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CCodeExtractor:一种针对C程序自动化的函数提取方法

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计算机科学 2017年第4期44卷 16-20,29页

作者：张其良张昱周坤中国科学技术大学计算机科学与技术学院合肥230026

随着程序规模和复杂性的增加,代码重构在改善软件质量、性能以及提高软件的扩展性和维护性等方面至关重要。目前的Eclipse中,C源代码重构工具的函数提取只能处理一些简单的代码,且处理过程需要人工参与,不能自动化处理。为此,提出一种C... 详细信息

随着程序规模和复杂性的增加,代码重构在改善软件质量、性能以及提高软件的扩展性和维护性等方面至关重要。目前的Eclipse中,C源代码重构工具的函数提取只能处理一些简单的代码,且处理过程需要人工参与,不能自动化处理。为此,提出一种C源代码级别自动化的函数提取方法(CCodeExtractor),它通过指定提取条件,在保证语义一致的前提下,将符合条件的代码片段自动分离成一个单独的函数,并将其放到新文件中,而原代码片段替换成了一个函数调用。为了验证CCodeExtractor的有效性,结合循环分析和优化在实际应用中的广泛应用,在llvm上实现了一个提取循环的工具,将程序中满足条件的for循环封装成单独的函数。在实验中,使用该工具对6个不同规模的程序进行了测试并且对比了变换前后程序运行的结果。实验结果表明,CCodeExtractor代码提取方法在保证程序语义不变的前提下,适用于不同规模的程序。

关键词： C程序重构程序变换程序理解代码提取循环分析 llvm

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通用代码Shell化技术研究

计算机科学 2021年第4期48卷 288-294页

作者：陈涛舒辉熊小兵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

代码Shell化技术是一种实现程序从源码形态到二进制形态的程序变换技术。该技术可用于实现Shellcode生成,生成包括漏洞利用过程中的Shellcode及后渗透测试过程中的功能性Shellcode。文中形式化地描述了程序中代码与数据的关系,提出了一... 详细信息

代码Shell化技术是一种实现程序从源码形态到二进制形态的程序变换技术。该技术可用于实现Shellcode生成,生成包括漏洞利用过程中的Shellcode及后渗透测试过程中的功能性Shellcode。文中形式化地描述了程序中代码与数据的关系,提出了一种基于llvm(Low Level Virtual Machine)的通用程序变换方法,该方法可用于实现操作系统无关的代码Shell化。该技术通过构建代码内置全局数据表和添加动态重定位代码,将代码对数据的绝对内存地址访问转化为对代码内部全局数据表的相对地址访问,重构了代码与数据之间的引用关系,解决了代码执行过程中对操作系统重定位机制依赖的问题,使得生成的Shellcode代码具有位置无关特性。在验证实验中,使用适用于不同操作系统的不同规模的工程源码对基于该技术实现的Shellcode生成系统进行了功能测试,并对比了Shell化前后代码功能的一致性、文件大小、函数数量和运行时间,实验结果表明基于该技术的Shellcode生成系统功能正常,具有较好的兼容性和通用性。

关键词： llvm Shellcode 代码Shell化内存加载程序变换

基于64位Linux系统的MSVL编译器设计开发与测试

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基于64位Linux系统的MSVL编译器设计开发与测试

作者：姚化吉西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着软件系统日益增长的复杂性以及应用的广泛性,其正确性、可靠性不可避免地成为了当今软件系统首当其冲需要解决的问题。而对于庞大、复杂的软件系统来说,无法依靠传统的测试方法来保证其所需要的可靠性、完备性。取而代之的是形式化... 详细信息

