基于PYTHON實(shí)現(xiàn)的軟件缺陷檢測(cè)程序研究

朱琦 林挺

摘 要 針對(duì)宇航飛行軟件對(duì)于軟件可靠性、安全性設(shè)計(jì)的要求，本文提出一種基于PYTHON語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的宇航飛行軟件缺陷檢測(cè)程序，通過(guò)對(duì)源代碼進(jìn)行預(yù)處理和篩選，生成測(cè)試驅(qū)動(dòng)文件，再對(duì)測(cè)試驅(qū)動(dòng)文件傳輸?shù)教摂M機(jī)系統(tǒng)，依托開(kāi)源的KLEE生成并運(yùn)行測(cè)試用例，將測(cè)試用例運(yùn)行結(jié)果匯總到前端顯示，從而實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證缺陷檢測(cè)程序。

關(guān)鍵詞 軟件缺陷;字典結(jié)構(gòu);求解器

引言

宇航飛行軟件運(yùn)行環(huán)境相對(duì)于地面環(huán)境存在單粒子效應(yīng)、高低溫、原子氧、空間碎片和電磁輻射等特殊情況[1]，同時(shí)由于宇航飛行軟件的功能日趨復(fù)雜，可能存在不易檢測(cè)的固有設(shè)計(jì)缺陷，這些缺陷往往會(huì)在后期的系統(tǒng)聯(lián)試中才暴露，甚至在軌長(zhǎng)期潛伏，由此帶來(lái)的損失很大，這要求對(duì)軟件設(shè)計(jì)缺陷提前發(fā)現(xiàn)和規(guī)避，依靠傳統(tǒng)測(cè)試方法發(fā)現(xiàn)顯然是比較困難的，而且時(shí)間成本較大，國(guó)外產(chǎn)品如LDRA Testbed，但是軟件版權(quán)在國(guó)外，源碼安全性不可控，因此，研究一套旨在提前發(fā)現(xiàn)并糾正缺陷的國(guó)產(chǎn)軟件缺陷檢測(cè)程序便提上了議事日程。

PYTHON是一種解釋型的腳本語(yǔ)言，具有格式嚴(yán)謹(jǐn)、語(yǔ)法簡(jiǎn)練以及豐富的數(shù)值計(jì)算資源，適合開(kāi)發(fā)針對(duì)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析和挖掘方面的智能化軟件，因此，這里選擇基于PYTHON語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)程序。

1軟件整體框架

PYTHON語(yǔ)言在數(shù)據(jù)提取中可以建立“{關(guān)鍵字：數(shù)值}”形式的字典結(jié)構(gòu)，在存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)中可以通過(guò)關(guān)鍵字快速查詢到關(guān)鍵字對(duì)應(yīng)的數(shù)值，并支持字典嵌套的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，利用這個(gè)PYTHON特有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理和存儲(chǔ)軟件代碼信息，對(duì)源程序工程進(jìn)行文件遍歷，將函數(shù)及其所調(diào)用到的函數(shù)涉及的代碼段匯總寫(xiě)入指定名稱的C文件中，生成測(cè)試該函數(shù)的驅(qū)動(dòng)程序[2]。缺陷檢測(cè)程序的整體結(jié)構(gòu)和框架如下：

圖1 宇航飛行軟件系統(tǒng)缺陷檢測(cè)程序的整體框架示意圖

如上圖所示，缺陷檢測(cè)程序首先對(duì)源程序工程進(jìn)行文件遍歷，抽取出信息字典，匹配需要測(cè)試的函數(shù)，將函數(shù)及其所調(diào)用到的函數(shù)涉及的代碼段匯總寫(xiě)入指定名稱的C文件中，生成測(cè)試該函數(shù)的測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序[3]。

2軟件實(shí)現(xiàn)

首先接收和解析用戶命令行傳入的參數(shù)，使用os庫(kù)的walk函數(shù)對(duì)參數(shù)SRC所指定的目錄下的文件進(jìn)行兩次遍歷，第一次篩選所有的類型和宏定義，第二次分析函數(shù)和變量。

測(cè)試驅(qū)動(dòng)文件生成后，將測(cè)試驅(qū)動(dòng)文件按TCP協(xié)議打包，按順序發(fā)送給服務(wù)端程序，這里使用了PYTHON的socket包來(lái)實(shí)現(xiàn)文件傳輸，服務(wù)端按客戶端報(bào)文中指定要求，順序重組文件數(shù)據(jù)，生成與主機(jī)相同的測(cè)試驅(qū)動(dòng)文件。

KLEE是一個(gè)運(yùn)行在 Linux 操作系統(tǒng)上的開(kāi)源動(dòng)態(tài)符號(hào)執(zhí)行工具，生成的測(cè)試用例達(dá)到很高的代碼覆蓋率，這里使用KLEE的STP求解器自動(dòng)實(shí)現(xiàn)測(cè)試用例的生成[4]。經(jīng)過(guò)KLEE求解，計(jì)算出合適的用例去覆蓋源程序的語(yǔ)句、分支和條件組合，生成測(cè)試用例，并模擬運(yùn)行，輸出運(yùn)行結(jié)果。

在代碼分析過(guò)程中，數(shù)據(jù)流分析、控制流分析、缺陷特征識(shí)別是關(guān)鍵步驟，特別是過(guò)程間的數(shù)據(jù)流和控制流分析的完備程度決定了編碼缺陷數(shù)據(jù)的分析能力。

3缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)選用的宿主機(jī)使用64位Windows10 系統(tǒng)，并安裝了與此系統(tǒng)兼容的PYTHON3.5版本，VMWARE9.0下安裝了Ubuntu14.04桌面版，分別在宿主機(jī)和部署宇航飛行軟件系統(tǒng)缺陷檢測(cè)程序的客戶端和服務(wù)端程序，檢測(cè)一段預(yù)先編制會(huì)導(dǎo)致堆棧溢出的程序。

軟件在子程序sc_cast所調(diào)用的子程序gioGetBit中發(fā)現(xiàn)了可能存在堆棧溢出的問(wèn)題，并打印出相關(guān)位置信息。

4結(jié)束語(yǔ)

基于PYTHON的宇航飛行軟件系統(tǒng)缺陷檢測(cè)程序可用于在軟件原型開(kāi)發(fā)前期，不具備實(shí)際計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備支持的情況下，依靠軟件靜態(tài)分析及自動(dòng)化生成并運(yùn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試用例，快速發(fā)現(xiàn)和定位宇航飛行軟件存在的設(shè)計(jì)和編碼缺陷，從而提升軟件可靠性和安全性。

參考文獻(xiàn)

[1] 佚名.中國(guó)在軌衛(wèi)星故障實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)[ED/OL].http：//tech.sina.com.cn/d/2005-09-08/1355715184.shtml，2005-9-8.

[2] 航天軟件產(chǎn)品ADA語(yǔ)言編碼規(guī)范：Q/RJ 633-2019[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2019.

[3] 航天型號(hào)軟件C語(yǔ)言安全子集：GJB5369-2005[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2019.

[4] Martins R，Manquinho V，Inês Lynce. An overview of parallel SAT solving[J]. Constraints，2012，17（3）：304-347.