软件工程形式化方法初学体会

本贴最后更新于 2136 天前,其中的信息可能已经时过境迁

最近在上一门叫做新技术讲座的课,我估计好多同学是看到讲座这两个字感觉这课会很水才选的,但实际上这门课讲的内容是非常硬核的软件工程形式化方法,而且授课老师也是国内第一批研究软件工程形式化方法的教授,现任日本埼玉大学教授,且上课非常认真负责,每节课都有课堂练习。不过了解了软件工程形式化的概念后,发现这个研究方向真的了不得,简直可以颠覆整个软件行业。

在早期的软件开发过程中,开发者们往往拿到问题后就直接开始编码,软件往往会出现各种各样的问题,大部分软件的质量十分低下,被称为“软件危机”。为了解决软件质量低下的问题,人们提出了软件工程化的思想,也就是目前主流的软件开发方式,引入了从需求分析到最后编码实现这一系列的过程,以及需要遵守的一系列规范,并定义了如 CMMI 这样的规范性等级。然而软件工程里面有很多内容的规范是非常主观的,没有一个确定的评定标准,另外很多步骤只能尽量争取正确,但根本无法确保正确,比如对于软件的测试,在软件测试这门课中就了解到全覆盖基本上是不可能完成的,并提出了语句覆盖、判定覆盖、条件覆盖等一系列只能尽量争取正确的测试覆盖。而且在执行的过程中,就算是 CMMI 5 级的开发单位也往往会为了追求进度而省去其中某些甚至很多步骤,导致最后开发出来的软件根本不可用。可以说,软件工程化确实解决了一部分问题,但治标不治本,没有从根本上解决软件质量低下的问题。

有没有一种方法可以从根本上解决问题呢?有,就是软件工程形式化方法。软件工程形式化的目的简单来说就是把要解决的问题先用逻辑学和集合论等数学的方式把它抽象表示出来,也就是形式化,之后就可以自动化的方式完成一些原本需要大量人工完成的步骤。它的效果是可以减少软件开发的成本,同时大大减少软件中的错误。由于数学是稳定的、抽象的,可以应用到各个领域,可以作为一个相对正确性的基础,因此我们就可以将其他事物的正确性建立在数学的正确性之上。另外,形式化方法可以大大减少规格说明的二义性,防止出现客户和开发方对需求理解不一致的情况。我们可以这么理解,在软件工程形式化方法中,只要规格说明(specification) 是正确的,那么最后的软件产品一定是正确的,甚至连测试都不需要做。就如同建筑一样,只要图纸和设计方案正确,那么一个合格的施工队一定能建造出正确的建筑,而且已经建造完毕的建筑也无法像软件产品一样测试之后发现错误再进行修改。

为何建筑工程的精准性和正确性如此之高,其实就是引入了形式化方法的思想。在建筑工程设计中,一定都会首先在图纸上对建筑进行力学分析和计算,确保最终建筑拥有完美的力学结构,或者至少不容易塌。并且设计单位和施工单位往往不是同一家,但最后的施工成果依然能满足设计单位原先的要求。而在软件工程中,对于数学的应用主要在算法、数据结构中,比较少地用来抽象具体事物以及约束它们的关系。从这个角度看软件开发过程的先进性远远不如建筑工程的过程,尽管 IT 被认为是高新技术。

在软件工程形式化方法中,规格说明的重要性大大提高了,同时在规格说明中,如何用数学语言而不是自然语言抽象一个具体的事物是需要重点考虑的问题。可以看一下伦敦地铁线路图的抽象例子。
老图:伦敦地铁原图.PNG
新图:伦敦地铁新图.PNG

可以看到最后抽象的结果十分清晰明了、没有歧义、且具有可维护性,与之相比,老图尽管更精确地反应了真实的地理位置,但却让读者感到混乱。目前几乎所有城市的地铁以及公交线路示意图都模仿了伦敦地铁图。软件工程形式化的规格说明也需要像这样排除无关事物的干扰,并且精准、无二义性。比如,“令 x=3,y=x+1”就比“令 x 为一个存有 3 的内存单元,令 y 为存有 x+1 的值的内存单元”好得多,尽管在计算机中实际运算的过程可能是后一种。

在软件工程形式化方法中,是不需要进行测试的,尽管利用形式化方法产生测试用例同样可以提高效率,而且工业应用上也有相应的工具,但实际上并不推荐这样的用法。因为测试本质上就是效率低下的,前面已经提到,测试根本无法保证所有可能的结果都正确。在软件工程形式化方法中,取代测试地位的是证明(proof)。绝大多数关于软件工程形式化方法的文章中都提到了证明,可见证明在软件工程形式化方法中的重要性。证明可以保证的正确性远远高于测试。工程师在构建抽象模型的过程中,需要通过数学证明的方式逐步验证它。要证明的语句不需要工程师自己定义,而是由一个叫做证明业务生成器的工具自动生成。为了生成证明语句,该工具将不断分析抽象模型的各个精化形式。要做的证明需要关注两方面情况:1.抽象模型里的转换是否保持了不变式的成立。这方面称为不变式保持证明。2.抽象模型的每个更准确的版本是否破坏了前一版中已经证明的性质,这称为精化正确性证明。这些证明中的大多数都由一个叫做证明器的工具自动完成。