随着软件系统日益增长的复杂性以及应用的广泛性,其正确性、可靠性不可避免地成为了当今软件系统首当其冲需要解决的问题。而对于庞大、复杂的软件系统来说,无法依靠传统的测试方法来保证其所需要的可靠性、完备性。取而代之的是形式化验证,它是通过数学逻辑来对软件系统进行严密地分析、推导和验证,成为了当下复杂软件系统可信保障的一个重要途径。基于时序逻辑的系统验证是形式化验证的一个重要方法,MSVL正是一种时序逻辑程序设计语言,其适用于软、硬件系统的仿真、建模以及验证。实现一门语言通常有两种方式:编译器和解释器,但其性能是存在差异的。众所周知,编译器在无论是在运行速度还是内存占用方面的性能都比解释器更加优秀,所以对于MSVL语言来说,如何设计并开发出一款性能优越的编译器显得尤为重要。本文的主要工作是在64位Linux平台下,基于llvm框架,从词法分析、语法分析、语义分析到IR代码产生、优化以及目标代码的生成,设计开发出高效通用的MSVL编译器。在编译器测试阶段,为了得到大量的测试用例,需要一些工具来将其它语言中的优秀算法快速地转换为MSVL程序。当前MSVL生态系统已存在将VHDL转为MSVL的V2MSVL工具、Verilog转为MSVL的Veri2MSVL工具以及C语言转为MSVL的C2MSVL工具。其中C2MSVL工具也可以用于部分C++程序的转换,但无法处理涉及C++面向对象部分的程序。针对此缺陷,我们使用Shell语言开发了一个转换工具,主要用来以C++面向对象部分为核心,进行C++到MSVL程序的转换。

关键词：形式化验证时序逻辑 MSVL 编译器 llvm

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基于符号执行的代码安全检查技术研究与实现

基于符号执行的代码安全检查技术研究与实现

作者：袁健电子科技大学

学位级别：硕士

代码安全缺陷一直是困扰IT产业发展的一颗绊脚石,究其缘由主要是安全缺陷检查的成本高,效率低下。目前主要靠手工或者工具两种方式来应对此问题,人工的效率比较低,靠工具来检查是时下比较热门的话题,我们一般把代码安全缺陷检查工具分... 详细信息

代码安全缺陷一直是困扰IT产业发展的一颗绊脚石,究其缘由主要是安全缺陷检查的成本高,效率低下。目前主要靠手工或者工具两种方式来应对此问题,人工的效率比较低,靠工具来检查是时下比较热门的话题,我们一般把代码安全缺陷检查工具分为两类:一类是使用传统静态分析的工具,另一种是使用动态测试的工具。符号执行是一种程序分析的技术,它主要靠收集符号的约束信息,再利用约束求解器求解来得到测试用例,理论上能够覆盖全部的路径。本论文的主要工作如下:(1)针对符号执行中路径指数爆炸问题,提出基于CFG(Control Flow Graph)的执行状态选择算法。该算法利用静态分析提取出所需的CFG,然后在此基础上结合执行状态的权值产生一种新的执行状态选择算法,可以在路径爆炸时覆盖更多的路径;(2)利用无用函数分析的思想来优化动态符号执行。无用函数分析是本文提到的一种静态分析方法,分为两个阶段:第一阶段是死代码消除,第二阶段是无用函数消除,通过这两个阶段消除不必要分析的代码,以此达到优化的目的;(3)提出基于数组模型的改进设计,将数组模型用树表示,便于内存安全的检测。同时,针对数组模型不能处理大小不确定类型的数据做了改进,使得改进之后的内存模型能够处理大小不确定类型的数据;(4)在上述内容的基础之上实现了一个简易的动态符号执行的代码安全缺陷检查工具,该工具能够检查内存越界、二次释放、野指针访问、内存泄露、加法溢出、除零等错误;(5)分别针对整个系统、无用函数分析优化以及执行状态选择算法做了实验分析,实验充分表明了本文实现的工具的有效性。

关键词：符号执行 llvm 代码缺陷检查符号执行优化 Z3

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针对循环的内存访问模式分析与应用

针对循环的内存访问模式分析与应用

作者：张维中国科学技术大学

学位级别：硕士

随着硬件工艺技术的进步,处理器芯片集成了越来越多的晶体管,处理器速度的飞速提高导致其与内存的速度鸿沟不断拉大。现代主流的体系结构都采用分层缓存架构来缓和处理器和内存访问速度差距带来的影响。有效地利用缓存成为系统性能的关... 详细信息

