HOL Higher-Order Logic HW Hardware Hz Hertz IDE Integrated Development Environment IEC International Electrotechnical Commission IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers I/O Input/Output IP Intellectual Property oder Internet Protocol IPD Integrated Product Development IPPD Integrated Product and Process Development ISO International Organization for Standardization ISR Interrupt Service Routine IT Information Technology IVT Intel Virtualization Technology JDK Java Development Kit JIT Just-In-Time (Compiler) JNI Java Native Interface KPA Key Process Area KB Kilobyte (10 3 ) KByte Kilobyte (10 3 ) KiB Kilobyte (2 10 ) KHz Kilohertz LALR LookAhead Left to right Rightmost derivation (parser) LCOM Lack of COhesion in Methods (Metrik) LGT Längste gemeinsame Teilfolge LIFO Last In First Out LOC Lines Of Code LSF Load Sharing Facility LTL Linear Time Logic MB Megabyte (10 6 )

13 Abkürzungsverzeichnis xiii MByte Megabyte (10 6 ) MiB Megabyte (2 20 ) MHz Megahertz MFLOPS Million Floating Point Operations per Second MIPS Million Instructions per Second MISRA Motor Industry Software Reliability Association MMX Multimedia Extension MOST Media Oriented Systems Transport MSDN Microsoft Developer Network MTBF Mean Time Between Failures MULTICS MULTiplexed Information and Computing Service MVFS MultiVersion File System NCSS Non-Commented Source Statements NFS Network File System NOA Number of Attributes (Metrik) NOD Number of Descendants (Metrik) NORM Number of Redefined Methods (Metrik) NOP NO Operation OPE Operation Process Group OS Operating System OV Object Variables (Metrik) PAC Process Area Category PC Personal Computer oder Program Counter PDA Personal Digital Assistant PDF Portable Document Format PIM Process Improvement Process Group POSIX Portable Operating System Interface QA Quality Assurance QMMG Quality Management Maturity Grid RAID Redundant Array of Independent Disks RAM Random Access Memory RCS Revision Control System REC Receive Error Counter ROM Read-Only Memory REQM Requirements Management RET Return (address) REU Reuse Process Group RIN Ressource and Infrastructure Process Group RISC Reduced Instruction Set Computing RM Risk Management RTCA Radio Technical Commission for Aeronautics RUP Rational Unified Process SA Software Acquisition SBP Save Base Pointer SCAMPI Standard CMMI Assessment Method for Process Improvement

14 xiv Abkürzungsverzeichnis SCCS Source Code Control System SDK Software Development Kit SE Software Engineering SEI Software Engineering Institute SEPG Software Engineering Process Group SP Stack Pointer SPARC Scalable Processor ARChitecture SPICE Software Process Improvement and Capability Determination SPL Supply Process Group SRT-Division Sweeny-Robertson-Tocher-Division SSH Secure Shell SSL Secure Sockets Layer SW Software TB Terabyte (10 12 ) TByte Terabyte (10 12 ) TiB Terabyte (2 40 ) TCP Transmission Control Protocol TEC Transmit Error Counter TMR Triple-Modular Redundancy TSL Test Script Language UI User Interface UML Unified Modeling Language URL Uniform Resource Locator UTC Universal Time Coordinated VDM Vienna Development Method VLIW Very Long Instruction Word VLSI Very-Large-Scale Integration WAC Weighted Attributes per Class (Metrik) WebDAV Web-based Distributed Authoring and Versioning WER Windows Error Reporting WMC Weighted Methods per Class (Metrik) XML Extensible Markup Language XT extended