專(zhuān)利名稱(chēng)：分段符號(hào)執(zhí)行裝置及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)新穎的分段符號(hào)執(zhí)行裝置及其工作方法，用于解決程序測(cè)試時(shí)的路徑爆炸問(wèn)題，屬于計(jì)算機(jī)中的符號(hào)執(zhí)行設(shè)備的自動(dòng)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
符號(hào)執(zhí)行(symbolic execution)技術(shù)是一種目前被研究領(lǐng)域廣泛認(rèn)可的、形式化的軟件和程序的自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)，符號(hào)執(zhí)行技術(shù)誕生于上世紀(jì)70年代，近幾年來(lái)，該技術(shù)成為了軟件工程理論和方法研究中的熱點(diǎn)，有可能成為解決軟件的自動(dòng)測(cè)試問(wèn)題的核心方法。1976年JC. King提出的符號(hào)執(zhí)行技術(shù)，為自動(dòng)測(cè)試?yán)碚撟龀隽碎_(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，成為了最受關(guān)注的形式化(formal)軟件自動(dòng)測(cè)試方法，現(xiàn)在已經(jīng)成為了一種重要的程序分析理論。符號(hào)執(zhí)行技術(shù)的核心思想是用符號(hào)表示程序的輸入數(shù)據(jù)，并將程序的運(yùn)算過(guò)程逐指令或逐語(yǔ)句地轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)表示式，再在程序控制流圖CFG(Contrc)I Flower Graph)的基礎(chǔ)上生成符號(hào)執(zhí)行樹(shù)，并為每一條路徑建立一系列的、以輸入數(shù)據(jù)為變量的表達(dá)式。符號(hào)執(zhí)行的定義是假設(shè)對(duì)程序輸入數(shù)據(jù)X(該X為未知數(shù)向量)的可執(zhí)行路徑 P進(jìn)行解析，依次分析程序中的每個(gè)語(yǔ)句和指令，將路徑P中的每一次判斷與跳轉(zhuǎn)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的要求都用X的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即P的路徑條件PC(path condition)來(lái)表示。然后，再對(duì)該路徑表達(dá)式求解，得到的輸入數(shù)據(jù)、即未知數(shù)向量X的解，再將該X放入程序，就能夠執(zhí)行路徑P，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遍歷路徑的目的。這樣，符號(hào)執(zhí)行的過(guò)程可概括為“假設(shè)變量，建立數(shù)學(xué)表達(dá)式，求解數(shù)學(xué)表達(dá)式”。因此，符號(hào)執(zhí)行是一種路徑敏感性(path-sensitive)的程序分析方法，也是程序靜態(tài)分析和程序自動(dòng)化測(cè)試的重要理論基礎(chǔ)。符號(hào)執(zhí)行的最主要貢獻(xiàn)是將程序測(cè)試問(wèn)題轉(zhuǎn)換成為求解數(shù)據(jù)表達(dá)式的數(shù)學(xué)問(wèn)題。符號(hào)執(zhí)行的過(guò)程是從CFG的入口點(diǎn)開(kāi)始，先將所涉及到的變量符號(hào)化，即用符號(hào)表示變量值；再依次解析程序中的語(yǔ)句和指令，將其翻譯為符號(hào)表達(dá)式。每個(gè)變量的值都采用符號(hào)化的變量和常數(shù)所構(gòu)造的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表示，并在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄變量的符號(hào)運(yùn)算表達(dá)式PF(path function)。符號(hào)執(zhí)行過(guò)程中遇到流程控制語(yǔ)言時(shí)，就將條件判斷語(yǔ)句對(duì)變量值的要求附加到路徑條件中；再以此循環(huán)執(zhí)行。參見(jiàn)

