CN110321458A

CN110321458A - 一种基于控制流图的数据流分析方法及装置

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Publication number: CN110321458A
Application number: CN201910422869.8A
Authority: CN
Inventors: 唐云善; 刘德欣; 杨维永; 邹旎彬; 马森; 高庆; 张世琨
Original assignee: Peking University; State Grid Corp of China SGCC; State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd; NARI Group Corp; Nari Information and Communication Technology Co
Current assignee: Peking University; State Grid Corp of China SGCC; State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd; NARI Group Corp; Nari Information and Communication Technology Co
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2019-10-11
Anticipated expiration: 2039-05-21
Also published as: CN110321458B

Abstract

本发明实施例提供一种基于控制流图的数据流分析方法及装置，其中方法包括：对控制流图进行简化处理，简化后的控制流图包括控制流条件中的所有条件变量以及与所述条件变量有关的节点与边；遍历所述简化后的控制流图中的所有控制流路径，以判断所述控制流图是否符合分析条件；若符合分析条件，则以所述简化后的控制流图的每条控制流路径作为状态节点构建状态图；根据所述状态图生成循环摘要。本发明实施例具有准确、快速预测循环执行次数、生成循环摘要的优势。

Description

一种基于控制流图的数据流分析方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及计算机技术领域，更具体地，涉及一种基于控制流图的数据流分析方法及装置。

背景技术

控制流图(Control Flow Graph，CFG)为一有向图，是一个过程或程序的抽象表现，在静态分析过程中被建立并维护为一个抽象数据结构。控制流图表示一个过程内所有基本块的可能执行流向，即一个程序执行过程中可能遍历的所有路径。建立程序控制流图使得程序抽象结构更为规范和可读，为后续进行数据流分析提供了极大的便利。

控制流图可由解析抽象语法树(abstract syntax tree，AST)转化得到，可以看作是比AST更细粒度的程序中间表示。通过以下两步即可完成从AST到CFG的转换：(1)用BasicBlock对象把属于一个基本块的AST节点收集到数组里，并且记录CFG的入边和出边。(2)连接源和目标BasicBlock形成CFG节点之间的边，并且记录下跳转的条件。

数据流分析指在控制流图的基础上通过迭代分析得到感兴趣的数据流结果，包括可达定义分析、活跃变量分析、可用表达式分析等。这些分析是建立在划分好基本块和流图的基础上，通过在控制流图中的迭代、传递和合并完成对流图中不动点状态的计算。现有的数据流区间分析方法处理循环是困难的，一般只能跳过或者模拟一定次数的运算。

发明内容

本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于控制流图的数据流分析方法及装置。

第一个方面，本发明实施例提供一种基于控制流图的数据流分析方法，包括：

对控制流图进行简化处理，简化后的控制流图包括控制流条件中的所有条件变量以及与所述条件变量有关的节点与边；

遍历所述简化后的控制流图中的所有控制流路径，以判断所述控制流图是否符合分析条件；

若符合分析条件，则以所述简化后的控制流图的每条控制流路径作为状态节点构建状态图；

根据所述状态图生成循环摘要；

其中，所述分析条件为条件变量在任意一次循环执行过程前后改变量为同一常量；所述状态图中记录两状态节点进行状态转移时的约束条件、触发条件以及条件变量在状态转移后的赋值。

第二个方面，本发明实施例提供一种基于控制流图的数据流分析装置，包括：

简化模块，用于对控制流图进行简化处理，简化后的控制流图包括控制流条件中的所有条件变量以及与所述条件变量有关的节点与边；

分析判断模块，用于遍历所述简化后的控制流图中的所有控制流路径，以判断所述控制流图是否符合分析条件；

状态图构建模块，用于若符合分析条件，则以所述简化后的控制流图的每条控制流路径作为状态节点构建状态图；

摘要生成模块，用于根据所述状态图生成循环摘要；

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。

本发明实施例提供的基于控制流图的数据流分析方法及装置，通过对控制流图进行简化处理，并对是否满足分析条件进行判断，若符合分析条件，以简化后的控制流图中的控制流路径构建状态图，能够直观精确地显示出控制流图循环过程的信息，最终利用状态图得到控制流图的循环摘要。本发明实施例具有准确、快速预测循环执行次数、生成循环摘要的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于控制流图的数据流分析方法的流程示意图；

