Optimization Techniques for Automated Software Test Data Generation

Esta tesis propone una variedad de contribuciones al campo de pruebas evolutivas. Hemos abarcados un amplio rango de aspectos relativos a las pruebas de programas: código fuente procedimental y orientado a objetos, paradigmas estructural y funcional, problemas mono-objetivo y multi-objetivo, casos de prueba aislados y secuencias de pruebas, y trabajos teóricos y experimentales. En relación a los análisis llevados a cabo, hemos puesto énfasis en el análisis estadístico de los resultados para evaluar la significancia práctica de los resultados. En resumen, las principales contribuciones de la tesis son: Definición de una nueva medida de distancia para el operador instanceof en programas orientados a objetos: En este trabajo nos hemos centrado en un aspecto relacionado con el software orientado a objetos, la herencia, para proponer algunos enfoques que pueden ayudar a guiar la búsqueda de datos de prueba en el contexto de las pruebas evolutivas. En particular, hemos propuesto una medida de distancia para computar la distancia de ramas en presencia del operador instanceof en programas Java. También hemos propuesto dos operadores de mutación que modifican las soluciones candidatas basadas en la medida de distancia definida. Definición de una nueva medida de complejidad llamada ``Branch Coverage Expectation'': En este trabajo nos enfrentamos a la complejidad de pruebas desde un punto de vista original: un programa es más complejo si es más difícil de probar de forma automática. Consecuentemente, definimos la ``Branch Coverage Expectation'' para proporcionar conocimiento sobre la dificultad de probar programas. La fundación de esta medida se basa en el modelo de Markov del programa. El modelo de Markov proporciona fundamentos teóricos. El análisis de esta medida indica que está más correlacionada con la cobertura de rama que las otras medidas de código estáticas. Esto significa que esto es un buen modo de estimar la dificultad de probar un programa. Predicción teórica del número de casos de prueba necesarios para cubrir un porcentaje concreto de un programa: Nuestro modelo de Markov del programa puede ser usado para proporcionar una estimación del número de casos de prueba necesarios para cubrir un porcentaje concreto del programa. Hemos comparado nuestra predicción teórica con la media de las ejecuciones reales de un generador de datos de prueba. Este modelo puede ayudar a predecir la evolución de la fase de pruebas, la cual consecuentemente puede ahorrar tiempo y coste del proyecto completo. Esta predicción teórica podría ser también muy útil para determinar el porcentaje del programa cubierto dados un número de casos de prueba. Propuesta de enfoques para resolver el problema de generación de datos de prueba multi-objetivo: En ese capítulo estudiamos el problema de la generación multi-objetivo con el fin de analizar el rendimiento de un enfoque directo multi-objetivo frente a la aplicación de un algoritmo mono-objetivo seguido de una selección de casos de prueba. Hemos evaluado cuatro algoritmos multi-objetivo (MOCell, NSGA-II, SPEA2, y PAES) y dos algoritmos mono-objetivo (GA y ES), y dos algoritmos aleatorios. En términos de convergencia hacía el frente de Pareto óptimo, GA y MOCell han sido los mejores resolutores en nuestra comparación. Queremos destacar que el enfoque mono-objetivo, donde se ataca cada rama por separado, es más efectivo cuando el programa tiene un grado de anidamiento alto. Comparativa de diferentes estrategias de priorización en líneas de productos y árboles de clasificación: En el contexto de pruebas funcionales hemos tratado el tema de la priorización de casos de prueba con dos representaciones diferentes, modelos de características que representan líneas de productos software y árboles de clasificación. Hemos comparado cinco enfoques relativos al método de clasificación con árboles y dos relativos a líneas de productos, cuatro de ellos propuestos por nosotros. Los resultados nos indican que las propuestas para ambas representaciones basadas en un algoritmo genético son mejores que el resto en la mayoría de escenarios experimentales, es la mejor opción cuando tenemos restricciones de tiempo o coste. Definición de la extensión del método de clasificación con árbol para la generación de secuencias de pruebas: Hemos definido formalmente esta extensión para la generación de secuencias de pruebas que puede ser útil para la industria y para la comunidad investigadora. Sus beneficios son claros ya que indudablemente el coste de situar el artefacto bajo pruebas en el siguiente estado no es necesario, a la vez que reducimos significativamente el tamaño de la secuencia utilizando técnicas metaheurísticas. Particularmente nuestra propuesta basada en colonias de hormigas es el mejor algoritmo de la comparativa, siendo el único algoritmo que alcanza la cobertura máxima para todos los modelos y tipos de cobertura. Exploración del efecto de diferentes estrategias de seeding en el cálculo de frentes de Pareto óptimos en líneas de productos: Estudiamos el comportamiento de algoritmos clásicos multi-objetivo evolutivos aplicados a las pruebas por pares de líneas de productos. El grupo de algoritmos fue seleccionado para cubrir una amplia y diversa gama de técnicas. Nuestra evaluación indica claramente que las estrategias de seeding ayudan al proceso de búsqueda de forma determinante. Cuanta más información se disponga para crear esta población inicial, mejores serán los resultados obtenidos. Además, gracias al uso de técnicas multi-objetivo podemos proporcionar un conjunto de pruebas adecuado mayor o menor, en resumen, que mejor se adapte a sus restricciones económicas o tecnológicas. Propuesta de técnica exacta para la computación del frente de Pareto óptimo en líneas de productos software: Hemos propuesto un enfoque exacto para este cálculo en el caso multi-objetivo con cobertura paiwise. Definimos un programa lineal 0-1 y un algoritmo basado en resolutores SAT para obtener el frente de Pareto verdadero. La evaluación de los resultados nos indica que, a pesar de ser un fantástico método para el cálculo de soluciones óptimas, tiene el inconveniente de la escalabilidad, ya que para modelos grandes el tiempo de ejecución sube considerablemente. Tras realizar un estudio de correlaciones, confirmamos nuestras sospechas, existe una alta correlación entre el tiempo de ejecución y el número de productos denotado por el modelo de características del programa

