程序分析（Program Analysis）是一種旨在自動化處理計算機程序，以確認或發現程序如性能、正確性、安全性等特性的技術。其主要應用于錯誤檢測、性能優化和安全性分析等領域。
程序分析涵蓋了多種方法，其中動態程序分析方法在程序運行時進行分析，深入挖掘程序的執行路徑和行為特征；而靜態程序分析方法則在編譯階段提前對程序進行分析和檢測，以發現潛在的問題和漏洞。這兩種方法目前被廣泛應用，它們通過控制流分析、數據流分析、過程間分析、符號執行、污點分析等關鍵技術，揭示程序內在的運行機制和潛在的安全隱患。除此之外，還有形式化方法和混合方法，豐富了程序分析的技術體系。
經過多年的發展，程序分析已成為剖析復雜軟件系統、提高軟件質量的重要手段。針對不同的軟件形態，已經發展出眾多程序分析技術，并開發出高效率的自動化分析工具，如在移動應用開發中，程序分析可被用于多線程程序的并發缺陷檢測，幫助開發者發現并解決潛在的安全隱患和性能問題。隨著軟件應用范圍的拓展和對軟件可靠性要求的提高，程序分析在軟件開發和維護過程中也發揮著作用。
發展歷程
早期程序分析方法
20世紀50年代至70年代，靜態分析方法的出現標志著程序分析早期階段的開始。John Backus（約翰·巴克斯）和Peter Naur（彼得·諾爾）等代表人主要依賴于靜態分析方法，在編譯時或運行前對程序代碼進行分析，以發現潛在的錯誤和漏洞。Backus在1957年發表了《The FORTRAN Automatic Coding System》，這標志著高級程序設計語言FORTRAN的誕生；而Naur在1960年發表了《Revised Report on the Algorithmic Language ALGOL 60》，成為ALGOL 60的主要設計者之一。這些靜態分析方法包括語法分析、類型檢查和控制流分析等。
形式化方法的興起
在20世紀70年代至80年代，形式化方法開始受到重視。Tony Hoare（托尼·霍爾）和Edsger W. Dijkstra（狄克斯特拉）等代表人主要貢獻了形式化方法的發展。Hoare在1969年發表了《An Axiomatic Basis for Computer Programming》，提出了著名的Hoare邏輯，為程序驗證領域奠定了基礎；而Dijkstra在1965年發表了《Cooperating Sequential Processes》，探索了并發程序設計的基礎理論。形式化方法是一種基于數學模型的程序分析技術，旨在證明程序的正確性或指出程序中的錯誤。這些方法包括模型檢查、定理證明和抽象解釋等。
符號執行與數據流分析的出現
20世紀80年代至90年代見證了符號執行和數據流分析技術的發展。James C. King（詹姆斯·金）和Fran?ois Bourdoncle（弗朗索瓦·布爾東克勒）等代表人主要貢獻了這一時期的研究。King在1976年發表了《Symbolic Execution and Program Testing》，開創了符號執行技術的先河；而Bourdoncle則在1993年發表了《Efficient chaotic iteration strategies with widenings》，推動了數據流分析技術的發展。符號執行是一種靜態分析技術，用于模擬程序執行路徑并發現潛在的錯誤和漏洞。數據流分析則用于分析程序中數據的流動情況，發現數據依賴性和未初始化變量等問題。
動態分析技術的發展
