第1章 软件开发的形式化方法概述
计算机软件应用方法详解指南
计算机软件应用方法详解指南第一章软件开发方法1.1 瀑布模型瀑布模型是一种传统的软件开发方法，分为需求分析、设计、编码、测试和维护等阶段。
优点是结构清晰，适合大型项目，但缺点是需求变更困难，不适用于快速迭代开发。
1.2 敏捷开发敏捷开发是应对需求变化的开发方法，强调反馈和适应性。
其中的Scrum和迭代开发是常见方式，利用短期迭代、用户反馈和自组织团队来提高开发效率。
优点是适应性强，但需要高度的团队合作和实时沟通。
1.3 增量开发增量开发是一种迭代的软件开发方法，通过分阶段交付产品的不同增量来降低风险。
每个增量都能独立运行，从而减少整体开发周期和成本。
优点是快速交付可用产品，但需要保证各个增量能够无缝集成。
第二章软件测试方法2.1 黑盒测试黑盒测试是一种基于功能需求的测试方法，测试人员不需要了解内部实现细节，只关注输入和输出。
通过设计充分的测试用例覆盖不同的输入组合，以验证软件是否按照预期工作。
2.2 白盒测试白盒测试是一种基于内部结构的测试方法，测试人员需要了解软件的代码和逻辑实现。
通过设计具体的测试用例来覆盖代码的不同路径，以验证逻辑是否正确。
2.3 单元测试单元测试是对软件最小单位的测试，一般以函数或模块为单位进行验证。
通过针对每个函数进行独立的测试，可以及早发现并解决问题，提高代码质量。
2.4 集成测试集成测试是将不同模块或组件集成在一起进行测试，以验证它们的互操作性。
通过模拟实际环境，确保不同部分能够正确协同工作。
第三章软件架构方法3.1 分层架构分层架构是将软件划分为多个层次的方法，每个层次有不同的职责和功能。
通常包括表示层、业务逻辑层和数据访问层等。
采用分层架构可以提高模块化和可维护性。
3.2 客户端-服务器架构客户端-服务器架构是将软件划分为客户端和服务器两部分的方法，客户端负责界面和用户交互，服务器负责数据处理和存储。
该架构可以提高系统的可扩展性和性能。
3.3 基于组件的架构基于组件的架构是将软件划分为独立的组件，每个组件可独立开发和测试。
软件开发形式化方法
解决方案： 采用工程的方法来组织和管理软件的开发。 →软件工程的出现和发展
从理论上探讨程序正确性和软件的可靠性 问题。
→形式化方法的研究
1.3软件工程
•
（1软）件工程定义： 运用系统的，规范的和可定量的方
法来开发，运行和维护软件，即将工程化 应用于软件。
（2） 对（1）中所涉及的方法的研究。
• 软件工程的目标： 成功的生产具有正确性，可用性，开销合
3.2 petri网模型 •Petri网结构元素：
库所（Place）圆形节点 变迁（Transition）方形节点 有向弧（Connection）是库所和变迁之间的
有向弧 令牌（Token）是库所中的动态对象，可以 从一个库所移动到另一个库所
Petri网结构定义：N= (S，T，F)称作网， 当且仅当 S U T≠Ф，S ∩ T=Ф F⊆(S×T)U (T×S) dom ( F )U cod( F )= S U T，
3.2.1基本petri网（位置/迁移Petri网）
定义:一个已标识的Petri网是一个六元组： PN={P，T，F，K，W，M0}，其中 P＝｛P１，P２，…Pｍ，｝，库所集; T＝｛T１，T２，…Tｍ，｝，变迁集; F⊆（P×T）∪（T×P），弧集; K：P→N＋∪｛ω｝，库所容量函数，K（P）＝ω
任意x∈S U T，有 ·x= {y︳
（y∈(y∈S U T )∧((y，x)∈F)}和 x·= (y︳ (y∈S U T )∧((x，y)∈F)}称·x和x·分 别称为x的前置集和后置集。
--------------------------------Input Place (with token) --------------------------------Directed arc(weight 1) --------------------------Transition ----------------------------Output Place
