phân tích tĩnh chương trình bằng phương pháp giải thích trừu tượng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG














NGUYỄN THANH BẰNG






PHÂN TÍCH TĨNH CHƯƠNG TRÌNH
BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI THÍCH TRỪU TƯỢNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH










Thái Nguyên, năm 2013
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN THANH BẰNG






PHÂN TÍCH TĨNH CHƯƠNG TRÌNH
BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI THÍCH TRỪU TƯỢNG




Chuyên ngành : KHOA HỌC MÁY TÍNH
Mã số : 60.48.01




NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Nguyễn Trường Thắng






Thái Nguyên, năm 2013
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung đƣợc trình bày trong nội dung
luận văn đều do tôi nghiên cứu và viết ra dƣới sự hƣớng dẫn của TS.
Nguyễn Trƣờng Thắng – Viện Công nghệ thông tin – Viện Khoa học và
công nghệ Việt Nam hƣớng dẫn. Không hề có bất cứ sự sao chép nào ngoài
việc tham khảo từ các tài liệu nhƣ đã trình bày trong phần tài liệu tham
khảo. Nếu có một hình thức gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Thái Nguyên, tháng 01 năm 2013
Học viên cao học khóa 9.
Chuyên ngành: Khoa học máy tính.
Trƣờng đại học Công nghệ thông tin và truyền thông
Đại học Thái Nguyên


3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 2
MỤC LỤC 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ 6
DANH MỤC CÁC HÌNH 7
MỞ ĐẦU 8
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN 10
1.1. Công nghệ phần mềm và các vấn đề liên quan 10
1.1.1. Khái niệm về công nghệ phần mềm 10
1.1.2. Quy trình phát triển phần mềm 11
1.2 Các kỹ thuật trong công nghệ phần mềm nhằm nâng cao chất lƣợng
phần mềm 13
1.2.1. Kiểm chứng phần mềm 14
1.2.2. Phân tích mã nguồn tĩnh 15

1.2.3. Kiểm thử phần mềm 17
1.2.4. So sánh giữa kiểm chứng mô hình và kiểm thử phần mềm 18
1.3 Kết luận chƣơng 1. 18
CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP GIẢI THÍCH TRỪU TƢỢNG 19
2.1. Khái niệm giải thích trừu tƣợng 19
2.2. Ứng dụng của giải thích trừu tƣợng. 19
2.3. Một số khái niệm cơ bản. 20
2.3.1. Ngữ nghĩa 20
2.3.2. Tính an toàn: 20
2.3.3. Giải thích trừu tƣợng: 21
2.3.4. Tiêu chuẩn trừu tƣợng hóa: 22
2.3.5. Miền trừu tƣợng: (Abstract domains): 22
2.3.6. Vết thực thi 23
2.3.7. Thu thập ngữ nghĩa: 25
2.4. Nền tảng toán học của giải thích trừu tƣợng. 26
2.4.1. Liên kết nhị phân 26

4

2.4.2. Tập có thứ tự từng phần (Poset) 26
2.4.3. Cấu trúc dàn (Lattices) 27
2.4.4. Sơ đồ Hasse 28
2.4.5. Điểm cố định (Fixpoint) 28
2.4.6. Bƣớc lặp 29
2.4.7. Kết nối Galois 29
2.5. Giải thích trừu tƣợng. 29
2.5.1. Đối tƣợng trừu tƣợng (Abstract objects) 30
2.5.2. Thuộc tính trừu tƣợng 31
2.5.3. Giải thích trừu tƣợng trong phân tích tĩnh chƣơng trình: 32
2.5.4. Kết luận chƣơng 2. 34

CHƢƠNG III. CHƢƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM 35
3.1. Giới thiệu về TVLA 35
3.2. Nền tảng toán học của TVLA 36
3.2.1. Giá trị 3-logic 37
3.2.2. Phƣơng pháp 39
3.3. Phân tĩnh tĩnh chƣơng trình sử dụng TVLA. 43
3.3.1. Bài toán 1 43
3.3.2. Bài toán 2 48
3.4. Kết luận chƣơng 3. 53
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO 55
PHỤ LỤC 56
1. Thuật toán phân tích mối quan hệ vô hạn thông qua lặp tiến/lùi chi tiết .
56
2. Các định nghĩa chức năng trừu tƣợng trong action.tvp. 57
3. Các định nghĩa chức năng trừu tƣợng trong predicates.tvp. 62
4. Dữ liệu đầu vào của TVLA phân tích chức năng tạo danh sách liên kết
creat.tvp 64

5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
Từ viết tắt
Viết đầy đủ
Nghĩa
1
EASL
Engineering Analysis and
Simulation Language

Kỹ thuật Phân tích và
ngôn ngữ mô phỏng
2
CM
Summary nodes
Nút đại diện
3
PTTGTT
Phân tích tĩnh chƣơng trình
bằng giải thích trừu tƣợng.

