一種基于抽象解釋和模型驗(yàn)證的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤分析方法
【專利摘要】一種基于抽象解釋和模型驗(yàn)證的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤分析方法，本發(fā)明包括以下步驟：基于抽象解釋理論，采用前向迭代方法分析程序數(shù)值變量值范圍，獲得程序點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的變量值范圍信息，對(duì)于循環(huán)節(jié)點(diǎn)的迭代計(jì)算采用循環(huán)展開(kāi)和延遲拓寬相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)；根據(jù)待分析的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤類(lèi)型，在相關(guān)需要檢測(cè)的程序點(diǎn)處將變量值范圍信息轉(zhuǎn)化為斷言或假設(shè)形式插入程序中；將帶有斷言和假設(shè)的程序轉(zhuǎn)化為布爾公式，其中布爾公式包括限制條件和屬性；使用SAT驗(yàn)證器判斷布爾公式中屬性的正確性。若正確，說(shuō)明不存在相關(guān)運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤；若不正確，說(shuō)明存在相關(guān)運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤，并輸出相關(guān)的反例路徑。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤分析精度和效率之間取得一個(gè)平衡點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種基于抽象解釋和模型驗(yàn)證的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于抽象解釋和模型驗(yàn)證的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤分析方法，屬于軟件測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]軟件規(guī)模的不斷擴(kuò)大及復(fù)雜性的不斷提升不僅給軟件開(kāi)發(fā)帶來(lái)了更多的困難，也給軟件測(cè)試帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。即使經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的軟件測(cè)試，也不能保證其內(nèi)部沒(méi)有錯(cuò)誤。其中，有一類(lèi)錯(cuò)誤是在特定的運(yùn)行時(shí)條件下才可能出現(xiàn)的，簡(jiǎn)稱“運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤”。運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤是所有軟件錯(cuò)誤中最具風(fēng)險(xiǎn)的，同時(shí)也是最難發(fā)現(xiàn)的，其隱藏在代碼中，傳統(tǒng)的軟件測(cè)試技術(shù)很難發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)誤。因而，某些軟件表面上能正常運(yùn)行，但實(shí)際上可能會(huì)導(dǎo)致意外的系統(tǒng)故障。對(duì)于航空航天、汽車(chē)以及醫(yī)療設(shè)備等安全級(jí)別要求非常高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一旦出現(xiàn)這樣的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤，損失就是不可估量的。
[0003]所有運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤類(lèi)別中，有四種類(lèi)別可以歸納為程序變量值范圍的分析，包括數(shù)組越界、除零操作、負(fù)數(shù)開(kāi)偶次方、整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的上溢出/下溢出四種運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤，簡(jiǎn)稱“數(shù)值型運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤”。目前，形式化的分析方法是檢查數(shù)值型運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤最為有效的方法，包括抽象解釋和模型驗(yàn)證等。其中，基于抽象解釋的程序值變量分析能夠穩(wěn)定的分析程序中各程序點(diǎn)處的變量值范圍，從而檢測(cè)可能存在的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤。另外，模型檢驗(yàn)也是運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤檢查方法中分析精度較高的一種，它通過(guò)窮盡程序狀態(tài)，搜索滿足驗(yàn)證屬性的狀態(tài)，而且對(duì)于違反屬性的狀態(tài)能夠給出相應(yīng)的反例路徑。
