软件工程的形式化方法第六讲

软件工程导论
第六讲
软件工程的形式 化方法
本节从软件形式化描述的基本概念入手。 在理解应用软件形式化技术的意义的基 础之上，重点介绍软件的Z语言规格说明 技术和Petri。
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第一节 形式化技术概述
什么是形式化方法？
——从广义上讲，形式化方法是指将离散数学的方法用于解决 软件工程领域的问题，主要包括建立精确的数学模型以及对模 型的分析活动。 ——狭义的讲，形式化方法是运用形式化语言，进行形式化的 规格描述、模型推理和验证的方法。 ——就形式化建模而言，形式化表示必须包含一组定义其语法 语义的形式化规则。这些规则可用于分析给定的表达式是否符 合语法规定，或证明该表达式具有某种性质。
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形式验证
一致性分析与类型检查 –该形式模型的表示是否规范？ 验证 –针对小型示例的模型模拟 –形式化挑战 –针对给定情况的提问 –状态爆炸 –检查应用程序性质 证明设计的逐级求精是正确的 –设计是否满足需求？
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第二节 现有形式化方法概述
所谓形式化规格说明语言的关键思想是把软件开发 过程中的需求规格说明阶段和软件设计说明阶段分 开,在需求规格说明阶段精确地描述软件“做什么”， 而不涉及“怎么做”。编写规格说明与编写计算机 程序的不同之处在于规格说明是对目标软件系统的 功能描述，而计算机系统则是实现目标软件系统功 能的过程描述。
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形式化语言的基础
一阶命题逻辑中的表达式
表达式的取值可以为真或为假 (x>y ∧y>z) →x>z x=y ≡y=x . x,y,z((x>y ∧y>z)) -> x>z
x+1 < x-1 x(.y(y=x+z)) x>3 ∨x<-6
开表达式与闭表达式 –如果一个变量是受量词约束的，则称之为限定变量，否则 称之为自由变量 –若公式中所有变量均为限定变量，则称该公式为闭表达式 –闭表达式的值非真即假
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形式规约语言
源自程序证明技术 派生出许多通用的规约语言 –适合描述程序单元的行为 –核心技术：类型检查，定理证明 在需求工程中的适用性较差 –无抽象及结构化机制 –与程序语义密切相关 举例：Larch, Z, VDM
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并发/反应式系统建模旨在表 Nhomakorabea程序行为的动态性
重点研究并发与反应式系统（如实时、嵌入式系统） –支持对安全性、活性与性能的推理 –提供一种精确的规格描述语言 –核心技术：一致性检查，模型检测 在需求工程中的适用性较差 –建模语言专为需求工程设计 举例：Statecharts, RSML, Parnas-tables, SCR, …
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形式化方法的优点？
用数学语言能够解决规格说明的二义性问题，提高其精确性; 数学提供了确认手段，使得证明和验证软件程序满足用户和系 统的需求成为可能; 针对需求和设计模型进行自动的分析和推理; –分析模型性质 –推导模型逻辑结果
模拟/执行模型，有助于可视化及验证;
软件的设计过程就是一个形式化的过程; –软件设计的最终产物是程序，它可看作是一种可执行的 形式规约，用于解决非形式化的问题。
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各种形式化方法的区别
本体不同 –固定本体：状态，事件，动作–状态图，状态机 –可扩充本体：定义新概念的元语言 数学基础不同 –基于逻辑的方法：一阶谓词逻辑，时序命题逻辑 –基于代数的方法：代数语言，集合语言 –基于图的方法：状态图、Petri 网等 对时间的处理不同 – 状态/ 事件模型：将时间表示为事件序列；将时间表示为 量化的区间 –将时间作为一级类对象来处理
形式化方法仅被用于无关紧要的系统，且缺少工具支持；
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关于形式化方法：乐观者的角度
运用形式化方法将开发出完美的软件；
形式化方法可以替换传统的软件工程方法；
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形式化方法在软件工程中的作用
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软件的正确性
将形式化方法运用于软件工程实践当中的主要目的是保证软件 的正确性。 正确性证明的两个标准 –运行在机器上的程序满足规格说明
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为什么不采用形式化？
形式化方法需要作出更大的努力 –延缓项目进展 –需要更多的数学训练
–回报也并非立竿见影
许多项目均不适合运用形式化方法
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三类不同的模型？
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模型类型
自然语言 –很强的表达能力及适应性 –不易于表示模型的语义 –适于需求获取及为模型加标注，便于通信 半形式化的表示 –便于表示结构及语义 –可推理、一致性检查、模拟等（如图、表、结构化英语等） –通常是可视化的，以便在多个干系人间通信 形式化表示 –具有精确的语义定义，可能进行广泛的推理 –距离应用领域较远
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形式化语言的基础
一阶命题逻辑：
一阶命题逻辑提供以下机制 –一组构造表达式的原子公式 变量，数值常量，括号 –一组逻辑连接符 and (∧), or (∨), not(.), implies(→), logical equality (=) 与， 或， 非， 蕴含， 逻辑等价 –量词 ：“for all”全称量词 ：“there exists”存在量词
–规格说明在给定的领域性质之下满足需求
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软件的完整性
完整性证明的两个标准 –是否已发现所有重要需求 –是否已发现所有重要领域性质
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形式化方法可应用于何处？
形式化需求规约 –作为程序验证的基准 –规约语言Z，VDM，Larch –作为程序行为的模型，与需求相对照 形式化领域知识 –以便就以下问题进行推理 .领域知识是否完整；对未来的系统有何影响 –形式化有助于直接精确地刻画环境 需求的形式化 –以便进行需求模拟 –以便测试逻辑一致性 –以便测试完整性（依据底层的数学模型）
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关于形式化方法：悲观者的角度
形式化方法是为数学家准备的； 形式化方法仅供从事形式化研究的人使用； 从事形式化研究的人仅使用形式化方法；
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关于形式化方法：悲观者的角度
形式化方法的运用将延缓软件开发进度；
形式化方法的运用将提高软件开发成本；
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关于形式化方法：悲观者的角度
形式化方法仅应用于开发安全要求极高的系统；
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为什么不采用形式化？
形式化方法比其他技术的抽象级别要低 –容易陷入细节 –需提早确定系统边界
形式化方法通常限于正确一致的模型
–但绝大多数情况下，模型都并非绝对正确、一致、完整 不知使用哪个工具合适 –要描述的是程序行为还是需求？ –形式化方法的鼓吹者常常过于依赖某一种工具
–常常对研究原型的规模有着过高的期盼