4
CFG
Control Flow Graphc
Sơ đồ luồng điều khiển.



6

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ
STT
Thuật ngữ
Ý nghĩa
1
Vết thực thi (Trace semantics)
Tập hợp các dấu vết về quá trình
chuyển đổi trạng thái của
chƣơng trình.
2

Tập có thứ tự từng phần (Poset
- Partial Ordered Set)
Là một tập hợp các phần tử có
thứ tự
3
Cấu trúc dàn (Lattice)
Là một tập hợp các phần tử có
thứ tự từng phần có điểm chặn
dƣới lớn nhất và trặn trên nhỏ
nhất



7

DANH MỤC CÁC HÌNH
STT
Hình sử dụng
1
Hình 1.1: Mô hình tổng quát quy trình sản xuất phần mềm trong xe hơi
2
Hình 1.2: Tổng quan phân tích mã nguồn tĩnh
3
Hình 1.3: MISRA-C là “Subset”-Tập con của ngôn ngữ C
4
Hình 1.4: Hai cuốn MISRA-C:1998 và MISRA-C:2004
5
Hình 2.1 Sơ đồ hành vi của chƣơng trình
6
Hình 2.2 Quỹ đạo an toàn

7
Hình 2.3 Quỹ đạo không an toàn
8
Hình 2.4 Quỹ đạo hành vi trừu tƣợng của chƣơng trình.
9
Hình 2.4 Phát hiện lỗi với giải thích trừu tƣợng
10
Hình 2.5 Các bƣớc chuyển trạng thái của chƣơng trình
11
Hình 2.6 Vết thực thi của chƣơng trình
12
Hình 2.7 Thu thập ngữ nghĩa của chƣơng trình
13
Hình 2.8 Đồ thị liên kết nhị phân
14
Hình 2.9 Thuật toán giải thích trừu tƣợng tổng quát
15
Hình 3.1 Bảng giá trị phép giao 3-logic
16
Hình 3.2 Bảng giá trị phép hợp 3-logic
17
Hình 3.3 Bảng giá trị phép hợp 3-logic.
18
Hình 3.4 Bảng trừu tƣợng hóa bằng logic vị từ
19
Hình 3.5 Mô phỏng trạng thái bộ nhớ cấu trúc con trỏ.
20
Hình 3.6 Trạng thái chƣơng trình sử dụng 2-logic
21
Hình 3.7 Trạng thái chƣơng trình sử dụng nút đại diện (3-logic)

22
Hình 3.8 Tiến trình làm việc của một quá trình PTTGTTT
23
Hình 3.9 Thực hiện phân tích tĩnh chƣơng trình bằng TVLA.
24
Hình 3.10. Kết quả phân tích chức năng tạo danh sách liên kết
25
Hình 3.11. Trạng thái tổng thể chƣơng trình thêm một nút vào cây nhị
phân


8

MỞ ĐẦU
Ngày nay, phần mềm xuất hiện ở khắp mọi nơi và trong hầu hết các
thiết bị điện tử đều sử dụng phần mềm trong đó. Phần mềm không đơn giản
là chƣơng trình trên máy tính mà nó bao gồm cả tƣ liệu lƣu trữ và thông tin
vận hành giúp chƣơng trình có thể hoạt động đƣợc. Vì những ứng dụng to
lớn của phần mềm trong các ngành sản xuất, tài chính ngân hàng, y tế, bệnh
viện, trƣờng học, nhà nƣớc, nên yêu cầu rất lớn đặt ra đó là xây dựng, phát
triển và ứng dụng công nghệ phần mềm.
Trong luận văn này tôi xin giới thiệu một phƣơng pháp kiểm tra đánh
giá chất lƣợng phần mềm mới đó là phân tích tĩnh chƣơng trình. Với mục
tiêu: Đƣa ra một cách nhìn nhận mới về việc lập xây dựng và kiểm tra sự
đúng đắn của chƣơng trình đó là sử dụng phƣơng pháp phân tích tĩnh
chƣơng trình. Áp dụng các công cụ để phân tích chƣơng trình, kiểm tra sự
đúng đắn của chƣơng trình bằng giải thích trừu tƣợng (Abstract
Interpretation). Vì đây là một kỹ thuật phân tích chƣơng trình chƣa đƣợc
nghiên cứu rộng rãi ở Việt Nam, nên luận văn này mang tính giới thiệu ban
đầu về khái niệm cơ bản và nền tảng lý thuyết dựa trên tài liệu gốc [2], là