[0004]但是，抽象解釋和模型驗(yàn)證都有各自的缺點(diǎn):1.在基于抽象解釋的程序值變量分析過(guò)程中，對(duì)于循環(huán)語(yǔ)句中的值范圍分析，為了使循環(huán)迭代能夠保證收斂，一般使用拓寬算子來(lái)實(shí)現(xiàn)，但拓寬運(yùn)算帶來(lái)了計(jì)算精度的巨大損失。2.對(duì)于大規(guī)模程序，模型驗(yàn)證需要驗(yàn)證的屬性數(shù)量龐大，驗(yàn)證效率低，而且對(duì)于無(wú)窮系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)空間爆炸。為了解決上面提到的抽象解釋和模型驗(yàn)證各自的局限性問(wèn)題，需要對(duì)循環(huán)語(yǔ)句分析和模型驗(yàn)證做相應(yīng)的改進(jìn)，將兩者有機(jī)的結(jié)合在一起，從而在分析精度和分析效率之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決的問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于抽象解釋和模型驗(yàn)證的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤分析方法，實(shí)現(xiàn)了在運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤分析的精度和效率之間取得一個(gè)平衡點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0007]一種基于抽象解釋和模型驗(yàn)證的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤分析方法包括以下步驟:
[0008]( I)構(gòu)造待分析程序的控制流圖；
[0009](2)從該控制流圖的入口點(diǎn)開(kāi)始，根據(jù)控制流圖的遷移方向利用區(qū)間域基本操作計(jì)算程序中各節(jié)點(diǎn)處的變量值范圍；
[0010](3)當(dāng)程序中各節(jié)點(diǎn)的變量值范圍穩(wěn)定時(shí)，變量值范圍計(jì)算終止，所述變量值范圍計(jì)算過(guò)程采用迭代計(jì)算的方法計(jì)算程序中出現(xiàn)的循環(huán)節(jié)點(diǎn)；
[0011](4)根據(jù)待分析的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤類(lèi)型，在待分析程序中需要檢測(cè)的節(jié)點(diǎn)處將變量值范圍信息轉(zhuǎn)化為斷言或假設(shè)并插入程序中；所述的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤類(lèi)型包括除零操作、數(shù)組越界、負(fù)數(shù)開(kāi)偶次方和數(shù)值溢出；
[0012](5)將步驟(4)中帶有斷言和假設(shè)的程序轉(zhuǎn)化為布爾公式，所述的布爾公式包括限制條件和屬性，其中限制條件為程序的各賦值語(yǔ)句和假設(shè)，屬性為斷言；
[0013](6)利用SAT驗(yàn)證器判斷步驟(5)中布爾公式中屬性的正確性，若驗(yàn)證正確，則進(jìn)入步驟(7)，否則說(shuō)明存在該類(lèi)運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤并提供相關(guān)的反例路徑；
[0014](7)說(shuō)明不存在該類(lèi)運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤，結(jié)束分析過(guò)程。
[0015]所述步驟(2)中區(qū)間域的基本操作包括區(qū)間域加、減、乘、除、交、并和拓寬。
[0016]所述步驟(3)中循環(huán)節(jié)點(diǎn)的迭代計(jì)算采用循環(huán)展開(kāi)和延遲拓寬相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn):首先通過(guò)預(yù)先設(shè)置循環(huán)展開(kāi)次數(shù)，將計(jì)算出的變量的新值替換前一次計(jì)算出的舊值，在迭代計(jì)算到達(dá)設(shè)定的展開(kāi)次數(shù)之后再設(shè)置一定延遲次數(shù)，在給定的延遲次數(shù)內(nèi)將每次計(jì)算后的變量的新值與前一次計(jì)算的舊值求并運(yùn)算，最終循環(huán)迭代次數(shù)達(dá)到設(shè)置的延遲次數(shù)之后進(jìn)行拓寬運(yùn)算。