隨著20世紀90年代至今，動態分析技術開始受到關注。Barton P. Miller（巴頓·米勒）和Robert DeLine（羅伯特·德林）等代表人成為了該領域的貢獻者。Miller等人在1995年發表了《Fuzz Revisited: A Re-examination of the Reliability of UNIX Utilities and Services》，推動了動態程序分析技術的發展；而Benjamin Livshits等人在2017年發表了《Enabling Defensive Programming with Optimistic Dynamic Analysis》，為動態檢查器的開發提供了基礎。動態分析技術通過捕獲程序的實際執行信息，在程序執行時進行分析和優化。它可以用于性能分析、內存泄漏檢測、安全漏洞檢測等領域。
特點
分類
根據分析時間劃分
動態程序分析
動態程序分析是一種在運行目標程序時進行的分析技術。在目標程序結束運行后，動態分析生成一個包含程序行為信息的概要文件。其主要優點在于能夠產生詳細且準確的信息。為了提高代碼覆蓋率，通常需要多次運行目標程序，并采用不同的輸入和路徑。動態符號執行和動態污點分析是動態程序分析的兩種常見技術。由于動態分析需要實際運行被測試程序，因此其分析開銷較大。此外，動態分析只能對已執行的程序代碼進行分析，無法分析尚未執行的代碼，因此提高代碼覆蓋率是動態分析技術的重要挑戰。盡管如此，動態分析的最大優勢在于能夠獲取程序運行時的信息，因此具有較高的準確性。
靜態程序分析
靜態程序分析是一種在編譯期間對代碼進行檢查的技術，它利用數據流和控制流等信息，在不運行目標程序的情況下進行分析和檢測。大多數現代編譯器能夠自動進行靜態分析，其優點在于能夠在運行程序之前指出代碼的潛在問題，減少調試次數并節省時間。然而，由于缺乏運行時信息，靜態分析的準確性可能不佳，可能會產生大量誤報。現代集成開發環境工具利用靜態分析來檢測代碼中的潛在問題，如空指針、內存泄漏和死代碼，以提高代碼質量并節省調試時間。相較于動態分析，靜態分析能夠確保對代碼的100%覆蓋率，盡早發現和解決潛在錯誤，提高軟件的可靠性和穩定性。
根據分析目的劃分
錯誤檢測
程序分析技術在錯誤檢測方面起到關鍵作用，有助于開發人員識別代碼中的潛在缺陷和錯誤。通過靜態分析，在代碼編譯之前可以發現諸如邏輯錯誤、未初始化的變量、內存泄漏等問題。同時，動態分析技術能夠實時捕捉程序錯誤，如數組越界、空指針引用等，幫助開發人員及時定位和修復這些問題。
性能分析
在性能分析方面，程序分析技術可以幫助開發人員分析代碼的執行效率。通過性能剖析工具，識別出程序中執行最頻繁的代碼段（熱點），從而針對性地進行優化，提高程序的執行效率。此外，程序分析還可以幫助開發人員分析內存使用情況，發現內存泄漏和不必要的內存占用，進一步優化內存管理，提升程序的性能。
安全性分析
在安全性分析方面，靜態程序分析技術可以檢測代碼中潛在的安全漏洞，如緩沖區溢出、SQL注入等。同時，動態分析技術可以監控程序的運行時行為，發現潛在的安全風險。這些分析技術能夠幫助開發人員在軟件開發過程中及時發現并解決安全問題，提高軟件的安全性和可靠性。
代碼質量分析
在代碼質量分析方面，著眼于評估和提升代碼的可讀性、可維護性、性能和安全性等關鍵指標，是程序分析中的重要環節。代碼質量分析通過系統性的檢查和評估，幫助開發團隊發現潛在的問題，并制定改進方案以提高代碼的質量水平。例如重構技術可以幫助開發者改進代碼的可讀性和可維護性，進而提高軟件項目的質量。
根據分析粒度分類
函數級分析
函數級分析聚焦于單個函數或方法的內部結構和實現細節，以評估其功能性、性能和可維護性等方面。其主要用于檢查函數的輸入輸出關系、執行邏輯、異常處理、資源利用情況等，以確保函數功能正確、性能高效和易于維護。
模塊級分析
模塊級分析關注于軟件系統中的模塊或組件，評估其與其他模塊之間的交互、接口設計、內部結構和功能完整性等方面。其旨在確保模塊之間的協作順暢、接口穩定、功能完整，并通過優化模塊間的通信和依賴關系，提高系統的可擴展性和可維護性。
