CN103678136B - 一种基于控制流的数据竞争误报降低方法 - Google Patents

Abstract

一种基于控制流的数据竞争误报降低方法，是一种针对航天嵌入式C程序数据竞争检测的改进方法，目的在于降低误报、提高分析准确度。一般认为，主程序和中断服务程序具有共享变量时，如果二者中至少一个对该共享变量进行了写操作，那么该变量可能会发生数据竞争。本发明以语法分析技术为基础，结合领域特征，识别无害的数据竞争，降低数据竞争检测的误报率。本发明提出的检查方法降低了数据竞争检测的误报率，有利于发现真正有害的数据竞争。

Description

一种基于控制流的数据竞争误报降低方法

技术领域

本发明涉及一种针对航天嵌入式C程序数据竞争检测的方法，用于识别程序运行过程中无害的数据竞争，降低数据竞争检测的误报率。

背景技术

航天嵌入式C程序一般采用主程序—中断的架构。主程序由控制周期定时调用。在主程序执行过程中，如果出现中断信号，那么主程序被挂起，转入相应的中断服务程序。一般来说，航天嵌入式C程序具有多重中断，这些中断的优先级不同。低优先级的中断对应的中断服务程序执行时，如果出现高优先级的中断信号，那么当前中断服务程序被挂起，转入高优先级的中断对应的中断服务程序。

主程序和中断服务程序之间、不同的中断服务程序之间，均存在共享变量。如果对该共享变量进行写操作，那么就会发生数据竞争。如图1所示，Time.second和Time.Millisecond是主程序和中断服务程序的共享变量。主程序读这两个变量，并使用它们的值，计算变量StarTime。中断服务程序写这两个变量。如果在主程序读取Time.second和Time.Millisecond之间，发生中断，那么主程序将被挂起，转入中断服务程序。Time.second和Time.Millisecond的值在中断服务程序中被修改。中断服务程序结束后，继续执行主程序。主程序读取到的Time.Millisecond的值是刚才在中断服务程序中被修改的值。这样，主程序读取到的Time.second和Time.Millisecond的值不是同一次中断服务程序修改的值，可能导致StarTime计算错误。当共享变量较多，使用次数频繁时，数据竞争的场景会非常多，给用户带来判读困难。

航天嵌入式C程序的特点之一是主程序按照系统的周期反复执行。大部分中断发生的频率要低于主程序按周期执行的频率，即每次主程序执行过程中，大部分中断最多发生一次。作为一种实时软件，航天嵌入式C程序要求中断服务程序执行时间短。因此，中断服务程序往往不实现具体的计算过程，仅负责必要的数据读取，并修改相应的标志变量。待中断服务程序结束，主程序恢复之后，根据标志变量的取值，由主程序完成相应的计算。计算完成后，主程序修改标志变量的取值，避免下个周期重复计算。

这类标志变量是主程序和中断服务程序之间的共享变量，且主程序和中断服务程序均对这类变量进行了写操作，符合数据竞争的定义。因此，标准的数据竞争分析方法将报告大量的此类数据竞争。然而，这些数据竞争都是无害的。图2展示了此类无害数据竞争的一个例子。如果中断发生在图2中的if语句之前，那么共享变量flg被中断服务程序置为TRUE，中断服务程序结束后，主程序将进入if的真分支，flg被重新置为FALSE。如果中断发生在图中的if语句之后，那么共享变量flg被中断服务程序置为TRUE，中断服务程序结束后，主程序继续执行。下一个周期，主程序将进入if的真分支，flg被重新置为FALSE。如果中断发生在if语句的真分支之内，flg=FALSE之前，那么中断服务程序中对flg的修改将被主程序中的flg=FALSE覆盖。但是，这个场景实际上不可能发生。因为中断发生的频率低于主程序执行的频率。如果主程序能够进入if的真分支，那么说明在最近一个周期内，发生过该中断。因此，在if的真分支之内，不会再次发生该中断。

因此，大量的报告此类无害的数据竞争会大大增加分析C源程序正确性的代价，甚至掩盖了有害的数据竞争。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于控制流的数据竞争误报降低方法，可以有效识别程序运行过程中无害的数据竞争，降低数据竞争检测的误报率。

