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并发缺陷检测技术研究进展

计算机科学 2019年第5期46卷 13-20页

作者：薄莉莉姜淑娟张艳梅王兴亚于巧中国矿业大学计算机科学与技术学院矿山数字化教育部工程研究中心江苏徐州221116 南京大学计算机软件新技术国家重点实验室南京210093 江苏师范大学计算机科学与技术学院江苏徐州221116

多核时代的到来使得并发程序的设计备受人们关注。然而,并发程序的并发性和不确定性容易引发并发缺陷。因此,快速且有效地检测出这些并发缺陷尤为重要。首先,将目前常见的并发缺陷分为五大类(并发类型状态缺陷、死锁、数据竞争、原子性... 详细信息

多核时代的到来使得并发程序的设计备受人们关注。然而,并发程序的并发性和不确定性容易引发并发缺陷。因此,快速且有效地检测出这些并发缺陷尤为重要。首先,将目前常见的并发缺陷分为五大类(并发类型状态缺陷、死锁、数据竞争、原子性违背和顺序违背);随后,从软件运行的角度,将现有的并发缺陷检测技术分为静态分析、动态分析和动静结合分析,并对每一类进行详细的分析、比较和总结;接着,对并发缺陷检测技术的通用性进行分析和总结;最后,从通用准确的并发缺陷检测、软硬件相结合的并发缺陷检测、并发缺陷检测修复一体化、适用于松散内存模型的并发缺陷检测、安卓等其他应用平台的并发缺陷检测和分布式系统非确定性并发缺陷研究等方面,对并发缺陷检测技术的未来研究进行了探讨。

关键词：并发程序并发缺陷缺陷检测软件测试

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Go语言并发缺陷检测研究进展

高技术通讯 2023年第4期33卷 360-369页

作者：袁挺陆杰李炼中国科学院计算技术研究所计算机体系结构国家重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100190

Go语言是Google公司专为并发编程设计的开源语言,自2009年发布以来就在工业界和学术界获得了广泛的关注和应用。为了在运行时更好地支持用户态线程,Go语言提供了丰富多样的并发原语,尽管它们带来了编程上的便利,但同时也引入了更多复杂... 详细信息

Go语言是Google公司专为并发编程设计的开源语言,自2009年发布以来就在工业界和学术界获得了广泛的关注和应用。为了在运行时更好地支持用户态线程,Go语言提供了丰富多样的并发原语,尽管它们带来了编程上的便利,但同时也引入了更多复杂的并发缺陷。为了帮助研究者和开发者深入了解Go语言并发缺陷,本文归纳和总结了它们的特征及其相关研究。同时为了分析最新静态和动态检测工具的原理和使用效果,本文使用开源基准测试集GoBench对它们进行了评估。实验表明,目前的检测工具的检测效果和实用性仍有不足,本文针对这些不足对未来Go语言并发缺陷研究提出了展望。

关键词： Go语言并发缺陷并发原语软件测试

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开源SDN控制器并发缺陷的量化分析研究

小型微型计算机系统 2023年第7期44卷 1563-1570页

作者：郑冰李华内蒙古大学计算机学院呼和浩特010021

SDN(software-defined networking)控制器是SDN网络的核心软件,它的并发缺陷会使网络的运行出现不确定甚至错误.本文对开源SDN控制器的真实历史并发缺陷报告进行深入实证量化分析:首先,从缺陷管理工具自动获取真实缺陷报告并进行预处理... 详细信息

SDN(software-defined networking)控制器是SDN网络的核心软件,它的并发缺陷会使网络的运行出现不确定甚至错误.本文对开源SDN控制器的真实历史并发缺陷报告进行深入实证量化分析:首先,从缺陷管理工具自动获取真实缺陷报告并进行预处理获得数据集;其次,基于软件缺陷生命周期选取4个维度10个具体度量作为并发缺陷修复过程的评估指标,基于指标对数据集进行修复过程的特征提取,自动获得其特征集;再次,基于特征集给出包含5种并发缺陷类型的数据集;最后,采用量化统计分析方法对于具有修复过程特征的并发缺陷数据集进行分析,给出SDN控制器在并发缺陷类型、功能模块和修复过程的数据分布特征及分析结果,并进行了有效性讨论.