Many-objective test suite generation for software product lines

A Software Product Line (SPL) is a set of products built from a number of features, the set of valid products being defined by a feature model. Typically, it does not make sense to test all products defined by an SPL and one instead chooses a set of products to test (test selection) and, ideally, derives a good order in which to test them (test prioritisation). Since one cannot know in advance which products will reveal faults, test selection and prioritisation are normally based on objective functions that are known to relate to likely effectiveness or cost. This paper introduces a new technique, the grid-based evolution strategy (GrES), which considers several objective functions that assess a selection or prioritisation and aims to optimise on all of these. The problem is thus a many-objective optimisation problem. We use a new approach, in which all of the objective functions are considered but one (pairwise coverage) is seen as the most important. We also derive a novel evolution strategy based on domain knowledge. The results of the evaluation, on randomly generated and realistic feature models, were promising, with GrES outperforming previously proposed techniques and a range of many-objective optimisation algorithms

Multi-objective test case prioritization in highly configurable systems: A case study

Test case prioritization schedules test cases for execution in an order that attempts to accelerate the detection of faults. The order of test cases is determined by prioritization objectives such as covering code or critical components as rapidly as possible. The importance of this technique has been recognized in the context of Highly-Configurable Systems (HCSs), where the potentially huge number of configurations makes testing extremely challenging. However, current approaches for test case prioritization in HCSs suffer from two main limitations. First, the prioritization is usually driven by a single objective which neglects the potential benefits of combining multiple criteria to guide the detection of faults. Second, instead of using industry-strength case studies, evaluations are conducted using synthetic data, which provides no information about the effectiveness of different prioritization objectives. In this paper, we address both limitations by studying 63 combinations of up to three prioritization objectives in accelerating the detection of faults in the Drupal framework. Results show that non–functional properties such as the number of changes in the features are more effective than functional metrics extracted from the configuration model. Results also suggest that multi-objective prioritization typically results in faster fault detection than mono-objective prioritization.CICYT TIN2012-32273CICYT TIN2015-70560-RJunta de Andalucía P12-TIC- 186

