分段符號執(zhí)行模型及其環(huán)境交互問題研究.pdf

1、高代碼覆蓋率的軟件自動化測試是開發(fā)高質(zhì)量軟件的關(guān)鍵性技術(shù)。符號執(zhí)行是一種重要的形式化和自動化的程序分析理論，是一種生成能夠覆蓋特定執(zhí)行路徑測試用例的方法模型，能夠與程序的抽象和推理、模型檢測等理論相互結(jié)合，在程序的自動化測試、缺陷檢測、程序的驗證與確認、正確性證明等方面有較好的應用前景。
　　 符號執(zhí)行的基本原理是通過輸入數(shù)據(jù)符號化，將運算過程表示為路徑執(zhí)行條件的符號表達式，從而將測試數(shù)據(jù)生成問題轉(zhuǎn)換為可滿足性（Satisfia

2、bility）理論的約束求解問題。
　　 近幾年來符號執(zhí)行技術(shù)發(fā)展快速，在早期只能分析簡單數(shù)據(jù)類型和簡單數(shù)據(jù)運算的單過程程序，目前向著能夠應用于復雜數(shù)據(jù)類型、復雜運算操作、多過程程序的方向發(fā)展。
　　 但是符號執(zhí)行技術(shù)向?qū)嵱没较虬l(fā)展的過程中仍然存在如下三方面困難。其一，對于任意功能外部過程調(diào)用的處理方法存在局限性（外部調(diào)用承擔了目標程序與執(zhí)行環(huán)境交互的功能，因此這種局限性也稱為環(huán)境交互問題）。實際情況中或由于外部調(diào)用黑

3、盒的特性，或由于外部調(diào)用會極大增加程序體積，而無法進行有效符號執(zhí)行分析?，F(xiàn)有的以實際執(zhí)行值替換符號變量的方法具有嚴重的片面性，而基于環(huán)境建模的方法不具備實用性。其二是路徑爆炸問題，符號執(zhí)行存在程序路徑數(shù)量會隨著程序體積呈指數(shù)性增長的現(xiàn)象。這造成對大型程序的分析很難在可容忍的時間消耗和資源消耗內(nèi)完成。而現(xiàn)有的函數(shù)摘要等解決方法存在不精確性和無法處理遞歸調(diào)用等問題。其三，對具有復雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、基于指針運算、內(nèi)存動態(tài)分配等復雜數(shù)據(jù)運算的程序的處

4、理模型不健全，對任意形式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不能完全處理。這些問題是當前符號執(zhí)行理論發(fā)展的最大障礙，已經(jīng)成為學界研究的熱點。
　　 本文的研究工作試圖解決上述問題，主要包括以下幾個方面：
　　 第一項工作也是論文中最重要的工作是針對路徑爆炸問題，提出了分段符號執(zhí)行模型。分段符號執(zhí)行是一種新的符號執(zhí)行模型，基本思路是將大型程序的分析拆分為多個程序單元的分析，可分多次選擇性的執(zhí)行目標程序中的不同單元。其中每一分析單元內(nèi)的路徑數(shù)量都在可

5、控制的范圍內(nèi)，不會造成持續(xù)的路徑爆炸，但是如果需要滿足總的分析時間僅為各部分分析時間的總和，前提是能夠處理外部調(diào)用和環(huán)境交互的問題，使得實際執(zhí)行的時間消耗要大大小于符號執(zhí)行的時間消耗。在分段符號執(zhí)行中，各目標單元間的調(diào)用也成為了外部調(diào)用，因此環(huán)境交互問題就成為了分段符號執(zhí)行模型的關(guān)鍵性問題。
　　 論文通過對外部調(diào)用的參數(shù)屬性判斷、實際執(zhí)行過程的程序行為分析及IO對象建模的方法來處理環(huán)境交互問題。
　　 論文的第二項工作

6、是在數(shù)據(jù)流分析理論和方法的基礎上，定義并判斷外部過程調(diào)用的參數(shù)屬性。通過參數(shù)屬性抽象描述了外部過程中的數(shù)據(jù)輸入與輸出等行為，從而能夠檢測到并符號化輸入的數(shù)據(jù)。這將程序分析過程中對外部調(diào)用的處理轉(zhuǎn)換為了函數(shù)內(nèi)部分析。論文中所采用數(shù)據(jù)流分析是一種成熟的程序分析方法，對符號執(zhí)行的時間消耗影響很小。
　　 第三是提出了實際執(zhí)行過程的程序行為分析及IO對象建模的方法，這兩種方法在分段符號執(zhí)行系統(tǒng)框架中體現(xiàn)。系統(tǒng)框架包括一種適用于分段符號執(zhí)

7、行模型的中間語言和一個執(zhí)行引擎。通過設立內(nèi)置的堆塊數(shù)據(jù)類型、監(jiān)控內(nèi)存分配與釋放操作、符號化系統(tǒng)對象、監(jiān)控實際執(zhí)行過程中的IO操作、使用函數(shù)調(diào)用序列等方法，建立了外部過程的程序?qū)嵭行袨榕c目標單元中符號執(zhí)行行為的聯(lián)系，化解了程序表示的缺失所造成的無法進行符號執(zhí)行分析的問題，從而能夠有效處理外部調(diào)用過程中的環(huán)境交互性。這使得在分析目標的程序內(nèi)，任意的選擇若干過程作為一次分析的目標單元成為了可能，是分段符號執(zhí)行能夠正確進行的基礎。