程序切片的起源与发展

程序切片的起源与发展

程序切片技术是一种分解程序的程序分析技术。其常用于软件测试、运行维护等方面。

• 产生
  1979年，美国Mark Weise首次在他的博士论文中提出了程序切片思想。

• 用途
  程序切片技术在计算机学科的很多方面都产生了丰硕的结果；此外在软件开发的各个阶段、各种计算机语言的分析、形式化模型的分析以及软件测试方面都发挥了不可低估的作用。

• 原理
  通过对源代码进行规划，可识别由于受到修改而影响的代码。

• 发展
  程序切片的起源与发展将按照如下图1所示顺序进行介绍
  

初始定义
对程序P的切片准则C=(N,V)得到的切片S是从P中删去与N点处变量无关的指令和控制谓词所剩下的部分。
切片S与源程序P对于切片准则C的语义是一致的。

基础方法
M.Weiser提出程序切片的基本概念以后，接下来是如何计算程序切片。于是M.Weiser在当时比较流行的程序控制流图（CFG）的基础上建立了数据流方程。通过求解数据流方程来获得相应的程序切片；称为数据流方程算法。
1984年，K.J.Ottenstein 和 L.M.Ottenstein进一步改进(具体缘由后面给予说明)，提出了程序依赖图（PDG），产生了基于PDG的图可达性算法；后来进一步改进，提出了系统依赖图（SDG），提出了基于SDG的两步遍历图可达性算法。基础算法的发展如图２所示。

在给出扩展方法之前先介绍一下基础方法的优缺点以及其适用范围。如图３所示。

1. 数据流方程算法的优缺点：
   优点：产生了程序切片。
   缺点：１、效率不高；此方法需要求解一系列的迭代方程，消耗的时间和空间多，且会导致误差累加。２、此方法只能解决基本结构的程序，对于含有过程的程序（特别是含有多个过程的程序）无法求解得到程序切片。

2. 基于PDG的图可达性算法优缺点：
   
   优点：此种方法的出现是计算程序切片方法的重大突破；不仅能够计算含有过程的程序切片，而且使程序切片的计算过程变的简单且可视化。
   缺点：只能计算一个过程内的后向切片问题，不能计算含有多个过程的程序切片。

3. 基于SDG的两步遍历图可达性算法
   解决了含多个过程程序的切片计算问题，基本趋于成熟。

扩展方法
在基于SDG的两步遍历图可达性算法出现之后，又产生了添加对象特征等的其他切片方案，大致顺序如图4所示。

国内方面
国内在这方面的研究起步较晚，主要代表人物有徐宝文、张迎周和李必信等，他们的大致研究方向如图5所示。

程序切片的类别
随着时间的推移，程序切片产生了许多的类别，此处所说的类别并非严格按照时间产生顺序来说明，仅从概念上进行区分，并以概念对的形式给出。首先说一下可执行的程序切片与不可执行的程序切片。

1. 可执行与不可执行程序切片
   最早由M.Weiser博士定义的程序切片是可执行的程序，他认为切片与源程序对某个特定的变量（包含在切片准则中的变量）而言，在程序的某个特定地方的语义是一致的。
   一般而言，认为满足一下两个条件的程序切片称为M.Weiser程序切片：
   1、一个程序切片对应一个特定的切片准则，记为，其中V表示在n定义或使用变量的集合，n指程序中的某个点（一般指某条语句）；
   2、程序P的切片S可通过从P中删除零条或多条语句得到，但要保证程序P和切片S关于切片准则的行为相同。
   
   后来的研究者们对这一定义进行了推广，他们把一些不可执行的程序也包含进来，从而丰富了程序切片的内涵。定义程序切片的典型方法为：
   给定某个程序P，程序切片准则，程序P关于切片准则的程序切片是由程序P中所有在n点对变量v属于V的值有影响的语句和控制谓词构成。
   显然，通过这种方式定义的程序切片不一定是可执行的。

2. 静态切片、动态切片与有条件切片
   根据程序切片的定义可知，切片准则是求程序切片的关键信息。对于切片准则而言，n表示程序P中的某个兴趣点，V代表程序P中在n点定义或使用的变量。由不同的切片准则，可得到不同的切片。所以对切片准则进行研究，得到了静态切片、动态切片以及有条件切片。
   对于以上讨论的准则，他没有考虑程序的具体输入是什么；即考虑的是所有可能的输入。若要考虑程序的某一个特定的输入Io情况下所有影响V在n点的值的语句和谓语组成的集合，称为动态切片，其准则是一个三元数组Io>。
   有条件切片是位于静态切片与动态切片之间的一种形式，是考虑满足某个谓词表达式的所有可能输入Ic，对应的切片准则为Ic>。
   静态切片、动态切片与有条件切片三者之间的关系为：静态切片包含动态切片；静态切片包含有条件切片。
   

3. 后向切片与前向切片
   根据切点（感兴趣点n）在切片S中的位置分为后向程序切片与前向程序切片。
   后向切片是为了寻找与程序P中那些对某个兴趣点的变量有影响的语句和控制谓词，即应当在程序P中兴趣点的前面。
   前向切片是为了寻找程序P中有哪些语句和谓词会受到n点的变量V的值的影响，即应当在程序P中兴趣点的后面。