图2为本发明的示例计算机代码的控制流图；

图3为本发明实施例的示例计算机代码的化简后的控制流图；

图4为本发明实施例根据示例计算机代码生成的状态图；

图5为本发明实施例提供的基于控制流图的数据流分析装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了克服现有技术的上述问题，本发明实施例提供一种控制流图的数据流分析方法，参见图1，图1为本发明实施例的基于控制流图的数据流分析方法的流程示意图，如图所示，该方法包括：

S101、对控制流图进行简化处理，简化后的控制流图包括控制流条件中的所有条件变量以及与所述条件变量有关的节点与边；

需要说明的是，由于本发明实施例的最终目的是为了精细求解循环执行次数，因此，首先获得计算机代码的控制流图，然后通过对控制流图进行简化处理，仅保留控制流条件中的条件变量有关的节点与边，能够剔除一些与控制流无关的信息，提高分析速度。

S102、遍历所述简化后的控制流图中的所有控制流路径，以判断所述控制流图是否符合分析条件。

本发明实施例适合分析控制流较为简单的循环，即循环内所有控制流路径(简称路径)的控制条件中的变量，在任意一次循环执行过程前后改变量为同一常量。

S103、若符合分析条件，则以所述简化后的控制流图的每条控制流路径作为状态节点构建状态图；其中，所述状态图中记录两状态节点进行状态转移时的约束条件、触发条件以及条件变量在状态转移后的赋值。

需要说明的是，通过对简化后的控制流图进行遍历，记录生成的所有控制流路径，以每条控制流路径作为状态节点构建状态图，显然状态图中的节点数量进一步减少，通过分析化简后的控制流图，确定状态节点间进行状态转换时的约束条件、触发条件以及条件变量在状态转移后的赋值。

S104、根据所述状态图生成循环摘要。

本发明实施例通过对控制流图进行简化处理，并对是否满足分析条件进行判断，若符合分析条件，以简化后的控制流图中的控制流路径构建状态图，能够直观精确地显示出控制流图循环过程的信息，最终利用状态图得到控制流图的循环摘要。本发明实施例具有准确、快速预测循环执行次数、生成循环摘要的优势。

下面以一个具体示例对本发明实施例的控制流图的数据流分析方法进行说明：

示例计算机代码为：

图2为本发明实施例的示例计算机代码的控制流图，图2中BBn表示第n个BasicBlock，BasicBlock是控制流图中的基本块，程序执行的最小单位。T表示true，F表示false。

通过对示例计算机代码进行分析可知，该代码可提取的控制流条件中的所有条件变量包括x、k、x-k、y和x-y，因此对控制流图进行简化处理，图3为本发明实施例的示例计算机代码的化简后的控制流图。T表示true，F表示false。

通过对化简后的控制流图进行分析，可知存在3条控制流路径：

p₁:BB1→BB5→BB8→BB7→BB5

p₂:BB1→BB5→BB6→BB7→BB5

p₃:BB1→BB2

通过对每条控制流路径进行分析，可知在每条控制流路径的条件变量在人一次循环执行过程前后改变了均为同一常量，以第一条控制流路径为例，在第一条控制流路径中，Δx＝1,Δk＝0,Δ(x-k)＝1,Δy＝0,Δ(x-y)＝1，显然均为定值。

以所述简化后的控制流图的每条控制流路径作为状态节点构建状态图，图4为本发明实施例根据示例计算机代码生成的状态图，如图4所示，s₁、s₂和s₃分别表示状态图的三个状态节点，每个状态节点中记录了对应的控制流路径以及各条件变量在每次执行控制路径前后的变量变化；e₁₂表示由状态节点1转移至状态节点2的转移函数，也是状态图中的边(eage)，包括状态转移时的约束条件、触发条件以及条件变量在状态转移后的赋值；e₂₁和e₁₃的含义与e₁₂类似，在此不再赘述。

