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一种基于数据依赖关系的内存安全性检测方法

湖北大学学报（自然科学版） 2024年第3期46卷 402-410页

作者：蒙世满符祥南昌航空大学软件学院江西南昌330063

内存安全问题已成为影响C/C++程序正确性和可靠性的主要因素。一些现有的静态代码检测工具无法识别全局变量+跨函数内存管理的内存泄露和未定义越界访问这两种缺陷,且其他动态代码检测工具,因需要在运行时进行插桩等操作,会增加额外的... 详细信息

内存安全问题已成为影响C/C++程序正确性和可靠性的主要因素。一些现有的静态代码检测工具无法识别全局变量+跨函数内存管理的内存泄露和未定义越界访问这两种缺陷,且其他动态代码检测工具,因需要在运行时进行插桩等操作,会增加额外的开销导致检测效率慢。为解决这些问题,采用llvm 15提出一种基于中间语言数据依赖关系的内存安全性检测方法,该方法通过获取并分析llvm中间语言中指令之间的数据依赖,从而进行判断得出结果。在软件保障参考数据集SARD上的相关测试用例集验证了该方法的有效性,相比现有方法,该方法可以检测这两种内存安全性缺陷。

关键词：内存安全静态检测 llvm 中间语言数据依赖

面向国产高性能加速器的llvm编译器设计及优化

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计算机工程 2023年

作者：宋强唐俊龙陈照云时洋谭期轩肖紫阳邹望辉长沙理工大学物理与电子科学学院国防科技大学计算机学院

国防科技大学自主研制的高性能加速器采用了CPU+GPDSP的片上异构融合架构，使用VLIW+SIMD的向量化结构的GPDSP是峰值性能主要支撑的加速核。主流编译器在密集的数据计算指令排布、为指令静态分配硬件执行单元、GPDSP特有的向量指令等方... 详细信息

国防科技大学自主研制的高性能加速器采用了CPU+GPDSP的片上异构融合架构，使用VLIW+SIMD的向量化结构的GPDSP是峰值性能主要支撑的加速核。主流编译器在密集的数据计算指令排布、为指令静态分配硬件执行单元、GPDSP特有的向量指令等方面不能很好地支持高性能加速器。本文基于llvm编译框架，在前寄存器分配调度阶段，结合PERP算法、ACO算法与GPDSP结构特点，优化代价模型，设计支持寄存器压力感知的指令调度优化;在后寄存器分配阶段提出了支持静态功能单元分配的指令调度策略，通过冲突检测机制保证功能单元分配的正确性，为指令并行执行提供软件基础;并在后端封装了一系列丰富且规整的向量指令接口，实现对GPDSP向量指令的支持。实验结果表明本文提出的llvm编译架构优化从功能和性能上实现了对GPDSP的良好支撑，GCC testsuite测试整体性能平均加速比为4.539，SPEC CPU 2017浮点测试整体性能平均加速比为4.49，SPEC CPU 2017整型测试整体性能平均加速比为3.24，使用向量接口的向量程序实现平均35.2的加速比。

关键词： GPDSP llvm 编译器指令调度向量指令接口

频繁序列挖掘帮助的llvm编译时能耗优化方法

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小型微型计算机系统 2023年第12期44卷 2832-2843页

作者：阳松苡倪友聪杜欣贾建华肖如良福建师范大学计算机与网络空间安全学院福州350117 福建师范大学福建省公共服务大数据挖掘与应用工程技术研究中心福州350117 景德镇陶瓷大学信息工程学院江西景德镇333403

面向最小化能耗的llvm编译时优化研究工作还较为稀缺,而现有的设计空间搜索优化方法仍缺乏有效捕获和使用选项交互信息的手段,还存在解质量不高和收敛速度不快的问题.针对上述问题,文中提出一种频繁序列挖掘帮助的llvm编译时能耗优化方... 详细信息