关键词： SDN控制器并发缺陷缺陷报告量化分析

针对能耗和并发缺陷的安卓应用测试用例生成研究

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针对能耗和并发缺陷的安卓应用测试用例生成研究

作者：李其玮南京大学

学位级别：硕士

智能手机在人们的生活中成为了不可或缺的一部分。智能手机的计算能力变得越来越强,搭载的传感器越来越繁多。智能手机应用会采用并发编程技术以提高CPU的利用效率,利用传感器获取用户的物理环境的一些参数。但是,这里相应的出现了两个... 详细信息

智能手机在人们的生活中成为了不可或缺的一部分。智能手机的计算能力变得越来越强,搭载的传感器越来越繁多。智能手机应用会采用并发编程技术以提高CPU的利用效率,利用传感器获取用户的物理环境的一些参数。但是,这里相应的出现了两个严重的问题——能耗和并发缺陷,从而降低了应用的质量,最终导致较差的用户体验。感知操作是一个十分消耗能源的操作,从中获取到的传感器数据应当被有效地利用。但是,已有的研究表明应用市场中的智能手机应用的传感器数据利用率通常较低,从而导致了严重的能耗浪费。为了解决这个问题,最新的技术GreenDroid能够自动地生成传感器数据,记录它们的传播以及分析它们在应用中的使用情况。然而GreenDroid的传感器数据生成方式是随机的,而这会使诊断结果不稳定和降低其有效性。众所周知,并发程序比较难以编写、测试和调试。安卓官方提供了一系列约束以避免出现并发缺陷,比如只能在Main Thread进行GUI更新。随着应用的复杂度不断增加,开发者越来越难以正确地理解应用的行为,从而导致出现难以察觉的并发缺陷。部分已有的工作通过利用已有的输入事件序列构建happens-before图,从而检测潜在的数据竞争。但是,它们严重地依赖于这些输入事件序列,从而造成较高的假阳性。针对能耗和并发缺陷,本文采用了测试用例生成技术,即利用应用的历史执行和当前状态生成新的测试用例。为了实现更加有效的能耗低效性诊断,本文提出了一个创新的方法以系统地生成多维的传感器数据,同时用更细粒度的方式定义了应用的状态。本文实现了一个原型工具CyanDroid,并且用了真实的应用以及它们的变异体对CyanDroid进行了评估。结果表明CyanDroid在诊断由传感器数据低利用率所导致的能耗缺陷时更加稳定、有效。另一方面,基于能够同时生成输入事件及其调度这样的事实,本文提出了一个触发安卓应用中并发缺陷的方法。本文实现了动静结合的混合分析以找到应用中潜在的冲突资源访问,然后通过导向型的事件和调度生成自动地运行被测应用。本文实现了相应的原型工具AATT,并用真实的应用对其进行了评估,结果表明了AATT的有效性和高效性。

关键词：安卓应用测试测试用例生成能耗缺陷并发缺陷

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面向多线程并发缺陷的模糊测试方法研究

面向多线程并发缺陷的模糊测试方法研究

作者：董继斌哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着超线程与多核技术的发展,编写多线程程序成为了提高软件性能的重要手段。但多线程程序也带来了许多并发缺陷,给软件安全带来了严重威胁。本文结合静态分析和模糊测试,提出了面向多线程并发缺陷的模糊测试方法,主要研究工作与贡献如... 详细信息