随着硬件工艺技术的进步,处理器芯片集成了越来越多的晶体管,处理器速度的飞速提高导致其与内存的速度鸿沟不断拉大。现代主流的体系结构都采用分层缓存架构来缓和处理器和内存访问速度差距带来的影响。有效地利用缓存成为系统性能的关键因素之一。除了硬件上的设计考虑,常用的软件方法是借助编译器强大的分析和优化能力,在中间代码层次对软件程序进行变换,使程序的指令局部性和数据局部性尽可能高,从而降低缓存的失效次数,提高缓存性能。基于编译器来优化程序局部性常分为软件预取、代码变换和数据变换三种。本文基于以上研究思路,致力于在llvm (Low Level Virtual Machine)编译器系统上开发一个缓存优化原型系统,从而能够结合llvm强大的分析和优化能力实现对缓存性能地提升。为此,本文基于llvm中间代码进行了下面的一些工作：1、设计实现一个使用数据变换技术来进行缓存优化的原型系统APCache,涉及代码分析到代码优化的完整过程。系统以llvm遍的方式对中间代码中的循环进行内存访问模式分析,根据分析结果优化并生成新的访问模式,再更新中间代码。2、以对循环中的数组进行布局优化为重点研究,探讨在llvm中实现经典算法所需要的技术。循环加数组的使用方式常用在访存密集型程序中,本文采用Leung提出的经典算法来对循环中数组进行重布局优化,提高数据的空间局部性。3、提出一种轻量级的函数指针分析算法FP,为跨过程的缓存优化提供精确的函数调用图支持。算法使用强连通分量(SCC)流敏感和上下文敏感技术确保分析精度,通过缩小分析对象的范围提高分析速度。基于FP的分析结果构造的跨文件函数调用图为跨过程的缓存优化提供了部分技术支持。

关键词：缓存数据变换内存访问模式函数指针分析 llvm

一种基于动态程序分析的浮点程序精度损失检测

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一种基于动态程序分析的浮点程序精度损失检测

作者：张亚光中原工学院

学位级别：硕士

浮点数运算在现代计算机系统中被广泛应用,例如科学计算、图像处理、声音处理等领域。然而,由于浮点数的表示方式和精度限制,浮点数运算可能会产生误差,导致浮点程序出现精度损失问题。这种精度损失问题不仅会影响到浮点程序本身的准确... 详细信息

浮点数运算在现代计算机系统中被广泛应用,例如科学计算、图像处理、声音处理等领域。然而,由于浮点数的表示方式和精度限制,浮点数运算可能会产生误差,导致浮点程序出现精度损失问题。这种精度损失问题不仅会影响到浮点程序本身的准确性和可靠性,还会对调用浮点程序的上层软件系统产生影响,从而影响整个软件系统的可靠性。因此检测浮点程序中的精度损失非常必要。浮点数据固有的存储形式,使得浮点数据无法完全表示全体实数,浮点运算中的舍入误差以及误差累积,导致浮点运算程序精度损失不易检测。本文提出了一种动态分析方法来检测浮点程序的精度损失问题。本文主要研究与贡献如下:1.提出了一种基于动态程序分析的浮点程序精度损失检测方法。首先是生成输入数据,将浮点数分布特征与浮点程序代码段执行频率相结合,生成规模合适且分布均匀的输入数据,对浮点程序中的特定精度操作进行检测与排除,借助llvm的前端Clang工具,分析源代码的组织结构生成抽象语法树,定位浮点数据声明与运算,生成更高精度的MPFR运算,借助Dyninst插桩框架,将浮点运算与更高精度的MPFR运算同时运行比较,进行语句级的精度损失检测,记录浮点程序每一步的精度损失变化情况,生成精度损失变化图,定位浮点精度损失位置。2.提出了一种浮点程序输入数据生成方法。根据浮点数分布不均匀的特点,在浮点程序输入域内,遍历浮点程序输入域内的所有指数,不同指数随机生成小规模浮点数,保证了浮点数的均匀分布,然后结合浮点程序代码段执行频率的高低,生成大规模输入数据。3.实现了由浮点数据声明与运算自动生成更高精度的MPFR代码段。在定位浮点数据声明与运算之后,将中缀表达式转化为后缀表达式,解决中缀表达式运算符优先级的问题,通过遍历后缀表达式,如果遍历到的是数值,则生成相应的MPFR数值声明,如果遍历到的是运算符,则生成相应的MPFR函数运算,需要注意数据类型的匹配问题。本文通过对GSL库中的常用函数以及FPBench中的部分测试用例进行测试,本文方法相比随机生成输入数据方法检测GSL函数的相对误差平均提高43%,与Herbgrind工具相比对FPBench进行测试,相对误差平均提高1.8个比特位。

