[发明专利]一种基于抽象解释和模型验证的运行时错误分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于抽象解释和模型验证的运行时错误分析方法，属于软件测试技术领域。

背景技术

软件规模的不断扩大及复杂性的不断提升不仅给软件开发带来了更多的困难，也给软件测试带来了更大的挑战。即使经过严格的软件测试，也不能保证其内部没有错误。其中，有一类错误是在特定的运行时条件下才可能出现的，简称“运行时错误”。运行时错误是所有软件错误中最具风险的，同时也是最难发现的，其隐藏在代码中，传统的软件测试技术很难发现这些错误。因而，某些软件表面上能正常运行，但实际上可能会导致意外的系统故障。对于航空航天、汽车以及医疗设备等安全级别要求非常高的系统来说，一旦出现这样的运行时错误，损失就是不可估量的。

所有运行时错误类别中，有四种类别可以归纳为程序变量值范围的分析，包括数组越界、除零操作、负数开偶次方、整数和浮点数的上溢出/下溢出四种运行时错误，简称“数值型运行时错误”。目前，形式化的分析方法是检查数值型运行时错误最为有效的方法，包括抽象解释和模型验证等。其中，基于抽象解释的程序值变量分析能够稳定的分析程序中各程序点处的变量值范围，从而检测可能存在的运行时错误。另外，模型检验也是运行时错误检查方法中分析精度较高的一种，它通过穷尽程序状态，搜索满足验证属性的状态，而且对于违反属性的状态能够给出相应的反例路径。

但是，抽象解释和模型验证都有各自的缺点：1.在基于抽象解释的程序值变量分析过程中，对于循环语句中的值范围分析，为了使循环迭代能够保证收敛，一般使用拓宽算子来实现，但拓宽运算带来了计算精度的巨大损失。2.对于大规模程序，模型验证需要验证的属性数量庞大，验证效率低，而且对于无穷系统会导致状态空间爆炸。为了解决上面提到的抽象解释和模型验证各自的局限性问题，需要对循环语句分析和模型验证做相应的改进，将两者有机的结合在一起，从而在分析精度和分析效率之间找到一个平衡点。

发明内容

本发明的技术解决的问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于抽象解释和模型验证的运行时错误分析方法，实现了在运行时错误分析的精度和效率之间取得一个平衡点。

本发明的技术解决方案是：

一种基于抽象解释和模型验证的运行时错误分析方法包括以下步骤：

（1）构造待分析程序的控制流图；

（2）从该控制流图的入口点开始，根据控制流图的迁移方向利用区间域基本操作计算程序中各节点处的变量值范围；

（3）当程序中各节点的变量值范围稳定时，变量值范围计算终止，所述变量值范围计算过程采用迭代计算的方法计算程序中出现的循环节点；

（4）根据待分析的运行时错误类型，在待分析程序中需要检测的节点处将变量值范围信息转化为断言或假设并插入程序中；所述的运行时错误类型包括除零操作、数组越界、负数开偶次方和数值溢出；

（5）将步骤（4）中带有断言和假设的程序转化为布尔公式，所述的布尔公式包括限制条件和属性，其中限制条件为程序的各赋值语句和假设，属性为断言；

（6）利用SAT验证器判断步骤（5）中布尔公式中属性的正确性，若验证正确，则进入步骤（7），否则说明存在该类运行时错误并提供相关的反例路径；

（7）说明不存在该类运行时错误，结束分析过程。

所述步骤（2）中区间域的基本操作包括区间域加、减、乘、除、交、并和拓宽。

所述步骤（3）中循环节点的迭代计算采用循环展开和延迟拓宽相结合的方法实现：首先通过预先设置循环展开次数，将计算出的变量的新值替换前一次计算出的旧值，在迭代计算到达设定的展开次数之后再设置一定延迟次数，在给定的延迟次数内将每次计算后的变量的新值与前一次计算的旧值求并运算，最终循环迭代次数达到设置的延迟次数之后进行拓宽运算。

所述步骤（4）中运行时错误类型分析方法如下；

（1）除零运算：在进行除法运算的程序节点处，判断除数变量取值范围是否包含0，如果包含则插入该变量不为0的断言assert（变量！=0），否则不插入断言，同时在该程序节点处以assume（）的形式插入除数变量的值范围信息；

（2）数组越界：判断数组下标变量值范围是否落于数组最大界和最小界之内，如果大于最大界，则插入该变量小于最大界的断言assert（变量<最大界）；如果小于最小界，则插入该变量大于最小界的断言assert（变量>最小界）；否则不插入断言，同时在该程序节点处以assume（）形式插入数组下标变量的值范围信息；