Использование статического и динамического анализа для повышения качества продукции и эффективности разработки

Тодд Лендри (Todd Landry)
Klocwork
[email protected]

Введение

При статическом анализе (static analysis) можно обнаружить много разнообразных дефектов и слабых мест исходного кода даже до того, как код будет готов для запуска. С другой стороны, динамический анализ (runtime analysis), или анализ во время выполнения, происходит на работающем программном обеспечении и обнаруживает проблемы по мере их возникновения, обычно используя сложные инструментальные средства. Кто-то может возразить, что одна форма анализа предваряет другую, но разработчики могут комбинировать оба способа для ускорения процессов разработки и тестирования, а также для повышения качества выдаваемого продукта.

В данной статье вначале рассматривается метод статического анализа. С его помощью можно предотвратить проблемы до их проникновения в состав основного программного кода и гарантировать, что новый код соответствует стандарту. Используя разные техники анализа, например, проверку абстрактного синтаксического дерева (abstract syntax tree, AST) и анализ кодовых путей, инструменты статического анализа могут выявить скрытые уязвимости, логические ошибки, дефекты реализации и другие проблемы. Это может происходить как на этапе разработки на каждом рабочем месте, так и во время компоновки системы. Далее в статье исследуется метод динамического анализа, который можно использовать на этапе разработки модулей и системной интеграции и который позволяет выявить проблемы, пропущенные при статическом анализе. При динамическом анализе не только обнаруживаются ошибки, связанные с указателями и другими некорректностями, но и есть возможность также оптимизировать использование циклов ЦПУ, ОЗУ, флеш-памяти и других ресурсов.

В статье обсуждаются также варианты комбинирования статического и динамического анализа, что поможет предотвращать возврат к более ранним этапам разработки по мере "созревания" продукта. Такой подход с использованием сразу двух методик помогает избежать проявления большинства проблем еще на ранних этапах разработки, когда их легче и дешевле всего исправить.

Объединяя лучшее из двух миров

Инструменты статического анализа находят программные ошибки еще на ранней фазе создания проекта, обычно перед тем, как создается исполняемый файл. Такое раннее обнаружение особенно полезно для проектов больших встраиваемых систем, где разработчики не могут использоваться средства динамического анализа до тех пор, пока программное обеспечение не будет завершено настолько, чтобы его было можно запустить на целевой системе.

На этапе статического анализа обнаруживаются и описываются области исходного кода со слабыми местами, включая скрытые уязвимости, логические ошибки, дефекты реализации, некорректности при выполнении параллельных операций, редко возникающие граничные условия и многие другие проблемы. Например, инструменты статического анализа Klocwork Insight выполняют глубокий анализ исходного кода на синтаксическом и семантическом уровнях. Эти инструментальные средства выполняют также сложный межпроцедурный анализ управляющих потоков и потоков данных и используют усовершенствованную технику отсекания ложных путей, оценивают значения, которые будут принимать переменные и моделируют потенциальное поведение программы во время исполнения.

Разработчики могут использовать инструменты статического анализа в любое время на этапе разработки, даже когда написаны лишь фрагменты проекта. Однако чем более завершенным является код, тем лучше. При статическом анализе могут просматриваться все потенциальные пути исполнения кода – при обычном тестировании такое происходит редко, если только в проекте не требуется обеспечения 100%-го покрытия кода. Например, при статическом анализе можно обнаружить программные ошибки, связанные с краевыми условиями или ошибками путей, не тестируемыми во время разработки.

Поскольку во время статического анализа делается попытка предсказать поведение программы, основанное на модели исходного кода, то иногда обнаруживается "ошибка", которой фактически не существует – это так называемое "ложное срабатывание" (false positive). Многие современные средства статического анализа реализуют улучшенную технику, чтобы избежать подобной проблемы и выполнить исключительно точный анализ.

Таблица 1 — Аргументы "за" и "против" статического анализа.

Инструменты динамического анализа обнаруживают программные ошибки в коде, запущенном на исполнение. При этом разработчик имеет возможность наблюдать или диагностировать поведение приложения во время его исполнения, в идеальном случае – непосредственно в целевой среде.

Во многих случаях в инструменте динамического анализа производится модификация исходного или бинарного кода приложения, чтобы установить ловушки, или процедуры-перехватчики (hooks), для проведения инструментальных измерений. C помощью этих ловушек можно обнаружить программные ошибки на этапе выполнения, проанализировать использование памяти, покрытие кода и проверить другие условия. Инструменты динамического анализа могут генерировать точную информацию о состоянии стека, что позволяет отладчикам отыскать причину ошибки. Поэтому, когда инструменты динамического анализа находят ошибку, то, скорее всего, это настоящая ошибка, которую программист может быстро идентифицировать и исправить. Следует заметить, что для создания ошибочной ситуации на этапе выполнения должны существовать точно необходимые условия, при которых проявляется программная ошибка. Соответственно, разработчики должны создать некоторый контрольный пример для реализации конкретного сценария.

Таблица 2 — Аргументы "за" и "против" динамического анализа.

Раннее обнаружение ошибок для уменьшения затрат на разработку

Чем раньше обнаруживается программная ошибка, тем быстрее и дешевле ее можно исправить. Поэтому инструменты статического и динамического анализа представляют реальную ценность, обеспечивая поиск ошибок на ранних этапах жизненного цикла программного обеспечения. Различные исследования промышленных продуктов показывают, что коррекция проблемы на этапе тестирования системы (для подтверждения качества ее работы, QA) или уже после поставки системы оказывается на несколько порядков более дорогостоящей, чем устранение тех же проблем на этапе разработки программного обеспечения. Многие организации имеют свои оценочные показатели относительно затрат на устранение дефектов. На рис. 1 приведены данные по обсуждаемой проблеме, взятые из часто цитируемой книги Каперса Джонса (Capers Jones) "Applied Software Measurement" ("Прикладные измерения программного обеспечения").

Рис. 1 — По мере продвижения проекта стоимость устранения дефектов программного обеспечения может экспоненциально возрастать. Инструменты статического и динамического анализа помогают предотвратить эти затраты благодаря обнаружению программных ошибок на ранних этапах жизненного цикла программного обеспечения.

Статический анализ

Статический анализ используется в практике программных разработок почти столь же долго, как существует сама разработка программного обеспечения. В своем первоначальном виде анализ сводился к контролю соответствия стандартам стиля программирования (lint). Разработчики пользовались этим непосредственно на своем рабочем месте. Когда дело доходило до обнаружения программных ошибок, то в ранних инструментах статического анализа основное внимание обращалось на то, что лежит на поверхности: стиль программирования и часто возникающие синтаксические ошибки. Например, даже самые простейшие инструменты статического анализа смогут обнаружить ошибку такого рода:

int foo(int x, int* ptr) {
    if( x & 1 ); {
        *ptr = x;
        return;
    }
    ...
}

Здесь ошибочное употребление лишней точки с запятой приводит к потенциально катастрофическим результатам: указатель входного параметра функции переопределяется при неожидаемых условиях. Указатель переопределяется всегда, вне зависимости от проверяемого условия.

Ранние инструменты анализа обращали внимание, главным образом, на синтаксические ошибки. Поэтому, хотя при этом и можно было обнаружить серьезные ошибки, все же большинство обнаруживаемых проблем оказывались относительно тривиальными. Кроме того, для инструментов предоставлялся достаточно небольшой кодовый контекст, чтобы можно было ожидать точных результатов. Это происходило потому, что работа проводилась в течение типичного цикла компиляции/компоновки при разработке, а то, что делал разработчик, представляло собой лишь маленькую частицу кода большой программной системы. Такой недостаток приводил к тому, что в инструменты анализа закладывались оценки и гипотезы относительно того, что может происходить за пределами "песочницы" разработчика. А это, в свою очередь, приводило к генерации повышенного объема отчетов с "ложными срабатываниями".

Следующие поколения инструментов статического анализа обращали внимание на эти недостатки и расширяли сферу своего влияния за пределы синтаксического и семантического анализа. В новых инструментах строилось расширенное представление или модель создаваемого кода (нечто похожее на фазу компиляции), а далее моделировались все возможные пути исполнения кода в соответствии с моделью. Далее производилось отображение на эти пути логических потоков с одновременным контролем того, как и где создаются, используются и уничтожаются объекты данных. В процессе анализа программных модулей могут подключаться процедуры анализа межпроцедурного управления и потока данных. При этом также минимизируются "ложные срабатывания" за счет использования новых подходов для отсекания ложных путей, оценки значений, которые могут принимать переменные, моделирования потенциального поведения при работе в реальном времени. Для генерации данных такого уровня в инструментах статического анализа необходимо анализировать всю кодовую базу проекта, проводить интегральную системную компоновку, а не просто работать с результатами, получаемыми в "песочнице" на рабочем столе разработчика.

Для выполнения таких изощренных форм анализа в инструментах статического анализа имеют дело с двумя основными типами проверок кода:

• Проверка абстрактного синтаксического дерева — для проверки базового синтаксиса и структуры кода.
• Анализ кодовых путей — для выполнения более полного анализа, который зависит от понимания состояния программных объектов данных в конкретной точке на пути исполнения кода.

Абстрактные синтаксические деревья

Абстрактное синтаксическое дерево просто является представлением исходного кода в виде древовидной структуры, как это может генерироваться на предварительных стадиях работы компилятора. Дерево содержит подробное однозначное разложение структуры кода, дающее возможность инструментам выполнить простой поиск аномальных мест синтаксиса.

Очень просто построить программу контроля, которая проверяет соблюдение стандартов относительно соглашения по присваиванию имен и ограничений по функциональным вызовам, например, контроль небезопасных библиотек. Цель выполнения проверок по AST обычно состоит в получении каких-либо логических выводов на основании кода как такового без использования знаний о поведении кода в процессе исполнения.

Многие инструменты предлагают проверки на основе AST для множества языков, включая инструменты с открытым исходным кодом, например, PMD для Java. Некоторые инструменты используют грамматику Х-путей или производную от Х-путей грамматику, чтобы определять условия, которые представляют интерес для программ контроля. Другие инструменты предоставляют расширенные механизмы, дающие возможность пользователям создавать свои собственные программы проверки на основе AST. Такой тип проверки относительно просто проводить, и многие организации создают новые программы проверки такого типа, чтобы проверить соблюдение корпоративных стандартов написания кода или рекомендованных по отрасли лучших методов организации работ.

Анализ кодовых путей

Рассмотрим более сложный пример. Теперь вместо поиска случаев нарушения стиля программирования мы хотим проверить, приведет ли предпринятая попытка разыменования указателя к правильной работе или к сбою:

if( x & 1 )
	ptr = NULL;
*ptr = 1;

Поверхностное рассмотрение фрагмента приводит к очевидному выводу, что переменная ptr может принимать значение NULL, если переменная x – нечетна, и это условие при разыменовании неизбежно приведет к обращению к нулевой странице. Тем не менее, при создании программы проверки на основе AST найти такую программную ошибку весьма проблематично. Рассмотрим дерево AST (в упрощенном виде для ясности), которое было бы создано для приведенного выше фрагмента кода:

Statement Block
	If-statement
		Check-Expression
			Binary-operator &
				x
				1
		True-Branch
			Expression-statement
				Assignment-operator =
					ptr
					0
	Expression-statement
		Assignment-operator =
			Dereference-pointer - ptr
			1

При анализе кодовых путей прослеживаются объекты внутри путей исполнения, в результате чего программы проверки могут определить, насколько четко и корректно используются данные. Использование анализа кодовых путей расширяет круг вопросов, на которые могут быть получены ответы в процессе проведения статического анализа. Вместо того чтобы просто анализировать правильность написания кода программы, при анализе кодовых путей делается попытка определить "намерения" кода и проверить, написан ли код в соответствии с этими намерениями. При этом могут быть получены ответы на следующие вопросы:

• Не был ли вновь созданный объект освобожден прежде, чем из области видимости были удалены все обращающиеся к нему ссылки?
• Проводилась ли для некоторого объекта данных проверка разрешенного диапазона значений, прежде чем объект передается функции ОС?
• Проверялась ли строка символов на наличие в ней специальных символов перед передачей этой строки в качестве SQL-запроса?
• Не приведет ли операция копирования к переполнению буфера?
• Безопасно ли в данное время вызывать эту функцию?

Посредством подобного анализа путей исполнения кода, как в прямом направлении от запуска события к целевому сценарию, так и в обратном направлении от запуска события к требуемой инициализации данных, инструментальное средство сможет дать ответы на поставленные вопросы и выдать отчет об ошибках в случае, если целевой сценарий или инициализация исполняются или не исполняются так, как ожидается.

Реализация подобной возможности существенна для выполнения расширенного анализа исходного кода. Поэтому разработчики должны искать инструменты, в которых используется расширенный анализ кодовых путей для обнаружения утечек памяти, неправильного разыменования указателей, передачи небезопасных или неправильных данных, нарушений параллелизма и многих других условий, приводящих к возникновению проблем.

Последовательность действий при выполнении статического анализа

При статическом анализе могут быть обнаружены проблемы в двух ключевых точках процесса разработки: во время написания программе на рабочем месте и на этапе системной компоновки. Как уже говорилось, текущее поколение инструментальных средств работает, главным образом, на этапе системной компоновки, когда есть возможность проанализировать кодовый поток всей системы в целом, что приводит к весьма точным диагностическим результатам.

Уникальный в своем роде продукт Klocwork Insight позволяет проводить анализ кода, создаваемого на рабочем месте конкретного разработчика, при этом избегать проблем, связанных с неточностью диагностики, что обычно свойственно инструментам подобного рода. Компания Klocwork предоставляет возможность проведения связного анализа кода на рабочем месте (Connected Desktop Analysis), когда выполняется анализ кода разработчика с учетом понимания всех системных зависимостей. Это приводит к проведению локального анализа, который является в такой же мере точным и мощным, как и централизованный системный анализ, но все это выполняется до полной сборки кода.

С точки зрения перспектив относительно последовательности действий при анализе, данная способность позволяет разработчику провести точный и высококачественный статический анализ на самом раннем этапе жизненного цикла разработки. Инструмент Klockwork Insight выдает в интегрированную среду разработчика (IDE) или в командную строку сообщения по всем проблемам по мере написания разработчиком кода и периодического выполнения им операций компиляции/компоновки. Выдача таких сообщений и отчетов происходит до выполнения динамического анализа и до того, как все разработчики сведут свои коды воедино.

Инструмент Klockwork Insight обеспечивает проведение анализа кода на рабочем месте, позволяя разработчикам устранить критические ошибки и уязвимости до полной сборки всего кода.	Инструмент Klockwork Insight интегрируется в среду компоновки для выполнения статического анализа с учетом перспектив работы в составе системы. В результате система обеспечения качества (QA) может тестировать код с меньшим количеством ошибок, больше обращая внимание на функциональные проблемы.

Технология динамического анализа

Для обнаружения программных ошибок в инструментах динамического анализа часто производится вставка небольших фрагментов кода либо непосредственно в исходный текст программы (вставка в исходный код), либо в исполняемый код (вставка в объектный код). В таких кодовых сегментах выполняется "санитарная проверка" состояния программы и выдается отчет об ошибках, если обнаруживается что-то некорректное или неработоспособное. В таких инструментах могут быть задействованы и другие функции, например, отслеживание распределения памяти и ее использования во времени.

Технология динамического анализа включает в себя:

• Размещение вставок в исходный код на этапе препроцессорной обработки – в исходный текст приложения до начала компиляции вставляется специальный фрагмент кода для обнаружения ошибок. При таком подходе не требуется детального знания среды исполнения, в результате чего такой метод пользуется популярностью среди инструментов тестирования и анализа встраиваемых систем. В качестве примера такого инструмента можно привести продукт IBM Rational Test RealTime.
• Размещение вставок в объектный код – для такого инструмента динамического анализа необходимо обладать достаточными знаниями относительно среды исполнения, чтобы иметь возможность вставлять код непосредственно в исполняемые файлы и библиотеки. При этом подходе не нужно иметь доступа к исходному тексту программы или делать перекомпоновку приложения. В качестве примера такого инструмента можно привести продукт IBM Rational Purify.
• Вставка кода во время компиляции – разработчик использует специальные ключи (опции) компилятора для внедрения в исходный код. Используется способность компилятора обнаруживать ошибки. Например, в компиляторе GNU C/C++ 4.x используется технология Mudflap для выявления проблем, касающихся операций с указателями.
• Специализированные библиотеки этапа исполнения – для обнаружения ошибок в передаваемых параметрах разработчик использует отладочные версии системных библиотек. Дурной славой пользуются функции типа strcpy() из-за возможности появления нулевых или ошибочных указателей во время исполнения. При использовании отладочных версий библиотек такие "плохие" параметры обнаруживаются. Данная технология не требует перекомпоновки приложения и в меньшей степени влияет на производительность, чем полноценное использование вставок в исходный/объектный код. Данная технология используется в инструменте анализа ОЗУ в QNX® Momentics® IDE.

В данной статье мы рассмотрим технологии, используемые в инструментах разработчика QNX Momentics, особенно обращая внимание на GCC Mudflap и специализированные библиотеки этапа исполнения.

GNU C/C++ Mudflap: внедрение в исходный код на этапе компиляции

В инструментальном средстве Mudflap, присутствующем в версии 4.х компилятора GNU C/C++ (GCC), используется внедрение в исходный код во время компиляции. При этом во время исполнения происходит проверка конструкций, потенциально несущих в себе возможность появления ошибок. Основное внимание в средстве Mudflap обращается на операции с указателями, поскольку они являются источником многих ошибок на этапе выполнения для программ, написанных на языках C и C++.

С подключением средства Mudflap в работе компилятора GCC появляется еще один проход, когда вставляется проверочный код для операций с указателями. Вставляемый код обычно выполняет проверку на достоверность значений передаваемых указателей. Неправильные значения указателей приведут к выдаче компилятором GCC сообщений на стандартное устройство выдачи ошибок консоли (stderr). Средство Mudflap для контроля за указателями не просто проверяет указатели на нулевое значение: в его базе данных хранятся адреса памяти для действительных объектов и свойства объектов, например, местоположение в исходном коде, метка даты/времени, обратная трассировка стека при выделении и освобождении памяти. Такая база данных позволяет быстро получить необходимые данные при анализе операций доступа к памяти в исходном коде программы.

В библиотечных функциях, подобных strcpy(), не выполняется проверка передаваемых параметров. Такие функции не проверяются и средством Mudflap. Тем не менее, в Mudflap можно создать символьную оболочку (symbol wrapper) для статически подключаемых библиотек или вставку для динамических библиотек. При такой технологии между приложением и библиотекой создается дополнительный слой, что дает возможность провести проверку достоверности параметров и выдать сообщение о проявлении отклонений. В средстве Mudflap используется эвристический алгоритм, основанный на знании границ памяти, используемых приложением (динамическая память, стек, сегменты кода и данных и т.д.), чтобы определить правильность значений возвращаемых указателей.

Используя ключи командной строки компилятора GCC, разработчик может подключить возможности Mudflap для вставки кодовых фрагментов и управления поведением, например, управление нарушениями (границ, значений), проведение дополнительных проверок и настроек, подключение эвристических методов и самодиагностики. Например, комбинация ключей -fmudflap устанавливает конфигурацию Mudflap по умолчанию. Сообщения компилятора о выявленных средством Mudflap нарушениях выдаются на выходную консоль (stderr) или в командную строку. В подробном выводе предоставляется информация о нарушении и о задействованных при этом переменных, функциях, а также о местонахождении кода. Эта информация может автоматически импортироваться в среду IDE, где происходит ее визуализация, и выполняется трассировка стека. Пользуясь этими данными, разработчик может быстро перейти к соответствующему месту исходного кода программы.

На рис. 3 показан пример представления ошибки в среде IDE вместе с соответствующей информацией по обратной трассировке. Обратная трассировка работает как связующее звено с исходным кодом, что позволяет разработчику быстро диагностировать причину проблемы.

При использовании средства Mudflap может возрасти время на компоновку, и может уменьшиться производительность во время исполнения. Данные, представленные в статье “Mudflap: Pointer Use Checking for C/C++” [1] ("Средство Mudflap: проверка использования указателей для языков C/C++”) говорят о том, что с подключением Mudflap время компоновки возрастает в 3…5 раз, а программа начинает работать медленнее в 1.25 … 5 раз. Совершенно ясно, что разработчики критических по времени исполнения приложений должны пользоваться эти средством с осторожностью. Тем не менее Mudflap является мощным средством для выявления подверженных ошибкам и потенциально фатальных кодовых конструкций. Компания QNX планирует использовать средство Mudflap в будущих версиях своих инструментов динамического анализа.

Рис. 3 — Использование информации обратной трассировки, отображаемой в среде QNX Momentics IDE для поиска исходного кода, приведшего к ошибке.

Отладочные версии библиотек этапа исполнения

Наряду с использованием специальных отладочных вставок в библиотеки этапа исполнения, которые приводят к значительным дополнительным расходам памяти и времени на этапах компоновки и исполнения, разработчики могут использовать предварительно подготовленные (pre-instrumented) библиотеки этапа исполнения. В таких библиотеках вокруг функциональных вызовов добавляется определенный код, цель которого состоит в проверке достоверности входных параметров. Например, рассмотрим старую знакомую – функцию копирования строк:

       strcpy(a,b);

В ней участвуют два параметра, оба являющиеся указателями на тип char: один для исходной строки (b), а другой для строки-результата (a). Несмотря на такую простоту, эта функция может являться источником множества ошибок:

• если значение указателя a равно нулю или является недействительным, то копирование по этому адресу назначения приведет к ошибке запрета доступа к памяти;
• если значение указателя b равно нулю или является недействительным, то чтение информации с этого адреса приведет к ошибке запрета доступа к памяти;
• если в конце строки b пропущен завершающий строку символ '0', то в строку назначения будет скопировано большее число символов, чем ожидается;
• если размер строки b больше размера памяти, выделенного под строку a, то по указанному адресу будет записано больше байт, чем предполагалось (типичный сценарий переполнения буфера).

В отладочной версии библиотеки производится проверка значений параметров ‘a’ и ‘b’. Проверяются также длины строк, чтобы убедиться в их совместимости. Если обнаруживается недействительный параметр, то выдается соответствующее аварийное сообщение. В среде QNX Momentics данные сообщения об ошибках импортируются из целевой системы и выводятся на экран. В среде QNX Momentics используется также технология слежениями за случаями выделения и освобождения памяти, что дает возможность выполнять глубокий анализ использования ОЗУ.

Отладочная версия библиотеки будет работать с любым приложением, в котором используются ее функции; не нужно вносить никаких дополнительных изменений в код. Более того, разработчик может добавить библиотеку во время запуска приложения. Тогда библиотека заменит соответствующие части полной стандартной библиотеки, устраняя необходимость использовать отладочную версию полной библиотеки. В среде QNX Momentics IDE разработчик может добавить такую библиотеку при запуске программы как элемент нормального интерактивного сеанса отладки. На рис. 4 показан пример того, как в среде QNX Momentics происходит обнаружение и выдача сообщений об ошибках работы с памятью.

В отладочных версиях библиотек предоставляется проверенный "неагрессивный" метод обнаружения ошибок при вызовах библиотечных функций. Такая технология идеальна для анализа ОЗУ и для других методов анализа, которые зависят от согласованных пар вызовов, например, malloc() и free(). Другими словами, данная технология может обнаруживать ошибки на этапе исполнения только для кодов с библиотечными вызовами. При этом не обнаруживаются многие типичные ошибки, такие как встроенный код разыменования ссылки (inline pointer dereferences) или некорректные арифметические операции с указателями. Обычно при отладке осуществляется контроль только некоторого подмножества системных вызовов. Подробнее с этим можно познакомиться в статье [2].

Рис. 4 — Анализ ОЗУ происходит путем расстановки ловушек в области вызовов API, связанных с обращением к памяти.

Последовательность действий при динамическом анализе

Если говорить кратко, то динамический анализ включает в себя захват событий о нарушениях или других значительных событиях во встраиваемой целевой системе, импорт этой информации в среду разработки, после чего используются средства визуализации для быстрой идентификации содержащих ошибку участков кода.

Как показано на рис. 5, динамический анализ не только позволяет обнаружить ошибки, но и помогает обратить внимание разработчика на подробности расходования памяти, циклов ЦПУ, дискового пространства и других ресурсов. Процесс анализа состоит из нескольких шагов, и хороший инструмент для динамического анализа предоставляет надежную поддержку каждого шага:

1. Наблюдение – прежде всего, происходит захват ошибок среды выполнения, обнаружение мест утечки памяти и отображение всех результатов в среде IDE.
2. Корректировка – далее разработчик имеет возможность провести трассировку каждой ошибки назад до нарушающей работу строки исходного текста. При хорошей интеграции в среду IDE каждая ошибка будет отображаться на экране. Разработчику нужно просто щелкнуть мышью на строке ошибки, и откроется фрагмент исходного кода со строкой, нарушающей работу. Во многих случаях разработчик может быстро устранить проблему, используя доступную трассировку стека и дополнительные инструменты работы с исходным кодом в среде IDE (средства просмотра вызовов функций, средства трассировки вызовов и т.д.).
3. Профилирование – устранив обнаруженные ошибки и утечки памяти, разработчик может проанализировать использование ресурсов во времени, включая пиковые ситуации, среднюю загрузку и избыточное расходование ресурсов. В идеальном случае инструмент анализа выдаст визуальное представление долговременного использования ресурсов, позволяя немедленно идентифицировать всплески в распределении памяти и иные аномалии.
4. Оптимизация – используя информацию этапа профилирования, разработчик может теперь провести "тонкий" анализ использования ресурсов программой. Среди прочего, подобная оптимизация может минимизировать случаи пикового использования ресурсов и их избыточное расходование, включая работу с ОЗУ и использование времени ЦПУ.

