江建慧， 吳捷程， 孫 亞

(同濟(jì)大學(xué) 軟件學(xué)院， 上海 201804)

錯(cuò)誤程序行為(erroneous program behavior, EPB) 分析主要是獲取程序差錯(cuò)及其對(duì)程序行為的影響，包括差錯(cuò)類(lèi)型、差錯(cuò)發(fā)生位置、差錯(cuò)發(fā)生時(shí)機(jī)，以及各個(gè)差錯(cuò)在程序中的表象.

軟件故障注入技術(shù)通過(guò)人為地對(duì)軟件或計(jì)算機(jī)等目標(biāo)系統(tǒng)注入軟件故障來(lái)加速其失效，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)的容錯(cuò)機(jī)制有效性驗(yàn)證、可靠性評(píng)估[1-2].然而，如何得到真實(shí)的軟件故障或差錯(cuò)數(shù)據(jù)是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提[1-4].

具有代表性的軟件差錯(cuò)數(shù)據(jù)獲取需要分析軟件的功能特性及其在某個(gè)故障/缺陷被激活后所表現(xiàn)出的錯(cuò)誤行為[2-3,5]，工作量很大，且分析周期很長(zhǎng)[1,3].常見(jiàn)的正交缺陷分類(lèi)(orthogonal defect classification, ODC)所屬故障被激活后所產(chǎn)生的程序差錯(cuò)形式隨程序?qū)崿F(xiàn)的不同而不同[1]，可能以返回碼或共享變量的形式存在于應(yīng)用程序與其使用的庫(kù)函數(shù)之間[2,6]，也可能以異常的形式在程序中進(jìn)行傳播[5-6]，或以跳轉(zhuǎn)指令的組合形式出現(xiàn)[7].

在具有異常處理機(jī)制的程序中，故障激活后所產(chǎn)生的差錯(cuò)若被異常處理機(jī)制偵測(cè)，則異常發(fā)生[8-9].若對(duì)該異常處理不當(dāng)，則可引起程序失效[9].這一過(guò)程將形成“故障-差錯(cuò)-異常-失效”鏈.

通過(guò)對(duì)程序異?？刂屏?exception control flow，ECF)的分析可收集能夠引起異常的差錯(cuò)信息，包括：由異常類(lèi)型獲取差錯(cuò)內(nèi)容；由異常引發(fā)點(diǎn)獲取差錯(cuò)被偵測(cè)時(shí)的物理位置；由異常傳播路徑獲取差錯(cuò)的影響范圍；由異常捕捉情況獲取差錯(cuò)是否得到修正的信息.這些信息可指導(dǎo)軟件故障注入方案生成所需的差錯(cuò)類(lèi)型、注入位置、注入時(shí)機(jī)的選擇[4-5,10-11].該過(guò)程通過(guò)源代碼的靜態(tài)分析，可在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成.

本文的主要工作是通過(guò)故障注入實(shí)驗(yàn)分析程序的“故障-差錯(cuò)-異?！钡膫鞑C(jī)理；結(jié)合函數(shù)級(jí)ECF(function-level ECF，F(xiàn)ECF)的描述，分析了同一差錯(cuò)與多個(gè)程序ECF之間的關(guān)系，利用ECF對(duì)程序中潛在可引起異常的差錯(cuò)進(jìn)行分析，建立了EPB模型；實(shí)現(xiàn)了一個(gè)自動(dòng)分析工具軟件，并以O(shè)penStack的核心組件為對(duì)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

1 相關(guān)工作

Christmansson等[3]認(rèn)為只有注入具有代表性的差錯(cuò)才能有效地模擬真實(shí)故障的發(fā)生，有效地驗(yàn)證軟件的容錯(cuò)機(jī)制.考慮應(yīng)用程序和函數(shù)庫(kù)之間的潛在錯(cuò)誤的故障注入工具LFI(庫(kù)文件故障注入器)改善了應(yīng)用程序的健壯性測(cè)試技術(shù)[2].基于窮盡異常模擬模式的測(cè)試方法結(jié)合異常發(fā)生的時(shí)序特點(diǎn)在異常引發(fā)點(diǎn)注入異常，簡(jiǎn)化了異常處理結(jié)構(gòu)有效性驗(yàn)證的過(guò)程[5].上述工作強(qiáng)調(diào)了故障/差錯(cuò)數(shù)據(jù)的有效性，討論了如何利用差錯(cuò)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件容錯(cuò)機(jī)制的驗(yàn)證，但其尚未涉及如何有效地收集合理的差錯(cuò)數(shù)據(jù).