在获得状态图后，从状态图的起始节点开始，在所述状态图中遍历，依次记录3次状态转移代表的路径执行次数，直到找出到达终结节点的运行记录，将所述运行记录中各状态节点的运行次数之和作为所述控制流图的循环次数，即所有边中计算的执行次数之和。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，对控制流图进行简化处理，具体为：

对所述控制流图中产生控制流分支的节点的判断条件进行递归遍历，记录循环控制条件需要的条件变量；删除所述控制流图中与所述条件变量无关的节点和边，获得所述简化后的控制流图。简化后的控制流图是仅关于循环执行次数的控制流图。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，遍历所述简化后的控制流图中的所有控制流路径，以判断所述控制流图是否符合分析条件，具体为：

从所述简化后的控制流图的循环入口进行深度优先遍历(Depth-FirstTraversal)，记录生成的所有控制流路径；

在每一条控制流路径中，通过符号执行的方式记录所有条件遍历在执行所述控制流路径前后的变量变化；

根据所有控制流路径中条件变量的改变量是否都为可确定的定值，判断所述控制流图是否符合分析条件。

以上述的示例计算机代码为例，从循环入口开始，在精简的CFG中进行深度优先遍历，记录生成的不同路径。如果路径最终退出循环，标记为终止路径，其余在图中形成环路的路径标记为循环路径，共存在3条控制流路径：

p₁:BB1→BB5→BB8→BB7→BB5

p₂:BB1→BB5→BB6→BB7→BB5

p₃:BB1→BB2

其中，p₁和p₂是循环路径，p₃是终止路径。

在每一条控制流路径中进行检验，通过符号执行的方式记录所有条件表达式在执行路径前后的变量变化。如果所有路径中所有条件变量的改变量都为可确定的定值，即满足分析条件，否则该循环不满足本分析方法的分析条件，在示例计算机代码的3条控制流路径中，采用ΔV_n表示第n条控制流路径前后的变量变化，则存在：

ΔV₁:{Δx＝1,Δk＝0,Δ(x-k)＝1,Δy＝0,Δ(x-y)＝1}

ΔV₂:{Δx＝0,Δk＝0,Δ(x-k)＝0,Δy＝1,Δ(x-y)＝-1}

ΔV₃:{Δx＝0,Δk＝0,Δ(x-k)＝0,Δy＝0,Δ(x-y)＝0}

显然，上述示例计算机代码适用于本发明实施例的数据流分析方法。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，以所述简化后的控制流图的每条控制流路径作为状态节点构建状态图，具体为：

为每条控制流路径建立一个状态节点，所述状态节点中记录控制流路径信息、控制流路径上的所有约束条件以及各条件变量在每次执行控制路径前后的变量变化；所述状态图的起始节点为循环的进入条件所在的节点，终结节点集合为终止路径所对应的状态节点的集合；

对于状态节点s_a至状态节点s_b的转移，根据循环分析条件的约束转移时需要执行状态s_a的控制流路径p_a的次数i_ab；

根据状态节点s_a中记录的各条件变量在每次执行控制路径前后的变量变化，计算执行i_ab-1次后的条件变量的集合V_ab′和执行i_ab次后的条件变量的集合V_ab″，

根据集合V_ab′更新状态节点s_a的约束条件θ_a，获得新约束条件θ_a′，根据集合V_ab″更新状态节点s_b的约束条件θ_b，获得新约束条件θ_b′；

使用SMT求解器，根据新约束条件θ_a′和新约束条件θ_b′计算状态图中记录状态节点s_a和状态节点s_b进行状态转移时的约束条件和触发条件值。

SMT求解器为SMT(Satisfiability Modulo Theory)问题的自动化求解工具，它可以处理包含一些特定理论(定长位向量、线性算数运算、未解释函数等)的一阶谓词逻辑。SMT求解器它能可支持逻辑的可满足性，极大地提高了程序分析的精度和分析效率。

