20.3. Автоматический статический анализ программ

Статические анализаторы программ – это инструментальные программные средства, которые сканируют исходный текст программы и выявляют возможные ошибки и противоречия. Для анализаторов не требуется исполняемая программа. Они выполняют синтаксический разбор текста программы и опознают различные типы операторов. Таким образом, с помощью анализаторов можно проверить, правильно ли составлены операторы, сделать выводы относительно потока управления в программе и во многих случаях вычислить множество значений данных, используемых программой. Анализаторы дополняют средства обнаружения ошибок, предоставляемых компилятором языка.

Цель автоматического статического анализа – привлечь внимание проверяющего к аномалиям в программе, например к переменным, которые используются без инициализации или совсем не используются, или к данным, значения которых превышают заданное, и т.п.

Статический анализ состоит из нескольких этапов.

1. Анализ потока управления. На этом этапе идентифицируются и выделяются циклы, их точки входа и выхода, а также неиспользуемый код (это код, окруженный безусловными операторами перехода, или код одной из ветвей условного оператора, условие перехода к которой никогда не будет истинным).

2. Анализ использования данных. На этом этапе проверяется использование переменных в программе. Анализ позволяет обнаружить переменные, которые используются без предварительной инициализации, переменные, которые описаны дважды без промежуточного присвоения, а также объявленные, но нигде не используемые переменные. На этом этапе также можно выявить условные операторы с избыточными условиями. Это такие условия, значения которых никогда не изменяются: они либо всегда истинны, либо всегда ложны.

3. Анализ интерфейса. На этом этапе проверяется согласованность различных частей программы, правильность объявления процедур и их использования. Данный этап оказывается лишним, если используется язык со строгим контролем типов, например Java, так как подобный анализ выполняет компилятор этого языка. Анализ интерфейса помогает выявить ошибки в программах, написанных на языках со слабым контролем типов, например FORTRAN или С. В процессе анализа интерфейса можно также выявить объявленные функции и процедуры, которые нигде не вызываются, и функции, результаты которых не используются.

4. Анализ потоков данных. На этом этапе анализа определяются зависимости между исходными (входными) и результирующими (выходными) переменными. Хотя такой анализ не выявляет конкретных ошибок, он дает полный список значений, используемых в программе, благодаря чему легче обнаружить ошибочный вывод данных. На этом этапе также можно явно определить условия, которые влияют на значения переменных.

5. Анализ ветвей программы. На этом этапе семантического анализа определяются все ветви программы и выделяются операторы, исполняемые в каждой ветви. Анализ ветвей программы существенно помогает разобраться в управлении программой и позволяет проанализировать каждую ветвь отдельно.

Анализ потока данных и анализ ветвей генерируют огромное количество информации. Эта информация не выявляет конкретных ошибок, а представляет программу в разных аспектах. Из-за огромного количества генерируемой информации эти этапы статического анализа иногда исключают из процесса анализа и используют только на ранних стадиях для обнаружения аномалий в разрабатываемой программе.

Статические анализаторы особенно полезны в тех случаях, когда используются языки программирования, подобные С. В языке С нет строгого контроля типов, и потому проверка, осуществляемая компилятором языка С, ограниченна. В этом случае средствами статического анализа можно автоматически выявить широкий спектр ошибок программирования. Данный анализ особенно важен при разработке критических систем. В этом случае статический анализ позволяет значительно сократить расходы на тестирование. В системах Unix и Linux есть статический анализатор LINT для программ, написанных на С. Он обеспечивает статическую проверку, эквивалентную проверке компилятором в языках со строгим контролем типов, например Java.