giáo trình đƣợc sử dụng trong đào tạo thạc sỹ của Học viện Công nghệ
Massachussette (MIT) – Hoa Kỳ, trong chƣơng 2. Phần thử nghiệm trong
chƣơng 3 tập trung vào việc cài đặt và thử nghiệm bộ công cụ TVLA (3-
Valued Logic Analysis Engine) của trƣờng đại học Khoa Học Máy Tính Tel
Aviv (School of Computer Science Tel Aviv University), thành phố Tel
Aviv, Isarel[6]. Công cụ này phân tích chƣơng trình sử dụng giải thích trừu
tƣợng.
Nội dung luận văn gồm 3 chƣơng:
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN
Đƣa ra các khái niệm liên quan, sự cần thiết của việc phân tích tĩnh
chƣơng trình, giới thiệu các phƣơng pháp phân tích tĩnh chƣơng trình.
CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP GIẢI THÍCH TRỪU TƢỢNG

9

Trình bày nền tảng lý thuyết, thuật toán, ứng dụng, ƣu nhƣợc điểm của
phƣơng pháp giải thích trừu tƣợng.[2]
CHƢƠNG III. CHƢƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
Cài đặt phƣơng pháp phân tích tĩnh bằng giải thích trừu tƣợng, đƣa ra
kết quả thực nghiệm và kết luận[6]



10

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Công nghệ phần mềm và các vấn đề liên quan
1.1.1. Khái niệm về công nghệ phần mềm
Công nghệ phần mềm là một quá trình tích hợp quy trình, các phƣơng
pháp và các công cụ nhằm tạo ra một phần mềm hiệu quả. Công nghệ phần

mềm là một ngành công nghệ tập trung vào tất cả các mặt trong sản xuất
phần mềm, từ những bƣớc khởi đầu trong định dạng hệ thống đến bƣớc bảo
trì hệ thống sau khi phần mềm đã đƣợc đƣa vào sử dụng. Các kỹ sƣ phần
mềm không chỉ cần tập trung vào các mảng kỹ thuật trong phát triển phần
mềm mà còn vào cả các hoạt động nhƣ quản lý dự án, phƣơng pháp làm
phần mềm, đảm bảo chất lƣợng phần mềm, định dạng cấu hình phần mềm,
và phát triển các công cụ hỗ trợ cho sản xuất phần mềm.
Các chƣơng trình khoa học máy tính hầu hết đều tập trung vào lý
thuyết và phƣơng pháp của máy tính và các cơ sở về lập trình. Chƣơng trình
công nghệ phần mềm thay vào đó tập trung cho các mặt thực tiễn trong sản
xuất phần mềm có chất lƣợng và mối quan hệ của nó với công việc kinh
doanh. Vì lẽ đó, các kỹ sƣ phần mềm phải có kiến thức về khoa học máy
tính và hơn thế nữa vì họ sẽ phải đối mặt với các vấn đề về sản xuất và ứng
dụng phần mềm mà khoa học máy tính thƣờng chỉ thuần túy tiếp cận bằng
các lý thuyết và thuật toán. Các lý thuyết của khoa học máy tính thƣờng trừu
tƣợng nhƣ toán học phức tạp và luôn không thể áp dụng cho các bài toán
phức tạp trong thực tế, vốn đòi hỏi một giải pháp công nghệ phần mềm.
Khoa học máy tính thƣờng tập trung vào việc chuyển đổi các công thức toán
học thành các thuật toán lập trình, vì thế toán học thƣờng là nền tảng cơ bản.
Công nghệ phần mềm cần tập trung cho các hoạt động liên quan đến việc
sản xuất sản phẩm phần mềm vì yếu tố quy trình là nền tảng quan trọng
nhất.