關(guān)于軟件故障激活后的傳播過(guò)程及證明故障激活后能否轉(zhuǎn)化為差錯(cuò)的研究，有基于“故障-差錯(cuò)-失效”的傳播關(guān)系選擇具有代表性的差錯(cuò)集合的方法[5].通過(guò)代碼內(nèi)部的故障注入和接口差錯(cuò)注入的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，兩者對(duì)程序的影響存在一定的差異[4].代碼故障激活后的差錯(cuò)不僅能以返回值、錯(cuò)誤碼、傳入/傳出參數(shù)的方式進(jìn)行傳播，還能以共享內(nèi)存數(shù)據(jù)為載體對(duì)程序造成影響[11].應(yīng)從多維度對(duì)故障注入后的EPB進(jìn)行收集、分析、歸類(lèi)，從而使得各層次的EPB研究可得到相關(guān)數(shù)據(jù)的支撐，實(shí)驗(yàn)表明，故障激活后所產(chǎn)生的差錯(cuò)能以返回值或異常形式進(jìn)行傳播，且該差錯(cuò)被偵測(cè)的情況和是否引起程序失效取決于程序的實(shí)現(xiàn)[6].這些工作均未深入研究具有異常處理機(jī)制的程序中的“故障-差錯(cuò)-異?！边^(guò)程.

大多數(shù)與程序ECF相關(guān)的研究工作主要聚焦在它對(duì)程序分析、開(kāi)發(fā)、測(cè)試的影響上.如基于異常傳播分析的C++程序數(shù)據(jù)流分析方法[12]、依賴(lài)性分析方法[13].Harrold等[14-15]在對(duì)異常處理機(jī)制的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究時(shí),考慮了異常處理機(jī)制和異常傳播對(duì)程序控制流、數(shù)據(jù)流、控制依賴(lài)性等分析技術(shù)的影響.用于程序開(kāi)發(fā)、維護(hù)、測(cè)試的系統(tǒng)化方法通過(guò)分析顯式ECF，總結(jié)了與異常處理結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的編程錯(cuò)誤模式，可指導(dǎo)開(kāi)發(fā)者如何有效地避免異常處理機(jī)制的錯(cuò)誤使用[16].面向切面機(jī)制在一些情景下會(huì)使異常處理結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜化，從而降低系統(tǒng)的可靠性[17].Jo等[18]提出了一種基于集合分析的函數(shù)級(jí)別上的Java未捕捉異常分析方法.結(jié)合運(yùn)行時(shí)異常的靜態(tài)測(cè)試方法通過(guò)交替執(zhí)行缺陷檢測(cè)及控制流擴(kuò)展，提高了測(cè)試充分度，還分析了運(yùn)行時(shí)異常對(duì)軟件靜態(tài)測(cè)試的影響[19].這些與程序ECF相關(guān)的研究工作并未考慮到異常本身就是程序錯(cuò)誤的一種表象，所以沒(méi)有利用異常相關(guān)的信息來(lái)分析潛在的EPB.

2 程序“故障-差錯(cuò)-異?！睓C(jī)理分析

2.1 ODC故障注入實(shí)驗(yàn)分析

異常處理機(jī)制(exception handling mechanism，EHM)是程序錯(cuò)誤處理的常用手段之一.當(dāng)程序中EHM偵測(cè)到差錯(cuò)且引發(fā)異常之后，程序的“故障-差錯(cuò)-異常/失效”過(guò)程如圖1所示.

對(duì)Android上約800個(gè)應(yīng)用組件所進(jìn)行的600萬(wàn)次基于外界輸入的健壯性測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，約10%的應(yīng)用組件發(fā)生了崩潰且均由未捕捉到的異常所造成[6].

本文以分布式網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)程序Ipbench和OpenStack中的核心組件nova為對(duì)象，結(jié)合ODC故障類(lèi)型及其分布數(shù)據(jù)，以代碼變異的方式實(shí)施故障注入實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1(表中的E表示可引起異常的故障數(shù)量).

在Ipbench中共注入348個(gè)故障，其中255個(gè)故障導(dǎo)致了程序崩潰，且249次崩潰是由未捕捉異常引起.

