程序切片技术在并发程序模型检查中的应用

模型检查技术在硬件和协议设计方面已经取得很大成功,但在软件验证方面仍存在很多困难.其主要问题是如何从源代码中自动抽取验证所要模型并精简其状态空间.文中通过对程序切片技术的研究,来解决并发程序验证的建模问题,包括把验证公式映射到切片准则,并把得到的程序切片转化为验证所需的模型.经程序切片处理后,软件模型检查效率得到提高.     

程序切片技术在并发程序模型检查中的应用

模型检查技术在硬件和协议设计方面已经取得很大成功,但在软件验证方面仍存在很多困难。其主要问题是如何从源代码中自动抽取验证所要模型并精简其状态空间。文中通过对程序切片技术的研究,来解决并发程序验证的建模问题,包括把验证公式映射到切片准则．并把得到的程序切片转化为验证所需的模型。经程序切片处理后,软件模型检查效率得到提高。     

互斥并发程序的程序切片算法研究

程序切片是一种重要的程序分析技术,随着并行技术在越来越多的程序中得到运用,需要将以往多用于顺序程序的程序切片技术也用于并发程序中。本文在文献[1,2]的基础上考虑到互斥机制作用,改进了原来的并发程序的切片算法,使之适用于互斥机制的并发程序。     

一种改进的并发程序静态切片算法

分析了Krinke切片算法对循环体内嵌套有线程的程序结构会产生切片不精确的现象,认为其原因是该算法对线程间数据依赖的定义过于粗糙,且对程序行为约束不够。该文提出一种新算法,在并发程序内部表示中,增加跨线程边界循环-承载数据依赖,并引入区域化执行证据约束程序行为。实例研究表明,该算法克服了Krinke算法的不精确现象。     

一种基于LTL性质的面向对象并发程序切片方法

为了缩减程序验证的状态空间,针对面向对象程序的并发机制,定义了程序中存在的依赖关系,提出一种从待验证的线性时序逻辑(LTL)性质中提取出切片准则对程序进行切片的方法。切片后的程序与原程序对待验证的LTL性质具有相同的可满足性,而其对应的状态转换图中的状态个数明显减少。     

并发程序切片原型系统的设计与实现

并发程序切片是并发程序分析的一种重要手段。针对多线程共享变量通信机制,在通过程序分析工具CodeSurfer获取程序基本信息的基础上构造程序可达图,生成以程序状态和语句二元组为节点的并发程序依赖图,实现了基于程序可达图的并发程序切片原型系统。初步实验结果表明,与传统的切片方法相比,采用基于程序可达图的并发程序切片方法,可有效地解决依赖关系不可传递问题,获得高精度的并发程序切片。     

基于偏序约简程序可达图的并发程序切片方法

并发程序切片是一种重要的并发程序分析手段.基于程序可达图可构造以程序状态和语句二元组为节点的、依赖关系具有可传递性的并发程序依赖图,解决依赖关系的不可传递性问题,提高切片精度.程序可达图通过交织执行模拟并发活动,分析代价较高.偏序约简是一种十分有效的并发系统状态空间约简技术,约简的并发系统状态空间包含所有的并发程序执行代表.为提高效率,该文将偏序约简技术扩展到程序可达图的约简中,在偏序约简理论的基础上,证明了基于未约简和约简的并发程序可达图构造的并发程序依赖图在进行切片计算时是等价的.实验结果表明,采用偏序约简技术使基于程序可达图的并发程序切片方法在保证切片精度不受损失的前提下显著提高切片效率.与其它高精度切片方法相比,基于约简程序可达图的切片方法的精度更高,在大多数情况下,切片效率也有一定提高.     

基于Java内存模型的并发程序模型检测

为了提高性能,Java内存模型允许编译器在优化过程中改变代码的执行顺序,同时该技术也会造成共享数据的更新顺序与本来的执行顺序不同。在多线程Java并发程序中,这些代码乱序执行会引起很多难以发现的错误。现有的Java程序模型检测技术并没有考虑这些顺序改变的问题。因此,本文提出了一种建立包含多线程交互及线程内代码乱序执行的完整模型,并利用模型检测工具进行穷举检测的算法。该算法可以发现原有技术无法发现的新问题,更好地检测高可靠性要求的Java并发程序。     

并发程序中数据竞争检测方法

针对数据竞争检测过程中的误报和漏报问题，提出一种静态数据竞争检测方法。首先，使用控制流分析自动构造线程内和线程间函数调用图；然后，收集线程内变量访问事件信息，定义竞争产生条件并分析检测出所有可能的竞争；其次，为了提高检测的准确率，进行别名变量和别名锁的分析降低漏报和误报；最后，通过控制流分析来抽象访问事件之间的时序关系，并结合程序切片技术对访问事件的发生序关系进行判断，以此避免因忽略线程交互带来的误报。依据该方法，使用Java语言在Soot软件分析框架下实现了一个数据竞争检测工具。在实验中，对JGF和IBM Contest基准测试套件中的raytracer和airline等程序进行数据竞争检测，并与目前已有的数据竞争检测算法和工具（HB算法和RVPredict）进行对比。实验结果表明，与HB算法和RVPredict工具相比，该方法检测到的数据竞争总数分别增加了81%和16%，数据竞争检测的准确率分别提升了约14%和19%，有效地避免了数据竞争检测中的漏报和误报现象。     

对Java并发程序进行模型检测

随着多核处理器的发展,多线程并发程序成为现代程序设计的趋势.但并发线程的执行存在不确定性,传统的测试方法很难发现这类错误.针时这个问题,提出了一种直接分析Java源代码,从中提取并发程序模型的方法;并以此方法为基础开发了工具JTS(Java to SPIN),实现了对Java并发程序的自动化分析和模型检测.实验表明JTS能够成功地检测出Java并发程序中存在的错误并给出相应的错误路径.这项工作给Java并发程序的测试与验证提供了新的途径.     

