C++在嵌入式應用中的安全問題

?????? 嵌入式系統(tǒng)的軟件設計中，“匯編語言+C語言”早已成為理所當然的經典組合。的確，對于硬件配置來說，匯編語言清晰明了；對于上層設計來說，C語言緊湊高效。這樣的搭配能夠滿足大多數傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)應用的需要。隨著技術水平的提高，今天的嵌入式系統(tǒng)也比過去更加深入到人們的日常生活中，大到汽車、飛機、火箭，小到手機、打印機、鬧鐘、手表，都可以找到嵌入式系統(tǒng)的蹤影。然而，這看似一成不變的情況，也在悄然轉變。隨著網絡、多媒體等技術的出現、發(fā)展與普及，對嵌入式系統(tǒng)應用有了新的要求，也給了其他高級語言，特別是C++語言以機會。

　　由此帶來的在語言使用中的安全問題，目前雖然還未凸顯，但根據以往的經驗來看，終將成為限制行業(yè)發(fā)展的新瓶頸。已有的C++語言國際標準雖然龐大細致，但作為一個“語言標準”，只能是盡力做得面面俱到，其目標在于構造一個語句合法性的權威依據，以約束人們對于C++的使用。但它并不是針對應用而寫的規(guī)范，對于可能遇到的安全性問題也無法進行特別深入的探討，更加沒有安全方面的實踐經驗支撐。一個針對安全方面的、被國際所認可的使用規(guī)范，無疑是C++語言在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應用的堅實基礎與助推劑。

　　1 C++在嵌入式應用中的機遇與挑戰(zhàn)

　　C++作為一門高級語言，人們在提及它時，總難免會談到C語言。直至今天，很多人對于C++語言的認識依然是“C語言的超集”。這是因為C++的起源與C語言有著千絲萬縷的聯系。

　　1978年，美國貝爾實驗室的Dennis Ritchie和BrianKernighan在BCPL以及其簡化版本B語言的基礎之上開發(fā)了C語言，并合作出版了《The C Programming Lan-guage》。C語言迅速得到了大家的認可，并廣為流傳。1989年，ANSI推出了第一個C語言的標準——X3．159-1989，并被ISO采納，隨之發(fā)布。ISO／IEC 9899-1990。早在C語言標準發(fā)布之前，貝爾實驗室的Bjarne Stroustrup就致力于在C語言里增加類、函數類型檢查以及其他的一些優(yōu)秀特征，于1980年發(fā)布“C with Classes”。經過持續(xù)的努力，他最終完成了對C語言的改造，由此創(chuàng)生出一門新語言——C++，并出版了《The C++ ProgrammingLanguage》一書。由于它帶來了持續(xù)的影響，ISO于1998年發(fā)布ISO／IEC 14882：1998；幾乎同一時間，ANSI也發(fā)布了類似標準，這標志著C++作為一門獨立語言的標準化得到了官方的認可。

　　統(tǒng)計數據表明，日常生活中一個美國人平均占用8個微控制器，這些都離不開嵌入式系統(tǒng)的應用。然而嵌入式系統(tǒng)軟件技術似乎落后于當前的軟件發(fā)展形勢，近年來才逐漸由匯編語言過渡到面向過程的C語言。但對于面向對象語言的應用還很有限。

　　這一方面是由于嵌入式開發(fā)人員多年來應付有限資源的經驗而養(yǎng)成的保守態(tài)度，另一方面也是由于長久以來，嵌入式系統(tǒng)應用設計中，人們要花費許多精力在底層硬件的驅動上，功能實現也主要局限在實時操作系統(tǒng)和相關支撐軟件的層次，并不涉及過多的應用軟件開發(fā)。這種在嚴苛條件下追求效率與實時性的任務，其他的高級語言并沒有特別的優(yōu)勢。

　　最近幾年，嵌入式系統(tǒng)領域又有了新的發(fā)展。首先，隨著手機、PDA等消費性電子產品的飛速增長，嵌入式系統(tǒng)的市場規(guī)模在迅速擴大，同時越來越多的智能嵌入式應用場合需要互聯網的支持，這要求嵌入式系統(tǒng)的軟件具有更好的應用性和更高的復雜性；其次，隨著芯片等相關領域的技術進步，嵌入式系統(tǒng)工程師們不再需要時時刻刻去考慮資源是否夠用了。當面向對象的高級語言參與到嵌入式系統(tǒng)設計中去不再遙不可及時，語言的效率則成為突出的問題。根據《Thinking in C++》一書的總結，C++與C的效率差別往往在±5％，這使得C++在新一輪的嵌入式應用發(fā)展浪潮中占得先機。