在nova中共注入1 018個(gè)故障，未出現(xiàn)程序崩潰現(xiàn)象.由表1可知，419個(gè)故障激活后的差錯(cuò)得到程序的修正，可能的原因有：① 有差錯(cuò)的數(shù)據(jù)在被使用之前重新得到初始化；② 有差錯(cuò)程序的執(zhí)行結(jié)果與無(wú)差錯(cuò)程序的執(zhí)行結(jié)果一致；③ 差錯(cuò)引起異常且被捕獲，異常處理例程提供了正確的服務(wù).

表1 故障注入實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of fault-injection experiments

2.2 傳播機(jī)理分析

以nova的_validate_cell函數(shù)為例，程序的“故障-差錯(cuò)-異?！眰鞑ミ^(guò)程分析如下：

(1) 故障激活所發(fā)生的差錯(cuò)直接引發(fā)異常.如圖2所示，故障激活后的差錯(cuò)直接在當(dāng)前函數(shù)內(nèi)使raise語(yǔ)句得到執(zhí)行，從而引發(fā)異常.同時(shí)，圖2中場(chǎng)景a)與b)的故障激活后均引起了同一異常，說(shuō)明程序中故障與異常存在多對(duì)一關(guān)系，即多個(gè)故障激活后的差錯(cuò)最終均以同一異常在程序中進(jìn)行傳播.

(2) 故障激活所發(fā)生的差錯(cuò)經(jīng)過(guò)傳播后引發(fā)異常.圖3所示的故障激活后的差錯(cuò)通過(guò)數(shù)據(jù)流影響控制流，最終使得raise語(yǔ)句得到執(zhí)行，引發(fā)異常.

(3) 在程序無(wú)故障的情況下，外界輸入或外界資源違反軟件規(guī)約而導(dǎo)致異常發(fā)生.

因此，可從“異常”層次出發(fā)，分析程序中可引起異常的差錯(cuò)信息及其對(duì)程序行為的影響，達(dá)到分析與異常相關(guān)的EPB的目的.

圖2 差錯(cuò)直接引起異常例子Fig.2 Example of an error raises exception directly

3 基于ECF的EPB分析

為了獲取可引起異常的差錯(cuò)的信息，本文方法并不需要構(gòu)建帶有程序ECF的完整過(guò)程間控制流[20]，而只需獲取獨(dú)立的ECF信息，包括：ECF起始與中止位置信息；ECF對(duì)應(yīng)的異常類(lèi)型；異常是否被捕捉；ECF所影響到的函數(shù)；ECF所影響到的程序功能或服務(wù).這是一種基于源代碼靜態(tài)分析的方法，如何選擇起始函數(shù)作為分析的起始點(diǎn)，則直接影響到了分析結(jié)果的有效性.

3.1 函數(shù)級(jí)ECF的描述

圖4所示的是函數(shù)級(jí)異常傳播過(guò)程，其中nk(1≤k≤m，m≥1)表示函數(shù)，其他符號(hào)的意思在圖中已經(jīng)加以說(shuō)明.以函數(shù)為粒度的異常傳播過(guò)程可分為A，B和C三類(lèi).

(1) 過(guò)程A：異常在當(dāng)前函數(shù)nm被引發(fā)，而且被捕捉.

(2) 過(guò)程B：異常在當(dāng)前函數(shù)nm被引發(fā)，且沿著函數(shù)調(diào)用棧經(jīng)過(guò)m-k逆向傳播后在函數(shù)nk中被捕捉，1≤k≤m.

(3) 過(guò)程C：異常在當(dāng)前函數(shù)nm被引發(fā)，且沿著函數(shù)調(diào)用棧經(jīng)過(guò)m-1次逆向傳播，變成未捕捉異常.

圖3差錯(cuò)經(jīng)過(guò)傳播而引起異常的例子

Fig.3Exampleofanerrorraisesexceptionwithcertainpropagation

圖4 函數(shù)級(jí)的異常傳播過(guò)程Fig.4 Exception propagation process at function level

定義1程序P中由raise/throw語(yǔ)句顯式引起的FECF可表示為5元組Ψ=，其中:

(1)ol=(n,lo)為Ψ的起始位置，表示Ψ由函數(shù)no中代碼行號(hào)為lo的raise/throw語(yǔ)句所引發(fā).

(2)t為Ψ所對(duì)應(yīng)的異常類(lèi)型.

(3)z=(nz,lz)為Ψ的終止位置.若Ψ屬于過(guò)程A或B，則nz為Ψ被捕捉時(shí)所在的函數(shù)，其對(duì)應(yīng)的異常捕捉語(yǔ)句的行號(hào)為lz；若Ψ屬于過(guò)程C，則Ψ在程序P的函數(shù)nz處終止且傳播出去，lz為Ψ進(jìn)入函數(shù)nz時(shí)的異常入口所對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句的代碼行號(hào).

(4)π以路徑的形式給出了Ψ的傳播過(guò)程.若Ψ屬于過(guò)程A或B，則π為no→nm→…→n1→nz，其中no，nz，nk(k=1,2,…,m，m≥1)為Ψ所影響到的函數(shù)；若Ψ屬于過(guò)程C，則π為no→nm→…→n1→nz→nout，其中nout為占位符，表示該路徑對(duì)應(yīng)的ECF未被捕捉.

(5)e為Ψ被引發(fā)時(shí)程序P的棧底函數(shù)，表示被Ψ影響到的程序功能或服務(wù).

與文獻(xiàn)[4, 20]一致，本文也將入口函數(shù)(entry function, EF)作為函數(shù)調(diào)用鏈的分析起點(diǎn)，計(jì)算程序中所有潛在的FECF.

3.2 利用程序ECF表示EPB

同一差錯(cuò)可引起不同的FECF.這些FECF組成的集合稱(chēng)為FECF簇，對(duì)于其中的任意Ψi與Ψj，它們具有相同的o與t值.

根據(jù)“故障-差錯(cuò)-異常”傳播機(jī)理，若故障激活后的差錯(cuò)引起異常，則該故障對(duì)程序帶來(lái)的影響完全可由相應(yīng)的FECF簇表示.所以，可通過(guò)分析各FECF簇，反向推導(dǎo)程序中可引起異常的各個(gè)差錯(cuò)及其對(duì)程序行為的影響，從“異常”層次分析與異常相關(guān)的EPB，收集可引起異常的差錯(cuò)集合.

3.3 基于程序ECF的EPB分析

(3)w為一權(quán)值，即：

(1)

觀察1w值越大，則EPB對(duì)程序可靠性造成危害的風(fēng)險(xiǎn)越大.

異常傳播過(guò)程B與C的發(fā)生會(huì)使程序的過(guò)程間控制流中產(chǎn)生潛在的非返回調(diào)用[15]，它的數(shù)量(即w值)越大，就意味著異常的傳播范圍越大，所以程序的控制流、數(shù)據(jù)流在錯(cuò)誤狀態(tài)下受到的影響越大.

算法Gen_FECF: 計(jì)算一個(gè)FECF實(shí)例

輸入s: 函數(shù)m中的raise/throw語(yǔ)句

m: 語(yǔ)句s所位于的函數(shù)

輸出Ψ: 一個(gè)FECF實(shí)例

聲明 callstack: 遍歷分析函數(shù)調(diào)用鏈時(shí)所維護(hù)的函數(shù)調(diào)用棧

CTS(m): 函數(shù)m的調(diào)用者(caller)調(diào)用函數(shù)m時(shí)所使用的函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句

開(kāi)始 Gen_FECF(s,m)

1. 新建Ψ實(shí)例并設(shè)置其屬性:o←(m,s的行號(hào)),t←s對(duì)應(yīng)的異常類(lèi)型,π設(shè)置為m,e←callstack的棧底函數(shù);

2. If SLEGS(s)存在c可捕捉由s引發(fā)的異常 then

3.z←(m,c的代碼行號(hào)),m加入π:m→m;

4. returnΨ;

5. else then //當(dāng)前函數(shù)m無(wú)法捕捉該異常

6. temp_stack為callstack的副本;

7.send←s; //用于暫存Ψ終止時(shí)的語(yǔ)句

8. While temp_stack不為空:

9.mtop←temp_stack.top();

10. temp_stack.pop();

11. if m!=mtopthen 將mtop加入πendif

12. if temp_stack is empty: //未捕捉異常

13.z←(mtop,send的行號(hào));

14. ifm!=mtopthen

15. 將nout加入π;

16. else

17. 將m→nout加入π;

18. endif

19. returnΨ;

20. else if SLEGS(CTS(mtop))有c可捕捉then

21.z←(temp_stack.top(),c的行號(hào))；

22. 將temp_stack.top()加入π;

23. returnΨ;

24. endif

25.send←CTS(mtop) ;

26. endwhile

27. endif

結(jié)束Gen_FECF

在計(jì)算所有FECF時(shí)，e可用于表示FECF所影響到的程序功能或服務(wù).

若在函數(shù)遞歸過(guò)程中出現(xiàn)異常，則異常在該部分的傳播路徑呈現(xiàn)一定的模式.所以，可根據(jù)該模式制定合理的裁剪規(guī)則，對(duì)遞歸部分的調(diào)用鏈進(jìn)行裁剪，使得分析過(guò)程能夠有效地繼續(xù)執(zhí)行下去.

在算法Gen_FECF中，函數(shù)調(diào)用棧是根據(jù)函數(shù)調(diào)用鏈生成的.由于調(diào)用鏈經(jīng)過(guò)了遞歸調(diào)用鏈裁減處理，并且調(diào)用鏈中所有函數(shù)都屬于程序P，函數(shù)調(diào)用棧的深度最多為2·|FDS(P)|-2，其中FDS(P)為定義于程序P中且在程序P中實(shí)現(xiàn)的函數(shù)集合.算法Gen_FECF在最好情況下的時(shí)間復(fù)雜度為O(1)，在最壞情況下為O(|FDS(P)|).

根據(jù)EHM的性質(zhì)[14]，對(duì)于異常的傳播及其處理過(guò)程，異常保護(hù)區(qū)z(try語(yǔ)句所保護(hù)的代碼塊)的異常保護(hù)序列EGS(z)指的是z對(duì)應(yīng)的異常處理例程所組成的有序序列(c1,c2,…,cn)，n≥1，其順序由z對(duì)應(yīng)的異常處理例程的順序決定.假如zj嵌套于zi之中，那么傳播到zj中的異常首先會(huì)被EGS(zj)中的異常處理例程嘗試捕捉處理，若該異常未被捕捉，則EGS(zi)再?lài)L試對(duì)其捕捉處理，則LEGS(zj)=(cj1,cj2,…,cjn,ci1,ci2,…,cim)，若zi不嵌套于任何異常保護(hù)區(qū)中，則LEGS(zi)=EGS(zi)=(ci1,ci2,…,cim)，m≥1，n≥1.若語(yǔ)句s位于z中，則語(yǔ)句s受到LEGS(z)的保護(hù)，記為SLEGS(z).若有異常在s(raise/throw語(yǔ)句)處被拋出或異常傳播至s(函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句)處，若SLEGS(s)能捕捉該異常，則該異常在s語(yǔ)句所在的函數(shù)中被捕捉，否則該異常從當(dāng)前函數(shù)傳播出去且沿著函數(shù)調(diào)用棧逆向傳播.

在形如(m1,m2, …,mn-1,mn)所表示的調(diào)用棧中，m1表示棧底，mn表示棧頂，n≥1.suc(mi)是mi的后繼mi+1，n≥i≥1，suc(mn)=null.CTS(suc(mk))為函數(shù)mk中調(diào)用函數(shù)suc(mk)時(shí)的函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句，且CTS(null) =null.為不失一般性，調(diào)用鏈的遞歸裁剪遵循如下規(guī)則.

規(guī)則1設(shè)當(dāng)前函數(shù)調(diào)用棧具有以下形式：(mbottom, …,M1,M2, …,Mn,M11,M12, …,M1n, …,Mk1,Mk2, …,Mkn, …,Mq1,Mq2, …,Mqp,mother, …)，其中，Mkn表示函數(shù)Mn的第k次遞歸調(diào)用，k≥1.Mqp表示函數(shù)Mp第q次遞歸調(diào)用,q>k,n≥p≥0.若?i,j,k≥i,j≥1，式(2)得到滿(mǎn)足，則調(diào)用?？刹眉魹?mbottom, …,M1,M2, …,Mn,Mq1,Mq2, …,Mqp,mother, …)，且FECF的o、t、z、e屬性值保持不變，π中受到FECF影響的函數(shù)及其順序不變.

SLEGS(CTS(Mi1))=SLEGS(CTS(Mj1))=SLEGS(CTS(Mq1))

SLEGS(CTS(Mi2))=SLEGS(CTS(Mj2))=SLEGS(CTS(M2))

(2)

SLEGS(CTS(Min))=SLEGS(CTS(Mjn))=SLEGS(CTS(Mn))

證明.