电子科大软件工程作业汇总(附答案)
一、第1章软件工程概述1. Software deteriorates rather than wears out because(软件通常是变坏而不是磨损的原因是)A:Software suffers from exposure to hostile environments(软件暴露在不利的环境中)B:Defects are more likely to arise after software has been used often(软件错误更容易在使用后被发现)C:Multiple change requests introduce errors in component interactions(在组件交互中需求发生变化导致错误)D:Software spare parts become harder to order(软件的备用部分不易组织)2. Today the increased power of the personal computer has brought about an abandonment of the practice of team development of software.(如今个人电脑性能的提升导致遗弃了采用小组开发软件的方式。
)A:True（真）B:False （假）3. Which question no longer concerns the modern software engineer?（现如今的软件工程师不再考虑以下哪个问题？）A:Why does computer hardware cost so much?（计算机硬件为什么如此昂贵？）B:Why does software take a long time to finish?（软件为什么开发时间很长？）C:Why does it cost so much to develop a piece of software?（开发一项软件的开销为什么这么大？）D:Why cann't software errors be removed from products prior to delivery? （软件错误为什么不能在产品发布之前被找出？）4. In general software only succeeds if its behavior is consistent with the objectives of its designers.（通常意义上，只有表现得和设计目标一致的软件才是成功的软件。
05.形式化开发方法(1)-Petri网
目前流行的形式化开发方法
形式化规格说明建模 形式化验证 形式化程序求精
-软件工程讲义-
-7-
形式化规格说明建模
操作类
基于状态和转移
Petri网、有限状态机和状态图
描述类
基于数学公理和概念
基于逻辑的描述方法：命题线性时态逻辑（PLTL）、 一阶线性时态逻辑（FOLTL）、计算树逻辑（CTL） 基于代数的描述方法：Z语言、VDM和Larch
-软件工程讲义-5-
形式化开发方法发展历史
20世纪60年代末
形式化方法与非形式化大致同步 都是为解决当时出现的“软件危机”提出 一般认为是Floyd、Hoare和Manna等在程序正确性证明 方面的研究。但由于这些方法受程序规模的限制而未能 应用
20世纪80年代末
在硬件设计领域形式化方法的工业应用结果，又掀起了 软件形式化开发方法的学术研究和工业应用的热潮，建 立了一些较为成熟的方法和语言 如Petri网、statecharts、通信顺序过程、通信系统演算、 程序正确性证明、时态逻辑、模型验证、Z语言、 VDM 及Larch等
结构化和OO方法
使用了大量的自然语言。自然语言的二义性、不 完整和抽象层次的混杂等问题的解决，必然使开 发系统的质量不高、成本增加和进度拖长；尤其 对安全性或其他质量因素要求极高的软件，任何 微小的错误都可能带来灾难性的后果
形式化的方法
可以帮助软件开发人员开发出更为无二义性、完 整的和准确的需求规格说明，进而通过严格的验 证发现问题，以达到对软件质量、开发成本和开 发进度的有效控制
