形式化方法与软件可靠性

形式化方法在软件开发中能够起到的作用是多方面的。首先是对软件要求的描述。软件要求的描述是软件开发的基础。比如说一般非形式化的描述很可能导致描述的不明确和不一致。如果描述的不明确和不一致导致设计，编程的错误，将来的修改所要付出的代价就非常大了。如果导致的错误没有被发现，则影响程序的可靠和使用。形式化方法则要求描述的明确性，而描述的不一致性也就相对易于发现。其次是对软件设计的描述。软件设计的描述和软件要求的描述一样重要。形式化方法的优点对于软件要求的描述同样适用于软件设计的描述。另外由于有了软件要求的形式化描述，我们可以检验软件的设计是否满足软件的要求。对于编程来讲，我们可以考虑自动代码生成。对于一些简单的系统，形式化的描述有可能直接转换成可执行程序，这就简化了软件开发过程，节约了资源和减少了出错的可能性。另外，形式化方法可以用于程序的验证，以保证程序的正确性。对于测试来讲，形式化方法可用于测试用例的自动生成，这可以节约许多时间和在一定程度上保证测试用例的覆盖率。 形式化方法原则上就是用数学与逻辑的方法描述和验证软件从描述上讲，一方面是系统或程序的描述，另一方面是性质的描述。这些可以用一种或多种语言来描述。这些语言包括命题逻辑，一阶逻辑，高阶逻辑，代数，状态机，并发状态机，自动机，计算树逻辑，线性时序逻辑，进程代数，π-演算，μ-演算，特殊的程序语言，以及程序语言的子集等。从验证来讲，主要有两类方法，一类是以逻辑推理为基础，另一类则以穷尽搜索为基础。逻辑推理有natural deduction, sequent calculus, resolution以及Hoare-logic等方法。穷尽搜索方法统称为模型检测。这类方法与系统或程序以及系统性质的表示有很大的关系，比如说符号模型检测，其基本原理是用命题逻辑公式表示状态转换关系，用不动点算法计算状态的可达性以及这些状态是否满足某些性质。