以上述示例计算机代码的控制流图为例对构建状态图的过程进行说明：

为每条路径建立一个状态节点，该节点包含信息有路径、路径约束(将路径上的所有条件使用∧连接)、变量变化(之前符号执行得出的每条路径执行后条件遍历的改变情况)，：

s₁:p₁,θ₁＝x<y∧x<k,ΔP₁

s₂:p₂,θ₂＝x<y∧x≥k,ΔP₂

s₃:p₃,θ₃＝x≥y,ΔP₃

状态图的起始节点为循环的进入条件所在的节点s₁，终结节点集合为终止路径所对应状态节点的集合s₃。

两个状态节点间的转移函数是需要在分析中填充的内容，包含转移产生的约束、转移的触发条件和条件变量在转移后的赋值三部分。在每个转移中引入一个变量i，表示从状态x到状态y转移前需要执行状态1共i次。

对于从状态s₁到状态s₂的转移，使用i₁₂表示转移时需要执行s₁的路径p₁的次数。如果状态可以从s₁到s₂进行转移，即有当前满足s₁的路径约束θ₁，且在p₁执行完i₁₂次前都满足θ₁，在执行完i₁₂次后满足s₂的路径约束θ₂。

根据状态节点中的变量变化，计算p₁执行i₁₂-1次和i₁₂次后的变量表示。将原始变量集合设为V₁，执行i₁₂-1次后的变量集合用V₁₂′表示，执行i₁₂次后的变量集合用V₁₂″表示。

V′₁₂＝{x′＝x+i₁₂-1,k′＝k,(x-k)′＝x+i₁₂-1-k,y′＝y,(x-y)′＝x+i₁₂-1-y}

V″₁₂＝{x′＝x+i₁₂,k′＝k,(x-k)′＝x+i₁₂-k,y′＝y,(x-y)′＝x+i₁₂-y}

对于s₁的约束θ₁，在p₁执行完i₁₂次前都应当满足，即包括执行i₁₂-1次后。将θ₁中的变量进行替换，得到新约束θ₁′。

对于s₂的约束θ₂，在p₁执行完i₁₂次后都应当满足。将θ₂中的变量进行替换，得到新约束θ₂′。

θ′₁＝θ₁[V′₁₂/V]＝(x+i₁₂-1<k)∧(x+i₁₂-1<y)

θ′₂＝θ₂[V″₁₂/V]＝(x+i₁₂<k)∧(x+i₁₂≥y)

使用SMT Solver求解包含i₁₂的转移约束θ₁₂：＝θ₁′∧θ₂′，按照之前对循环分析条件的约束，必然可以能到i₁₂的仅包含一个整数值的范围，即求得了i₁₂的值：

θ₁₂＝(x+i₁₂-1<k)∧(x+i₁₂-1<y)∧(x+i₁₂<k)∧(x+i₁₂

≥y)

化简求解SMT：

y-x≤i₁₂<y-x+1

即求得：

i₁₂＝y-x

将i₁₂带入转移约束θ₁₂并化简，得到转移发生时的触发条件φ₁₂。将i₁₂带入V₁₂″,得到转移之后变量的取值。

图5为本发明实施例提供的基于控制流图的数据流分析装置的结构示意图，如图5所示，该控制流图的数据流分析装置包括：简化模块501、分析判断模块502、状态图构建模块503和摘要生成模块504，其中：

简化模块501，用于对控制流图进行简化处理，简化后的控制流图包括控制流条件中的所有条件变量以及与所述条件变量有关的节点与边；

分析判断模块502，用于遍历所述简化后的控制流图中的所有控制流路径，以判断所述控制流图是否符合分析条件；

状态图构建模块503，用于若符合分析条件，则以所述简化后的控制流图的每条控制流路径作为状态节点构建状态图；

摘要生成模块504，用于根据所述状态图生成循环摘要；

本发明实施例提供的控制流图的数据流分析装置，具体执行上述各控制流图的数据流分析方法实施例流程，具体请详见上述各控制流图的数据流分析方法实施例的内容，在此不再赘述。本发明实施例提供的控制流图的数据流分析装置，通过对控制流图进行简化处理，并对是否满足分析条件进行判断，若符合分析条件，以简化后的控制流图中的控制流路径构建状态图，能够直观精确地显示出控制流图循环过程的信息，最终利用状态图得到控制流图的循环摘要。本发明实施例具有准确、快速预测循环执行次数、生成循环摘要的优势。