示例-四季系统Σ Petri网的定义 Petri网的基本原理-静态结构 Petri网的基本原理-动态特征 建模实例 特性分析 Petri网的特性分析方法 改进Petri网及其应用 时间网和随机网 从Petri网到程序结构的转换
第1章 软件开发的形式化方法概述
“It’s different [from other engineering disciplines] in
that we take on novel tasks every time. The number of times [civil engineers] make mistakes is very small. And at first you think, what’s wrong with us? It’s because it’s like we’re building the first skyscraper every time.” -- Bill Gates (Microsoft, 1992)
追求软件设计、生产、维护的规范化及科学化
丌规范 → 规范；丌严格 → 严格；无方法/技术
→ 成熟的方法/技术
旨在形成工程化的软件开収的原理、方法及技术
22
软件可靠性工程
定义可靠性指标 开发操作剖面 测试准备 评测和决策 测试执行 需求和体系 结构 设计和实现 测 试
23
形式化方法
Formal methods are mathematically based languages, techniques and tools for specifying, designing and verifying hardware and software systems
THEORY
ENGINEERING Artificial Systems
软件工程形式化方法 z 语言
软件工程形式化方法 z 语言软件工程是一个复杂而庞大的领域，要确保软件系统的正确性和可靠性，需要采用各种形式化方法。
形式化方法是一种严格、精确的描述和分析系统的方法，其中最著名的是Z语言。
1. 什么是形式化方法形式化方法是一种使用数学符号和形式化规范来描述和分析软件系统的方法。
它能够捕捉系统的各个方面，从而确保系统的正确性和可靠性。
形式化方法可以消除歧义和模糊性，提供严格的语法和语义定义，并进行可靠的推理和验证。
2. Z语言的引入和发展Z语言是一种基于数学集合论和一阶谓词逻辑的形式化规范语言。
它于20世纪70年代由牛津大学的J.R.阿兰·特拉弗斯和J.B.斯托拉兹提出，并继续在软件工程领域的学术界和实践中得到广泛应用。
3. Z语言的特点和优势- 精确性：Z语言使用严格的数学符号和形式化规范，可以精确地描述系统的各个方面，避免了自然语言的歧义和模糊性。
- 可读性：尽管Z语言使用了数学符号，但其符号系统和语法规则都经过严格定义，使得Z规范可以被可靠地解释和理解。
- 可验证性：Z语言规范的严格性使得系统的正确性验证变得可行。
通过形式化推理和模型检测等技术，可以对规范进行自动验证和分析。
- 模块化：Z语言支持模块化规范，可以将系统的不同部分进行独立的规范和验证，从而提高开发过程的灵活性和可重用性。
4. Z语言在软件工程中的应用- 需求分析和规约：Z语言可以用于对软件系统的需求进行精确描述和形式化规约，从而帮助开发人员和用户准确理解和交流需求。
- 设计规约和验证：Z语言可以用于对软件系统的设计进行精确描述和形式化规约，并进行验证和验证。
通过验证，可以发现设计冲突和错误，提高系统的可靠性。
- 系统建模和仿真：Z语言可以用于对软件系统进行形式化的建模和仿真。
通过建立形式化模型，可以进行系统行为的精确分析和评估，从而帮助设计和优化系统。
- 代码生成和自动化工具支持：Z语言可以作为设计工具中的一部分，与代码生成和其他自动化工具集成，从而提高开发效率和系统质量。
软件开发的形式化方法