[0017]所述步驟(4)中運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤類(lèi)型分析方法如下；
[0018](I)除零運(yùn)算:在進(jìn)行除法運(yùn)算的程序節(jié)點(diǎn)處，判斷除數(shù)變量取值范圍是否包含0，如果包含則插入該變量不為O的斷言assert (變量！ =0)，否則不插入斷言，同時(shí)在該程序節(jié)點(diǎn)處以assume ()的形式插入除數(shù)變量的值范圍信息；
[0019](2)數(shù)組越界:判斷數(shù)組下標(biāo)變量值范圍是否落于數(shù)組最大界和最小界之內(nèi)，如果大于最大界，則插入該變量小于最大界的斷言assert (變量〈最大界);如果小于最小界，則插入該變量大于最小界的斷言assert (變量 > 最小界)；否則不插入斷言，同時(shí)在該程序節(jié)點(diǎn)處以assume ()形式插入數(shù)組下標(biāo)變量的值范圍信息；
[0020](3)負(fù)數(shù)開(kāi)偶次方:在進(jìn)行開(kāi)偶次方運(yùn)算的程序節(jié)點(diǎn)處，判斷被開(kāi)方數(shù)的值范圍是否包含負(fù)值，如果包含則插入被開(kāi)方數(shù)為正的斷言assert (被開(kāi)放數(shù)>=0)，否則不插入斷言，同時(shí)在該程序點(diǎn)處以assume ()形式插入被開(kāi)方數(shù)的值范圍信息；
[0021](4)數(shù)值溢出:判斷變量取值范圍是否超過(guò)機(jī)器最大數(shù)，如果超過(guò)則插入該變量小于機(jī)器最大數(shù)的斷言assert (變量〈機(jī)器最大數(shù))，否則不插入斷言，同時(shí)在該程序點(diǎn)處以assume ()形式插入該變量的值范圍信息。
[0022]所述步驟(5)中布爾公式轉(zhuǎn)換方法如下:
[0023](I)將程序中的break, continue語(yǔ)句轉(zhuǎn)換成goto語(yǔ)句；將程序中的for, dowhile語(yǔ)句轉(zhuǎn)換成while語(yǔ)句；
[0024](2)設(shè)定循環(huán)次數(shù)，將轉(zhuǎn)換后的while語(yǔ)句展開(kāi)成if語(yǔ)句，同時(shí)在最后一次循環(huán)結(jié)束時(shí)插入while循環(huán)判斷條件為假的斷言；對(duì)后向goto語(yǔ)句采用類(lèi)似while循環(huán)體的方式展開(kāi)；經(jīng)過(guò)處理的程序僅包含if、前向goto語(yǔ)句、賦值語(yǔ)句、斷言、假設(shè)和標(biāo)簽，稱之為靜態(tài)獨(dú)立程序塊；
[0025](3)將靜態(tài)獨(dú)立程序塊轉(zhuǎn)換成布爾公式，包括限制條件和屬性，其中限制條件為程序的各賦值語(yǔ)句和假設(shè)，屬性為需要驗(yàn)證的斷言。
[0026]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):[0027](I)本發(fā)明將抽象解釋和模型驗(yàn)證的方法有機(jī)結(jié)合在一起。首先利用抽象解釋方法計(jì)算變量的值范圍信息，然后將值范圍信息以斷言和假設(shè)的形式插入源程序中，最后利用模型驗(yàn)證的方法驗(yàn)證斷言的正確性。以抽象解釋分析的結(jié)果作為斷言可以減少不必要的斷言，插入假設(shè)可以縮小模型檢驗(yàn)搜索的狀態(tài)空間，這兩者都可以增加模型檢驗(yàn)的效率。
[0028](2)本發(fā)明采用有界模型驗(yàn)證方法，將程序中所有循環(huán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為while語(yǔ)句，并設(shè)定循環(huán)次數(shù)，將轉(zhuǎn)換后的while語(yǔ)句展開(kāi)成if語(yǔ)句。該有界模型驗(yàn)證方法可以減小模型驗(yàn)證的復(fù)雜度，增加模型驗(yàn)證的效率。
[0029](3)本發(fā)明對(duì)于循環(huán)語(yǔ)句的迭代分析，采用循環(huán)展開(kāi)和拓寬延遲相結(jié)合的方法。拓寬操作能夠保證迭代分析的收斂性，但會(huì)損失大量的精度，通過(guò)設(shè)置合理的延遲次數(shù)延遲拓寬運(yùn)算，從而提高運(yùn)算精度。拓寬延遲在一定的程度上提高了循環(huán)語(yǔ)句分析的精度，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因而需要結(jié)合循環(huán)展開(kāi)方法。通過(guò)預(yù)先設(shè)置循環(huán)展開(kāi)次數(shù)，將循環(huán)計(jì)算出的新值替換前一次迭代計(jì)算出的舊值，在迭代到達(dá)設(shè)定的展開(kāi)次數(shù)之后再采用拓寬延遲的方法。循環(huán)展開(kāi)和拓寬延遲相結(jié)合的方法既保證了迭代分析的收斂性又保證了循環(huán)語(yǔ)句分析的精度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0031]圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例中待檢測(cè)程序的控制流圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0033]本發(fā)明采用前向迭代算法按照控制流圖中有向邊的遷移順序遍歷節(jié)點(diǎn)，針對(duì)每條遷移邊，在區(qū)間抽象域上調(diào)用對(duì)應(yīng)的域操作來(lái)傳播最新的計(jì)算結(jié)果，并更新遷移邊目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處的抽象值，獲得各程序點(diǎn)處每個(gè)數(shù)值變量的值范圍信息。然后，根據(jù)待分析的數(shù)值型運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤類(lèi)型，將數(shù)值變量取值信息轉(zhuǎn)化為斷言或假設(shè)形式插入程序中，作為能夠進(jìn)行模型檢驗(yàn)的屬性。最后，將帶有斷言和假設(shè)的程序轉(zhuǎn)化為布爾公式，使用SAT驗(yàn)證器判斷公式的可滿足性，進(jìn)而驗(yàn)證斷言的正確性，若不正確，提供相關(guān)的反例路徑。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明具體步驟如下:
[0035]一種基于抽象解釋和模型驗(yàn)證的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤分析方法包括以下步驟:
[0036]( I)構(gòu)造待分析程序的控制流圖；
[0037]控制流圖是由結(jié)點(diǎn)和有向邊構(gòu)成的有向圖，結(jié)點(diǎn)代表程序中某個(gè)程序點(diǎn)處的信息，有向邊代表兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的遷移語(yǔ)句。結(jié)點(diǎn)包含了相應(yīng)程序點(diǎn)的行號(hào)和列號(hào)(唯一地定義了程序中的某個(gè)程序點(diǎn))、當(dāng)前狀態(tài)(變量在區(qū)間抽象域上的取值)以及是否為加寬點(diǎn)等信息。有向邊則主要分為:賦值邊、條件測(cè)試邊、函數(shù)調(diào)用和返回邊四種類(lèi)型。
[0038]控制流圖中有兩種特殊的結(jié)點(diǎn):一類(lèi)是接合結(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)條件分支語(yǔ)句的聚合處，表示在該結(jié)點(diǎn)處將判斷條件為真為假兩種情況下的計(jì)算結(jié)果求接合(U操作)；另一類(lèi)是加寬結(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)循環(huán)語(yǔ)句的入口結(jié)點(diǎn)，表示該結(jié)點(diǎn)是循環(huán)語(yǔ)句的開(kāi)始結(jié)點(diǎn)。
[0039](2)從該控制流圖的入口點(diǎn)開(kāi)始，將入口點(diǎn)初始化為抽象域完全格上的最大值T，其他節(jié)點(diǎn)則初始化為抽象域完全格上的最小值丄。根據(jù)控制流圖的遷移方向利用區(qū)間域的基本操作計(jì)算程序中各節(jié)點(diǎn)處的變量值范圍；
[0040]區(qū)間域的基本操作包括區(qū)間域加、減、乘、除、交、并和拓寬，例如給定任思兩個(gè)區(qū)間=D1= [a, b]，D2= [m, n]D區(qū)間上的父(Π)、并，也稱為結(jié)合(U)、拓覽(▽)運(yùn)算如下:D1 Π D2= [max (a, m), min (b, η) ] ；DX U D2= [min (a，m)，max (b，η)]；
D1VD2 = [a,b]v[mji] = [/,,/:]，如果 m〈a, I1=- ，否則 Ifa ;如果 n>b, I2=+ 否則 l2=b。 [0041](3)當(dāng)程序中各節(jié)點(diǎn)的變量值范圍穩(wěn)定時(shí)，變量值范圍計(jì)算終止，變量值范圍計(jì)算過(guò)程采用迭代計(jì)算的方法計(jì)算程序中的循環(huán)節(jié)點(diǎn)；