面向最小化能耗的llvm编译时优化研究工作还较为稀缺,而现有的设计空间搜索优化方法仍缺乏有效捕获和使用选项交互信息的手段,还存在解质量不高和收敛速度不快的问题.针对上述问题,文中提出一种频繁序列挖掘帮助的llvm编译时能耗优化方法.该方法运用带能耗改进标注的频繁选项序列FOSE表征反复出现在优势解中的选项子序列及其功效,进一步借助不同序列长度的FOSE捕获任意多个选项之间交互并利用前缀树和后缀树进行表示;在此基础上,针对迭代寻优过程设计了一种FOSE挖掘算法,从而形成可为新解生成提供有用、全面、可高效使用和时效好的选项交互信息挖掘方法;最后基于FOSE的前后缀树定义了新解生成机制并给出了新解生成的规则和过程,进而提出一种迭代优化算法FHIA-FSM.与当前最快可获取较好质量解的Georgiou算法以及公认在足够长演化时间后可得到高质量解的GA算法在4个不同领域的7个典型案例下的实验对比显示:在基准停机时间下本文FHIA-FSM较Georgiou和GA的解质量平均相对改进最好可达15.52%和101.81%;在达到基准解质量的收敛速度上,FHIA-FSM较Georgiou和GA平均相对改进最好可达18.00%和25.25%.

关键词： llvm 编译优化迭代编译能耗优化频繁序列挖掘

基于llvm的C/C++隐式类型转换安全性检测

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计算机应用与软件 2022年第4期39卷 21-26,45页

作者：万明刘嘉华鄂龙慧朱江南京南瑞信息通信科技有限公司江苏南京210003

带有系统底层特性的高级语言(C、C++等)通常采用的是弱类型系统,允许不同类型变量之间的混合运算。因此,在涉及到赋值等操作时,如果源变量和目的变量类型不一致,则需要进行类型转换,而转换过程稍有疏忽就会引入安全性问题。现有的检测... 详细信息

带有系统底层特性的高级语言(C、C++等)通常采用的是弱类型系统,允许不同类型变量之间的混合运算。因此,在涉及到赋值等操作时,如果源变量和目的变量类型不一致,则需要进行类型转换,而转换过程稍有疏忽就会引入安全性问题。现有的检测技术大多在程序运行时进行类型转换问题的检测,产生较大额外开销的同时,也会影响程序的执行速度。基于llvm编译器提出一种针对C/C++隐式类型转换的安全性检测方法。该方法作用于llvm中间代码,筛选出含有变量声明和引用的语句;对于声明变量的语句,提取其类型信息并按相应的数据结构存储;对于引用变量的语句,匹配定义的类型转换的不安全操作集和转换模式,以检测其中的类型转换操作是否安全。实验结果表明,该方法能够在编译阶段有效地检测出存在安全隐患的类型转换操作。

关键词：类型转换静态检测安全性 llvm

基于即时编译的GNU Octave性能优化

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计算机工程与科学 2022年第12期44卷 2091-2101页

作者：莫舒恒卢圣有黄聃卢宇彤中山大学系统科学与工程学院广东广州510006 中山大学计算机学院广东广州510006

GNU Octave是一款数值计算软件,具有免费、开源以及几乎完全兼容MATLAB语言的优点。然而,Octave内置的基于llvm的实验性即时编译器仅支持对少部分代码进行即时编译,无法有效解决Octave效率低下的问题。基于Octave即时编译器探究对Octav... 详细信息

GNU Octave是一款数值计算软件,具有免费、开源以及几乎完全兼容MATLAB语言的优点。然而,Octave内置的基于llvm的实验性即时编译器仅支持对少部分代码进行即时编译,无法有效解决Octave效率低下的问题。基于Octave即时编译器探究对Octave的性能优化方案,从工作原理角度出发,对该即时编译器整体工作原理和其中的类型推断系统进行分析;从工作现状角度出发,评估该即时编译器对Octave代码的适用范围和性能提升效果;针对该即时编译器的内置函数调用、索引运算与算术逻辑运算进行特性修复和功能新增,使Octave获得性能提升。实验结果表明,基于即时编译器的优化方案有效扩展了即时编译器的适用范围,为Octave代码执行带来56~283倍不等的性能提升。此外,总结了该即时编译器中存在的16类缺陷,对进一步优化Octave性能具有参考意义。

关键词： GNU Octave 即时编译 llvm 性能优化

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llvm编译选项序列两阶段优化方法

LLVM编译选项序列两阶段优化方法

作者：阳松苡福建师范大学

学位级别：硕士

开源编译器llvm已提供大量选项可在编译优化过程的不同阶段被应用,进而产生不同性能优化效果的可执行代码。在给定的硬件平台和应用程序下,如何选用一组合适的选项并按最佳顺序应用它们以获取具有最优执行时间的可执行代码一直是编译优... 详细信息