情形一：若在Mkn中無(wú)異常發(fā)生，n≥1，則無(wú)FECF的生成受到裁剪動(dòng)作的影響.

情形二：假如異常x在函數(shù)Mkn中由raise/throw語(yǔ)句引發(fā)，k≥1，n≥1：① 若x在Mkn中捕捉，則會(huì)有與異常x相同的異常在函數(shù)Mn中由相同的raise/throw語(yǔ)句引發(fā)且被相同catch/except語(yǔ)句捕捉，因?yàn)镸kn與Mn為相同函數(shù).② 若x從Mkn傳播出去，則會(huì)有與異常x相同的異常在函數(shù)Mn中由相同的raise/throw語(yǔ)句引發(fā)且從相同的異常出口從Mn傳播出去，因?yàn)镸kn與Mn為相同函數(shù).

情形三：假如異常x通過(guò)CTS(suc(Mkn))語(yǔ)句從suc(Mkn)函數(shù)傳播至Mkn中，k≥1，n≥1：① 若x在Mkn中捕捉，則會(huì)有與異常x相同的異常y通過(guò)CTS(suc(Mn))語(yǔ)句從suc(Mn)傳播至Mn，且在Mn中由相同的catch/except語(yǔ)句捕捉.因?yàn)閟uc(Mn)與suc(Mkn)為相同函數(shù)，CTS(suc(Mn))與CTS(suc(Mkn))為同一函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句，且SLEGS(CTS(suc(Mn))) =SLEGS(CTS(suc(Mkn))).② 若x從Mkn中傳播出去，則會(huì)有異常x相同的異常y從Mn中的相同異常出口傳播出去.因?yàn)閟uc(Mn)與suc(Mkn)為相同函數(shù)，CTS(suc(Mn))與CTS(suc(Mkn))為同一函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句，且SLEGS(CTS(suc(Mn))) =SLEGS(CTS(suc(Mkn))).

2. 將調(diào)用棧callStack初始化為空;

3. Traverse_Invocation_Chain(m);

4. endfor

/*遍歷以m開(kāi)始的函數(shù)調(diào)用鏈，用Gen_FECF算法生成FECF實(shí)例*/

聲明 Traverse_Invocation_Chain (m)

1. callstack.push(m); //維護(hù)調(diào)用棧，m入棧

2. for each 語(yǔ)句sinmthen

3. ifs是raise/throw語(yǔ)句then

4.Ψ←Gen_FECF(s,m);

6. else ifs是調(diào)用函數(shù)mcallee的語(yǔ)句then

7. ifmcallee在callstack出現(xiàn)過(guò)兩次and

8. SLEGS(CTS(mcallee))=SLEGS(s) then

9. continue; //滿(mǎn)足要求，裁剪

10. else then //繼續(xù)分析調(diào)用鏈

11. Traverse_Invocation_Chain (mcallee);

12. endif

13. endif

14. end for

15. Callstack.pop(m) //維護(hù)調(diào)用棧，m出棧

2. existEPB← null

4. IfΨ.o=Ω.oandΨ.t=Ω.tthen

5. existEPB ←Ω; break;

6. endif

7. endfor

8. if null = existEPB then //暫無(wú)相應(yīng)FECF簇

13. else then //將Ψ加入對(duì)應(yīng)簇的EPB實(shí)例

14. existEPB.w← existEPB.w+φ(Ψ);

17. endif

18. endfor

4 基于Understand的自動(dòng)分析工具

4.1 EPB自動(dòng)分析工具的結(jié)構(gòu)

采用本文提出的方法，用Python語(yǔ)言編寫(xiě)了一個(gè)基于Understand的EPB自動(dòng)分析工具，其架構(gòu)如圖5所示.Understand是一款代碼審核工具，提供了可操作源代碼相關(guān)數(shù)據(jù)的API，如詞法、語(yǔ)法、函數(shù)調(diào)用關(guān)系等信息.

圖5 EPB自動(dòng)分析工具架構(gòu)Fig.5 Structure of automatic analysis tool of EPB

分析控制器:控制整個(gè)分析過(guò)程，包括:調(diào)用鏈的遍歷分析、局部視圖數(shù)據(jù)生成、FECF數(shù)據(jù)生成、EPB數(shù)據(jù)生成、函數(shù)調(diào)用棧的維護(hù)等.

