專利名稱：軟件程序中變量的不安全使用的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軟件程序缺陷的檢測方法，尤其涉及軟件中與異常處理相關(guān)的程 序變量的不安全使用的檢測方法，屬于程序分析技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
軟件程序的運(yùn)行依賴于一定的運(yùn)行環(huán)境，運(yùn)行環(huán)境直接影響軟件運(yùn)行結(jié)果的正確 性。例如運(yùn)行時計算機(jī)內(nèi)存耗盡，可能導(dǎo)致程序被迫停止，而沒有產(chǎn)生正確的執(zhí)行結(jié)果。 這種違背預(yù)期正常執(zhí)行的程序行為，稱為程序發(fā)生異常。為了提高軟件程序的可靠性，使軟 件程序更好的適應(yīng)動態(tài)變化的運(yùn)行環(huán)境，需要在軟件設(shè)計時在程序中加入異常處理模塊， 預(yù)先指定程序發(fā)生異常后應(yīng)當(dāng)執(zhí)行的操作，以減少程序運(yùn)行過程中的意外終止。高級程序設(shè)計語言如JAVA、C++等，提供了異常處理機(jī)制，將異常處理技術(shù)固化在 程序設(shè)計語言結(jié)構(gòu)中。異常處理機(jī)制包括預(yù)先設(shè)定了程序運(yùn)行時可能捕獲到的所有異常 類型，在程序運(yùn)行過程中監(jiān)測異常的發(fā)生，當(dāng)發(fā)生異常時，生成異常對象，并通過異常傳播 機(jī)制，將異常傳遞給相應(yīng)的異常處理模塊。異常處理模塊是程序員預(yù)先設(shè)定的異常發(fā)生后 的處理動作。設(shè)計程序時，程序員將程序中的一段代碼指定為警戒區(qū)域，當(dāng)警戒區(qū)域內(nèi)部出 現(xiàn)異常時，程序跳轉(zhuǎn)到異常處理模塊，執(zhí)行程序員事先指定的異常處理操作，使程序繼續(xù)運(yùn) 行下去，避免程序的崩潰。然而異常處理模塊的引入，增加了程序的控制流程，從而增加了編程的難度。最近 的一些調(diào)研報告指出，在實(shí)際開發(fā)中，異常處理代碼的質(zhì)量往往不高，程序的異常處理模塊 中普遍存在設(shè)計缺陷，且這類缺陷難以被現(xiàn)有的方法和工具發(fā)現(xiàn)。因此，需要一種發(fā)現(xiàn)軟件 異常處理模塊缺陷的方法，以提高軟件質(zhì)量。目前改進(jìn)軟件質(zhì)量的技術(shù)主要有軟件測試、代碼評審以及形式驗(yàn)證。軟件測試， 是使用人工或者自動方式來生成程序的輸入，運(yùn)行程序獲得輸出結(jié)果，通過比較輸出結(jié)果 是否與預(yù)期相符來判斷程序中是否存在缺陷。它要求被測試的是一個可運(yùn)行的系統(tǒng)，并接 受一定的輸入。但是通過程序的輸入難以控制程序運(yùn)行時產(chǎn)生異常，也就難以得到異常發(fā) 生后程序的輸出結(jié)果，因此難以判斷程序異常執(zhí)行路徑上是否存在缺陷。代碼評審也稱代 碼復(fù)查，是指通過閱讀代碼來檢查源代碼與編碼標(biāo)準(zhǔn)的符合性以及代碼質(zhì)量，通常由人手 工完成，因此效率不高。軟件形式驗(yàn)證的主要思想是通過使用形式證明的方式來驗(yàn)證一個 程序設(shè)計得是否正確，它不適用于大規(guī)模的軟件系統(tǒng)。在軟件開發(fā)過程中，發(fā)現(xiàn)并修正程序缺陷是一個花費(fèi)巨大的工作。軟件產(chǎn)品的開 發(fā)依次歷經(jīng)需求、設(shè)計、編碼、測試、部署幾個階段。軟件開發(fā)的普遍經(jīng)驗(yàn)表明盡早的發(fā)現(xiàn) 程序中的缺陷，盡早的改正，有助于降低軟件開發(fā)的成本。因此，與軟件測試、代碼評審以及 形式驗(yàn)證的方法相比，利用程序的靜態(tài)分析技術(shù)能夠在程序開發(fā)的早期自動化的發(fā)現(xiàn)程序 中的缺陷，有助于降低軟件開發(fā)的成本。目前，已經(jīng)有一些研究成果，能夠利用程序分析技術(shù)自動的發(fā)現(xiàn)程序中的缺陷。包 括
開源軟件工具 FindBugs (http //f indbugs. sourceforge. net/)是一個利用靜 態(tài)程序分析技術(shù)檢測Java程序缺陷模式的工具。所謂缺陷模式，是指某些編碼習(xí)慣，它們 通常都是程序的缺陷?！?JLint (http://artho. com/jlint/)與 FindBugs 類似，分析 Java 程序，執(zhí)行語 法檢查和數(shù)據(jù)流分析?！?PMD (http //pmd. sourceforge. net/)只對 Java 源代碼進(jìn)行語法檢查，主要用 于檢查程序代碼風(fēng)格。這些工具能夠檢測出來的程序缺陷有空引用、并發(fā)程序中的死鎖、數(shù)組長度小于 零、以零作為除數(shù)、不可達(dá)的程序代碼(dead code)、在執(zhí)行路徑中輸入輸出流沒有關(guān)閉等。已有的方法、技術(shù)及工具表明利用靜態(tài)程序分析的方法，能夠有效的發(fā)現(xiàn)程序設(shè) 計的缺陷，有助于改善程序質(zhì)量。但同時，已有的方法、技術(shù)及工具還有不完善的地方，它們 并不能找出所有的程序缺陷，特別是程序異常處理模塊的設(shè)計缺陷。軟件程序應(yīng)該具有這樣的特性當(dāng)一個操作在執(zhí)行過程中發(fā)生異常而失效時，依 賴于這個操作成功執(zhí)行的后續(xù)操作應(yīng)該停止執(zhí)行。否則會將不正確的程序狀態(tài)繼續(xù)傳播下 去，引起不正確的程序結(jié)果。軟件程序的這個特性稱為依賴安全(cbpendency safety)。依 賴安全的特性保證了當(dāng)程序由于異常或其它原因?qū)е虏僮魇r，程序能夠停止在一個一 致的狀態(tài)。違背了這個特性，往往意味著程序設(shè)計的缺陷。現(xiàn)有的方法、技術(shù)及工具并不能 發(fā)現(xiàn)軟件程序設(shè)計中的這種缺陷，因此本發(fā)明提供了一種靜態(tài)檢測方法，利用程序中變量 之間的依賴關(guān)系，檢測軟件程序中的這種缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對軟件程序中變量的不安全使用這種缺陷模式，提供了一種檢測程序異 常處理模塊缺陷的自動化方法，降低了軟件開發(fā)的成本，提高了程序質(zhì)量，減少了軟件運(yùn)行 中可能出現(xiàn)的問題。本發(fā)明提供的軟件程序中變量的不安全使用的檢測方法，包括以下步驟1)建立軟件程序的控制流圖。2)根據(jù)控制流圖，對程序進(jìn)行層次化的數(shù)據(jù)流分析，獲得程序中每一個變量的操 作序列。3)檢測每個操作序列中是否出現(xiàn)變量的不安全使用。所述變量的不安全使用是指操作序列中依次出現(xiàn)eDef和Use，且eDef和Use之間 不存在其它eDef和sDef操作時，Use為變量的不安全使用。所述軟件程序中包括正常程序語句和警戒區(qū)域還包括異常處理模塊或/和 finally 模塊。所述控制流圖的建立方法如下A、建立正常執(zhí)行路徑。其方法為將每條正常程序語句設(shè)定為一個節(jié)點(diǎn)，按語句執(zhí) 行順序，兩相鄰語句之間設(shè)置有向邊。有向邊為程序的正常執(zhí)行路徑，有向邊的方向表示語 句執(zhí)行的先后順序。B、建立警戒區(qū)域內(nèi)部執(zhí)行路徑。其方法為將警戒區(qū)域內(nèi)的每條語句設(shè)定為一個 節(jié)點(diǎn)，按照語句執(zhí)行順序，兩相鄰語句之間設(shè)置有向邊。有向邊為警戒區(qū)域內(nèi)部執(zhí)行路徑，有向邊的方向表示語句執(zhí)行的先后順序。C、建立正常程序語句與后續(xù)警戒區(qū)域之間的有向邊，有向邊的方向表示語句執(zhí)行 的先后順序。D、建立異常執(zhí)行路徑。其方法為若警戒區(qū)域拋出異常對象，查找與異常對象相對 應(yīng)的異常處理模塊，若查找到，建立異常處理模塊內(nèi)部執(zhí)行路徑，并在異常對象節(jié)點(diǎn)與異常 處理模塊的第一個節(jié)點(diǎn)之間建立有向邊；若查找不到，設(shè)置異常退出節(jié)點(diǎn)，建立異常對象節(jié) 點(diǎn)指向異常退出節(jié)點(diǎn)的有向邊。E、查找finally模塊，若查找到，建立finally模塊內(nèi)部執(zhí)行路徑；建立警戒區(qū)域 最后節(jié)點(diǎn)和異常處理模塊最后節(jié)點(diǎn)指向finally模塊之間的有向邊；建立finally模塊與 后續(xù)正常語句節(jié)點(diǎn)之間的有向邊；將finally模塊插入異常對象節(jié)點(diǎn)與異常退出節(jié)點(diǎn)之 間，按語句執(zhí)行順序建立有向邊，即按異常對象節(jié)點(diǎn)、finally模塊和異常退出節(jié)點(diǎn)的順序 建立有向邊；若查找不到，建立警戒區(qū)域最后節(jié)點(diǎn)指向后續(xù)正常程序語句的有向邊；并建立異 常處理模塊最后節(jié)點(diǎn)指向后續(xù)正常程序語句的有向邊。建立異常處理模塊內(nèi)部執(zhí)行路徑的方法為將異常處理模塊內(nèi)的每條語句設(shè)定為 一個節(jié)點(diǎn)，按照語句執(zhí)行順序，兩相鄰語句之間設(shè)置有向邊。有向邊為異常處理模塊內(nèi)部執(zhí) 行路徑，有向邊的方向表示語句執(zhí)行的先后順序。建立finally模塊內(nèi)部執(zhí)行路徑的方法為將finally模塊內(nèi)的每條語句設(shè)定為 一個節(jié)點(diǎn)，按照語句執(zhí)行順序，兩相鄰語句之間設(shè)置有向邊。有向邊為finally模塊內(nèi)部執(zhí) 行路徑，有向邊的方向表示語句執(zhí)行的先后順序。所述與異常對象相對應(yīng)的異常處理模塊是指該異常處理模塊參數(shù)的異常類型與 異常對象的類型相同，或異常處理模塊參數(shù)的異常類型是異常對象的父類型。所述警戒區(qū)域?yàn)閠ry語句塊；所述異常處理模塊為catch語句塊。所述第2)步的執(zhí)行方法如下A、確定控制流圖中對變量進(jìn)行操作的節(jié)點(diǎn)的變量操作類型；B、遍歷控制流圖，為控制流圖中每一條執(zhí)行路徑上的每一個變量生成操作序列。所述變量操作類型為sDef，eDef, Use,以如何改變變量的狀態(tài)為三種操作類型的 定義依據(jù)。在程序中，變量的類型有兩種基本數(shù)據(jù)類型和抽象數(shù)據(jù)類型。對于基本數(shù)據(jù)類 型，如整型、浮點(diǎn)型、布爾型的變量，變量狀態(tài)是指這個變量的值。而對于抽象數(shù)據(jù)類型的 變量，變量狀態(tài)由其屬性決定，例如對象的狀態(tài)由其成員變量的狀態(tài)決定。操作作用于變 量，按照是否改變變量狀態(tài)，操作可分為兩類定義(Define)，如果操作改變了變量的狀態(tài)，那么這個操作是一個定義操作，它發(fā) 生在改變了變量狀態(tài)的語句中。例如對變量的賦值，是對這個變量的定義操作。對于抽象 數(shù)據(jù)類型的變量，如果操作改變了其任意一個屬性的值，則這個操作是對該變量的定義操 作。使用(Use)，如果操作沒有改變變量的狀態(tài)，只是引用它，那么這個操作是對該變 量的使用操作。對于抽象數(shù)據(jù)類型的變量，如果變量所有屬性的狀態(tài)都沒有被改變，那么這 個操作是對該變量的使用操作。由于軟件運(yùn)行時可能發(fā)生異常，定義操作執(zhí)行時可能失效，使變量的狀態(tài)無法被成功的改變。因此，定義操作會出現(xiàn)兩類成功地改變了變量狀態(tài)的操作是成功定義操作 (sDef)，而由于定義操作執(zhí)行過程中出現(xiàn)異常導(dǎo)致變量定義不成功的操作為異常定義操作 (eDef)。所述變量的操作序列是指在控制流圖的一條執(zhí)行路徑上，順次出現(xiàn)的對該變量進(jìn) 行操作的操作類型的序列。所述第3)步的執(zhí)行方法如下檢測每一個變量的操作序列，確定序列中是否出現(xiàn)相鄰的eDef和Use，若序列中 依次出現(xiàn)相鄰的eDef、Use操作，則該Use操作為對該變量的不安全使用。所述的程序?yàn)镴ava程序。所述“變量的不安全使用”是指在一個變量的操作序列中，變量的使用操作(Use) 之前存在一個異常定義操作(eDef)，且它和這個異常定義操作(eDef)之間不存在任何其 它的定義(Define)操作。在程序的執(zhí)行路徑上，同一變量的操作序列中，不同的定義操作 (Define)類型，會出現(xiàn)不同的變量使用。當(dāng)變量的使用操作之前存在的定義操作是成功定 義操作(sDef)時，則是對變量安全的使用；而當(dāng)變量的使用操作之前存在一個異常定義操 作(eDef)，且它和這個異常定義操作之間不存在任何其它的定義操作，就出現(xiàn)了變量的不 安全使用?？梢孕问交拿枋鋈缦铝?= {sDef, eDef, Use}是對變量的操作集合。S (ν)= <al,a2,... , ak >是程序中一條執(zhí)行路徑上對變量ν的操作序列，其中％ e 0 (1彡i彡k)。 如果 ap = eDef, aq = Use, 1 彡 ρ < q 彡 k，且Vay，ρ < j < q，a」乒 sDef, a」乒 eDef，那么
是由ap異常引起的對變量ν的不安全的使用，它破環(huán)了程序應(yīng)當(dāng)具有的依賴安全的屬性。由于變量不安全的使用難以用現(xiàn)有的軟件分析和測試技術(shù)發(fā)現(xiàn)，程序往往繼續(xù)錯 誤運(yùn)行，導(dǎo)致產(chǎn)生新的異常，引起非預(yù)期的程序終止，或生成錯誤的輸出結(jié)果。因此，需要盡 早檢測出這種不安全的變量使用，尤其是必須在軟件開發(fā)的早期就發(fā)現(xiàn)這樣的缺陷，以減 少開發(fā)成本，保證程序的正常運(yùn)行。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明所提出的軟件程序中不安全的變量使用的檢測方法，能快速檢測到不安全 的變量使用，運(yùn)用在程序軟件的開發(fā)早期，能及早發(fā)現(xiàn)程序中的缺陷，改善代碼質(zhì)量，提高 軟件的可靠性，降低軟件開發(fā)成本。


圖1是本發(fā)明檢測方法的流程框圖；圖2是建立控制流圖的方法的流程框圖；圖3是對控制流圖進(jìn)行層次化的數(shù)據(jù)流分析的流程框圖；圖4是由實(shí)施例1的示例程序片段生成的控制流圖；圖5是在圖4的基礎(chǔ)上標(biāo)明了變量操作類型的控制流圖；圖6是由實(shí)施例2的示例程序片段生成的控制流圖；圖7是在圖6的基礎(chǔ)上標(biāo)明了變量操作類型的控制流圖；圖8是由實(shí)施例3的示例程序片段生成的控制流圖；圖9是在圖8的基礎(chǔ)上標(biāo)明了變量操作類型的控制流圖。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)實(shí)施例和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的方法。實(shí)施例1表1是一段Java程序，該程序中除正常程序語句外，還包括try語句塊、catch 語句塊和finally模塊，try語句塊為警戒區(qū)域，catch語句塊為異常處理模塊。在程序 運(yùn)行時，程序第4行和第5行語句可能出現(xiàn)異常，若第5行語句執(zhí)行過程中拋出類型為 IOException的異常對象，此時控制流將轉(zhuǎn)移到第8行的語句，而使第5行對變量str的賦 值失效。程序繼續(xù)執(zhí)行下去，在第14行通過調(diào)用str. IengthO方法使用了變量str，此處 是對變量str的不安全使用。由于第5行中對str的賦值不成功，str的值仍為null，因此 第14行語句中使用str時程序會拋出類型為NullPointerExc印tion的異常，導(dǎo)致非預(yù)期 的程序退出。表1實(shí)施例1的示例程序片段表
權(quán)利要求
一種軟件程序中變量的不安全使用的檢測方法，包括如下步驟1)建立軟件程序的控制流圖；2)根據(jù)控制流圖，對程序進(jìn)行層次化的數(shù)據(jù)流分析，獲得程序中每一個變量的操作序列；3)檢測每個操作序列中是否出現(xiàn)變量的不安全使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟件程序中變量的不安全使用的檢測方法，其特征在于所述 軟件程序中包括正常程序語句、警戒區(qū)域和異常處理模塊或/和finally模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟件程序中變量的不安全使用的檢測方法，其特征在于所述 變量的不安全使用是指操作序列中依次出現(xiàn)eDef和Use，且eDef和Use之間不存在其它 eDef和sDef時，Use為變量的不安全使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的軟件程序中變量的不安全使用的檢測方法，其特征在于所述 建立控制流圖的方法如下A、建立正常執(zhí)行路徑，將每條正常程序語句設(shè)定為一個節(jié)點(diǎn)，按語句執(zhí)行順序，兩相鄰 語句之間設(shè)置有向邊；B、建立警戒區(qū)域的內(nèi)部執(zhí)行路徑，將警戒區(qū)內(nèi)的每條語句設(shè)定為一個節(jié)點(diǎn)，按照語句 執(zhí)行順序，兩相鄰語句之間設(shè)置有向邊；C、建立正常程序語句與后續(xù)警戒區(qū)域之間的有向邊；D、建立異常執(zhí)行路徑，在警戒區(qū)域拋出異常對象后，查找與異常對象相對應(yīng)的異常處 理模塊，若查找到，建立異常處理模塊內(nèi)部執(zhí)行路徑，并在異常對象節(jié)點(diǎn)與異常處理模塊的 第一個節(jié)點(diǎn)之間建立有向邊；若查找不到，設(shè)置異常退出節(jié)點(diǎn)，建立異常對象節(jié)點(diǎn)指向異常 退出節(jié)點(diǎn)的有向邊；E、查找finally模塊，若查找到，建立finally模塊內(nèi)部執(zhí)行路徑；建立警戒區(qū)域最后 節(jié)點(diǎn)和異常處理模塊最后節(jié)點(diǎn)指向finally模塊之間的有向邊；建立finally模塊與后續(xù) 正常語句節(jié)點(diǎn)之間的有向邊；將finally模塊插入異常對象節(jié)點(diǎn)與異常退出節(jié)點(diǎn)之間，按 語句執(zhí)行順序建立有向邊。若查找不到，建立警戒區(qū)域最后節(jié)點(diǎn)指向后續(xù)正常程序語句的 有向邊，并建立異常處理模塊最后節(jié)點(diǎn)指向后續(xù)正常程序語句的有向邊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的軟件程序中變量的不安全使用的檢測方法，其特征在于所述 與異常對象相對應(yīng)的異常處理模塊是指該異常處理模塊參數(shù)的異常類型與異常對象的類 型相同，或是異常對象的父類型。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的軟件程序中變量的不安全使用的檢測方法，其特征在于建立 異常處理模塊內(nèi)部執(zhí)行路徑的方法為將異常處理模塊內(nèi)的每條語句設(shè)定為一個節(jié)點(diǎn)，按 照語句執(zhí)行順序，兩相鄰語句之間設(shè)置有向邊。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的軟件程序中變量的不安全使用的檢測方法，其特征在于建立 finally模塊內(nèi)部執(zhí)行路徑的方法為將finally模塊內(nèi)的每條語句設(shè)定為一個節(jié)點(diǎn)，按照 語句執(zhí)行順序，兩相鄰語句之間設(shè)置有向邊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟件程序變量的不安全使用的檢測方法，其特征在于所述第 2)步的執(zhí)行方法如下A、確定控制流圖中對變量進(jìn)行操作的節(jié)點(diǎn)的變量操作類型；B、遍歷控制流圖，為控制流圖中每一條執(zhí)行路徑上的每一個變量生成操作序列。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的軟件程序中變量的不安全使用的檢測方法，其特征在于所述 變量的操作類型為sDef、eDef或Use。
10.根據(jù)權(quán)利要求2-9任一項(xiàng)所述的軟件程序中變量的不安全使用的檢測方法，其特 征在于警戒區(qū)域?yàn)閠ry語句塊，異常處理模塊為catch語句塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軟件程序變量的不安全使用的檢測方法，屬于程序分析技術(shù)領(lǐng)域，包括如下步驟1)建立軟件程序的控制流圖；2)根據(jù)控制流圖，對程序進(jìn)行層次化的數(shù)據(jù)流分析，獲得程序中每一個變量的操作序列；3)檢測每個操作序列中是否出現(xiàn)變量的不安全使用。本發(fā)明所提出的軟件程序變量的不安全使用的檢測方法，能快速檢測到變量的不安全使用，運(yùn)用在程序軟件的開發(fā)早期，能及早發(fā)現(xiàn)程序中，特別是程序的異常處理代碼中的缺陷，改善代碼質(zhì)量，提高軟件的可靠性，降低軟件開發(fā)成本。
文檔編號G06F11/36GK101937396SQ20101050054
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者伍曉泉, 高楚舒, 魏峻 申請人:中國科學(xué)院軟件研究所