白盒测试之 程序插桩

在软件白盒测试中，程序插桩是一种基本的测试手段，有着广泛的应用。

程序插桩是借助向被测程序中插入操作，来实现测试目的的方法，即向源程序中添加一些语句，实现对程序语句的执行、变量的变化等情况进行检查。

在调试程序时，常常要在程序中插入一些打印语句。其目的是希望在执行程序时，打印出测试人员最为关心的信息，然后进一步通过这些信息了解程序执行过程中的一些动态特性（比如，程序的实际执行路径，或是特定变量在特定时刻的取值）。程序插桩能够按用户的要求，获取程序的各种信息，成为测试工作的有效手段。

例如，想要了解一个程序在某次运行中所有可执行语句被覆盖的情况，或是每个语句的实际执行次数，就可以利用程序插桩技术。这里仅以计算整数X和整数Y的最大公约数程序为例，说明程序插桩技术的要点。下图所示为这一程序的流程图，图中虚线框部分并不是源程序的内容，而是为了记录语句执行次数而插入的计数语句，其形式为：

程序从入口开始执行，到出口结束。凡经历的计数语句都能记录下该程序点的执行次数。如果我们在程序的入口处还插入了对计数器C(i)初始化的语句，在出口处插入了打印这些计数器的语句，就构成了完整的插桩程序，它便能记录并输出在各程序点上语句的执行次数。下图所示为插桩后的程序，图中箭头所指均为插入的语句（源程序语句略）。

通过插入的语句获取程序执行中的动态信息，这一做法如同在刚研制成的机器特定部位安装记录仪表一样。安装好以后开动机器试运行，除了可以对机器加工的成品进行检验得知机器的运行特性外，还可通过记录仪表了解其动态特性。这就相当于在运行程序以后，一方面可检测测试的结果数据，另一方面还可借助插入语句给出的信息了解程序的执行特性。

正是这个原因，有时把插入的语句称为“探测器”，借以实现“探查”和“监控”的功能。在程序的特定部位插入记录动态特性的语句，最终是为了把程序执行过程中发生的一些重要历史事件记录下来。

例如，记录在程序执行过程中某些变量值的变化情况、变化的范围等。又如程序逻辑覆盖情况，也只有通过程序的插桩才能取得覆盖信息。

设计插桩程序时需要考虑的问题如下。

• 探测哪些信息？

• 在程序的什么部位设置探测点？

• 需要设置多少个探测点？

• 如何在程序中特定部位插入某些用以判断变量特性的语句？

其中第1个问题需要结合具体情况解决，并不能给出笼统的回答。

至于第2个问题，在实际测试通常在下面一些部位设置探测点。

• 程序块的第1个可执行语句之前。

• for、do、do while、do until等循环语句处。

• if、else if、else及end if等条件语句各分支处。

• 输入/输出语句之后。

• 函数、过程、子程序调用语句之后。

• return语句之后。

• goto语句之后。

关于第3个问题，需要考虑如何设置最少探测点的方案。例如，如果想要在程序入口处，记录语句Q=X和R=Y的执行次数，只需插入C(1)=C(1)+1这样一个计数语句就够了，没有必要在每个语句之后都插入一个计数语句。

在一般的情况下，在没有分支的程序段中只需一个计数语句。但程序中如果出现了多种控制结构，使得整个结构十分复杂，则为了在程序中设计最少的计数语句，需要针对程序的控制结构进行具体的分析。

第4个问题是如何在程序中特定部位插入断言语句。在应用程序插桩技术时，可在程序中特定部位插入某些用以判断变量特性的语句，使得程序执行中这些语句得以证实，从而使程序的运行特性得到证实，一般把插入的这些语句称为断言语句。这一作法是程序正确性证明的基本作法，尽管算不上严格的证明，但方法本身仍然是很实用的。