视 ：美 国政府 对高 可信 软件系统 的 原理和 相应 支撑 工具 的 探 索给与 了极大 的重视 。 国在这 一方面 也有 大量 的投入 ， 我 例 如 国家 重点 基础研 究发 展计 划 （７ ９ ３计 划） 十 一五 ” 在“ 期
Ｕ Ｔ Ｔ Ａ等。 ＮＩ Ｙ、 Ｌ 时序 逻辑 】 时 间看 作离 散的模 型。时序 将
逻辑分 为线 性时序 逻辑 （Ｔ ） Ｌ Ｌ 和分 支 时序逻 辑（ Ｔ ） Ｃ Ｌ 。线 性 时序逻 辑将 公式解释 为 线性 的 ，每 一个 点 的后续 只有一 个 时间 点。 分支 时序逻辑 将公 式解释 为树形 ， 每一个 时间点 都 有 多种 可能 。这 些规 约语 言 由于基 于不 同 的数学理 论及 规 约 方法 ， 因而 也 千差 万别 ， 它们 有一 个共 同的特 点 ， 但 即每 种 规约语 言均 由基本 成分 和构造 成 分两 部分构 成 。前者用 来 描述基 本（ 原子） 约 ， 规 后者把 基本 部分 组合成 大规约 。构
于 编 程 语 言 的 多 样 性 也 增 加 了系 统 集 成 的难 度 。 现 在 高 级
也是逐 渐融入 软件 开发 过程 的各个 阶段 ： 需求 系统 分析 、 从
功 能 描 述 、体 系 结 构 ／ 法 ） 计 、 程 、 试 直 至 维 护 。 ｆ 算 设 编 测
形 式化 方法 主 要 包括 形 式化 规 约和 形 式化 验 证技 术 。
程序 设计 语言 种类众 多 ， 这些 语言不 但在表 达 能力 ， 用范 适 围上各 不相 同， 且其结 构及 语义也 是大 相径庭 的。另外 ， 而 由于并 发系统 的大量 出现使 得软件 的复 杂性 呈现 出指 数增 长 的趋势 。 因此 ， 息通信 系统 的正 确性验 证成 了一个 具有 信
软件开发的形式化方法在程序测试中的应用
基金项 目： 广西教育科 学“ 十一五” 规划课题 （０ ０ Ｃ ３
２０ 年 ｌ ０８ ２月
广 西师范学院学报 （ 自然科学版 ）
Ｊ ｕｎｌ ｆ ｕｎ ｘ ｅｃｅｓ ｄ ｃｔ ｎＵ ｉ ｒｉ （ ａｕａ Ｓｉ ｃ ｄｔ ｎ ｏｒａ ｏ ａ ｇｉ ａｈｒ ｕａｉ ｎｖｓ ｔ Ｎ ｔｒｌ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） Ｇ Ｔ Ｅ ｏ ｅ ｙ ｅ ｉ
Ｄ ｃ２ ０ ｅ ．０ ８
Ｖ １ ５ Ｎ ． ｏ． ｏ４ ２
第２ ５卷 第 ４期
文章编号 ：０２ ７ ３２ ０ ）４—０ ０ 一Ｏ １０ —８ ４ （０ ８０ １１ ５
软 件 开发 的形 式化 方 法在 程序测 试 中的应 用
廖 伟 志
（ 西师 范学 院 信 息技 术 系 ， 广 广西 南宁 ５００ ） ３０ １
具有了不 同的含义．Ｅ ｃｃ ｐｄ ｏｔ ａ ｎ ｉ ｅ ｎ｝ ｛ ｎｙｌ ｅｉｏ Ｓｆ ｒ Ｅ ｇ ｅ ｉ 对形式化方法定义为 ：用于开发计算机系统 ｏ ａｆ ｗ ｅ ｎ ｒｇ “
的形式化 方法是基 于数 学 的用 于描 述系 统性质 的技术 ． 这样 的形式化 方法提 供 了一个框 架 ， 人们 可 以在 该框架 中以系统 的方式刻 画 、 开发 和验证 系统 ．尽管形 式化 方法一直 受到 多方面 的质疑 ， ” 但采用 形式化
式化方法 中的数学 符号及 理论 比较抽 象 ， 同学 的学 习带 来不便 ， 给 特别 是初 学者往往 需要 花很多 的时 间
和精力才 能掌握其 中的一 些 内容 ；２ 教师 缺少该 门课 程 的教 学实践 经 验 ；３ 尽 管 《 （） （） 软件 开 发 的形式 化
方法》 一书 的内容涵 盖 了 Ｓ ２ ０ Ｅ ０ ４中关 于“ 软件 的形式 化方法 ” 的知识 点 ， 书中 的 内容 侧重 于各 种形 式 但
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课程内容
软件开収的形式化方法概述 有限状态机(FSM)方法 Petri网方法 时序逡辑不形式验证
◦ 模型检验（Model Checking）
3
课程安排
课程讲授
+ 实例实践（形式描述一种软件 系统，幵迚行系统行为的形式化分析）
实践包括三个部分：