圖1，介紹一個(gè)典型的基本符號(hào)執(zhí)行算法的基本過(guò)程的源程序。符號(hào)執(zhí)行是在程序的控制流圖上進(jìn)行的，因此，該算法是先調(diào)用ParseToControlFlow構(gòu)造控制流圖CFG， 然后從CRi入口點(diǎn)開(kāi)始遍歷(在travsel函數(shù)實(shí)現(xiàn))。再依次解析語(yǔ)句如果為賦值語(yǔ)句， 則構(gòu)造PF ；如果為條件語(yǔ)句，則構(gòu)造后續(xù)節(jié)點(diǎn)的PC。在構(gòu)造PF時(shí)，如果源操作數(shù)在前向節(jié)點(diǎn)有效PF中有中間表達(dá)式，需要展開(kāi)之，算法中的PF的功能是獲得變量對(duì)應(yīng)的表達(dá)式，還要保證PC中的變量都為輸入數(shù)據(jù)的符號(hào)變量。參見(jiàn)圖2，介紹一段程序及其CFG。該CFG是有唯一的入口點(diǎn)和出口點(diǎn)的有向圖， 圖中的節(jié)點(diǎn)為順序執(zhí)行過(guò)程，邊用于表示執(zhí)行流程的跳轉(zhuǎn)關(guān)系。
將圖1所示的算法，實(shí)施于圖2所示的程序，其符號(hào)執(zhí)行的具體過(guò)程如下(1)從 <start> 節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，執(zhí)行后續(xù)節(jié)點(diǎn)(successor) <1，2>。(2)節(jié)點(diǎn)<1，2>的執(zhí)行條件為T(mén)RUE，表示一定會(huì)被執(zhí)行的。此時(shí)，符號(hào)變量A、B、C 的值分別為B、B、0。(3)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)<3>，節(jié)點(diǎn)<3>沒(méi)有賦值語(yǔ)言，進(jìn)行了條件判斷；<3>的執(zhí)行條件同為 TRUE, PF沒(méi)有改變。(4) <3>的后續(xù)節(jié)點(diǎn)是根據(jù)遍歷方法選擇執(zhí)行。該示例中是選擇廣度優(yōu)先的遍歷方法。(5)執(zhí)行到節(jié)點(diǎn)<4>，PC發(fā)生了改變，從<3>到<4>的條件為B> 1，與其前驅(qū)條件 <3>的執(zhí)行條件TRUE合取(即執(zhí)行<3>是執(zhí)行<4>的前提條件，為B > 1)。相應(yīng)的執(zhí)行到 <end>節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行條件為B < = 1。(6)以此方式執(zhí)行，最終形成類(lèi)似于圖3所示的符號(hào)執(zhí)行樹(shù)。程序的符號(hào)執(zhí)行過(guò)程，也是符號(hào)執(zhí)行樹(shù)的生成過(guò)程。圖3是一個(gè)符號(hào)執(zhí)行樹(shù)的部分。圖3所示的樹(shù)沒(méi)有完成遍歷，表1只是其中一條完整路徑的執(zhí)行過(guò)程。樹(shù)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括了其在CFG中的位置、PC和PF，且PC和PF都用符號(hào)表達(dá)式表示，每個(gè)輸入數(shù)據(jù)都表示為符號(hào)。PC和PF存在于符號(hào)執(zhí)行樹(shù)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，也是求解特定執(zhí)行路徑輸入數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。表1完整路徑的符號(hào)執(zhí)行過(guò)程
權(quán)利要求