系統級分析
系統級分析從整體角度考慮軟件系統，評估系統的架構設計、性能特征、安全性和可用性等方面。其通過分析系統的整體結構和行為，發現系統級別的問題和潛在風險，制定綜合的優化方案，確保系統的穩定運行和滿足用戶需求。
根據處理方式分類
手工分析
手工分析是一種依賴于人工經驗和專業知識的過程，通過人工閱讀、檢查和評估源代碼或軟件系統來發現問題、優化性能或改進質量。手工分析具有靈活性，能夠根據特定的需求和目標進行定制和調整，然而，它需要耗費大量時間和人力。通常手工分析用于對關鍵代碼部分、特定功能模塊或復雜問題進行深入分析和診斷，以輔助自動化分析，發現自動化工具無法捕捉的問題或特定需求。
自動化分析
自動化分析利用計算機程序和工具對源代碼或軟件系統進行自動化檢測、評估和處理。自動化分析工具能夠在短時間內對大量代碼進行分析，提高分析效率，同時具有一致性。然而，自動化分析工具可能無法覆蓋所有情況，有些復雜問題仍需要人工介入。自動化分析廣泛應用于代碼質量評估、靜態程序分析、性能測試、安全漏洞掃描等方面，幫助發現潛在問題、優化代碼結構、提高性能和安全性。
關鍵技術
靜態程序分析
過程間分析
過程間分析（inter-procedural analysis，IPA) 指的是在對程序進行靜態分析時，考慮程序中各個函數之間的關系和相互影響。它是一個多步的過程，是LT分析過程中的重要部分，也是一個跨模塊的分析過程。跨模塊的優化功能實現最早在1987年(Link 時間 optimization -MIPS)，后來相繼出現了過程間分析和轉換，動態鏈接程序的優化(IPA+LTO)。
數據流分析
數據流分析是關鍵的程序分析技術，用于追蹤控制流圖中的程序狀態信息傳播，以預測運行時各點可能的狀態。它采用抽象的格結構來表示狀態集合，并通過單調轉移函數更新狀態。此分析可前向或后向執行，映射狀態信息的流動方向，依據控制流圖的多分支交匯點確定程序狀態。
在編譯器優化中，數據流分析被用于常數傳播、部分冗余消除等任務，通過迭代至固定點的方法來實現，避免了復雜算法的需求。它主要應用于過程內分析，而過程間分析則通過函數摘要實現。作為靜態分析技術的一個應用，數據流分析對軟件工程和編譯優化至關重要。
污點分析
污點分析可用于跟蹤分析程序中污點數據流動。它通過監控程序內部的數據流向和分析數據監控，檢測可能存在的敏感數據泄露或危險操作等違反數據完整性和保密性的安全漏洞。污點分析通常結合了上下文敏感的別名分析和多源綁定技術，以準確地檢測Java程序中的漏洞。其核心目標在于對污點傳播路徑進行分析，利用程序依賴信息來跟蹤污點數據在程序中的傳播路徑，以發現可能的安全風險。
污點分析是一種靜態分析方法，通過分析源代碼或二進制代碼的結構和屬性來推斷程序的行為，而無需實際運行程序。在污點分析中，結合了別名分析和多源綁定技術，這些技術都是靜態分析的一部分。
抽象解釋
抽象解釋是一種通用理論，用于對程序語義進行可靠的抽象或近似。它提供了一個框架，保證了構建的程序分析的終止性和可靠性，同時考慮了所有的程序行為。通過對程序語義進行不同程度的抽象，在分析精度和計算效率之間取得權衡。利用抽象解釋，可以提高程序分析的效率和準確性。
靜態分析是通過分析程序的源代碼或二進制代碼的結構和屬性來推斷程序的行為。抽象解釋通常作為一種通用理論，在靜態分析的背景下進行應用。
靜態符號執行
靜態符號執行是一種精確的程序分析技術，利用符號化輸入模擬程序執行。當遇到條件語句時，程序會根據分支情況分叉執行，并將分支條件作為當前路徑的路徑條件。它通過調用 SAT/SMT 求解器，判斷程序執行路徑的可行性，支持自動測試、缺陷查找等軟件驗證活動。
靜態程序切片