Рис. 5 — Типовая последовательность действий при динамическом анализе

Комбинирование последовательности действий различных видов анализа в среде разработки

Каждый из инструментов статического и динамического анализа имеет свои сильные стороны. Соответственно, команды разработчиков должны использовать эти инструменты в тандеме. Например, инструменты статического анализа способны обнаруживать ошибки, которые пропускаются инструментами динамического анализа, потому что инструменты динамического анализа фиксируют ошибку лишь в случае, если во время тестирования ошибочный фрагмент кода исполняется. С другой стороны, инструменты динамического анализа обнаруживают программные ошибки конечного работающего процесса. Вряд ли нужно устраивать дискуссию по поводу ошибки, если уже обнаружено использование указателя с нулевым значением.

В идеальном случае разработчик в ежедневной работе будет использовать оба инструмента анализа. Задача существенно облегчается, если инструменты хорошо интегрированы в среду разработки на рабочем месте.

Вот какой можно предложить пример совместного использования двух видов инструментов:

1. В начале рабочего дня разработчик просматривает отчет о результатах ночной компоновки. В данный отчет включаются как собственно ошибки компоновки, так и результаты статического анализа, проведенного во время компоновки.
2. В отчете по статическому анализу приводятся обнаруженные дефекты наряду с информацией, которая поможет в их устранении, в том числе ссылки на исходный код. Используя среду IDE, разработчик может пометить каждую ситуацию либо как действительно найденную ошибку, либо как "ложное срабатывание". После этого производится исправление фактически присутствующих ошибок.
3. Разработчик локально, внутри среды IDE, сохраняет внесенные изменения вместе с любыми новыми фрагментами кода. Разработчик не передает эти изменения обратно в систему управления исходными текстами до тех пор, пока изменения не будут проанализированы и протестированы.
4. Разработчик анализирует и корректирует новый код, используя инструмент статического анализа на локальном рабочем месте. Для того чтобы быть уверенным в качественном обнаружении ошибок и отсутствии "ложных срабатываний", в анализе используется расширенная информация на уровне системы. Эта информация берется из данных выполненного в ночное время процесса компоновки/анализа.
5. После анализа и "чистки" любого нового кода разработчик встраивает код в локальный тестовый образ или исполняемый файл.
6. Используя инструменты динамического анализа, разработчик запускает тесты для проверки внесенных изменений.
7. С помощью среды IDE разработчик может быстро выявить и исправить ошибки, о которых сообщается через инструменты динамического анализа. Код считается окончательным и готовым к использованию, когда он прошел через статический анализ, блочное тестирование и динамический анализ.
8. Разработчик передает изменения в систему управления исходными текстами; после этого измененный код участвует в процессе последующей ночной компоновки.

Подобная последовательность действий похожа на применяемую в проектах среднего и большого размеров, где уже используются ночные компоновки, система управления исходными кодами и персональная ответственность за коды. Поскольку инструменты интегрированы в среду IDE, разработчики быстро выполняют статический и динамический анализ, не отклоняясь от типовой последовательности действий. В результате качество кода существенно возрастает уже на этапе создания исходных текстов.

Роль архитектуры ОСРВ

В рамках дискуссии об инструментах статического и динамического анализа упоминание об архитектуре ОСРВ может показаться неуместным. Но оказывается, что правильно построенная ОСРВ может в значительной степени облегчить обнаружение, локализацию и разрешение многих программных ошибок.

Например, в микроядерной ОСРВ типа QNX Neutrino все приложения, драйверы устройств, файловые системы и сетевые стеки располагаются за пределами ядра в отдельных адресных пространствах. В результате все они оказываются изолированными от ядра и друг от друга. Такой подход обеспечивает наивысшую степень локализации сбоев: отказ одного из компонентов не приводит к краху системы в целом. Более того, оказывается, что можно легко локализовать ошибку, связанную с ОЗУ, или иную логическую ошибку с точностью до компонента, который эту ошибку вызвал.

Например, если драйвер устройства делает попытку доступа к памяти за пределами своего контейнера процесса, то ОС может идентифицировать такой процесс, указать место ошибки и создать дамп-файл, который может быть просмотрен средствами отладки исходного кода. В то же время, остальная часть системы продолжит свою работу, а разработчик может локализовать проблему и заняться ее устранением.

