集成錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)以發(fā)現(xiàn)嵌入式C軟件中的更多錯(cuò)誤

諸如基于模式的靜態(tài)代碼分析、運(yùn)行時(shí)內(nèi)存監(jiān)控、單元測(cè)試和流分析等自動(dòng)化技術(shù)可以一起用于查找嵌入式 C 應(yīng)用程序中的錯(cuò)誤。以下討論將使用 Parasoft C/C++test 演示這些技術(shù)，Parasoft C/C++test 是一種集成解決方案，用于自動(dòng)化廣泛的最佳實(shí)踐，以提高 C 和 C++ 軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的生產(chǎn)力和軟件質(zhì)量。

示例傳感器應(yīng)用

可以在 ARM Cortex-M3 板上運(yùn)行的簡(jiǎn)單傳感器應(yīng)用程序的上下文中探索推薦的錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)策略。應(yīng)用程序已創(chuàng)建并上傳到開(kāi)發(fā)板，但在運(yùn)行時(shí)，它不會(huì)在 LCD 屏幕上呈現(xiàn)預(yù)期的輸出。

它不起作用，原因尚不清楚。在目標(biāo)板上進(jìn)行調(diào)試既費(fèi)時(shí)又乏味，因?yàn)樾枰謩?dòng)分析調(diào)試器結(jié)果以嘗試確定真正的問(wèn)題?；蛘撸梢詰?yīng)用某些工具或技術(shù)來(lái)自動(dòng)查明錯(cuò)誤。

此時(shí)，兩個(gè)選項(xiàng)是使用調(diào)試器調(diào)試應(yīng)用程序或應(yīng)用自動(dòng)化測(cè)試策略從代碼中剝離錯(cuò)誤。如果應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)后應(yīng)用程序仍然無(wú)法工作，調(diào)試器可以作為最后的手段。

基于模式的靜態(tài)代碼分析

應(yīng)用了基于模式的靜態(tài)分析，而不是調(diào)試，它快速、易于使用并且?guī)缀蹩梢詰?yīng)用于每次代碼 更改。通過(guò)執(zhí)行靜態(tài)分析確定了一個(gè)問(wèn)題（參見(jiàn)圖 1）。

圖 1：靜態(tài)代碼分析識(shí)別 MISRA 編碼標(biāo)準(zhǔn)違規(guī)。

這違反了 MISRA 規(guī)則，即在布爾表達(dá)式中使用賦值運(yùn)算符可能會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)。目的不是使用賦值運(yùn)算符，而是使用比較運(yùn)算符。所以這個(gè)問(wèn)題得到解決，程序重新運(yùn)行。

由于一些輸出顯示在 LCD 上，因此有所改進(jìn)。但是，應(yīng)用程序因訪問(wèn)沖突而崩潰。再一次，有一個(gè)選擇：使用調(diào)試器或繼續(xù)應(yīng)用自動(dòng)錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)。鑒于自動(dòng)錯(cuò)誤檢測(cè)在發(fā)現(xiàn)此類內(nèi)存損壞方面非常有效，因此執(zhí)行運(yùn)行時(shí)內(nèi)存監(jiān)控是最佳選擇。

整個(gè)應(yīng)用程序的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存監(jiān)控

可以通過(guò)應(yīng)用適合在目標(biāo)板上運(yùn)行的輕量級(jí)儀器來(lái)執(zhí)行運(yùn)行時(shí)內(nèi)存監(jiān)控。上傳并運(yùn)行檢測(cè)的應(yīng)用程序并下載結(jié)果后，會(huì)報(bào)告錯(cuò)誤（參見(jiàn)圖 2）。

圖 2：運(yùn)行時(shí)內(nèi)存監(jiān)控報(bào)告讀取超出范圍的數(shù)組。

這表明在第 48 行讀取了一個(gè)超出范圍的數(shù)組。顯然，msgIndex變量的值一定超出了數(shù)組的范圍。向上堆棧跟蹤顯示，這個(gè)具有超出范圍值的打印消息是由于在調(diào)用函數(shù)printMessage（）之前為其設(shè)置了不正確的條件而導(dǎo)致的。這可以通過(guò)放松if語(yǔ)句中的值范圍控制并去掉不必要的條件（value 《= 20）來(lái)解決。

void handleSensorValue（int value）

{

initialize（）;

int index = -1;

if （value 》= 0 && value 《= 10） {

index = VALUE_LOW;

} else if （（value 》 10） && （value 《= 20）） {

index = VALUE_HIGH;

}

printMessage（index， value）;