开源编译器llvm已提供大量选项可在编译优化过程的不同阶段被应用,进而产生不同性能优化效果的可执行代码。在给定的硬件平台和应用程序下,如何选用一组合适的选项并按最佳顺序应用它们以获取具有最优执行时间的可执行代码一直是编译优化领域研究的热点问题。解决这一问题将面临选项序列优化空间庞大且离散、选项之间存在复杂交互以及优化目标评估的时间代价高等挑战。虽已涌现出了基于离线学习和设计空间搜索两类优化方法,但仍存在优化质量不高和优化耗时长的不足。针对现有工作的不足,本文以改进执行时间为目标,提出一种llvm编译选项序列两阶段优化方法。该方法包括选项选择和选项序列优化两个阶段。本文主要工作体现在:(1)感知交互的llvm选项模糊选择方法该方法充分考虑选项存在复杂交互的情景并针对选项序列作用于待优化应用得到的中间代码,定义了最短等价选项序列的概念并借助中间代码的CRC校验码给出其获取过程,从而构建了基于CRC码感知交互的最短等价选项序列获取机制,以高效和正确地剔除选项序列中无用的选项。进一步将最短等价选项序列获取机制运用到有目标改进的样本集以正确保留高功效的选项交互。在此基础上,运用模糊逻辑中的隶属度定量刻画每个选项属于有目标改进选项集的程度并进一步给出其具体的计算过程,进而提出了一种感知交互的选项模糊选择方法,以面向待优化应用准确有效地约简选项序列的优化空间。(2)基于启发式信息和预测模型的llvm选项序列演化优化算法该算法首先在演化优化过程中收集已被真实评估过的解(选项序列),进一步析取出各解中两个具有前后位置关系的选项并以目标值作为这两个选项构成子序列的伪功效,进而构建出可定量刻画任意两个选项潜在交互对目标影响的选项交互伪功效矩阵,并以此作为启发式信息,设计了“交换”和“变异”两种新的演化算子,以帮助提高解质量和收敛速度。在此基础上,构建了基于中间代码特征的选项序列优劣预测模型,以减少对目标的真实评估次数和降低优化时间,进而提出一种基于启发式信息和预测模型的选项序列演化优化算法。(3)实验研究将本文两阶段llvm选项序列优化方法与基于离线学习和设计空间搜索两类中的代表性方法在4个不同基准平台11个不同领域的18个案例下,并按多个不同的度量指标开展了统计实验研究工作。结果表明:(1)本文优化方法的性能评估方面:在求取高质量解的情景下,本文优化方法的解质量和优化时间方面均显著优于被对比方法;(2)本文的选项选择方法的有效性验证方面:本文选项选择方法在选择正确率和空间约简率均优于代表性方法,且基于CRC码的最短等价选项序列获取机制能100%正确且高效地剔除无用选项;(3)选项序列演化优化算法的有效性验证方面:本文的新解生成策略较经典算法有更快的收敛速度和更高的解质量,并且本文的预测模型在等级保序指标上显著优于随机森林和高斯过程模型。

关键词：编译优化 llvm 编译选项选择编译选项序列

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基于IR2Vec模型的跨架构密码算法识别

计算机科学 2023年第S1期50卷 720-726页

作者：赵晨霞舒辉沙子涵郑州大学网络空间安全学院郑州450001 信息工程大学数学工程与先进计算国家重点实验室郑州450001

在信息安全领域,加密技术被用来保障信息的安全性,在可执行文件中识别密码算法对于保护信息安全有着重要意义。现有密码算法识别技术大多只能针对单一架构,在跨架构场景下识别能力较差,因此,提出了IR2Vec模型,着力解决跨架构下的密码算... 详细信息

在信息安全领域,加密技术被用来保障信息的安全性,在可执行文件中识别密码算法对于保护信息安全有着重要意义。现有密码算法识别技术大多只能针对单一架构,在跨架构场景下识别能力较差,因此,提出了IR2Vec模型,着力解决跨架构下的密码算法识别问题。该模型首先基于llvm衔接不同的前端和后端的特性来解决跨架构的问题,利用llvm-RetDec将可执行文件反编译成中间表示语言,然后改进PV-DM模型将中间表示语言语义向量化,通过求取向量的余弦距离来判断语义相似性。收集多种密码算法来建立密码算法库,将待检测目标可执行文件分别与密码算法库中的文件进行一一对比,取相似度最高的为识别结果。实验结果表明,该技术能够有效识别出可执行文件中的密码算法,该模型可同时支持X86,ARM和MIPS 3种架构,Clang和GCC两种编译器,以及O0,O1,O2和O3这4种优化选项的二进制文件交叉识别。