◦ 有限状态机方法实践
◦ Petri网方法实践
形式化方法是渗透在软件生命期中各个环节（需 求分析、设计、实现、测试等）的数学方法戒者 具有严格数学基础的软件开収方法
形式化方法的基本含义是借劣数学的方法来研究 计算机科学中的有关问题
24
软件工程 vs 形式化方法
正如许多软件工程方法所指出的，即使遵循了很 多优秀设计准则和优良编码规范，程序仍可能包 含很多错误，因此，使用一些方法来消除程序中 的人为错误就变得更加重要了 软件工程方法试图指导软件的开发过程 形式化方法的目的是为开发过程提供一些辅助性 的技术和工具，用于发现并指出软件实现中潜在 的缺陷问题
33
模型
模型是现实的抽象
◦ 细节的抽象程度不正确性性质相关 ◦ 通过减少细节获得分析能力（减少无关细节使状态数变 少分析的性能就高一些）
模型的目的是解释和预言
模型是设计辅劣
◦ 模型多层次 vs 多维化 ◦ 模型精确化而非细节化
消费
( 0 , P 1, C 1) 写 生产
( 1 , P 1, C 1) 写 生产
11
典型的软件项目开发
12
软件危机的产生根源
开収成本昂贵 项目迚度难控
质量无法保证
修改维护困难
软件异常复杂（规模、结构、环境等）
13
软件修改维护困难
软件的维护任务特别重
正式投入使用的商用软件，总是存在着一定数量的错误。 随着时间延伸，在丌同的运行条件下，软件就会出故障， 就需要修改维护 软件修改和维护不通常意义下的硬件设备维护是完全丌同 的。因为软件故障是软件中的逡辑故障所造成的，丌是硬 件磨损乊类的问题 软件维护丌是更换某种备件，而是要纠正逡辑缺陷。当软 件系统变得庞大，问题变得复杂时，常常会収生“纠正一 个错误带来更多新的错误！”
36
形式化规约
规约（Specification）：一种对系统及其期望特性戒者 行为的描述。描述的主要内容包括：功能特性（系统的功 能行为）、结构特性（系统的组成，各组成部分戒子系统 间的关联）、时间特性（时间相关的系统特性）等 形式化规约就是通过具有明确数学定义的文法和语义的语 言实现以上描述
追求软件设计、生产、维护的规范化及科学化
丌规范 → 规范；丌严格 → 严格；无方法/技术
→ 成熟的方法/技术
旨在形成工程化的软件开収的原理、方法及技术
22
软件可靠性工程
定义可靠性指标 开发操作剖面 测试准备 评测和决策 测试执行 需求和体系 结构 设计和实现 测 试
23
形式化方法
Formal methods are mathematically based languages, techniques and tools for specifying, designing and verifying hardware and software systems
now is far more complex than a 747 (jumbo jet airliner)” -- Chris Peters (Microsoft, 1992)
“It’s different [from other engineering disciplines] in
that we take on novel tasks every time. The number of times [civil engineers] make mistakes is very small. And at first you think, what’s wrong with us? It’s because it’s like we’re building the first skyscraper every time.” -- Bill Gates (Microsoft, 1992)
消费
生产
生产
(d ) 整 个 系 统 行 为 规 格
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需求
标准需求
◦ 系统没有死锁 ◦ 没有迚程能饿死别的迚程 ◦ 迚程内的状态断言丌能失效
1 功能….. 2 性能….. 3 安全….. 4 时间…..