本发明的技术解决方案是：一种基于控制流的数据竞争误报降低方法，步骤如下：

（1）对C源程序中的共享变量进行搜索，获得所有共享变量的集合S；

（2）对于S中的每个元素v，查找同时满足以下四个条件的元素v，构成检测共享变量集合S1；所述的四个条件为：

（A）C源程序的主程序和中断服务程序中对v的写操作均有且只有一处；

（B）主程序和中断服务程序分别对v赋值为不同的常量；

（C）中断服务程序中对v没有读操作；

（D）主程序中对v有且只有一处读操作；

（3）针对检测共享变量集合S1中的每个元素v1，查找满足以下三个条件中的任何一个条件的元素v1，构成无害共享变量集合S2；所述的三个条件为：

（E）主程序中将v1用于if条件并且主程序中对v1的写操作位于if的分支中；

（F）主程序中将v1用于循环条件并且主程序中对v1的写操作位于循环体中；

（G）主程序中将v1用于循环条件并且主程序中对v1的写操作是循环语句之后的第一个语句；

（4）将无害共享变量集合S2中的每个元素作为无害共享变量，并解出对无害共享变量的数据竞争报警。

本发明与现有技术相比的优点在于：（1）实现简单，不需要实际运行待检查的程序，即可降低数据竞争的误报；（2）相比于抽象解释、模型检查等技术，本发明方法的复杂度低，更适合于大规模程序；（3）可扩展性强，通过总结领域特征，可以修改本发明中列出的判断条件，从而实现方法的跨领域应用。

附图说明

图1为有害的数据竞争示例；

图2为无害的数据竞争示例；

图3为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

通过对C程序的语法进行分析，构建C程序的中断上下文，识别共享变量。通过归纳总结，如果某共享变量同时满足下列条件，则认为与该共享变量有关的数据竞争均是无害的。

1、中断发生的频率低于主程序周期执行的频率，即该中断在每个周期最多发生一次；

2、共享变量在主程序和中断中的取值是两态的（例如，TRUE和FALSE）；

3、中断服务程序中仅有一处对该变量的写操作，将该变量赋值为其中一态（例如，TRUE）；

4、主程序中对该变量有一处读操作，一处写操作；

5、主程序中对该变量的读操作是if语句或循环语句的条件；

6、主程序中对该变量的写操作在if语句的分支内，或在循环语句的循环体内，或紧跟循环语句；

7、主程序中对该变量的写操作将该变量赋值为另一态（例如，FALSE）；

其原因在于，航天嵌入式C程序一般采用主程序—中断的架构，为了保证程序的实时性，中断服务程序中一般不进行复杂的计算，而在主程序中实现将相应的计算。当中断信号来临时，中断服务程序往往只进行最基本的处理，而将其他大部分计算保留到主程序中进行。航天嵌入式C程序一般使用特殊的共享变量实现这一的机制。这种共享变量的取值是两态的（TRUE或FALSE），在中断响应程序中修改该变量的取值（例如，置为TRUE）。在主程序，判断该变量的取值，如果满足条件（例如，取值为TRUE），则进行特定的计算，并将该共享变量置为另一值（例如，置为FALSE）。本发明的意义在于总结了此类变量，并避免报告发生在此类变量的数据竞争。

如图3所示，本发明方法的步骤如下：

1、通过对C源程序进行语法分析，构建C程序的中断上下文；

2、令S为共享变量构成的集合；

3、对于S中的每个元素v，进行下列检查：

3.1如果（1）主程序和中断服务程序中对v的写操作均有且只有一处且

（2）分别赋值为不同的常量且

（3）中断服务程序中对v没有读操作且

（4）主程序中对v有且只有一处读操作

3.2.1那么如果（1）主程序中将v用于if条件且

（2）主程序中对v的写操作位于if的分支中

则认为与v有关的数据竞争均无害。

3.2.2如果（1）主程序中将v用于循环条件且

（2.1）主程序中对v的写操作位于循环体中或

（2.2）主程序中对v的写操作是循环语句之后的第一个语句

则认为与v有关的数据竞争均无害。

4、结束

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种基于控制流的数据竞争误报降低方法，其特征在于步骤如下：

(1)对C源程序中的共享变量进行搜索，获得所有共享变量的集合S；

(2)对于S中的每个元素v，查找同时满足以下四个条件的元素v，构成检测共享变量集合S1；所述的四个条件为：

(A)C源程序的主程序和中断服务程序中对v的写操作均有且只有一处；

(B)主程序和中断服务程序分别对v赋值为取值是两态的常量；

(C)中断服务程序中对v没有读操作；

(D)主程序中对v有且只有一处读操作；

(3)针对检测共享变量集合S1中的每个元素v1，查找满足以下三个条件中的任何一个条件的元素v1，构成无害共享变量集合S2；所述的三个条件为：

(E)主程序中将v1用于if条件并且主程序中对v1的写操作位于if的分支中；

(F)主程序中将v1用于循环条件并且主程序中对v1的写操作位于循环体中；

(G)主程序中将v1用于循环条件并且主程序中对v1的写操作是循环语句之后的第一个语句；

(4)将无害共享变量集合S2中的每个元素作为无害共享变量，并解除对无害共享变量的数据竞争报警。