关键词：浮点程序精度损失检测 MPFR llvm Dyninst

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面向软错误的程序可靠性优化技术研究

面向软错误的程序可靠性优化技术研究

作者：吴江国防科技大学

学位级别：硕士

在大气层外的空间环境中,存在大量电子、质子和重离子等高能带电粒子,这些粒子会造成航天器半导体电路发生单粒子效应。单粒子效应是由于高能带电粒子对于集成电路一次轰击所造成的故障,主要包括单粒子翻转、单粒子功能中断和单粒子瞬... 详细信息

在大气层外的空间环境中,存在大量电子、质子和重离子等高能带电粒子,这些粒子会造成航天器半导体电路发生单粒子效应。单粒子效应是由于高能带电粒子对于集成电路一次轰击所造成的故障,主要包括单粒子翻转、单粒子功能中断和单粒子瞬态故障,这一类故障又被称为软错误。在航天领域由于高能粒子辐照的存在,系统可靠性十分容易收到软错误的影响。软错误对程序可能造成很多负面影响。其中静默数据损坏是指在软错误的影响下,程序正常执行至结束但是结果发生错误。由于这一特性,静默数据损坏被视为软错误影响下对程序可靠性影响最大的负面因素,所造成的负面影响可能会造成很严重的后果。现代的编译器在编译过程中会提供优化功能。编译优化会可能对指令顺序进行调换,对指令数量进行删减,这样就会导致错误传播过程发生改变,从而影响程序发生软错误的可能性,进一步影响程序发生静默数据损坏的可能性。然而,编译器提供的编译优化选项往往是针对程序性能提升进行设计,对于程序可靠性的提升并不显著。其次,编译器提供的编译优化选项具有普适性不具有针对性,无法针对特定的程序实现可靠性的显著提升。因此,针对不同的程序,要想使得编译优化选项效果最优就需要对编译优化选项进行配置,调整编译优化通道的顺序和数量。本文主要针对编译优化对于基于软错误的程序可靠性的影响展开研究,提出基于编译优化技术的程序可靠性优化方法,从以下两方面展开工作:（1）在llvm编译框架的基础上,结合程序可靠性分析模型,研究llvm编译优化通道以及子序列对于程序可靠性的影响,对编译优化序列与程序可靠性之间的关系进行定量分析,为针对特定程序生成特定的编译优化序列打下基础;（2）对强化学习的算法特性进行分析研究,提出基于强化学习的面向程序可靠性的编译优化序列生成框架P2OR,并设计深度强化学习模型POACER并实现强化学习模型。通过智能体的探索与策略学习,为特定程序生成可靠性提升最为显著的编译优化序列,并通过实验进行验证。

关键词：软错误静默数据损坏程序可靠性 llvm 编译优化序列强化学习

基于程序切片和符号执行的不可达路径检测方法

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基于程序切片和符号执行的不可达路径检测方法

作者：徐曼青南京邮电大学

学位级别：硕士

针对不可达路径的检测是十分重要的,是保障程序质量的重要手段之一。若软件测试中被选定的测试数据是针对那些位于不可达路径上的语句,那么在测试过程中将并不会真正被测试到,这将对测试数据的生成阶段造成大量的浪费。目前不可达路径... 详细信息