　　值得注意的是，盡管自1998年發(fā)布最初的C++標準——ISO／IEC 14882：1998以來，每5年都會對此標準進行一次更新，但是由于C++語言過于復雜，以及它經歷了長年的演變，直到2004年，沒有任何一款編譯器完全支持ISO C++。這對于時常要面對各種嚴苛條件的嵌入式系統(tǒng)應用工程師們來說，是難以忍受的。同時，即使是符合ISO C++標準的語句或者格式，對于實際的應用場合來說，也存在著重大隱患，而不應當被直接采用。因此，人們迫切需要一個正式的基于安全角度考慮的C++語言使用規(guī)范。

　　2 關于MISRA

　　MISRA(the Motor Industry Software Reliability As-sociation)，即汽車工業(yè)軟件可靠性協會，于1994．年在英國成立，以“協助汽車工業(yè)提供安全、可靠的軟件”為使命，期望通過“規(guī)范指南”的形式來約束人們在汽車電子以及其他嵌入式系統(tǒng)開發(fā)領域或涉及安全與可靠性的領域中對于程序語言的使用。由于這些“規(guī)范指南”都是從大量工程實踐中總結的第一手經驗，因而具有極高的指導意義。

　　經過4年準備，它在1998年發(fā)布了一個針對汽車工業(yè)的《Guidelines for the Use of the C Langtlage in VehicleBased Software》，簡稱“MISRA C：1998'’，針對那些滿足C語言標準，卻存在安全隱患的語言使用習慣，提出了127條規(guī)則。由于它很好地解決了C語言國際標準的冗繁性，以及其中對于安全性考慮的不足性，從而得到了廣泛的好評。MISRA-C不僅成為眾多汽車廠商推崇的行業(yè)標準，其影響力更是遠遠超出了汽車工業(yè)，得到鐵路、航空航天、國防、醫(yī)療等眾多領域的認可，成為“最佳實踐”解決方案。2004年，MISRA對于已有的規(guī)則進行改編與擴充，推出了“MISRA C 2004”，首次將該規(guī)范指南的對象從汽車工業(yè)推廣到所有具有安全性要求的系統(tǒng)應用中去，包含了強制規(guī)則121條，推薦規(guī)則20條，并刪除了15條舊規(guī)則，共計含有141條規(guī)則。

　　時至今日，MISRA組織不僅是汽車工業(yè)軟件規(guī)范的權威，其制定的規(guī)范指南更得到了嵌入式系統(tǒng)應用領域的廣泛認可?？紤]到近年來，C++語言在嵌入式系統(tǒng)中的應用越來越多，2005年MISRA C++委員會成立，并于2008年推出針對C++語言的《MISRA C++：2008——Guidelines for the USe of the C++ language in critical sys-tems>>，以下簡稱“MISRA C++：2008”。有興趣的讀者可以聯系相關網站：http：／／www．misra-cpp．com／，購買詳細的文檔。

　　MISRA C++：2008同樣從推出之日起，就得到了業(yè)內外廣泛關注。例如：LDRA軟件公司一直跟蹤著MIS-RA C++：2008的制定進展，在MISRA C++：2008發(fā)布時同步宣稱已經完成了對工具套件產品的相應改進，使其符合MISRA C++：2008標準。(LDRA的Testbed產品曾成功用于“神舟”飛船項目的軟件測試)

　3 MISRA C++概述

　　作為規(guī)范指南，MISRA C++：2008基于ISO／IEC 14882：2003的C++語言國際標準，以規(guī)則(rule)的形式，給出了相關的建議。它的規(guī)則又細分為以下3種類型：

　　①強制型(required)，必須符合、允許例外；

　?、谕扑]型(advisory)，推薦符合；

　　③不容討論型(document)，必須符合、不許例外。

　　MISRA C++：2008中共給出了20個大類的規(guī)則(編號并不連續(xù))，細分為228條。詳細情況如表1所列。

　　文檔中所有規(guī)則的書寫格式如下：

　　每條規(guī)則之后都有詳細的解釋，并給出了一些具體的程序語句作為例子。下面分別針對上述3種規(guī)則類別，進行舉例說明。

　　規(guī)則0-1-1(強制)工程中不允許包含無法觸及的代碼

　　上述例子里，條件判斷中的賦值語句和return語句之后的自增語句都是在任何條件下都無法觸及的死代碼，不允許這樣使用。

　　規(guī)則0-1-2 (強制) 工程中不允許含有永遠不會被執(zhí)行的路徑

　　enum ec{RED，BLUE，GREEN)col；

　　if(col<=GREEN) ／／不符合規(guī)則，條件永遠為真

　　{

　?。疻ill always get，here

　　}

　　else

　　{

　?。a永遠不會到達這里

　　}

　　由于枚舉類型有默認的初始賦值0，1，2，…，故col永遠≤GREEN。上述例子中，含有任何條件下都不會被執(zhí)行的路徑，不允許這樣使用。

　　規(guī)則5-2-10(推薦) 自增(++)／自減(--)運算符不應與表達式中其他運算符混合使用諸如下面的例程將導致理解上的混淆以及結果的不確定，在程序設計時應盡可能避免。