}

現(xiàn)在，當(dāng)重新運(yùn)行應(yīng)用程序時(shí)，不會(huì)報(bào)告內(nèi)存錯(cuò)誤。應(yīng)用程序上傳到板后，它似乎按預(yù)期工作。然而，一些擔(dān)憂仍然存在。

在執(zhí)行的代碼路徑中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)內(nèi)存覆蓋實(shí)例，但這是否意味著未執(zhí)行的代碼中沒(méi)有內(nèi)存覆蓋？覆蓋分析表明，有些代碼根本沒(méi)有被執(zhí)行。reportSensorFailure（） 函數(shù)沒(méi)有被覆蓋，并且調(diào)用reportSensorFailure的mainLoop函數(shù)內(nèi)部的一個(gè)分支根本沒(méi)有被執(zhí)行（再次參見(jiàn)圖 2）。測(cè)試此代碼的一種方法是創(chuàng)建一個(gè)單元測(cè)試（用于mainLoop函數(shù)）和一個(gè)用戶存根（用于readSensor函數(shù)），以模擬在功能測(cè)試期間難以重現(xiàn)的條件。

帶有運(yùn)行時(shí)內(nèi)存監(jiān)控的單元測(cè)試

創(chuàng)建一個(gè)測(cè)試用例骨架，然后用測(cè)試代碼填充。 此外，為readSensor函數(shù)添加了一個(gè)存根以模擬讀取錯(cuò)誤。運(yùn)行測(cè)試用例——只執(zhí)行這個(gè)以前未測(cè)試的功能——啟用運(yùn)行時(shí)內(nèi)存監(jiān)控。結(jié)果顯示該函數(shù)現(xiàn)在已被覆蓋，但報(bào)告了新的錯(cuò)誤（參見(jiàn)圖 3）。

圖 3：?jiǎn)⒂眠\(yùn)行時(shí)內(nèi)存監(jiān)控的單元測(cè)試會(huì)暴露內(nèi)存錯(cuò)誤。

測(cè)試用例發(fā)現(xiàn)了更多與內(nèi)存相關(guān)的錯(cuò)誤。調(diào)用失敗處理程序時(shí)，內(nèi)存初始化（空指針）存在明顯問(wèn)題。進(jìn)一步分析表明，reportSensorValue（）中混合了調(diào)用順序，因此finalize（）在printMessage（）被調(diào)用之前被調(diào)用，但finalize（）實(shí)際上釋放了printMessage（）使用的內(nèi)存。

void finalize（）

{

if （messages） {

free（messages［0］）;

free（messages［1］）;

free（messages［2］）;

}

free（messages）;

}

void printMessage（int msgIndex， int value）

{

const char* msg = messages［msgIndex］;

printf（“Value： %d， State： %s\n”， value， msg）;

fflush（stdout）;

}

void reportSensorFailure（）

{

finalize（）;

printMessage（ERROR_MSG， 0）;

}

這個(gè)順序是固定的，測(cè)試用例會(huì)重新運(yùn)行一次。

這解決了報(bào)告的錯(cuò)誤之一。下一步是解決報(bào)告的第二個(gè)問(wèn)題：打印消息中的 AccessViolationException。這是因?yàn)檫@些表消息未初始化。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在打印消息之前調(diào)用initialize（）函數(shù)。修復(fù)后的功能如下：

void reportSensorFailure（）

{

initialize（）;

printMessage（ERROR， 0）;

finalize（）;

}

重新運(yùn)行測(cè)試時(shí)，只報(bào)告一個(gè)任務(wù)：一個(gè)無(wú)效的單元測(cè)試用例，這并不是真正的錯(cuò)誤。必須驗(yàn)證結(jié)果才能將此測(cè)試轉(zhuǎn)換為回歸測(cè)試（參見(jiàn)圖 4）。

圖 4：必須為回歸測(cè)試配置測(cè)試。

接下來(lái)，再次運(yùn)行整個(gè)應(yīng)用程序。覆蓋率分析顯示幾乎整個(gè)應(yīng)用程序都被覆蓋了，結(jié)果表明沒(méi)有出現(xiàn)內(nèi)存錯(cuò)誤問(wèn)題。

即使運(yùn)行了整個(gè)應(yīng)用程序并為未覆蓋的函數(shù)創(chuàng)建了單元測(cè)試，但仍有一些路徑未被覆蓋?？梢岳^續(xù)使用單元測(cè)試創(chuàng)建，但需要一些時(shí)間才能覆蓋應(yīng)用程序中的所有路徑。相反，可以使用流量分析來(lái)模擬這些路徑。