[0042]循環(huán)節(jié)點(diǎn)均使用有向循環(huán)子圖來(lái)表示，并將循環(huán)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為加寬點(diǎn)。加寬點(diǎn)處的抽象值在每次迭代過(guò)程中為本次迭代的抽象值和上次迭代的抽象值的替代、接合或者加寬；而且加寬結(jié)點(diǎn)必須穩(wěn)定后，數(shù)據(jù)流分析才可以繼續(xù)向前傳播。設(shè)前一次迭代分析時(shí)加寬結(jié)點(diǎn)處的抽象值為P1,當(dāng)前迭代分析時(shí)的抽象值為P2,即當(dāng)且僅當(dāng)P2 ￡ P1時(shí)，對(duì)循環(huán)語(yǔ)句的迭代才可以終止，否則在加寬點(diǎn)進(jìn)行替代、接合或加寬操作。
[0043]針對(duì)循環(huán)節(jié)點(diǎn)的迭代計(jì)算，本發(fā)明采用循環(huán)展開(kāi)和拓寬延遲相結(jié)合的方法，方法如下:
[0044]循環(huán)節(jié)點(diǎn)的迭代計(jì)算采用循環(huán)展開(kāi)和延遲拓寬相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn):將計(jì)算出的變量的新值替換前一次計(jì)算出的舊值，在迭代計(jì)算到達(dá)設(shè)定的展開(kāi)次數(shù)之后再設(shè)置一定延遲次數(shù)，在給定的延遲次數(shù)內(nèi)將每次計(jì)算后的變量的新值與前一次計(jì)算的舊值求并運(yùn)算，最終循環(huán)迭代次數(shù)達(dá)到設(shè)置的延遲次數(shù)之后進(jìn)行拓寬運(yùn)算。
[0045]采用循環(huán)展開(kāi)策略可以提高分析的精度，但是需要耗費(fèi)大量計(jì)算，因此需要確定合適的展開(kāi)次數(shù)，同時(shí)為了加速和保證循環(huán)語(yǔ)句迭代計(jì)算的收斂，采用拓寬操作，但是采用拓寬操作會(huì)帶來(lái)計(jì)算精度的巨大損失，為了提高迭代分析的精度，需要在進(jìn)行拓寬操作前采用求并(即將前一次迭代計(jì)算的抽象值和本次迭代計(jì)算的抽象值求并)操作來(lái)延遲拓寬操作。
[0046](4)根據(jù)待分析的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤類(lèi)型，在程序中需要檢測(cè)的節(jié)點(diǎn)處將變量值范圍信息轉(zhuǎn)化為斷言或假設(shè)插入程序中；所述的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤類(lèi)型包括除零操作、數(shù)組越界、負(fù)數(shù)開(kāi)偶次方和數(shù)值溢出；
[0047]所述步驟(4)中運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤類(lèi)型分析方法如下；
[0048]I)除零運(yùn)算:在進(jìn)行除法運(yùn)算的程序節(jié)點(diǎn)處，判斷除數(shù)變量取值范圍是否包含0，如果包含則插入該變量不為O的斷言assert (變量！ =0)，否則不插入斷言，同時(shí)在該程序節(jié)點(diǎn)處以assume ()的形式插入除數(shù)變量的值范圍信息；
[0049]2)數(shù)組越界:判斷數(shù)組下標(biāo)變量值范圍是否落于數(shù)組最大界和最小界之內(nèi)，如果大于最大界，則插入該變量小于最大界的斷言assert (變量〈最大界);如果小于最小界，則插入該變量大于最小界的斷言assert (變量 > 最小界)；否則不插入斷言，同時(shí)在該程序節(jié)點(diǎn)處以assume ()形式插入數(shù)組下標(biāo)變量的值范圍信息；
[0050]3)負(fù)數(shù)開(kāi)偶次方:在進(jìn)行開(kāi)偶次方運(yùn)算的程序節(jié)點(diǎn)處，判斷被開(kāi)方數(shù)的值范圍是否包含負(fù)值，如果包含則插入被開(kāi)方數(shù)為正的斷言assert (被開(kāi)放數(shù)>=0)，否則不插入斷言，同時(shí)在該程序點(diǎn)處以assume ()形式插入被開(kāi)方數(shù)的值范圍信息；
[0051]4)數(shù)值溢出:判斷變量取值范圍是否超過(guò)機(jī)器最大數(shù)，如果超過(guò)則插入該變量小于機(jī)器最大數(shù)的斷言assert (變量〈機(jī)器最大數(shù))，否則不插入斷言，同時(shí)在該程序點(diǎn)處以assume ()形式插入該變量的值范圍信息。
[0052](5)將步驟(4)中帶有斷言和假設(shè)的程序轉(zhuǎn)化為布爾公式，所述的布爾公式包括限制條件和屬性，其中限制條件為程序的各賦值語(yǔ)句和假設(shè)，屬性為斷言；
[0053]布爾公式轉(zhuǎn)換方法如下:
[0054]I)將程序中的break, continue語(yǔ)句轉(zhuǎn)換成goto語(yǔ)句；將程序中的for, dowhile語(yǔ)句轉(zhuǎn)換成while語(yǔ)句；
[0055]2)設(shè)定循環(huán)次數(shù)，將轉(zhuǎn)換后的while語(yǔ)句展開(kāi)成if語(yǔ)句，同時(shí)在最后一次循環(huán)結(jié)束時(shí)插入while循環(huán)判斷條件為假的斷言；對(duì)后向goto語(yǔ)句采用類(lèi)似while循環(huán)體的方式展開(kāi)；對(duì)調(diào)用函數(shù)進(jìn)行展開(kāi)分析，若是遞歸函數(shù)調(diào)用，設(shè)定遞歸次數(shù)；經(jīng)過(guò)處理的程序僅包含if、前向goto語(yǔ)句、賦值語(yǔ)句、斷言、假設(shè)和標(biāo)簽，稱之為靜態(tài)獨(dú)立程序塊(SSA)；
[0056]3)將SSA轉(zhuǎn)換成布爾公式，包括限制條件(Constraints,簡(jiǎn)記C)和屬性(Property，簡(jiǎn)記P)，其中限制條件為程序的各賦值語(yǔ)句，屬性為需要驗(yàn)證的斷言。
[0057](6)利用SAT驗(yàn)證器判斷步驟(5)中布爾公式中屬性的正確性，若驗(yàn)證正確，則進(jìn)入步驟(7)，否則說(shuō)明存在該類(lèi)運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤并提供相關(guān)的反例路徑；
[0058]布爾公式中屬性的正確性判定方法:為了驗(yàn)證屬性P是否正確，首先將屬性P取反；然后將邏輯公式CA^P進(jìn)行平坦化操作，轉(zhuǎn)換為合取范式結(jié)構(gòu)(CNF);最后將CNF輸入SAT驗(yàn)證器判斷公式的可滿足性。若滿足，說(shuō)明屬性P被違反，也就是說(shuō)存在某條路徑違背了屬性P，該斷言是不正確的，同時(shí)將該條反例路徑輸出。若不滿足，說(shuō)明不存在任何一條路徑違背屬性P，該斷言是正確的。
[0059](7)說(shuō)明不存在該類(lèi)運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤，結(jié)束分析過(guò)程。
[0060]下面以一個(gè)具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的工作過(guò)程和具體原理:
[0061]以某衛(wèi)星的中央處理單元軟件為例，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施步驟:
[0062](I)驗(yàn)證某衛(wèi)星的中央處理單元軟件的某程序代碼片段是否存在數(shù)組越界這類(lèi)運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤。首先構(gòu)造待檢測(cè)源代碼片段(如下段代碼所述)的程序控制流圖(CFG)，如圖2所
/Jn ο
[0063]
【權(quán)利要求】
1.一種基于抽象解釋和模型驗(yàn)證的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤分析方法，其特征在于包括以下步驟: (1)構(gòu)造待分析程序的控制流圖； (2)從該控制流圖的入口點(diǎn)開(kāi)始，根據(jù)控制流圖的遷移方向利用區(qū)間域基本操作計(jì)算程序中各節(jié)點(diǎn)處的變量值范圍； (3)當(dāng)程序中各節(jié)點(diǎn)的變量值范圍穩(wěn)定時(shí)，變量值范圍計(jì)算終止，所述變量值范圍計(jì)算過(guò)程采用迭代計(jì)算的方法計(jì)算程序中出現(xiàn)的循環(huán)節(jié)點(diǎn)； (4)根據(jù)待分析的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤類(lèi)型，在待分析程序中需要檢測(cè)的節(jié)點(diǎn)處將變量值范圍信息轉(zhuǎn)化為斷言或假設(shè)并插入程序中；所述的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤類(lèi)型包括除零操作、數(shù)組越界、負(fù)數(shù)開(kāi)偶次方和數(shù)值溢出； (5)將步驟(4)中帶有斷言和假設(shè)的程序轉(zhuǎn)化為布爾公式，所述的布爾公式包括限制條件和屬性，其中限制條件為程序的各賦值語(yǔ)句和假設(shè)，屬性為斷言； (6)利用SAT驗(yàn)證器判斷步驟(5)中布爾公式中屬性的正確性，若驗(yàn)證正確，則進(jìn)入步驟(7)，否則說(shuō)明存在該類(lèi)運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤并提供相關(guān)的反例路徑； (7)說(shuō)明不存在該類(lèi)運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤，結(jié)束分析過(guò)程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于抽象解釋和模型驗(yàn)證的