随着超线程与多核技术的发展,编写多线程程序成为了提高软件性能的重要手段。但多线程程序也带来了许多并发缺陷,给软件安全带来了严重威胁。本文结合静态分析和模糊测试,提出了面向多线程并发缺陷的模糊测试方法,主要研究工作与贡献如下:为了提升模糊测试在多线程程序上的效率,本文为模糊测测试增加了新的程序运行衡量指标,包括并发行为窗口和CFG(控制流程图)预测指标。其中的程序运行分析模块利用静态分析技术提取程序源代码中的并发信息,并通过插桩函数来收集程序运行信息,同时将代码覆盖率,并发行为窗口和CFG预测指标作为程序运行衡量指标,增强模糊测试对多线程程序的感知能力。在加入的程序运行衡量指标中,并发行为窗口能够代表程序运行中线程交错的情况,而CFG预测信息则能通过控制流程图信息提供程序未能实际运行部分的预测性信息。本文为模糊测试加入了多目标优化方法,该方法对模糊测试的种子能量分配,种子变异,线程调度策略以充分利用加入的新衡量指标并提升并发模糊测试效率。其中种子能量分配策略将模糊测试过程分为探索阶段和利用阶段。在探索阶段,通过统计分析所有种子文件(有效测试文件)的数据,建立不同指标检测参数之间的关系。在利用阶段,该策略能够根据种子文件在指标上的综合表现调整其参与变异操作次数等能量分配情况,并利用种子文件间的差异施加针对性的变异操作,其中变异操作主要是指模糊测试不断对种子文件进行修改以获取更多不同的程序运行状态。并且为了应对传统模糊测试缺乏线程空间探索能力的问题,本文结合Linux系统的线程管理方法,对线程交错调度模块进行了优化,加强了模糊测试对线程交错的探索能力,能够有效探索多线程程序状态空间,避免遗漏难以触发的并发相关缺陷。最后,本文结合静态分析和模糊测试实现了一个面向多线程并发缺陷的模糊测试原型工具TSAFL。通过在7个广泛应用的开源多线程程序上进行对比测试和评估,该工具能够有效地检测并发缺陷,在并发缺陷检测和多线程程序执行路径探索方面有更好的表现。

关键词：程序安全模糊测试多线程程序并发缺陷

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基于内存访问模式的并发缺陷修复方法

基于内存访问模式的并发缺陷修复方法

作者：林华睿天津大学

学位级别：硕士

随着计算机硬件的不断发展,多核处理器的出现频率越来越高,使用并发程序的场景越来越多。并发程序相比于传统的顺序程序有很多优势,它有更高的运行效率和更充分的资源利用率,但是它也存在一些不足。由于并发程序中线程调度的复杂性和程... 详细信息

随着计算机硬件的不断发展,多核处理器的出现频率越来越高,使用并发程序的场景越来越多。并发程序相比于传统的顺序程序有很多优势,它有更高的运行效率和更充分的资源利用率,但是它也存在一些不足。由于并发程序中线程调度的复杂性和程序运行时的不确定性等问题容易产生并发缺陷,这些并发缺陷如果不能及时地被修复,必将会造成严重的后果。并发缺陷与传统缺陷不同,有时只会出现在某些特殊的调度中且需要使用合适的补丁来修复,所以传统的方法在这一领域并不适用。修复并发缺陷的过程十分耗时耗力,如果程序员能使用一种自动化的修复方法,必将会减少很多工作量。在本论文中,我们提出了一种自动化修复方法去修复Java并发程序中非死锁型的并发缺陷,方法名为PFIX,其核心思想是推断出程序中合理的加锁策略从而系统地修复并发缺陷,它结合了动态运行与静态分析。我们首先通过Java Path Finder记录程序的运行信息,并从运行信息中筛选出读写操作,再根据读写操作抽象出内存访问模式,之后对内存访问模式进行排序。我们使用内存访问模式来表示常见的非死锁型并发缺陷。然后,我们通过添加锁和信号量的方式来修复程序。当需要加锁时,我们先通过推断加锁策略的方式来决定添加何种锁修复程序。当我们可以使用程序中的旧锁时,我们通过收集程序中锁的使用信息来推断加锁策略,决定具体使用哪一把旧锁。当我们无法使用程序中的旧锁时,我们通过构建抽象语法森林的方式来推断加锁策略,从而添加合适的新锁。之后,我们在加锁策略和内存访问模式的基础上设计相应的修复方法,向程序中添加合适的补丁进行修复。我们借助抽象语法树和Soot对我们添加的补丁进行调整,使得补丁更加的合理。最后,我们再使用Java Path Finder动态运行修复后的程序来检验它是否修复成功。我们整理了一套可供Java Path Finder运行的并发程序,并将其作为本文的数据集,总共有32个并发程序。我们将文中的方法应用在数据集上并成功修复了32个并发程序中的29个,对未能成功修复的程序,我们都进行了人工分析。

关键词：并发缺陷内存访问模式自动修复加锁策略抽象语法树

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精细化的BPEL程序数据竞争动态检测方法

计算机集成制造系统 2022年第10期28卷 3064-3080页

作者：鲁伟娜鲁法明包云霞曾庆田段华山东科技大学计算机科学与工程学院山东青岛266590 山东科技大学数学与系统科学学院山东青岛266590

鉴于传统的数据竞争动态检测方法对因果关系的建模不够准确,且将互斥关系处理为因果约束,导致多种误报或漏报,对业务流程执行语言(BPEL)活动间的因果关系进行精细划分,提出一种基于新型逻辑时钟的因果关系精细化识别方法,并联合向量时... 详细信息