针对不可达路径的检测是十分重要的,是保障程序质量的重要手段之一。若软件测试中被选定的测试数据是针对那些位于不可达路径上的语句,那么在测试过程中将并不会真正被测试到,这将对测试数据的生成阶段造成大量的浪费。目前不可达路径的检测方法主要分为两类,即静态检测法和动态检测法,它们各存在一定的问题,静态检测法虽然消耗的时间空间资源较少,但是容易造成误报和漏报;而动态检测法消耗的时间空间资源较多,同时由于路径较为复杂容易造成状态爆炸等问题。本文给出了一种基于程序切片和符号执行的不可达路径检测方法,以高级程序设计语言的代码作为输入,将其转换成为llvm中间表示的形式,对其进行静态程序切片,获取静态切片结果。然后再对程序代码进行符号执行,找出所有可行的不同输入,再根据这些输入对其进行动态程序切片,将静态切片与动态切片的结果相比较,实现检测程序代码中的不可达路径的目的,能够从一定程度上缓解不可达路径的检测方法存在误报和漏报的问题。另外,为了应对消耗的时间空间资源较多的问题,本文还提出一种从一定程度上削减检测中所要进行的程序切片规模的方法,在静态程序切片之后,根据程序代码的控制流图,将其中的分支判定条件抽取出来并进行约束求解,从而筛选出程序中由于多个分支判定条件之间矛盾而造成的不可达路径,将这一部分路径从程序代码中去除,再对其进行动态程序切片,能够从一定程度上削减检测方法的复杂度,减少资源的消耗,提高检测效率,从某种程度上缓解动态检测法存在的问题。

关键词：程序切片不可达路径符号执行 llvm 约束求解

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基于代码混淆的软件保护方案研究与设计

基于代码混淆的软件保护方案研究与设计

作者：张越电子科技大学

学位级别：硕士

随着科技的飞速发展,“万物皆可连”的物联网时代已经到来,可预见会有越来越多的物联网应用出现。由于是新兴行业,很多制度尚不完善,类比传统软件行业受到的软件盗版等问题的困扰,物联网应用同样面临软件资产被盗的威胁。软件资产的安... 详细信息

随着科技的飞速发展,“万物皆可连”的物联网时代已经到来,可预见会有越来越多的物联网应用出现。由于是新兴行业,很多制度尚不完善,类比传统软件行业受到的软件盗版等问题的困扰,物联网应用同样面临软件资产被盗的威胁。软件资产的安全性迫切需要得到保障,而代码混淆技术是实现软件保护的有效手段。由于物联网应用场景复杂,平台繁多,设备体系架构、软件编程语言未得到统一化的规定,导致针对特定编程语言或者特定平台架构的传统代码混淆方案应用受限,因此本文提出基于llvm这款优秀的编译系统来克服上述的问题。llvm框架拥有设计优良的中间语言格式,具有平台无关性,同时支持多种编程语言并可以生成不同体系架构的机器码,这些特点使得基于llvm设计面向物联网应用的代码混淆保护方案变得可能。本文基于llvm框架,面向物联网应用研究设计基于代码混淆的软件保护方案。在分析现有代码混淆技术的基础上,针对物联网应用的特点,提出三种较为轻量级的代码混淆算法。对字符串数据进行混淆,防止攻击者通过静态字符串扫描的方式获取程序内部敏感信息。设计密钥变换,并在使用字符串前执行动态解密操作,使用完之后进行重新加密操作,对抗动态内存扫描字符串攻击。对控制流进行混淆,设计一种受限的控制流平坦化算法,将原本简单清晰的控制流图复杂化,进一步增强针对控制流图分析的难度,同时也考虑到对开销的控制,通过限制待混淆基本块的个数降低开销并提供一定的安全保障。对函数调用进行混淆,由于攻击者可以根据函数的调用情况猜测函数的功能,本文提出一种跳板函数的概念,通过将大部分函数封装到一个函数中,再由跳板函数进行调用的思路,设计了一种函数调用隐藏的算法,实现对抗静态分析中对函数调用图的分析。最后基于上述研究和设计,利用llvm框架实现了三种算法,搭建了代码混淆的原型系统,并进行了混淆效果展示实验、多组样本的功能性测试实验和开销测试。实验结果表明,本文提出的方法能够达到预期混淆效果,对物联网应用的保护有效,为物联网应用保护提供了一些思路。

关键词：代码混淆 llvm 物联网应用软件保护