Machine Learning Guided Exploration of an Empirical Ribozyme Fitness Landscape

Okinawa Institute of Science and Technology Graduate UniversityDoctor of PhilosophyFitness landscape of a biomolecule is a representation of its activity as a function of its sequence. Properties of a fitness landscape determine how evolution proceeds. Therefore, the distribution of functional variants and more importantly, the connectivity of these variants within the sequence space are important scientific questions. Exploration of these spaces, however, is impeded by the combinatorial explosion of the sequence space. High-throughput experimental methods have recently reduced this impediment but only modestly. Better computational methods are needed to fully utilize the rich information from these experimental data to better understand the properties of the fitness landscape. In this work, I seek to improve this exploration process by combining data from massively parallel experimental assay with smart library design using advanced computational techniques. I focus on an artificial RNA enzyme or ribozyme that can catalyze a ligation reaction between two RNA fragments. This chemistry is analogous to that of the modern RNA polymeraseenzymes, therefore, represents an important reaction in the origin of life. In the first chapter, I discuss the background to this work in the context of evolutionary theory of fitness landscape and its implications in biotechnology. In chapter 2, I explore the use of processes borrowed from the field of evolutionary computation to solve optimization problems using real experimental sequence-activity data. In chapter 3, I investigate the use of supervised machine learning models to extract information on epistatic interactions from the dataset collected during multiple rounds of directed evolution. I investigate and experimentally validate the extent to which a deep learning model can be used to guide a completely computational evolutionary algorithm towards distant regions of the fitness landscape. In the final chapter, I perform a comprehensive experimental assay of the combinatorial region explored by the deep learning-guided evolutionary algorithm. Using this dataset, I analyze higher-order epistasis and attempt to explain the increased predictability of the region sampled by the algorithm. Finally, I provide the first experimental evidence of a large RNA ‘neutral network’. Altogether, this work represents the most comprehensive experimental and computational study of the RNA ligase ribozyme fitness landscape to date, providing important insights into the evolutionary search space possibly explored during the earliest stages of life.doctoral thesi

NOVEL ALGORITHMS AND TOOLS FOR LIGAND-BASED DRUG DESIGN

Computer-aided drug design (CADD) has become an indispensible component in modern drug discovery projects. The prediction of physicochemical properties and pharmacological properties of candidate compounds effectively increases the probability for drug candidates to pass latter phases of clinic trials. Ligand-based virtual screening exhibits advantages over structure-based drug design, in terms of its wide applicability and high computational efficiency. The established chemical repositories and reported bioassays form a gigantic knowledgebase to derive quantitative structure-activity relationship (QSAR) and structure-property relationship (QSPR). In addition, the rapid advance of machine learning techniques suggests new solutions for data-mining huge compound databases. In this thesis, a novel ligand classification algorithm, Ligand Classifier of Adaptively Boosting Ensemble Decision Stumps (LiCABEDS), was reported for the prediction of diverse categorical pharmacological properties. LiCABEDS was successfully applied to model 5-HT1A ligand functionality, ligand selectivity of cannabinoid receptor subtypes, and blood-brain-barrier (BBB) passage. LiCABEDS was implemented and integrated with graphical user interface, data import/export, automated model training/ prediction, and project management. Besides, a non-linear ligand classifier was proposed, using a novel Topomer kernel function in support vector machine. With the emphasis on green high-performance computing, graphics processing units are alternative platforms for computationally expensive tasks. A novel GPU algorithm was designed and implemented in order to accelerate the calculation of chemical similarities with dense-format molecular fingerprints. Finally, a compound acquisition algorithm was reported to construct structurally diverse screening library in order to enhance hit rates in high-throughput screening

An investigation of distributed computing for combinatorial testing

Combinatorial test generation, also calledt-way testing, is the process ofgenerating sets of input parameters for a system under test, by consideringinteractions between values of multiple parameters. In order to decrease totaltesting time, there is an interest in techniques that generate smaller test suites.In our previous work, we used graph techniques to produce high-quality testsuites. However, these techniques require a lot of computing power andmemory, which is why this paper investigates distributed computing fort-waytesting. We first introduce our distributed graph colouring method, with newalgorithms for building the graph and for colouring it. Second, we present ourdistributed hypergraph vertex covering method and a new heuristic. Third, weshow how to build a distributed IPOG algorithm by leveraging either graphcolouring or hypergraph vertex covering as vertical growth algorithms.Finally, we test these new methods on a computer cluster and compare themto existingt-way testing tools