图6为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(Communications Interface)620、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储在存储器630上并可在处理器610上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的显著性检测方法，例如包括：对控制流图进行简化处理，简化后的控制流图包括控制流条件中的所有条件变量以及与所述条件变量有关的节点与边；遍历所述简化后的控制流图中的所有控制流路径，以判断所述控制流图是否符合分析条件；若符合分析条件，则以所述简化后的控制流图的每条控制流路径作为状态节点构建状态图；根据所述状态图生成循环摘要；其中，所述分析条件为条件变量在任意一次循环执行过程前后改变量为同一常量；所述状态图中记录两状态节点进行状态转移时的约束条件、触发条件以及条件变量在状态转移后的赋值。

此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的显著性检测方法，例如包括：对控制流图进行简化处理，简化后的控制流图包括控制流条件中的所有条件变量以及与所述条件变量有关的节点与边；遍历所述简化后的控制流图中的所有控制流路径，以判断所述控制流图是否符合分析条件；若符合分析条件，则以所述简化后的控制流图的每条控制流路径作为状态节点构建状态图；根据所述状态图生成循环摘要；其中，所述分析条件为条件变量在任意一次循环执行过程前后改变量为同一常量；所述状态图中记录两状态节点进行状态转移时的约束条件、触发条件以及条件变量在状态转移后的赋值。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于控制流图的数据流分析方法，其特征在于，包括：

根据所述状态图生成循环摘要；

2.根据权利要求1所述的数据流分析方法，其特征在于，所述对控制流图进行简化处理，具体为：

对所述控制流图中产生控制流分支的节点的判断条件进行递归遍历，记录循环控制条件需要的条件变量；

删除所述控制流图中与所述条件变量无关的节点和边，获得所述简化后的控制流图。

3.根据权利要求1所述的数据流分析方法，其特征在于，所述遍历所述简化后的控制流图中的所有控制流路径，以判断所述控制流图是否符合分析条件，具体为：

从所述简化后的控制流图的循环入口进行深度优先遍历，记录生成的所有控制流路径；

4.根据权利要求1所述的数据流分析方法，其特征在于，所述以所述简化后的控制流图的每条控制流路径作为状态节点构建状态图，具体为：

根据状态节点s_a中记录的各条件变量在每次执行控制路径前后的变量变化，计算执行i_ab-1次后的条件变量的集合V_ab′和执行i_ab次后的条件变量的集合V_ab″；

5.根据权利要求4所述的数据流分析方法，其特征在于，所述使用SMT求解器，根据新约束条件θ_a′和新约束条件θ_b′计算状态图中记录状态节点s_a和状态节点s_b进行状态转移时的约束条件和触发条件，具体为：

使用SMT求解器，根据新约束条件θ_a′和新约束条件θ_b′计算状态图中记录状态节点s_a和状态节点s_b进行状态转移时的约束条件θ_ab；

将次数i_ab代入约束条件θ_ab中，获得触发条件φ_ab。

6.根据权利要求1所述的数据流分析方法，其特征在于，所述根据所述状态图生成循环摘要，具体为：

从所述状态图的起始节点开始，深度优先在所述状态图中遍历，依次记录每次状态转移代表的路径执行次数，直到找出到达终结节点的运行记录，将所述运行记录中各状态节点的运行次数之和作为所述控制流图的循环次数。

7.一种基于控制流图的数据流分析装置，其特征在于，包括：

摘要生成模块，用于根据所述状态图生成循环摘要；

8.一种电子设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及

与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至6中任意一项所述的控制流图的数据流分析方法。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至6中任意一项所述的控制流图的数据流分析方法。