11

1.1.2. Quy trình phát triển phần mềm
Quá trình phát triển phần mềm là tập hợp các thao tác và các kết quả
tƣơng quan để sản xuất ra một sản phẩm phần mềm. Hầu hết các thao tác
này đƣợc tiến hành bởi các kỹ sƣ phần mềm. Các công cụ hỗ trợ máy tính
về kỹ thuật phần mềm có thể đƣợc dùng để giúp trong một số thao tác. Có 4

thao tác là nền tảng của hầu hết các quá trình phần mềm là:
- Đặc tả phần mềm: Các chức năng của phần mềm và điều kiện để nó
hoạt động phải đƣợc định nghĩa.
- Sự phát triển phần mềm: Để phần mềm đạt đƣợc đặc tả thì phải có
quá trình phát triển này.
- Đánh giá phần mềm: Phần mềm phải đƣợc đánh giá để chắc chắn
rằng nó làm những gì mà khách hàng muốn.
- Sự tiến hóa của phần mềm: Phần mềm phải tiến hóa để thỏa mãn sự
thay đổi các yêu cầu của khách hàng
1.1.3. Phân loại phần mềm
Đối tƣợng chính của công nghệ phần mềm là sản xuất ra các sản phẩm
phần mềm. Sản phẩm phần mềm đƣợc phân loại theo 3 cách đó là theo mức
độ hoàn thiện, theo chức năng, và theo lĩnh vực ứng dụng, cụ thể nhƣ sau:
Theo mức độ hoàn thiện :
- Phần mềm hệ thống : Điều hành các hoạt động của hệ thống
- Phần mềm nghiệp vụ : Hỗ trợ tốt các hoạt động nghiệp vụ khác nhau
với sự đa dạng và số lƣợng lớn
Theo chức năng :
Phần mềm công cụ (Tools, CASE) : Trợ giúp cho quá trình phát triển
phần mềm, nhƣ công cụ kiếm soát mã nguồn tĩnh - “TVLA” đƣợc giới thiệu
ở Chƣơng 3.
Theo lĩnh vực ứng dụng :

12

- Phần mềm hệ thống: Đây là phần mềm tƣơng tác trực tiếp với phần
cứng, sử dụng cho các chƣơng trình khác nhau, và nhiều đối tƣợng ngƣời
dùng khác nhau.
- Phần mềm thời gian thực : Thu thập, xử lý các dữ kiện thời gian
thực và đáp ứng yêu cầu chặt chẽ về thời gian.

- Phần mềm nghiệp vụ : Xử lý thông tin nghiệp vụ, gắn với cơ sở dữ
liệu, nhƣ là : xử lý các giao tác ( mạng bán hàng,…), hệ điều khiển vũ trụ.
- Phần mềm khoa học kỹ thuật : Sử dụng các thuật toán phức tạp (
vật lý, mô phỏng,…). Đây là phần mềm có năng lực tính toán cao.
- Phần mềm nhúng: Là sự kết hợp giữa hệ thống và thời gian thực.
Ngoài ra, còn có các phần mềm khác nhƣ : Phần mềm trí tuệ nhân tạo, phần
mềm dựa trên nền Web, phần mềm máy tính cá nhân,.v.v
1.1.4. Chất lƣợng của phần mềm
Ngành công nghiệp phần mềm đang phát triển rất nhanh và trở thành
ngành khổng lồ. Nhƣng bên cạnh sự phát triển đó cũng có rất nhiều khó
khăn đặt ra nhƣ năng suất lập trình vẫn còn thấp, sự phát triển vẫn mang
tính thủ công, giá thành đắt,…Vì vậy, vấn đề bảo đảm chất lƣợng phần mềm
đang trở thành trọng tâm. Chất lƣợng của phần mềm theo quan điểm lập
trình đó chính là chất lƣợng của chƣơng trình. Vấn đề là làm thế nào để
chƣơng trình chạy giống nhƣ thiết kế, đây chính là chất lƣợng theo nghĩa
cần thiết. Chất lƣợng của phần mềm theo quan điểm ngƣời sử dụng phần
mềm đó là chất lƣợng thiết kế. Vấn đề là làm thế nào để thiết kế đáp ứng
đúng nhu cầu của ngƣời sử dụng. Ngƣời ta cũng nói đó là chất lƣợng theo
nghĩa hấp dẫn. Một phần mềm tốt không những đáp ứng nhu cầu của ngƣời
phát triển mà phải thoả mãn ngƣời sử dụng: có độ tin cậy cao về chất lƣợng
và mức độ thoả mãn của ngƣời sử dụng đối với sản phẩm hay dịch vụ .
Một phần mềm đáp ứng đƣợc yêu cầu thì cần có các tính chất sau:
Chạy đúng: đây là yếu tố cốt lõi, không thể thiếu của một chƣơng
trình. Nó phải thực hiện chính xác công việc mà nó đảm nhiệm.