1. 一種分段符號(hào)執(zhí)行裝置，用于解析中間語(yǔ)言程序，并在虛擬機(jī)中進(jìn)行符號(hào)執(zhí)行時(shí)的裝置，且在執(zhí)行過(guò)程中，既不執(zhí)行程序運(yùn)行時(shí)的編譯操作，也不產(chǎn)生實(shí)際執(zhí)行的效果，只產(chǎn)生符號(hào)執(zhí)行的結(jié)果；其特征在于該裝置采用PYTE中間語(yǔ)言和能夠解析PYTE語(yǔ)言的虛擬機(jī)，支持對(duì)具有復(fù)雜數(shù)據(jù)類(lèi)型和復(fù)雜調(diào)用關(guān)系的目標(biāo)程序進(jìn)行符號(hào)執(zhí)行；且在符號(hào)執(zhí)行時(shí)， 基于PYTE語(yǔ)言對(duì)函數(shù)參數(shù)進(jìn)行輸入輸出IO屬性的劃分，對(duì)目標(biāo)程序進(jìn)行分段，以緩解大型程序符號(hào)執(zhí)行時(shí)的路徑爆炸，使得對(duì)大型程序的符號(hào)執(zhí)行時(shí)間與其規(guī)模的關(guān)聯(lián)程度，從呈指數(shù)相關(guān)降低為呈正比例相關(guān)；同時(shí)，通過(guò)該裝置的實(shí)際執(zhí)行進(jìn)程控制與交互器模塊與實(shí)際執(zhí)行相結(jié)合，避免符號(hào)分段執(zhí)行時(shí)，因數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成結(jié)果不精確；并對(duì)實(shí)際執(zhí)行數(shù)據(jù)符號(hào)時(shí)的執(zhí)行中的路徑條件進(jìn)行約束求解，判斷是否符合執(zhí)行條件，以提高路徑遍歷的覆蓋率，以及程序分析和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確率；該裝置設(shè)有下述模塊語(yǔ)言翻譯模塊，負(fù)責(zé)將C或C++源代碼和x86平臺(tái)匯編代碼翻譯為PYTE代碼，并對(duì)目標(biāo)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)流分析和分段處理，再給出明確標(biāo)記；還使用輸入IN、輸出OUT、不確定輸出 MAY_0UT的符號(hào)標(biāo)記調(diào)用的參數(shù)屬性，以使指令解析和符號(hào)執(zhí)行器模塊在執(zhí)行PYTE文件過(guò)程中，能夠識(shí)別和執(zhí)行調(diào)用的操作；指令指針模塊，負(fù)責(zé)接收PYTE文件中流程控制語(yǔ)句的控制，或者按照該P(yáng)YTE文件中的指令順序控制指令解析和符號(hào)執(zhí)行器模塊完成符號(hào)執(zhí)行操作；該模塊也能接受設(shè)定的指令指針，將裝置恢復(fù)到設(shè)定狀態(tài)；指令解析和符號(hào)執(zhí)行器模塊，作為該裝置的核心模塊，設(shè)置有一套解釋與執(zhí)行PYTE文件的處理流程和在執(zhí)行過(guò)程中使用的、表示符號(hào)化對(duì)象的多種內(nèi)部數(shù)據(jù)，用于接收指令指針模塊中的指令指針指向的指令，再根據(jù)該指令格式解析并理解指令，進(jìn)行符號(hào)的分段執(zhí)行操作，生成執(zhí)行結(jié)果路徑條件PC和符號(hào)運(yùn)算表達(dá)式PF，還改變符號(hào)化內(nèi)存模塊和符號(hào)化對(duì)象模塊的狀態(tài)；調(diào)用實(shí)際執(zhí)行進(jìn)程控制與交互器模塊完成實(shí)際執(zhí)行操作；符號(hào)化對(duì)象模塊，負(fù)責(zé)將PYTE文件中操作的系統(tǒng)對(duì)象符號(hào)化，以便利用設(shè)置的符號(hào)變量表示該符號(hào)化對(duì)象的屬性；在PYTE程序進(jìn)行創(chuàng)建、關(guān)閉或操作符號(hào)化的對(duì)象類(lèi)型時(shí)，該模塊會(huì)相應(yīng)地建立或消除符號(hào)化對(duì)象；對(duì)象的符號(hào)化操作過(guò)程需要在操作系統(tǒng)的監(jiān)視器實(shí)時(shí)監(jiān)控其運(yùn)行；符號(hào)化內(nèi)存模塊，負(fù)責(zé)在指令解析和符號(hào)執(zhí)行器模塊執(zhí)行PYTE程序時(shí)，將其中所有的內(nèi)存操作都映射到該模塊內(nèi)完成；且為能真實(shí)模擬程序運(yùn)行，該模塊能夠根據(jù)中間語(yǔ)言執(zhí)行包括分配、釋放、移動(dòng)、拷貝和設(shè)置的多種內(nèi)存操作，還能夠執(zhí)行與內(nèi)存分配相關(guān)的系統(tǒng)函數(shù)，將高級(jí)語(yǔ)言直接轉(zhuǎn)換為PYTE語(yǔ)言中的對(duì)應(yīng)指令；該模塊對(duì)調(diào)用過(guò)程中分配的內(nèi)存要進(jìn)行處理，且外部調(diào)用過(guò)程的內(nèi)存操作是在操作系統(tǒng)監(jiān)視器的監(jiān)控中通過(guò)監(jiān)控內(nèi)存操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的；內(nèi)部狀態(tài)模塊，設(shè)有包括指向符號(hào)化對(duì)象列表的寄存器和符號(hào)化堆棧的多個(gè)寄存器， 用于存儲(chǔ)該裝置的內(nèi)部狀態(tài)，即分段符號(hào)的執(zhí)行狀態(tài)；約束求解器模塊，用于完成對(duì)以一組等式或不等式表示的PC進(jìn)行約束求解的數(shù)學(xué)運(yùn)算，即處理PC等式或不等式組的解可滿足性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成程序中每條路徑對(duì)應(yīng)的一個(gè)輸入數(shù)據(jù)向量的功能；實(shí)際執(zhí)行進(jìn)程控制與交互器模塊，當(dāng)執(zhí)行過(guò)程中發(fā)生外部調(diào)用，指令解析和符號(hào)執(zhí)行器模塊需要控制實(shí)際程序的執(zhí)行時(shí)，該模塊負(fù)責(zé)與實(shí)際執(zhí)行進(jìn)行交互，讀取內(nèi)存或變量數(shù)值；同時(shí)，該模塊還監(jiān)控外部調(diào)用過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)對(duì)象的操作，并通知其他模塊將系統(tǒng)對(duì)象符號(hào)化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分段符號(hào)執(zhí)行裝置，其特征在于所述PYTE中間語(yǔ)言是介于機(jī)器語(yǔ)言和源程序語(yǔ)言之間的一種能處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和適用于程序分段后進(jìn)行符號(hào)執(zhí)行的中間語(yǔ)言，它基于LLVM中間語(yǔ)言擴(kuò)展而成，用于進(jìn)行程序分析、優(yōu)化和測(cè)試。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分段符號(hào)執(zhí)行裝置，其特征在于所述PYTE中間語(yǔ)言的特點(diǎn)是在數(shù)據(jù)類(lèi)型系統(tǒng)中增加了堆塊形數(shù)據(jù)類(lèi)型，將程序動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存作為一種數(shù)據(jù)類(lèi)型； 在指令集上增加了直接操作堆塊數(shù)據(jù)類(lèi)型的指令，將高級(jí)語(yǔ)言的內(nèi)存管理函數(shù)翻譯為堆塊類(lèi)型數(shù)據(jù)的操作指令；區(qū)分函數(shù)參數(shù)的IO屬性類(lèi)型，即將該參數(shù)根據(jù)其IO特性分為三種 輸入I、輸出O和不確定輸出MAY_0UT。
4.一種分段符號(hào)執(zhí)行裝置的分段符號(hào)執(zhí)行方法，其特征在于將一個(gè)代碼量大的程序拆分為多個(gè)小程序單元，然后，對(duì)每個(gè)小程序單元順序進(jìn)行分析；且在拆分后，將過(guò)程間的調(diào)用關(guān)系分為單元內(nèi)的過(guò)程調(diào)用和單元外的過(guò)程調(diào)用，分別進(jìn)行相應(yīng)處理；包括下列操作步驟(1)分段符號(hào)執(zhí)行裝置的語(yǔ)言翻譯模塊將匯編語(yǔ)言或高級(jí)程序語(yǔ)言程序翻譯為PYTE 