流量分析

運(yùn)行流分析以模擬通過(guò)系統(tǒng)的不同路徑，并檢查這些路徑中是否存在潛在問(wèn)題。報(bào)告了幾個(gè)問(wèn)題（參見(jiàn)圖 5）。

圖 5：流分析發(fā)現(xiàn)路徑中的幾個(gè)問(wèn)題。

有一條潛在的路徑——一個(gè)未被覆蓋的路徑——在finalize（）函數(shù)中可以有一個(gè)雙重釋放。reportSensorValue（）函數(shù)調(diào)用finalize（），然后finalize （）調(diào)用free（）。此外，在mainLoop（）中再次調(diào)用finalize （） 。這可以通過(guò)使finalize（）更智能來(lái)解決：

void finalize（）

{

if （messages） {

free（messages［0］）;

free（messages［1］）;

free（messages［2］）;

free（messages）;

messages = 0;

}

}

然后再運(yùn)行一次流量分析。僅報(bào)告了兩個(gè)問(wèn)題（參見(jiàn)圖 6）。

圖 6：流量分析檢測(cè)到兩個(gè)剩余問(wèn)題。

此處可能正在訪問(wèn)索引為-1的表。這是因?yàn)榉e分索引最初設(shè)置為 -1，并且在調(diào)用printMessage（）之前，可能存在一條通過(guò)if語(yǔ)句未將此積分設(shè)置為正確值的路徑。運(yùn)行時(shí)分析并沒(méi)有導(dǎo)致這條路徑，并且這條路徑可能永遠(yuǎn)不會(huì)在現(xiàn)實(shí)生活中被采用。與實(shí)際運(yùn)行時(shí)內(nèi)存監(jiān)控相比，這是流分析的主要弱點(diǎn)。流分析顯示潛在路徑，不一定是在實(shí)際應(yīng)用程序執(zhí)行期間將采用的路徑。通過(guò)刪除不必要的條件（value 》= 0）可以輕松修復(fù)此潛在錯(cuò)誤。

void handleSensorValue（int value）

{

initialize（）;

int index = -1;

if （value 《= 10） {

index = VALUE_LOW;

} else {

index = VALUE_HIGH;

}

printMessage（index， value）;

}

報(bào)告的最終錯(cuò)誤以類似的方式修復(fù)?，F(xiàn)在，重新運(yùn)行流分析時(shí)，不會(huì)報(bào)告任何問(wèn)題。

回歸測(cè)試

為確保一切正常，重新運(yùn)行整個(gè)分析。首先，應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)內(nèi)存監(jiān)控下運(yùn)行，一切似乎都很好。然后使用內(nèi)存監(jiān)控運(yùn)行單元測(cè)試并報(bào)告一個(gè)任務(wù)（參見(jiàn)圖 7）。

圖 7：?jiǎn)卧獪y(cè)試發(fā)現(xiàn)回歸失敗。

單元測(cè)試檢測(cè)到reportSensorFailure（）函數(shù)的行為發(fā)生了變化。這是由finalize（）中的修改引起的，這是為了糾正先前報(bào)告的問(wèn)題之一而進(jìn)行的更改。此任務(wù)引起對(duì)更改的注意，并指示必須審查測(cè)試用例。然后要么更正代碼，要么更新測(cè)試用例，以表明這個(gè)新行為實(shí)際上是預(yù)期的行為?？戳讼麓a，很明顯后者為真，并且更新了斷言的條件。

void sensor_tests_test_reportSensorFailure（）

{

{

messages = 0 ;

}

{

reportSensorFailure（）;

CPPTEST_ASSERT（0 == （ messages ））;

}

}

作為最后的健全性檢查，整個(gè)應(yīng)用程序獨(dú)立運(yùn)行，在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中構(gòu)建它，無(wú)需任何運(yùn)行時(shí)內(nèi)存監(jiān)控。結(jié)果證實(shí)它按預(yù)期工作。

補(bǔ)充工具

所有應(yīng)用的測(cè)試方法——基于模式的靜態(tài)代碼分析、內(nèi)存分析、單元測(cè)試、流分析和回歸測(cè)試——不相互競(jìng)爭(zhēng)，而是相互補(bǔ)充。一起使用，它們提供了一個(gè)非常強(qiáng)大的工具，可以為嵌入式 C 軟件提供無(wú)與倫比的自動(dòng)錯(cuò)誤檢測(cè)水平。

作者：Parasoft SA ，Miros?aw Zieli nski

審核編輯：郭婷