Рис. 6 — В микроядерной ОС сбои в ОЗУ для драйверов, стеков протоколов и других службах не приведут к нарушению работы других процессов или ядра. Более того, ОС может мгновенно обнаружить неразрешенную попытку доступа к памяти и указать, со стороны какого кода предпринята эта попытка.

По сравнению с обычным ядром ОС микроядру свойственно необычайно малое среднее время восстановления после сбоя (Mean Time to Repair, MTTR). Рассмотрим, что происходит при сбое в работе драйвера устройства: ОС может завершить работу драйвера, восстановить используемые драйвером ресурсы и перезапустить драйвер. Обычно на это уходит несколько миллисекунд. В обычной монолитной операционной системе устройство должно быть перезагружено – этот процесс может занять от нескольких секунд до нескольких минут.

Заключительные замечания

Инструменты статического анализа могут обнаруживать программные ошибки еще до того, как код запускается на исполнение. Обнаруживаются даже те ошибки, которые оказываются не выявленными на этапах тестирования блока, системы, а также на этапе интеграции, потому что обеспечить полное покрытие кода для сложных приложений оказывается очень трудно, и это требует значительных затрат. Кроме того, команды разработчиков могут использовать инструменты статического анализа во время регулярных компоновок системы, чтобы быть уверенным в том, что проанализирован каждый участок нового кода.

Между тем, инструменты динамического анализа поддерживают этапы интеграции и тестирования, сообщая в среду разработки об ошибках (или потенциальных проблемах), возникающих при исполнении программы. Эти инструменты предоставляют также полную информацию по обратной трассировке до места возникновения ошибки. Используя эту информацию, разработчики могут выполнить "посмертную" отладку таинственного отказа программы или краха системы за значительно меньший интервал времени. При динамическом анализе через трассировку стека и переменных могут быть выявлены основополагающие причины проблемы – эта лучше, чем повсеместно использовать операторы “if (ptr != NULL)” для предотвращения и обхода аварийных ситуаций.

Использование раннего обнаружения, лучшего и полного тестового покрытия кода совместно с коррекцией ошибок помогает разработчикам создавать программное обеспечение лучшего качества и в более короткие сроки.

Библиография

• Eigler, Frank Ch., “Mudflap: Pointer Use Checking for C/C++”, Proceedings of the GCC Developers Summit 2003, pg. 57-70. http://www.linux.org.uk/~ajh/gcc/gccsummit-2003-proceedings.pdf
• “Heap Analysis: Making Memory Errors a Thing of the Past”, QNX Neutrino RTOS Programmer’s Guide. http://pegasus.ott.qnx.com/download/download/16853/neutrino_prog.pdf

О компании QNX Software Systems

QNX Software Systems является одной из дочерних компаний Harman International и ведущим глобальным поставщиком инновационных технологий для встраиваемых систем, включая связующее ПО, инструментальные средства разработки и операционные системы. ОСРВ QNX® Neutrino®, комплект разработчика QNX Momentics® и связующее ПО QNX Aviage®, основанные на модульной архитектуре, образуют самый надежный и масштабируемый программный комплекс для создания высокопроизводительных встраиваемых систем. Глобальные компании-лидеры, такие как Cisco, Daimler, General Electric, Lockheed Martin и Siemens, широко используют технологии QNX в сетевых маршрутизаторах, медицинской аппаратуре, телематических блоках автомобилей, системах безопасности и защиты, в промышленных роботах и других приложениях для ответственных и критически важных задач. Головной офис компании находится в г. Оттава (Канада), а дистрибьюторы продукции расположены в более чем 100 странах по всему миру.

О компании Klocwork

Продукты компании Klocwork предназначены для автоматизированного анализа статического кода, выявления и предотвращения дефектов программного обеспечения и проблем безопасности. Наша продукция предоставляет коллективам разработчиков инструментарий для выявления коренных причин недостатков качества и безопасности программного обеспечения, для отслеживания и предотвращения этих недостатков на протяжении всего процесса разработки. Запатентованная технология компании Klocwork была создана в 1996 г. и обеспечила высокий коэффициент окупаемости инвестиций (ROI) для более чем 80 клиентов, многие из которых входят в рейтинг крупнейших 500 компаний журнала Fortune и предлагают среды разработки программного обеспечения, пользующиеся наибольшим спросом в мире. Klocwork является частной компанией и имеет офисы в Берлингтоне, Сан Хосе, Чикаго, Далласе (США) и Оттаве (Канада).