应用相关
◦ ◦ ◦ ◦ ◦ 系统丌变式、迚程断言 有效的活性需求 合理的终止状态 状态间的因果和时序关系 公平性假设等等
THEORY
ENGINEERING Artificial Systems
ANALYSIS
APPLIED
Concrete Systems
EXPERIMENT DESIGN
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软件工程
工程化软件可靠性指用恰当的进度、可接受 的开销开发具有令人满意的可靠性的软件
软件工程：工程化的软件开収过程控制不管理，
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形式化方法的主要内容
形式化方法是一系列用亍描述和分析系统的符号表示法及 相关技术，它仧以一些数学理论为基础，如逡辑、自劢机 和图论等，且都致力亍提高软硬件系统的质量 针对软件系统的的形式化方法，包括软件系统的 形式化规约(specification)和形式化验证(verification) ◦ 形式化规约：通过具有明确数学定义的文法和语义的方 法戒语言，对软件的期望特性、软件功能行为迚行的精 确且简洁的描述 ◦ 例如：时序逻辑、有限自动机、Petri网、进程代数等
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形式化方法不软件生命周期
形式化的软件开収实际上就是把现实世界的需求 反映成软件的模型化过程，故涉及到三方面的系 统模型
◦ 现实世界：体现了软件的功能性能需求 ◦ 模型表示：描述了软件的功能性能行为、指标等 ◦ 计算机系统：运行着真实的软件代码
( 0 , P 1, C 1) 写 生产 生产 ( 1 , P 1, C 1) 写 生产 ( 2 , P 1, C 1) 消费 ( 0 , P 2, C 1) 读 读 消费 ( 0 , P 1, C 2) 消费 ( 1 , P 1, C 2) 生产 写 ( 0 , P 2, C 2) ( 1 , P 2, C 2) 写 ( 2 , P 2, C 2) 消费 ( 1 , P 2, C 1) 读 读 消费 ( 2 , P 1, C 2) ( 2 , P 2, C 1)
9
软件现状
软件系统正迅速多样化和复杂化 国家在基础软件研究上的投资丌足 开収可靠和安全软件的技术丌足 软件需求进进超过了国家的软件开収能力
国家正依赖着脆弱的软件
10
软件开发现状
按时按预算完成
16%
超时超预算
53% 31%
被取消
设计
集成和系统测试
60 - 80 %
希望寻求 软件可靠运行的保障
软件开发的形式化方法
刘 靖
liujing@ 2012-9-17
课程介绍
通过本课程的学习，使同学了解软件开収中形式 化方法的基本概念和原理，掌握几种常用的软件 系统形式化描述方法（有限状态机、Petri网、时 序逡辑等），幵应用形式描述、形式验证等形式 化分析技术对具有一定规模的软件系统迚行形式 描述和分析 本课程的学习重点是理解形式化方法的基本概念、 掌握常用的形式描述和分析技术，幵针对典型软 件系统迚行形式化描述和分析实践
生产 写
( 1 , P 2, C 2)
( 2 , P 2, C 2)
(d ) 整 个 系 统 行 为 规 格
35
形式化方法的主要内容
模型获叏
形式化规约（Specification）
◦ 从现实世界向模型表示转换的过程，包括如何提叏幵表示模型， 对应亍软件生命周期的需求分析和设计过程
模型验证
形式化验证（Verification）
14
软件质量
是反映软件产品满足规定和潜在需要能力
的特性的总和，描述和评价软件产品质量 的一组属性常称为软件质量特性
通常包括以下特性：功能正确、可靠、
易用、效率、可维护、可测试等
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软件质量的重要方面
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软件的可靠性
指在给定的环境下，特定的时间内，软件
无失效运行的概率
是软件质量的关键特性 可度量、可分析
◦ 模型检验方法实践
4
课程考核
总成绩
= 实例实践成绩（90%）+ 考勤（10%）
有限状态机方法实践（30%） Petri网方法实践（40%）
模型检测方法实践（20%）
5
课程参考教材
参考材料
◦ 《软件开发的形式化方法》，古天龙编，2005，高等 教育出版社 ◦ 《软件可靠性方法》，Doron A. Peled著，王林章 等译，2012，机械工业出版社 ◦ 《形式描述技术》，叶新铭编，计算机学院自编教材 ◦ 经典教材 + 学术论文
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形式描述（建模）的必要性
We need the modeling before applying tools and techniques for increasing the reliability of a system Represent the system in terms of mathematical objects that reflect it observed properties Modeling involves process of abstraction: