本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，具體涉及一種基于動(dòng)態(tài)符號(hào)執(zhí)行的軟件缺陷檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

源程序經(jīng)過編譯器clang編譯可以生成LLVM(底層虛擬機(jī))中間碼，根據(jù)不同的LLVM中間碼指令類型進(jìn)行分類插樁，插樁操作需要使用LLVM官方源碼的API接口。其中，插樁即利用LLVM官方源碼的API接口在源程序編譯得到的LLVM中間碼中插入預(yù)設(shè)指令，通常包括符號(hào)執(zhí)行和缺陷提取指令等。

符號(hào)執(zhí)行技術(shù)包括傳統(tǒng)符號(hào)執(zhí)行、選擇性符號(hào)執(zhí)行和動(dòng)態(tài)符號(hào)執(zhí)行。傳統(tǒng)的符號(hào)執(zhí)行技術(shù)通過使用符號(hào)變量代替真實(shí)變量模擬程序的執(zhí)行，目標(biāo)程序并不真實(shí)運(yùn)行，因此符號(hào)執(zhí)行得到的程序中的約束條件信息不夠精確；選擇性符號(hào)執(zhí)行可以只對(duì)程序員感興趣的代碼進(jìn)行符號(hào)執(zhí)行，其它地方都使用真實(shí)值執(zhí)行，因此選擇性符號(hào)執(zhí)行具有更高的靈活性；動(dòng)態(tài)符號(hào)執(zhí)行技術(shù)與前兩者都有所不同，動(dòng)態(tài)符號(hào)執(zhí)行是在程序真實(shí)執(zhí)行的過程中同時(shí)進(jìn)行符號(hào)執(zhí)行，符號(hào)執(zhí)行是在插樁后的樁函數(shù)內(nèi)執(zhí)行完成，即在真實(shí)執(zhí)行的過程中通過樁函數(shù)收集約束相關(guān)信息生成路徑約束條件，然后通過約束求解器(如SMT(Satisfiability Modulo Theories)求解器)對(duì)其中一條約束條件取非構(gòu)造出一條新的程序執(zhí)行路徑并求解得到滿足這條新路徑的輸入案例，其中，使用約束求解器求解，即求解得到滿足對(duì)應(yīng)約束條件的程序輸入變量值。由于動(dòng)態(tài)符號(hào)執(zhí)行是在程序真實(shí)執(zhí)行過程中收集約束條件，因此，收集到的約束條件更加精確，生成的測(cè)試案例有效性更高。

軟件質(zhì)量問題在軟件使用非常普遍的今天已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視，軟件缺陷檢測(cè)也日益被越來(lái)越多的研究者和軟件廠商關(guān)注，由于軟件質(zhì)量問題造成重大損失的事件也是不勝枚舉。常見的軟件開發(fā)工具如visual studio、eclipse等可以檢查出一些軟件程序中存在的語(yǔ)法錯(cuò)誤和一些簡(jiǎn)單的邏輯錯(cuò)誤，無(wú)法深入準(zhǔn)確地分析程序執(zhí)行過程中所有可能存在的錯(cuò)誤，就算是專業(yè)的程序缺陷檢測(cè)工具如valgrind也只能檢測(cè)程序一次運(yùn)行過程中所在路徑上的錯(cuò)誤，無(wú)法更加全面地檢測(cè)程序中各個(gè)分支中潛在的缺陷。常規(guī)的軟件測(cè)試也很難發(fā)現(xiàn)程序中隱藏較深的緩沖區(qū)溢出和內(nèi)存泄露等錯(cuò)誤，由于生成的測(cè)試案例對(duì)程序分支覆蓋度的限制也無(wú)法非常全面高效地檢測(cè)程序中的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于動(dòng)態(tài)符號(hào)執(zhí)行，在動(dòng)態(tài)符號(hào)執(zhí)行生成的測(cè)試案例對(duì)應(yīng)的每條分支路徑上進(jìn)行缺陷檢測(cè)。因此，本發(fā)明的基于動(dòng)態(tài)符號(hào)執(zhí)行的軟件缺陷檢測(cè)方法包括以下步驟：

步驟1：對(duì)待檢測(cè)的軟件的源程序中的變量添加符號(hào)化標(biāo)識(shí)，然后對(duì)源程序進(jìn)行編譯處理得到底層虛擬機(jī)LLVM中間碼；

步驟2：根據(jù)指令類型，對(duì)LLVM中間碼進(jìn)行分類插樁處理，插入符號(hào)執(zhí)行和缺陷檢測(cè)指令；

步驟3：將插樁處理后的LLVM中間碼編譯生成可執(zhí)行文件；

步驟4：基于生成的可執(zhí)行文件，進(jìn)行動(dòng)態(tài)符號(hào)執(zhí)行與缺陷檢測(cè)：

401：基于測(cè)試案例運(yùn)行可執(zhí)行文件(每次運(yùn)行可執(zhí)行文件中的對(duì)應(yīng)程序的一條分支路徑)生成執(zhí)行結(jié)果，即生成對(duì)應(yīng)的條件表達(dá)式，包括符號(hào)執(zhí)行約束條件表達(dá)式集合、缺陷檢測(cè)條件表達(dá)式集合。其中，測(cè)試案例的初始值為隨機(jī)輸入。

在基于測(cè)試案例運(yùn)行可執(zhí)行文件時(shí)，可能只生成符號(hào)執(zhí)行約束條件表達(dá)式集合，也可能同時(shí)生成符號(hào)執(zhí)行約束條件表達(dá)式集合和缺陷檢測(cè)條件表達(dá)式集合；若當(dāng)前執(zhí)行結(jié)果存在缺陷檢測(cè)條件表達(dá)式集合，則將當(dāng)前生成的符號(hào)執(zhí)行約束條件表達(dá)式集合和缺陷檢測(cè)條件表達(dá)式集合作為一個(gè)隊(duì)列元素存入預(yù)設(shè)隊(duì)列L中(隊(duì)列L用于軟件缺陷判定)，實(shí)現(xiàn)隊(duì)列L的更新；

在生成執(zhí)行結(jié)果后，并行執(zhí)行步驟402、403，即基于生成的符號(hào)執(zhí)行約束條件表達(dá)式集合執(zhí)行步驟402；在執(zhí)行步驟403時(shí)，若隊(duì)列L有更新，則基于更新后的隊(duì)列L執(zhí)行步驟403；若無(wú)更新，則直接基于原有的隊(duì)列L執(zhí)行步驟403；

402：判斷所有生成的符號(hào)執(zhí)行約束條件表達(dá)式是否均已取非，若是，則測(cè)試案例生成結(jié)束，并設(shè)置軟件檢測(cè)結(jié)束標(biāo)識(shí)；否則，將其中一個(gè)符號(hào)執(zhí)行約束條件表達(dá)式取非并通過第一約束求解器進(jìn)行測(cè)試案例求解，若有解，則將當(dāng)前求解結(jié)果作為測(cè)試案例并執(zhí)行步驟401；若無(wú)解，則繼續(xù)執(zhí)行步驟402；

403：判斷隊(duì)列L是否為空，若為空，則檢測(cè)是否存在軟件檢測(cè)結(jié)束標(biāo)識(shí)，若是，則結(jié)束軟件缺陷檢測(cè)；若否，則繼續(xù)執(zhí)行步驟403；

若隊(duì)列L不為空，則從隊(duì)列L中取出一個(gè)隊(duì)列元素A并執(zhí)行步驟404，其中隊(duì)列元素A包括符號(hào)執(zhí)行約束條件表達(dá)式集合S和缺陷條件表達(dá)式集和R；

步驟404：從集合R中取出一個(gè)未被求解的缺陷條件表達(dá)式r，將r與集合S合并得到新的條件表達(dá)式集合(r∩S)并通過第二約束求解器進(jìn)行缺陷判定求解，若有解，則顯示對(duì)應(yīng)r的缺陷類型；若無(wú)解，則判斷集合R是否為空，若是，則執(zhí)行步驟403；否則，執(zhí)行步驟404。

本發(fā)明基于動(dòng)態(tài)符號(hào)執(zhí)行，在動(dòng)態(tài)符號(hào)執(zhí)行生成的測(cè)試案例對(duì)應(yīng)的每條分支路徑上進(jìn)行缺陷檢測(cè)，能全面地檢測(cè)程序中各個(gè)分支中潛在的缺陷。同時(shí)，由于程序執(zhí)行一條路徑上很多個(gè)地方都可能存在缺陷，所以一次符號(hào)執(zhí)行求解可能會(huì)得到很多個(gè)缺陷檢測(cè)條件表達(dá)式，因此在符號(hào)執(zhí)行的基礎(chǔ)上缺陷約束條件表達(dá)式的求解又會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間。為了解決這個(gè)問題，本發(fā)明采用多線程技術(shù)將符號(hào)執(zhí)行約束條件表達(dá)式求解和缺陷檢測(cè)條件表達(dá)式求解分離，分別在兩個(gè)不同的線程(本發(fā)明的第一約束求解器和第二約束求解器)上并行執(zhí)行，從而大大提高求解效率，提高軟件缺陷檢測(cè)效率。

進(jìn)一步的，本發(fā)明中對(duì)LLVM中間碼進(jìn)行分類插樁處理具體為：

若當(dāng)前指令是主函數(shù)入口的第一條指令，則在當(dāng)前指令之前插入第一樁函數(shù)，第一樁函數(shù)用于讀入符號(hào)化變量的值；

若當(dāng)前指令為主函數(shù)的最后一條指令，則在當(dāng)前指令之前插入第二樁函數(shù)，第二樁函數(shù)用于檢測(cè)內(nèi)存泄漏；

若當(dāng)前指令為非主函數(shù)(普通函數(shù))的第一條指令，則在當(dāng)前指令之前插入第三樁函數(shù)，第三樁函數(shù)用于標(biāo)記所述普通函數(shù)；

若當(dāng)前指令為分配指令，則判斷分配指令是否用于申請(qǐng)數(shù)組空間，若是，則插入第四樁函數(shù)，第四樁函數(shù)用于傳遞數(shù)組信息；

若當(dāng)前指令為加載指令，則插入第五樁函數(shù)，第五樁函數(shù)用于獲取加載指令參數(shù)的地址；

若當(dāng)前指令為存儲(chǔ)指令，則插入第六樁函數(shù)，第六樁函數(shù)用于提取存儲(chǔ)指令的參數(shù)、并存儲(chǔ)符號(hào)執(zhí)行產(chǎn)生的新的符號(hào)變量；

若當(dāng)前指令為二元運(yùn)算指令，則插入第七樁函數(shù)，第七樁函數(shù)用于加載二元運(yùn)算指令的參數(shù)，用符號(hào)值模擬二元指令運(yùn)算；

若當(dāng)前指令為比較指令，則插入第八樁函數(shù)，第八樁函數(shù)用于加載比較指令的參數(shù)，模擬比較指令的比較運(yùn)算；

若當(dāng)前指令為分支指令，則插入第九樁函數(shù)，第九樁函數(shù)用于標(biāo)記當(dāng)前程序分支；

若當(dāng)前指令為返回指令，則插入第十樁函數(shù)，第十樁函數(shù)用于加載返回指令的參數(shù)、并處理返回指令的返回結(jié)果；

若當(dāng)前指令為函數(shù)調(diào)用指令，則判斷調(diào)用函數(shù)是否為分配內(nèi)存或釋放內(nèi)存，若是，則插入第十一樁函數(shù)，第十一樁函數(shù)用于檢測(cè)內(nèi)存多次釋放；否則插入第十二樁函數(shù)，第十二樁函數(shù)用于加載調(diào)用函數(shù)的參數(shù)并對(duì)函數(shù)返回結(jié)果做處理；

若當(dāng)前指令為轉(zhuǎn)換指令，則插入第十三樁函數(shù)，第十三樁函數(shù)用于描述轉(zhuǎn)換關(guān)系；

若當(dāng)前指令為取元素指令，則插入第十四樁函數(shù)，第十四樁函數(shù)用于檢測(cè)所取元素是否存在數(shù)組或指針越界。即根據(jù)取元素指令的參數(shù)獲取訪問空間的范圍和當(dāng)前訪問的位置然后比較當(dāng)前訪問的空間是否在合法的區(qū)域，如果是則沒有發(fā)生越界，否則發(fā)生越界。

綜上所述，由于采用了上述方案，本發(fā)明的有益效果是：能全面地檢測(cè)程序中各個(gè)分支中潛在的缺陷，且缺陷檢測(cè)效率高。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例

以待檢測(cè)軟件為C/C++語(yǔ)言編寫的源程序?yàn)槔?，采用本發(fā)明的基于動(dòng)態(tài)符號(hào)執(zhí)行的軟件缺陷檢測(cè)方法完成待檢測(cè)軟件的缺陷檢測(cè)，其具體包括下列步驟：

步驟1：在C/C++語(yǔ)言源程序中添加符號(hào)化標(biāo)識(shí)，被標(biāo)識(shí)的變量在程序執(zhí)行過程中會(huì)作為符號(hào)變量，由它們賦值得到的變量也會(huì)成為符號(hào)化變量?？梢灾С謽?biāo)識(shí)的變量類型包括：short int；int；unsigned int；char；unsigned char；float；float；double等。

然后基于編譯工具clang對(duì)符號(hào)化標(biāo)識(shí)處理后的源程序進(jìn)行編譯處理，生成LLVM中間碼。

步驟2：對(duì)生成的LLVM中間碼，根據(jù)指令類型進(jìn)行分類插樁處理：

若當(dāng)前指令是main函數(shù)(主函數(shù))入口的第一條指令，則在當(dāng)前指令之前插入用于讀入符號(hào)化變量的值的樁函數(shù)；若當(dāng)前指令為主函數(shù)的最后一條指令，則在當(dāng)前指令之前插入用于檢測(cè)內(nèi)存泄漏的樁函數(shù)；然后逐條判斷LLVM中間碼的各指令類型并插入對(duì)應(yīng)樁函數(shù)：

若當(dāng)前指令為AllocaInst指令(分配指令)，則繼續(xù)判斷當(dāng)前指令是否為申請(qǐng)數(shù)組空間，若是，則獲取所申請(qǐng)數(shù)組空間大小，并插入傳遞數(shù)組信息的樁函數(shù)；若否，則跳過當(dāng)前指令，繼續(xù)處理下一條指令；

若當(dāng)前指令為StoreInst指令(存儲(chǔ)指令)，則插入樁函數(shù)，該樁函數(shù)用于提取存儲(chǔ)指令的參數(shù)，并存儲(chǔ)符號(hào)執(zhí)行產(chǎn)生的新的符號(hào)變量加載存儲(chǔ)指令的參數(shù)；

若當(dāng)前指令為L(zhǎng)oadInst指令(加載指令)，則插入用于獲取LoadInst指令參數(shù)的地址的樁函數(shù)；

若當(dāng)前指令為CmpInst指令(比較指令)，則插入樁函數(shù)，該樁函數(shù)用于加載CmpInst指令的參數(shù)，模擬CmpInst指令的比較運(yùn)算；

若當(dāng)前指令為BranchInst指令(分支指令)，則插入用于標(biāo)記當(dāng)前程序分支的樁函數(shù)；

若當(dāng)前指令為CastInst指令(轉(zhuǎn)換指令)，則插入用于存儲(chǔ)CastInst指令相關(guān)的參數(shù)關(guān)系的樁函；

若當(dāng)前指令為GetElementPtrInst指令(取元素指令)，根據(jù)GetElementPtrInst指令的參數(shù)插入用于檢測(cè)是否存在數(shù)組或者指針的越界的樁函數(shù)；

若當(dāng)前指令為BinaryOperator(二元運(yùn)算指令)指令，則插入樁函數(shù)，該樁函數(shù)用于加載二元運(yùn)算指令的參數(shù)，用符號(hào)值模擬二元指令運(yùn)算的樁函數(shù)；

若當(dāng)前指令為ReturnInst指令(返回指令)，則插入樁函數(shù)，該樁函數(shù)用于加載ReturnInst指令的參數(shù)，處理ReturnInst指令的返回結(jié)果。

若當(dāng)前指令為CallInst指令(函數(shù)調(diào)用指令)，則判斷所調(diào)用的是否為分配內(nèi)存或釋放內(nèi)存的函數(shù)，即是否為malloc或free函數(shù)，若是，則插入用于檢測(cè)所調(diào)用函數(shù)是否存在內(nèi)存多次釋放的樁函數(shù)；否則插入用于加載所調(diào)用函數(shù)的參數(shù)并對(duì)函數(shù)返回結(jié)果做處理的樁函數(shù)。

即在本實(shí)施例中，若當(dāng)前指令為上述AllocaInst指令、StoreInst指令、CmpInst指令、BranchInst指令、LoadInst指令、CastInst指令、GetElementPtrInst指令、CallInst指令、BinaryOperator指令、ReturnInst指令中的任一一類時(shí)，則插入對(duì)應(yīng)的樁函數(shù)；若當(dāng)前指令為其他類型時(shí)，則直接跳過，即不處理。

步驟3：將插樁處理后的LLVM中間碼編譯生成可執(zhí)行文件test。

步驟4：基于生成的可執(zhí)行文件test，進(jìn)行動(dòng)態(tài)符號(hào)執(zhí)行與缺陷檢測(cè)。

步驟4-1：基于測(cè)試案例通過系統(tǒng)調(diào)用命令調(diào)用可執(zhí)行文件test運(yùn)行，生成執(zhí)行結(jié)果，test首次運(yùn)行使用隨機(jī)輸入，假設(shè)產(chǎn)生的隨機(jī)值大于8，則生成符號(hào)執(zhí)行約束條件表達(dá)式i≥8，并將其傳遞給第一約束求解器，跳轉(zhuǎn)到步驟4-2；

步驟4-2：同時(shí)執(zhí)行4-2-1和4-2-2；

步驟4-2-1：第一約束求解器得到符號(hào)執(zhí)行約束條件表達(dá)式后求解，由于約束條件i≥8未被標(biāo)記為已經(jīng)取非過，取非后得到i＜8，并通過第一約束求解器進(jìn)行測(cè)試案例求解，假設(shè)求解出的結(jié)果是7，然后基于當(dāng)前求解結(jié)果執(zhí)行可執(zhí)行文件test，即跳轉(zhuǎn)步驟步驟4-1.1；

步驟4-2-2：當(dāng)前不存在軟件檢測(cè)結(jié)束標(biāo)識(shí)，即符號(hào)執(zhí)行未結(jié)束，對(duì)于i≥8，由于沒有生成任何缺陷檢測(cè)相關(guān)的約束條件，所以此次符號(hào)執(zhí)行對(duì)應(yīng)路徑上沒有缺陷檢測(cè)可檢測(cè)的地方。跳轉(zhuǎn)到步驟4-2-3；

步驟4-2-3：預(yù)設(shè)隊(duì)列L為空，跳轉(zhuǎn)到步驟4-2-2執(zhí)行，等待L不為空或者系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束(L為空且符號(hào)執(zhí)行結(jié)束)；

步驟4-1.1：輸入測(cè)試案例值7，讓可執(zhí)行文件test讀取此測(cè)試案例值并執(zhí)行，然后會(huì)生成新的符號(hào)執(zhí)行約束條件表達(dá)式i＜8和缺陷檢測(cè)條件表達(dá)式i≥5；因當(dāng)前執(zhí)行結(jié)果存在缺陷檢測(cè)條件表達(dá)式，則將i＜8和i≥5作為一個(gè)隊(duì)列元素存入隊(duì)列L中。跳轉(zhuǎn)到步驟4-2.1；

步驟4-2.1：同時(shí)執(zhí)行4-2-1.1和4-2-2.1；

步驟4-2-1.1：由于符號(hào)執(zhí)行沒有發(fā)現(xiàn)新的約束條件，所以符號(hào)執(zhí)行結(jié)束，設(shè)置軟件檢測(cè)結(jié)束標(biāo)識(shí)；

步驟4-2-2.1：符號(hào)執(zhí)行已經(jīng)結(jié)束但隊(duì)列不為空，跳轉(zhuǎn)到步驟4-2-3.1；

步驟4-2-3.1：L不為空，從隊(duì)列中取出隊(duì)列元素：i≥5和i＜8，跳轉(zhuǎn)到步驟4-2-4；

步驟4-2-4：由于缺陷檢測(cè)條件表達(dá)式i≥5未被求解，因此將i≥5和i＜8合并得到5≤i＜8，然后對(duì)5≤i＜8通過第二約束求解器進(jìn)行缺陷判定求解，當(dāng)前有解，則轉(zhuǎn)至步驟4-2-5；

步驟4-2-5：顯示對(duì)應(yīng)i≥5的缺陷類型，如程序第9行存在越界。跳轉(zhuǎn)到步驟4-2-4.1；

步驟4-2-4.1：所有的缺陷條件表達(dá)式已經(jīng)求解完，跳轉(zhuǎn)到步驟4-2-3.2；

步驟4-2-3.2：隊(duì)列L為空，跳轉(zhuǎn)到步驟4-2-2.2；

步驟4-2-2.2：隊(duì)列L為空且符號(hào)執(zhí)行已經(jīng)結(jié)束，所以缺陷求檢查結(jié)束，軟件缺陷檢測(cè)完畢。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本說(shuō)明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。