【课程笔记】南大软件分析课程5——过程间分析（课时7）

重点：

学习如何利用类层级分析来构建调用图；过程间控制流/数据流分析；过程间的常量传播。

1.Motivation

问题：过程内的分析未考虑函数调用，导致分析不精确。

过程间分析：Inter-procedural Analysis，考虑函数调用，又称为全程序分析（Whole Program Analysis），需要构建调用图，加入Call edges和Return edges。

2.调用图构建

（1）调用图

定义：本质是调用边的集合，从调用点（call-sites）到目标函数（target methods / callees）的边。

示例：

5-2-1-call_graph.png

应用：是所有过程间分析（跨函数分析）的基础，程序优化，程序理解，程序调试。

（2）面向对象语言的调用图构造（Java）

代表性算法：从上往下精度变高，速度变慢，重点分析第1、4个算法。

Class hierarchy analysis(CHA)
Rapid type analysis(RTA)
Variable type analysis(VTA)
Pointer analysis(k-CFA)

Java调用分类：

	Static call	Special call	Virtual call
指令	invokestatic	invokespecial	invokeinterface、 invokevirtual
Receiver objects（返回后赋值的目标对象）	×	✓	✓
目标函数	Static函数	构造函数、私有函数、父类的实例函数	其他实例函数
目标函数个数	1	1	≥1 (polymorphism多态性)
何时确定	编译时	编译时	运行时

Method Dispatch：最难的是Virtual call，其中关键步骤是Method Dispatch，就是找到最终调用的实际函数。

virtual call在程序运行时才能得到，基于2个要素得到：

reciever object的具体类型：c
调用点的函数签名：m。（通过signature可以唯一确定一个函数）
1. signature = 函数所在的类 + 函数名 + 描述符
2. 描述符 = 返回类型 + 参数类型
简记为C.foo(P, Q, R)

5-2-2-virtual_call.png

（3）Method Dispatch（virtual call）

定义：用Dispatch(c, m)来模拟动态Method Dispatch过程，c表示reciever object，m表示函数签名。

5-2-3-Method_Dispatch.png

解释：若该类的非抽象方法（实际可执行的函数主体）中包含和m相同名字、传递/返回参数的m^‘，则直接返回；否则到c的父类中找。

示例：

5-2-4-Dispatch示例.png

（4）Class Hirarchy Analysis (CHA) 类层级分析

目的：根据每个virtual call 的 receiver varible 的声明类型来求解所有可能调用的目标函数。如 A a = ... ; a.foo(); 这个a就是receiver varible，声明类型就是A。假定a可以指向A以及A所有子类对象，CHA的过程就是从A和子类中去找目标函数。

算法：Resolve(cs)——利用CHA算法找到调用点所有可能的调用目标。

5-2-5-CHA算法.png

算法示例：

5-2-6-CHA算法示例.png

算法应用：

5-2-7-CHA应用.png

错误：以上b.foo()的调用目标 C.foo()和D.foo()是错误的，因为已经指定了是B类型，所以b.foo()根本不会调用C、D的foo()。因为CHA只考虑声明类型，也就是B，导致准确度下降。多态性就是说，父类可以引用子类的对象，如B b=new C()。

优缺点：CHA优点是速度快，只考虑声明类型，忽略数据流和控制流；缺点是准确度低。

总结：本类中有同名函数就在本类和子类找，没有就从父类找，接着找父类的子类中的同名函数（CHA分析）。

（5）利用CHA构造调用图

算法：遍历每个函数中的每个调用指令，调用CHA的Resolve()找到对应的目标函数和调用边，函数+调用边=调用图。

5-2-8-调用图构造算法.png

示例：

5-2-9-调用图算法示例.png

3.过程间控制流分析

定义：过程间控制流图ICFG = CFG + (Call edges + Return edges)。

Call edges：连接调用点和目标函数入口
Return edges：从return语句连到Return site（Call site后面一条语句）

示例：

5-3-ICFG示例.png

4.过程间数据流分析

说明：对ICFG进行数据流分析，没有标准的一套算法。

对比：

	Intraprocedural	Interprocecdural
程序表示	CFG	ICFG = CFGs + call & return edges
转换规则	Node transfer	Node transfer + edge transfer

常量传播数据流分析：

Node transfer：与过程内分析相同，对每个调用点，将等号左边部分去掉。
Call edge transfer：传参
Return edge transfer：传返回值

常量传播示例：

5-4-ICFG常量传播示例.png

说明：黄色背景边必须有，从b = addOne(a)到c=b-3，a通过此边传递，b通过addOne()传递。若a也通过addOne()传递，会额外消耗系统资源。

参考：

软件分析笔记：3.过程分析(Interprocedural Analysis)