局部視圖生成器: 函數(shù)代碼中與FECF生成相關(guān)的數(shù)據(jù)以文件形式存儲(chǔ)，內(nèi)容包括： ① raise/throw語(yǔ)句的位置、對(duì)應(yīng)的異常類(lèi)型；② 在當(dāng)前函數(shù)被引發(fā)的異常捕捉情況，記錄捕捉該異常的catch/except語(yǔ)句的位置及其對(duì)應(yīng)的異常類(lèi)型；③ 當(dāng)前函數(shù)的函數(shù)調(diào)用關(guān)系信息；④ 當(dāng)前函數(shù)中的函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句是否處于異常保護(hù)區(qū)中，若是，則記錄相應(yīng)的catch/except語(yǔ)句位置及其對(duì)應(yīng)的異常類(lèi)型.

FECF生成器：當(dāng)異常以raise/throw形式被引發(fā)時(shí)，結(jié)合相應(yīng)的局部視圖數(shù)據(jù)，根據(jù)Gen_FECF算法生成相應(yīng)FECF數(shù)據(jù).

4.2 EPB自動(dòng)分析工具的使用步驟

自動(dòng)分析工具進(jìn)行EPB分析的主要步驟如下：

(1) 以源代碼為輸入，使用Understand軟件生成程序的詞法、語(yǔ)法、函數(shù)調(diào)用關(guān)系等數(shù)據(jù).

(2) 以s為分析起點(diǎn)，s∈SEF，迭代分析其函數(shù)調(diào)用鏈，檢查函數(shù)內(nèi)是否有被raise/throw語(yǔ)句引發(fā)的異常.若存在異常，則轉(zhuǎn)(3)；否則，繼續(xù)按照(2)分析函數(shù)調(diào)用鏈中未被分析的函數(shù)，直到所有調(diào)用鏈分析完畢，轉(zhuǎn)(4).

5 實(shí)驗(yàn)及其分析

為了驗(yàn)證本文方法及所開(kāi)發(fā)的程序EPB自動(dòng)分析工具的合理性和有效性，以O(shè)penStack的核心組件作為對(duì)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).

5.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)在虛擬機(jī)上進(jìn)行，操作系統(tǒng)為內(nèi)核版本2.6.32的32位Linux，硬件配置為1GB內(nèi)存，Intel(R) Core(TM) i3-3217U@1.80GHz單核CPU.實(shí)驗(yàn)負(fù)載為OpenStack(G 版本)中的5個(gè)核心組件，該軟件用Python語(yǔ)言編寫(xiě)，各組件的SEF數(shù)據(jù)均根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)用程序編程接口(application programming interface, API)文檔人工收集而得.

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)27 876行OpenStack組件的錯(cuò)誤行為的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，其中duser=10 000表示用戶(hù)指定的閾值.

表2 OpenStack組件錯(cuò)誤行為分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of erroneous OpenStack component behavior

調(diào)用鏈中函數(shù)調(diào)用點(diǎn)總量與函數(shù)數(shù)量的比值為10 408/1 426=7.3，說(shuō)明每個(gè)函數(shù)平均被調(diào)用了7.3次，若差錯(cuò)在函數(shù)中引起異常，則該異常可潛在引起由7個(gè)不同ECF組成的FECF簇，表明從異常角度對(duì)差錯(cuò)及其對(duì)程序行為影響進(jìn)行分析是可行的.

圖6 nova組件中以w排序的前十個(gè)EPB實(shí)例數(shù)據(jù)Fig.6 Top ten EPB Ω ordered by w in nova components

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)故障注入實(shí)驗(yàn)研究了具有EHM的程序的軟件故障、差錯(cuò)、異常之間的傳播機(jī)理.結(jié)合FECF的描述，說(shuō)明了如何利用ECF收集與異常相關(guān)的差錯(cuò)信息，建立了基于ECF的EPB模型，開(kāi)發(fā)了基于該模型的EPB自動(dòng)分析工具，并用該工具對(duì)OpenStack核心組件進(jìn)行了錯(cuò)誤行為分析，結(jié)果表明了基于ECF的EPB分析的合理性和有效性.該方法及其工具為具有EHM的大規(guī)模程序的EPB自動(dòng)分析，指導(dǎo)程序異常處理結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，使程序可精確捕捉異常，提高程序可靠性，并為構(gòu)造合理的外部激勵(lì)精確激活差錯(cuò)，縮短故障注入實(shí)驗(yàn)周期提供了有效手段.