当然,任何方法都不是十全十美的,软件工程形式化方法也存在着一些问题以及推广上的障碍。尽管软件形式化方法总体上来说能够节省成本,但它在前期设计规格说明阶段投入较多,传统观念根深蒂固的老板们可能这样做觉得不值得。对于软件工程师来说,习惯了传统的开发方式,而软件形式化方法需要换一种思路去思考问题,可能前期不太适应,而且对于非数学专业的他们来说,对系统构造出清晰的数学关系模型可能稍显困难。另外,则是形式化方法中用到的自动化工具本身可能存在问题,无法保证翻译器能够正确地将数学模型翻译成可执行代码,这样也就无法保证最终的正确性。

尽管如此,但从软件工程形式化目前已有的应用来看,它是相当成功的。最早的软件工程形式化方法应用是在 IBM 的 CICS 系统中。当时 CICS 的复杂程度已经成了一个严重的问题,靠人力已经很难再对这个系统进行维护,因此 IBM 想要重新设计这个系统。当时 CICS 的经理和牛津大学的一名研究形式化方法的教授进行了沟通,并决定使用形式化方法来重新设计 CICS 系统,使用的方法叫做 Z notation。工程师们习惯了使用自然语言来描述 specification,一开始还担心用数学方法来表示 specification 对他们来说很困难。但最后证明这并不是个问题,就连没有一些数学经验的程序员也能够轻松运用。最终开发成本减少了百分之 9,用户报告的错误减少了 2.5 倍,而且都是轻微的错误。巴黎地铁 14 号线和 Roissy 机场穿梭车的无人运行系统也是使用形式化方法开发的。它们使用的方法叫做 B notation,比 Z notation 出现得更晚一些。这两个案例都没有执行单元测试,工程师没有修改任何代码行,然而最终的运行结果仍然非常成功。

软件工程形式化方法的前景十分远大,一旦实现在工业中的广泛应用,将彻底颠覆整个软件行业,大幅度提高生产效率和减少错误。非常有幸能在大学中了解到这么前沿的技术。

  • 软件工程
    29 引用 • 81 回帖
  • 形式化
    1 引用
  • 学习

    “梦想从学习开始,事业从实践起步” —— 习近平

    172 引用 • 541 回帖 • 1 关注

相关帖子

欢迎来到这里!

我们正在构建一个小众社区,大家在这里相互信任,以平等 • 自由 • 奔放的价值观进行分享交流。最终,希望大家能够找到与自己志同道合的伙伴,共同成长。

注册 关于
请输入回帖内容 ...

推荐标签 标签

  • 心情

    心是产生任何想法的源泉,心本体会陷入到对自己本体不能理解的状态中,因为心能产生任何想法,不能分出对错,不能分出自己。

    59 引用 • 369 回帖
  • QQ

    1999 年 2 月腾讯正式推出“腾讯 QQ”,在线用户由 1999 年的 2 人(马化腾和张志东)到现在已经发展到上亿用户了,在线人数超过一亿,是目前使用最广泛的聊天软件之一。

    45 引用 • 557 回帖
  • Logseq

    Logseq 是一个隐私优先、开源的知识库工具。

    Logseq is a joyful, open-source outliner that works on top of local plain-text Markdown and Org-mode files. Use it to write, organize and share your thoughts, keep your to-do list, and build your own digital garden.

    7 引用 • 69 回帖 • 5 关注
  • BAE

    百度应用引擎(Baidu App Engine)提供了 PHP、Java、Python 的执行环境,以及云存储、消息服务、云数据库等全面的云服务。它可以让开发者实现自动地部署和管理应用,并且提供动态扩容和负载均衡的运行环境,让开发者不用考虑高成本的运维工作,只需专注于业务逻辑,大大降低了开发者学习和迁移的成本。

    19 引用 • 75 回帖 • 683 关注
  • Scala

    Scala 是一门多范式的编程语言,集成面向对象编程和函数式编程的各种特性。

    13 引用 • 11 回帖 • 159 关注
  • NetBeans

    NetBeans 是一个始于 1997 年的 Xelfi 计划,本身是捷克布拉格查理大学的数学及物理学院的学生计划。此计划延伸而成立了一家公司进而发展这个商用版本的 NetBeans IDE,直到 1999 年 Sun 买下此公司。Sun 于次年(2000 年)六月将 NetBeans IDE 开源,直到现在 NetBeans 的社群依然持续增长。

    78 引用 • 102 回帖 • 714 关注
  • 脑图

    脑图又叫思维导图,是表达发散性思维的有效图形思维工具 ,它简单却又很有效,是一种实用性的思维工具。

    32 引用 • 100 回帖
  • Notion

    Notion - The all-in-one workspace for your notes, tasks, wikis, and databases.