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤分析方法，其特征在于:所述步驟(2)中區(qū)間域的基本操作包括區(qū)間域加、減、乘、除、交、并和拓寬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于抽象解釋和模型驗(yàn)證的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤分析方法，其特征在于:所述步驟(3)中循環(huán)節(jié)點(diǎn)的迭代計(jì)算采用循環(huán)展開(kāi)和延遲拓寬相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn):首先通過(guò)預(yù)先設(shè)置 環(huán)展開(kāi)次數(shù)，將計(jì)算出的變量的新值替換前一次計(jì)算出的舊值，在迭代計(jì)算到達(dá)設(shè)定的展開(kāi)次數(shù)之后再設(shè)置一定延遲次數(shù)，在給定的延遲次數(shù)內(nèi)將每次計(jì)算后的變量的新值與前一次計(jì)算的舊值求并運(yùn)算，最終循環(huán)迭代次數(shù)達(dá)到設(shè)置的延遲次數(shù)之后進(jìn)行拓寬運(yùn)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于抽象解釋和模型驗(yàn)證的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤分析方法，其特征在于:所述步驟(4)中運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤類(lèi)型分析方法如下； (1)除零運(yùn)算:在進(jìn)行除法運(yùn)算的程序節(jié)點(diǎn)處，判斷除數(shù)變量取值范圍是否包含O，如果包含則插入該變量不為O的斷言assert (變量！ =0)，否則不插入斷言，同時(shí)在該程序節(jié)點(diǎn)處以assume ()的形式插入除數(shù)變量的值范圍信息； (2)數(shù)組越界:判斷數(shù)組下標(biāo)變量值范圍是否落于數(shù)組最大界和最小界之內(nèi)，如果大于最大界，則插入該變量小于最大界的斷言assert (變量〈最大界);如果小于最小界，則插入該變量大于最小界的斷言assert (變量 > 最小界)；否則不插入斷言，同時(shí)在該程序節(jié)點(diǎn)處以assume ()形式插入數(shù)組下標(biāo)變量的值范圍信息； (3)負(fù)數(shù)開(kāi)偶次方:在進(jìn)行開(kāi)偶次方運(yùn)算的程序節(jié)點(diǎn)處，判斷被開(kāi)方數(shù)的值范圍是否包含負(fù)值，如果包含則插入被開(kāi)方數(shù)為正的斷言assert (被開(kāi)放數(shù)>=0)，否則不插入斷言，同時(shí)在該程序點(diǎn)處以assume ()形式插入被開(kāi)方數(shù)的值范圍信息； (4)數(shù)值溢出:判斷變量取值范圍是否超過(guò)機(jī)器最大數(shù)，如果超過(guò)則插入該變量小于機(jī)器最大數(shù)的斷言assert (變量〈機(jī)器最大數(shù))，否則不插入斷言，同時(shí)在該程序點(diǎn)處以assume ()形式插入該變量的值范圍信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于抽象解釋和模型驗(yàn)證的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤分析方法，其特征在于:所述步驟(5)中布爾公式轉(zhuǎn)換方法如下:(1)將程序中的break,continue語(yǔ)句轉(zhuǎn)換成goto語(yǔ)句；將程序中的for, dowhile語(yǔ)句轉(zhuǎn)換成while語(yǔ)句； (2)設(shè)定循環(huán)次數(shù)，將轉(zhuǎn)換后的while語(yǔ)句展開(kāi)成if語(yǔ)句，同時(shí)在最后一次循環(huán)結(jié)束時(shí)插入while循環(huán)判斷條件為假的斷言；對(duì)后向goto語(yǔ)句采用類(lèi)似while循環(huán)體的方式展開(kāi)；經(jīng)過(guò)處理的程序僅包含if、前向goto語(yǔ)句、賦值語(yǔ)句、斷言、假設(shè)和標(biāo)簽，稱之為靜態(tài)獨(dú)立程序塊； (3)將靜態(tài)獨(dú)立程序塊轉(zhuǎn)換成布爾公式，包括限制條件和屬性，其中限制條件為程序的各賦值語(yǔ)句和假設(shè)，屬性為需要驗(yàn)證的斷言。
【文檔編號(hào)】G06F11/36GK103617115SQ201310529070
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】詹海潭, 李寧, 張偉, 吳世堂, 高金梁, 鄭平 申請(qǐng)人:北京信息控制研究所