关键词：相似性识别跨架构密码算法 llvm

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基于级联森林的控制流错误检测优化算法

小型微型计算机系统 2022年第5期43卷 1088-1095页

作者：董志腾顾晶晶南京航空航天大学计算机科学与技术学院南京211106

在单粒子翻转引起的瞬时故障中,控制流错误占很大比例.主流的控制流错误软件检测方法依靠插桩标签来检测控制流错误.但基于标签的检测算法很难在标签插桩的开销和错误检测率之间找到一个平衡.本文提出一种智能的基本块拆分方法,在不用... 详细信息

在单粒子翻转引起的瞬时故障中,控制流错误占很大比例.主流的控制流错误软件检测方法依靠插桩标签来检测控制流错误.但基于标签的检测算法很难在标签插桩的开销和错误检测率之间找到一个平衡.本文提出一种智能的基本块拆分方法,在不用修改原有检测算法的基础上,提升控制流错误的检测率,同时尽可能的减小额外开销.首先,使用GDB调试工具和llvm Pass文件,对程序进行故障注入实验并提取特征;其次,使用级联森林模型筛选出程序中易发生控制流错误的基本块,并对其进行智能拆分,使基于标签的检测算法能够在拆分点进行标签插桩;最后,在单标签算法CFCSS和双标签算法RCFC上进行验证实验,均取得很好的实验效果.本文提出的方法几乎可以在所有的基于标签的检测算法上使用,并能在提高检错能力的同时,具有较低的时空开销.

关键词：控制流错误检测 llvm 级联森林单粒子翻转

基于llvm的DSP处理器动态二进制翻译应用研究

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基于LLVM的DSP处理器动态二进制翻译应用研究

作者：刘鸿渊大连理工大学

学位级别：硕士

随着我国航空航天领域的发展,确定设备是否达到标准的测试性验证,在保证航天器成功运行方面起着重要的作用。通过构建虚拟软件运行环境的CPU模拟器,对航天设备中特殊处理器指令集体系结构进行设计模拟,已成为测试性验证的重要手段之一,... 详细信息

随着我国航空航天领域的发展,确定设备是否达到标准的测试性验证,在保证航天器成功运行方面起着重要的作用。通过构建虚拟软件运行环境的CPU模拟器,对航天设备中特殊处理器指令集体系结构进行设计模拟,已成为测试性验证的重要手段之一,在航天控制工程项目周期内起着巨大的作用。动态二进制翻译技术是把某种指令体系结构的二进制代码在运行过程中翻译成另外一种指令集体系结构的技术,是构造高性能异构CPU模拟器的关键技术。设计一款优秀的动态二进制框架来提高CPU模拟器的执行速度非常具有意义。DSP处理器是专门用于对数字信号处理运算的嵌入式处理器,由于其特殊的DSP指令以及硬件结构,在翻译执行时会带来巨大的时间开销。近年来,llvm技术的发展支持研究人员在其之上构建二进制翻译设施。为了解决DSP指令的测试仿真问题,本文对llvm技术应用于二进制翻译进行了研究,主要工作如下:通过研究如何利用llvm构造动态二进制翻译系统,本文提出了一套可复用的面向多目标处理器的CPU模拟器程序框架。针对源指令集,设计了对应的llvm IR指令库,完成了IR的重新组合,优化了本地生成码的质量;结合JIT引擎的高效执行,提高了指令执行时的翻译速度。利用以上的研究成果,本文针对TI TMS320C6678 DSP处理器,实现了一款基于llvm的CPU模拟器原型和演示系统,来对研究结果的合理性和先进性进行实例验证。通过实验分析,本文提出的框架相对于传统动态二进制翻译执行速度更快,具有较好的性能体现,实现了预期的优化目标;将框架使用到模拟器当中,可以很好的提升模拟器的速度。

关键词： llvm 动态二进制翻译 DSP处理器指令集模拟编译优化