鉴于传统的数据竞争动态检测方法对因果关系的建模不够准确,且将互斥关系处理为因果约束,导致多种误报或漏报,对业务流程执行语言(BPEL)活动间的因果关系进行精细划分,提出一种基于新型逻辑时钟的因果关系精细化识别方法,并联合向量时钟和全局互斥锁对BPEL程序中活动间的互斥关系进行准确处理,由此提出一种更为精细的BPEL程序数据竞争动态检测和预测方法,该方法在一定程度上既能保证较低的数据竞争误报率,又能降低数据竞争的漏报率,但会牺牲更多空间和时间。最后通过BPEL流程实例验证了所提方法的优越性。

关键词：数据竞争并发缺陷 Web服务组合业务过程管理逻辑时钟

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多线程程序数据竞争随机森林指令级检测模型

清华大学学报（自然科学版） 2020年第10期60卷 804-813页

作者：孙家泽阳伽伟杨子江西安邮电大学计算机学院中国西安710121 西安邮电大学陕西省网络数据分析与智能处理重点实验室中国西安710121 西密歇根大学计算机系美国卡拉马祖49008-5466

数据竞争是典型的多线程程序并发缺陷。由于多线程程序中存在不确定性的交织,数据竞争很难被检测出来。该文以多线程数据竞争的5个相关属性作为特征,构建了多线程程序数据竞争随机森林指令级检测模型。首先基于happens-before关系与lock... 详细信息

数据竞争是典型的多线程程序并发缺陷。由于多线程程序中存在不确定性的交织,数据竞争很难被检测出来。该文以多线程数据竞争的5个相关属性作为特征,构建了多线程程序数据竞争随机森林指令级检测模型。首先基于happens-before关系与lockset算法指令级检测数据竞争,同时用汇编源码信息来剔除隐形同步对,然后利用happens-before关系与lockset算法的分析结果训练多线程程序数据竞争随机森林检测模型。在Pin上实现了多线程程序数据竞争检测工具AIRaceTest。利用GitHub中多线程程序的插桩结果作为样本集来训练随机森林模型,模型精度可达92.1%。对Google data-race-test、Parsec基准程序3.1中的经典多线程程序的检测结果表明:AIRaceTest与Eraser、Djit+以及Thread Sanitizer这3种目前常用的数据竞争检测工具相比,数据竞争的误报和漏报分别降低了约10.6%和12.3%,在线程数较多的情况下,时间和内存开销分别降低了41.8%和22.4%。

关键词：数据竞争并发缺陷随机森林隐形同步对

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基于未来锁集的死锁规避

计算机研究与发展 2017年第2期54卷 428-445页

作者：禹振苏小红齐鹏马培军哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院哈尔滨150001

针对现有动态死锁规避方法存在能力有限、被动盲目、开销较大和影响目标程序正确性等问题,提出一种基于未来锁集的动静结合死锁规避方案Flider.基本思想是,对于一个加锁操作,若其未来锁集中的所有锁都是空闲的,则执行该加锁操作不会导... 详细信息

针对现有动态死锁规避方法存在能力有限、被动盲目、开销较大和影响目标程序正确性等问题,提出一种基于未来锁集的动静结合死锁规避方案Flider.基本思想是,对于一个加锁操作,若其未来锁集中的所有锁都是空闲的,则执行该加锁操作不会导致死锁.一个加锁操作的未来锁集包括当前要加锁的锁和从该加锁操作到与之相对应的解锁操作过程中遇到的所有加锁操作所要加的锁.通过静态分析,计算锁效应信息并插桩到相应的加锁操作和函数调用操作前后.通过动态分析,劫持加锁操作,根据其锁效应信息为之计算未来锁集,只有当未来锁集中的所有锁都未被锁定才执行该加锁操作,否则等待.测评实验和对比实验表明Flider能智能主动地规避多种类型死锁,开销较小,扩展性好,不影响程序正确性.

关键词：并发缺陷并发测试死锁死锁检测死锁规避未来锁集