程序，對(duì)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)流分析，根據(jù)主調(diào)函數(shù)和被調(diào)函數(shù)對(duì)參數(shù)的訪問(wèn)過(guò)程，判斷函數(shù)的參數(shù)屬性并進(jìn)行標(biāo)記后；將處理后的PYTE程序送到指令指針模塊；(2)指令指針模塊按照PYTE文件中的指令順序，或者接收PYTE文件中流程控制語(yǔ)句的控制，將選取執(zhí)行的指令送入指令解析和符號(hào)執(zhí)行器模塊；(3)指令解析和符號(hào)執(zhí)行器模塊解析指令指針模塊送入的指令，根據(jù)該指令格式進(jìn)行解析和理解，進(jìn)行符號(hào)執(zhí)行并生成執(zhí)行結(jié)果PC、PF,同時(shí)改變符號(hào)化內(nèi)存模塊和符號(hào)化對(duì)象模塊的狀態(tài)，再將符號(hào)執(zhí)行結(jié)果送入約束求解器模塊，判斷是否滿足求解條件，即是否符合執(zhí)行條件，實(shí)現(xiàn)遍歷路徑的目的；若滿足，則執(zhí)行步驟(4)；否則，放棄執(zhí)行，流程結(jié)束；與此同時(shí)，在操作系統(tǒng)監(jiān)視器的實(shí)時(shí)監(jiān)控下，符號(hào)化對(duì)象模塊將PYTE文件中操作的系統(tǒng)對(duì)象符號(hào)化，并利用設(shè)置的符號(hào)變量表示該符號(hào)化對(duì)象的屬性，再將符號(hào)化結(jié)果送入內(nèi)部狀態(tài)模塊存儲(chǔ)；內(nèi)部狀態(tài)模塊利用包括指向符號(hào)化對(duì)象列表的寄存器和符號(hào)化堆棧的多個(gè)寄存器，存儲(chǔ)指令解析和符號(hào)執(zhí)行器模塊傳送來(lái)的分段符號(hào)執(zhí)行狀態(tài)和其他模塊的工作狀態(tài)；符號(hào)化內(nèi)存模塊在指令解析和符號(hào)執(zhí)行器模塊執(zhí)行PYTE程序時(shí)，將后者各種內(nèi)存操作都映射到該符號(hào)化內(nèi)存模塊內(nèi)完成，并存儲(chǔ)其執(zhí)行結(jié)果；(4)約束求解器模塊執(zhí)行和完成對(duì)等式或不等式組PC進(jìn)行的約束求解數(shù)學(xué)運(yùn)算，自動(dòng)生成程序中每條路徑對(duì)應(yīng)的一個(gè)輸入數(shù)據(jù)向量；(5)在發(fā)生外部調(diào)用時(shí)，實(shí)際執(zhí)行進(jìn)程控制與交互器模塊負(fù)責(zé)與實(shí)際執(zhí)行進(jìn)行交互，讀取內(nèi)存或變量數(shù)值；并在外部調(diào)用過(guò)程中，該模塊監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)象的操作，并通知其他模塊將系統(tǒng)對(duì)象符號(hào)化；(6)完成調(diào)用過(guò)程，將處理結(jié)果傳送給硬件設(shè)備。
全文摘要
一種分段符號(hào)執(zhí)行裝置及其工作方法，裝置設(shè)有語(yǔ)言翻譯、指令指針，指令解析和符號(hào)執(zhí)行器，符號(hào)化對(duì)象，符號(hào)化內(nèi)存，內(nèi)部狀態(tài)，約束求解器和實(shí)際執(zhí)行進(jìn)程控制與交互器等模塊，采用PYTE語(yǔ)言和能解析該語(yǔ)言的虛擬機(jī)，支持對(duì)數(shù)據(jù)類(lèi)型和調(diào)用關(guān)系都復(fù)雜的程序進(jìn)行符號(hào)執(zhí)行；且在符號(hào)執(zhí)行時(shí)，對(duì)函數(shù)參數(shù)劃分IO屬性和對(duì)程序分段，緩解路徑爆炸，使得對(duì)大程序的符號(hào)執(zhí)行時(shí)間與其規(guī)模的關(guān)聯(lián)程度降低為正比例相關(guān)；還通過(guò)結(jié)合實(shí)際執(zhí)行，避免符號(hào)分段執(zhí)行的結(jié)果不精確；并對(duì)實(shí)際執(zhí)行中的路徑條件進(jìn)行約束求解，判斷是否符合執(zhí)行條件，提高路徑遍歷的覆蓋率，以及程序分析和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確率，使得在實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境下，對(duì)大程序的符號(hào)執(zhí)行技術(shù)達(dá)到實(shí)用化。
文檔編號(hào)G06F11/36GK102289362SQ201110249700
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月26日
發(fā)明者安靖, 常晶, 張冬梅, 范文慶, 鐘金鑫, 魏更宇 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)