PLDI‘21-Path-Sensitive Sparse Analysis without Path Conditions-基于程序依赖图的路径敏感稀疏分析

news2024/10/6 22:20:28

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这篇文章是港科大团队在PLDI 2021会议上发表的文章。在这之前，作者在PLDI 2018发表Pinpoint。这篇文章在Pinpoint上改进。在Pinpoint的设计中，存储摘要的时候仍然需要缓存大量的路径条件，以及在应用摘要时进行大量的克隆，导致逻辑公式大小进行指数级的增长。

而在PLDI 2021中，作者进一步提出，我们可以不用构建Value Flow Graph了！直接在程序依赖图(Program Dependence Graph)上就可以达到相同的路径敏感检测效果。相比PLDI’18

该方法不需要缓存摘要中的路径条件。因为可以在遍历程序依赖图的时候直接将其转换成逻辑公式，即程序依赖图就已经编码了路径条件。
该方法克隆数比较少。程序依赖图的结构，能够在转换逻辑公式的时候进行大量的优化，降低函数克隆数，加速SMT的预处理。

实验效果：

能够在个人PC机上跑百万行代码规模的路径敏感分析。12GB的内存，半小时内完成百万行分析。
作者对比了两款工具（Pinpoint和Infer），消耗的内存只有他们的10%，但是能够提升10倍的速度。

1. 与Pinpoint对比

(1). 计算路径条件 (Computing)

(2). 求解路径条件 (Solving)

(3). 缓存路径条件 (Caching)

以如下代码为例子，对比Pinpoint三项指标的性能开销时

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作者的方法(fusion)和Pinpoint(conventional)的对比如下：

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作者在程序依赖图上能够有效地编码相当多的信息：

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2. 程序依赖图

作者论文中以一个简单语言作为叙述对象，如下所示，比较简单。唯一需要注意的是identity,return,if-then-else。

if-then-else语句。表示这个程序是Gated Single Assignment形式的。Gated Single Assignment公众号前几篇文章有讨论，它被应用在许多缺陷检测工具中，例如：FSE’10 利用符号分析检测缓冲区溢出，ICSE’08 - 路径敏感bug-finding工具Calysto
identity和return语句。将单个函数内对非局部变量的修改与使用（MOD/REF）显示化到程序中。
作者将代码中循环展开，所以不存在循环语句

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程序依赖图用于模块化地表示单个函数内的数据依赖关系，控制依赖关系，程序依赖图的的定义如下：

G = (V, Ed, Ec)
V表示程序依赖图上节点的集合。每个节点根据讨论的上下文，可以表示为一个语句，也可以表示为这个语句定义的变量。
Ed表示节点间的数据依赖边。source定义了某个变量，target是使用该变量的语句
Ec表示节点间的控制依赖边。source为一条语句，target为if语句，表示source的执行依赖于if语句。

构建控制依赖边，现成的算法比较多，这里不介绍。下面是PDG上构建数据依赖边的规则：

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这些规则比较简单，唯一需要注意的是左下角的规则，它是用来对未定义的库函数构建默认的数据依赖边。

3. 传统的稀疏分析算法

作者先介绍了传统的稀疏分析算法(即Pinpoint中的算法)，然后提出PLDI 2021中作者提出的方法，一对比，就能看出很明显的差异。

下面是Pinpoint中提出的稀疏分析算法：

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该算法用于分析一条感兴趣的控制流路径，该路径由语句列表所组成。

对每条语句进行遍历，第4行就是对语句执行transfer function
然后根据当前语句的数据依赖后继边，将数据传播到后继节点。(第6行)
第7-8行是用于保存路径用的，可以进行trace
第9行，由于有新的后记节点引入，所以需要把当前语句和后续语句之间的数据依赖条件也进行逻辑与
第11行实际上是路径收集的初始化步骤：当行没有前缀路径存在的时候，初始化一条2个节点组成的路径
第12行，对所有路径的约束进行逻辑与，并进行约束求解

下面是Pinpoint的函数间分析算法：
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S1表示的是值流摘要 (Value Flow Summary)。具体可参考Pinpoint论文。值流摘要是3元组：
有如下4类值流摘要：
S2表示Pinpoint中提到的Return Value Summary。
对于函数间的Value Flow Path，第6行判断是否存在某段Value Flow Summary
如果存在，那么直接应用摘要中存储的Summary Tranfer Function，传递数据即可。
主要关注的就是instantiate这个函数，它用于克隆摘要中的路径条件。

4. 基于程序依赖图的稀疏分析算法

Pinpoint中提到的方法需要缓存大量的路径条件，进行大量的条件克隆。作者的方法在这两方面进行了改进。

作者可以在程序依赖图上遍历感兴趣的控制流路径之后，直接生成逻辑公式。下面是函数内逻辑公式生成规则：
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看起来比较直观。规则(1)(2)(3)用于切片，实际上就是求数据依赖和控制依赖的传递闭包，其中Xd用于切掉没必要的节点。(4)(5)(6)就是将程序语句转换为逻辑公式，看起来也比较容易理解。这里不细展开。

下面是函数间逻辑公式生成的规则，也比较简单，就是将形参-实参，返回值和reciever作逻辑相等。
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优化后的算法如下，可以看到，Value Flow Summary不再需要缓存大量的路径条件，因为可以直接遍历得到。Return Value Summary也可以直接去掉。同时，不需要再进行大量的路径条件克隆。
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下面是整个算法大的执行框架，它由于直接在程序依赖图上进行SMT求解，可以进行很多求解前的预处理优化，具体相关的优化，这里不详细展开，论文也没有细讲。