    10 引用 • 77 回帖 • 1 关注
  • SendCloud

    SendCloud 由搜狐武汉研发中心孵化的项目,是致力于为开发者提供高质量的触发邮件服务的云端邮件发送平台,为开发者提供便利的 API 接口来调用服务,让邮件准确迅速到达用户收件箱并获得强大的追踪数据。

    2 引用 • 8 回帖 • 509 关注
  • Anytype
    3 引用 • 31 回帖 • 28 关注
  • WebComponents

    Web Components 是 W3C 定义的标准,它给了前端开发者扩展浏览器标签的能力,可以方便地定制可复用组件,更好的进行模块化开发,解放了前端开发者的生产力。

    1 引用 • 14 关注
  • RabbitMQ

    RabbitMQ 是一个开源的 AMQP 实现,服务器端用 Erlang 语言编写,支持多种语言客户端,如:Python、Ruby、.NET、Java、C、PHP、ActionScript 等。用于在分布式系统中存储转发消息,在易用性、扩展性、高可用性等方面表现不俗。

    49 引用 • 60 回帖 • 350 关注
  • Eclipse

    Eclipse 是一个开放源代码的、基于 Java 的可扩展开发平台。就其本身而言,它只是一个框架和一组服务,用于通过插件组件构建开发环境。

    76 引用 • 258 回帖 • 626 关注
  • 安全

    安全永远都不是一个小问题。

    199 引用 • 818 回帖
  • 锤子科技

    锤子科技(Smartisan)成立于 2012 年 5 月,是一家制造移动互联网终端设备的公司,公司的使命是用完美主义的工匠精神,打造用户体验一流的数码消费类产品(智能手机为主),改善人们的生活质量。

    4 引用 • 31 回帖 • 1 关注
  • Flume

    Flume 是一套分布式的、可靠的,可用于有效地收集、聚合和搬运大量日志数据的服务架构。

    9 引用 • 6 回帖 • 663 关注
  • 倾城之链
    23 引用 • 66 回帖 • 167 关注
  • 快应用

    快应用 是基于手机硬件平台的新型应用形态;标准是由主流手机厂商组成的快应用联盟联合制定;快应用标准的诞生将在研发接口、能力接入、开发者服务等层面建设标准平台;以平台化的生态模式对个人开发者和企业开发者全品类开放。

    15 引用 • 127 回帖 • 2 关注
  • 酷鸟浏览器

    安全 · 稳定 · 快速
    为跨境从业人员提供专业的跨境浏览器

    3 引用 • 59 回帖 • 52 关注
  • JavaScript

    JavaScript 一种动态类型、弱类型、基于原型的直译式脚本语言,内置支持类型。它的解释器被称为 JavaScript 引擎,为浏览器的一部分,广泛用于客户端的脚本语言,最早是在 HTML 网页上使用,用来给 HTML 网页增加动态功能。

    730 引用 • 1284 回帖
  • WiFiDog

    WiFiDog 是一套开源的无线热点认证管理工具,主要功能包括:位置相关的内容递送;用户认证和授权;集中式网络监控。

    1 引用 • 7 回帖 • 611 关注
  • Hadoop

    Hadoop 是由 Apache 基金会所开发的一个分布式系统基础架构。用户可以在不了解分布式底层细节的情况下,开发分布式程序。充分利用集群的威力进行高速运算和存储。

    93 引用 • 122 回帖 • 614 关注
  • 域名

    域名(Domain Name),简称域名、网域,是由一串用点分隔的名字组成的 Internet 上某一台计算机或计算机组的名称,用于在数据传输时标识计算机的电子方位(有时也指地理位置)。

    43 引用 • 208 回帖
  • 开源

    Open Source, Open Mind, Open Sight, Open Future!

    415 引用 • 3599 回帖
  • 创造

    你创造的作品可能会帮助到很多人,如果是开源项目的话就更赞了!

    187 引用 • 1021 回帖 • 1 关注
  • C

    C 语言是一门通用计算机编程语言,应用广泛。C 语言的设计目标是提供一种能以简易的方式编译、处理低级存储器、产生少量的机器码以及不需要任何运行环境支持便能运行的编程语言。

    86 引用 • 165 回帖 • 1 关注
  • 自由行
    1 关注