靜態程序切片技術是一種分析程序代碼的方法，通過將程序分解并提取特定的語句序列來滿足分析人員的需求。它基于指令的控制流和數據流，分析指令的執行序列以及數據的產生、復制、傳遞和消失過程，最終生成所需的代碼片段。
動態程序分析
動態符號執行
動態符號執行是一種新興的軟件漏洞檢測方法，結合具體執行和符號執行。它通過在程序真實運行中收集路徑約束來判斷需要符號執行的代碼，并生成新的輸入來測試程序。監控程序執行狀態，發現異常可能表示漏洞，進一步分析異常確認漏洞類型。
動態程序切片
動態程序切片技術是一項重要的軟件分析技術。其已廣泛應用于程序調試、軟件測試、軟件維護和錯誤定位等任務。主要分為基于前向計算和基于后向分析兩種方法。前向計算方法根據興趣點動態依賴節點計算切片，需要維護節點的切片信息。后向分析方法通過回溯動態依賴關系找到興趣點的直接和間接依賴節點集合生成切片。這兩種方法都需要維護大量中間信息，產生動態依賴關系。
混合方法分析
混合方法是程序分析領域中的一種方法論，它結合了靜態分析和動態分析兩種技術手段。靜態分析在編譯期間對程序進行分析，但有時難以捕捉到程序的全部行為；動態分析在程序運行時收集信息，但覆蓋率可能有限。混合方法將這兩種分析技術結合起來，提高了程序分析的全面性和準確性。
控制流分析是程序分析領域的重要技術，用于理解程序的執行流程。在控制流分析中，主要方法包括利用必經點找到環和區間分析。前者利用必經點找到程序中的環，隨后對環進行解釋優化。這種方法適用于使用迭代數據流分析的優化器或對子程序中環感興趣的分析。后者包括分析子程序的整體結構，將其分解為區間（區間）。區間的嵌套結構構成一棵樹，稱為控制樹，用于數據流分析。
在控制流分析中，靜態分析方法主要包括利用必經點找到環以及區間分析，而動態分析方法則是在程序運行時收集控制流信息。結合靜態分析和動態分析方法可以更全面地理解和優化程序的控制流程。
形式化方法分析
形式化方法是一種采用數學方法的系統設計與驗證方法，旨在建立對復雜計算機系統嚴格的語法和語義規范。它在計算機硬件設計、軟件系統構造、控制系統模型設計與分析等領域得到廣泛應用，以提高系統的安全性和可靠性。該方法還在新興領域如深度學習、區塊鏈、量子計算等得到逐步應用。形式化方法通過嚴格的數學基礎和形式驗證，能夠證明程序不存在某類 bug，但其實際應用受到數學證明難度大以及代碼求解量大的限制。
工具平臺
程序分析的工具平臺是用于執行各種程序分析任務的軟件工具集合。這些工具平臺通常提供了一系列功能，包括靜態分析、動態分析、代碼審查等。它們旨在幫助開發人員發現和解決軟件中的錯誤、優化代碼、改進性能等。
程序分析的主要工具平臺如下表：
展望及挑戰
未來，程序分析將繼續發揮重要作用，成為剖析復雜軟件系統和提高軟件質量的關鍵手段。隨著軟件工程、程序設計語言、操作系統、信息安全等領域的不斷發展，對程序分析的需求將愈發增加。經過多年的發展，程序分析已取得了長足的進步，研究人員將程序語言理論與編譯、人工智能、數據處理等技術相結合，開發了眾多高效的自動化分析工具，為軟件缺陷和漏洞的發現提供了重要幫助。然而，當前的程序分析技術仍面臨一系列挑戰，如準確性和可擴展性等方面的問題。另外，隨著新型軟件形態的出現，如智能合約和深度學習等，也需要全新的程序分析技術來應對挑戰。因此，未來的程序分析將需要不斷創新和進步，以滿足不斷變化的軟件應用需求，提高軟件開發和維護過程中的效率和可靠性。
參考資料 >
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中國學科發展戰略·軟件科學與工程.中國科學院學部.2024-02-26
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