　　u8a=++u8b+u8c-； ／／不符合規(guī)則

　　規(guī)則0-4-2 (不容討論) 對于浮點運算(floating-point)算法的使用，必須給出記錄

　　安全的使用浮點算法需要具有較高的數字分析技能和對編譯器及硬件對象的深入了解。因此在使用浮點算法時，必須先進行分析：是否必須使用它、采取的方法是否可行、過程是否得到了正確的執(zhí)行，并將上述結果做出記錄。

　　規(guī)則16-6-1 (不容討論) 所有的庫函數代碼必須符合MISRA C++

　　上述這些例子只是為了讓大家對MISRA C++：2008的3種規(guī)則有一定的認識，我們會結合相關內容，在接下來的幾篇文章中進一步討論學習。不難發(fā)現，許多違反了MISRA C++：2008中規(guī)則的例程都是符合C++語言標準的，但出于安全性考慮，應當被禁止或者謹慎使用。通覽之后，往往會發(fā)現自己平時從未注意的一些編程習慣，都已經被嚴令禁止。它們有些是明顯有礙安全性的，有些則相對隱蔽。

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　　然而MISRA的號召力是不容小覷的。以嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-II為例，其2．52版本雖然已經于2000年通過了美國航空管理局(FAA)的安全認證，但2003年μC／OS-II的作者就根據MISRA C：1998規(guī)范又對源碼作了相應的修改，并發(fā)布了2．62的新版本，宣稱其源代碼99％符合MISRA C：1998的要求。

　　4 安全性問題

　　對于安全性，MISRA給出以下5種可能的安全問題來源：開發(fā)人員的錯誤、開發(fā)人員對于語言的誤解、編譯器沒有按照開發(fā)人員的預期工作、編譯器本身含有錯誤、運行錯誤。

　　這些錯誤的來源與實際使用的是何種計算機語言沒有關系，可以說比較全面地包含了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)以及其他相關的軟件設計中可能導致安全問題的所有渠道。

　　作為C++這樣一門面向對象的高級語言(由于其與C的淵源，嚴格地說，C++是具有某些面向對象特征的過程語言)，通過類、函數參數類型檢查、模版、異常處理以及派生、繼承、多態(tài)等手段，使得其在保有高效率的同時，實現了強大的功能，并帶來了自頂向下的模塊化程序設計理念。但編程靈活度的提高，也令其代碼復雜而易錯。與C語言相比，它所面對的安全問題將更為隱蔽，更加難以發(fā)現。但就對數據的封裝而言，C++遠遠優(yōu)于C，只要參照合理的規(guī)范指南，進行項目的開發(fā)，就可以通過充分發(fā)揮C++靈活的特點，應用到更多更廣的工程領域。

　　5 行業(yè)展望

　　標準與規(guī)范從來沒有如眼下這般備受重視過。一個權威的標準或規(guī)范，不僅將成為相關領域的“金科玉律”，更是行業(yè)動向的風向標?？梢哉f正是由于MISRA-C的存在，使得在高級語言種類繁多的今天，C語言的地位依然無可替代。

　　此次MISRA攜著在C語言上的巨大成功，選擇了C++語言進行新的規(guī)范化嘗試，不僅因為C++語言的群眾基礎深厚，更是表明了嵌入式系統(tǒng)領域內大多數專家的觀點：如果說未來能有一門語言取代目前C語言在嵌入式系統(tǒng)應用中的地位的話，也只能是C++語言。一名成功的嵌入式系統(tǒng)工程師，必須是對行業(yè)動向極為敏感的，也只有這樣，才能在知識爆炸的今天緊跟時代潮流。從使用C語言到使用C++語言是一個巨大的跨越，決不僅僅像使用“增強的C”那么簡單，需要從現在就開始學習。而從學習之初就養(yǎng)成的良好的語言使用習慣，將決定將來進階的速度與可能性。MISRA C++：2008無疑是培養(yǎng)這樣良好習慣的最佳手冊。