Low-cost,Concurrent Checking of Pointer and Array Accesses in C Programs

Illegal pointer and array accesses are a major cause of failure for C programs. We present a technique called ‘guarding’ to catch illegal array and pointer accesses. Our implementation of guarding for C programs works as a source-to-source translator. Auxiliary objects called guards are added to a user program to monitor pointer and array accesses at run time. Guards maintain attributes to catch out of bounds array accesses and accesses to deallocated memory. Our system has found a number of previously unreported errors in widely-used Unix utilities and SPEC92 benchmarks. Many commonly used programs have bugs which may not always manifest themselves as a program crash, but may instead produce a subtly wrong answer. These programs are not routinely checked for run-time errors because the increase in execution time due to run-time checking can be very high. We present two techniques to handle the high cost of run-time checking of pointer and array accesses in C programs: ‘customization’ and ‘shadow processing’. Customization works by decoupling run-time checking from original computation. A user program is customized for guarding by throwing away computation not relevant for guarding. We have explored using program slicing for customization. Customization can cut the overhead of guarding by up to half. Shadow processing uses idle processors in multiprocessor workstations to perform run-time checking in the background. A user program is instrumented to obtain a ‘main process’ and a ‘shadow process’. The main process performs computations from the orignal program, occasionally communicating a few key values to the shadow process. The shadow process follows the main process, checking pointer and array accesses. The overhead to the main process which the user sees is very low – almost always less than 10%. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

A Model for Slicing JAVA Programs Hierarchically

Program slicing can be effectively used to debug, test, analyze, understand and maintain objectoriented software. In this paper, a new slicing model is proposed to slice Java programs based on their inherent hierarchical feature. The main idea of hierarchical slicing is to slice programs in a stepwise way, from package level, to class level, method level, and finally up to statement level. The stepwise slicing algorithm and the related graph reachability algorithms are presented, the architecture of the Java program Analyzing TOol (JATO) based on hierarchical slicing model is provided, the applications and a small case study are also discussed.     

基于特征切片的软件产品线模型检测

特征模型是一种描述软件产品线中共性和可变性特征的通用形式。特征模型象征着所有可能的应用程序配置空间,是实现个性化产品定制的基础。随着软件产品线的规模和复杂程度的增加,如何有效支持以用户需求为基础以及根据特定需求和利益相关者的目标进行个性定制开发是亟待解决的实际问题。提出一种根据用户需求对特征模型进行切片,进一步结合三值逻辑对行为模型进行抽象,最后利用模型检测技术对软件产品线进行验证的方法。实验结果证实了该方法的有效性。     

Error Detection in Concurrent Java Programs

Concurrency in multithreaded programs introduces additional complexity in software verification and testing, and thereby significantly increases the cost of Quality Assurance (QA). We present a case study in which a specialized model checker was used to discover concurrency errors in a large preexisting code base. The results revealed race conditions that lead to data corruption errors whose detection would have been prohibitively expensive with conventional testing and QA methods. We describe our methodology and highlight parts of the methodology that could be automated.     

并发反应式系统的组合模型检验与组合精化检验

模型检验和精化检验是两种重要的形式验证方法,其应用的主要困难在于如何缓解状态爆炸问题.基于分而治之的思想进行组合模型检验和组合精化检验是应对这个问题的重要方法,它们利用系统的组合结构对问题进行分解,通过对各子系统性质的检验和综合推理导出整个系统的性质.在一个统一的框架下对组合模型检验和组合精化检验作了系统的分析和归纳,从模块检验的角度阐述了上述两种组合验证方法的原理及其相应的组合验证策略.同时总结了各类问题的复杂性,并对上述两种方法作了比较分析,揭示了它们之间的内在联系.最后展望了组合模型检验与组合精化检验的发展方向.     

基于约束依赖图的并发程序模型检测工具

模型检测是一种基于状态空间搜索的自动化验证方法,可以有效地提升程序的质量.然而,由于并发程序中线程调度的不确定性以及数据同步的复杂性,对该类程序验证时存在更为严重的状态空间爆炸问题.目前,大多采用基于独立性分析的偏序约简技术缩小并发程序探索空间.针对粗糙的独立性分析会显著增加需探索的等价类路径问题,开发了一款可细化线程迁移依赖性分析的并发程序模型检测工具CDG4CPV.首先,构造了待验证可达性性质对应的规约自动机;随后,根据线程迁移边的类型和共享变量访问信息构建约束依赖图;最后,利用约束依赖图剪裁控制流图在展开过程中的独立可执行分支.在SV-COMP 2022竞赛的并发程序数据集上进行了对比实验,并对工具的效率进行比较分析.实验结果表明,该工具可以有效地提升并发程序模型检测的效率.特别是,与基于BDD的程序分析算法相比,该工具可使探索状态数目平均减少91.38%,使时间和空间开销分别平均降低86.25%和69.80%.