13

Tính bảo trì đƣợc: Nó có khả năng thực hành những tiến triển để thỏa
mãn yêu cầu của khách hàng.
Tính an toàn: Khả năng tin cậy của phần mềm bao gồm một loạt các

đặc tính nhƣ là độ tin cậy, an toàn, và bảo mật. Phần mềm tin cậy không thể
tạo ra các thiệt hại vật chất hay kinh tế trong trƣờng hợp hƣ hỏng.
Tính hiệu quả: Phần mềm không thể phí phạm các nguồn tài nguyên
nhƣ là bộ nhớ và các chu kì vi xử lý.
Tính tiện dụng: Phần mềm nên có một giao diện tƣơng đối dễ cho
ngƣời dùng và có đầy đủ các hồ sơ về phần mềm
Giá thành rẻ,
1.2 Các kỹ thuật trong công nghệ phần mềm nhằm nâng cao chất lƣợng
phần mềm
Công nghệ phần mềm là lĩnh vực rất rộng lớn. Tuy nhiên, một trong
những mảng chính của nó là kiểm soát chất lƣợng phần mềm. Trong mảng
này, có nhiều loại kỹ thuật khác nhau để nâng cao chất lƣợng phần mềm.
Các loại cơ bản: kiểm chứng mô hình , phân tích tĩnh, kiểm thử động,

14


Hình 1.1: Mô hình tổng quát quy trình sản xuất phần mềm trong xe hơi
1.2.1. Kiểm chứng phần mềm
Kiểm chứng mô hình là phƣơng pháp để xem thiết kế phần cứng và
phần mềm có đúng theo đặc tả và thiết kế ban đầu hay không. Kiểm chứng
mô hình là một kỹ thuật kiểm chứng tự động các hệ thống hữu hạn trạng
thái. Kiểm chứng mô hình xác minh tính đúng đắn của một mô hình bằng
việc xác định xem các thuộc tính ngƣời dùng mong muốn có đƣợc thỏa mãn
bởi mô hình đó hay không. Về nguyên tắc hoạt động, hệ thống cần kiểm
chứng sẽ đƣợc mô hình hóa. Công cụ kiểm chứng sẽ kiểm tra mô hình có

15

thỏa mãn các thuộc tính đƣợc cho hay không. Nhờ khả năng duyệt qua tất cả

các trạng thái trong mô hình mà tính đúng đắn của kết quả kiểm chứng mô
hình luôn đƣợc đảm bảo.
Kiểm chứng mô hình bao gồm 3 bƣớc: Mô hình hóa, đặc tả và kiểm
chứng. Ở bƣớc mô hình hóa, kết quả tạo ra là một mô hình mà các công cụ
kiểm chứng có thể sử dụng đƣợc. Đầu vào của bƣớc này có thể là bản thiết
kế phần mềm hoặc là các dòng mã lập trình. Trong bƣớc tiếp theo, các thuộc
tính mà bản thiết kế cần thỏa mãn đƣợc đặc tả. Các thuộc tính này thƣờng
đƣợc diễn đạt bằng các biểu thức logic. Kết quả của hai bƣớc mô hình hóa
và đặc tả chính là đầu vào của kiểm chứng mô hình. Trong bƣớc cuối cùng,
kiểm chứng, công cụ kiểm chứng sẽ tự động thực hiện và trả về kết quả là
thỏa mãn nếu mô hình thỏa mãn các thuộc tính, hoặc đƣa ra một phản ví dụ
nếu mô hình không thỏa mãn. Dựa vào phản ví dụ, ngƣời ta có thể tìm ra
đƣợc lý do vì sao mô hình không thỏa mãn các thuộc tính đặt ra.
Tóm lại, kiểm chứng mô hình là một kĩ thuật giúp kiểm tra một chƣơng
trình hoặc một bản thiết kế có thỏa mãn các tính chất đặt ra hay không một
cách tự động. Đầu vào của nó là một mô hình cần kiểm chứng và các thuộc
tính mà nó cần thỏa mãn. Đầu ra là kết luận một mô hình thỏa mãn các tính
chất hoặc đƣa ra một phản ví dụ nếu mô hình không thỏa mãn.
1.2.2. Phân tích mã nguồn tĩnh
Phân tích mã nguồn tĩnh, hay còn gọi là kiểm thử mô hình là một
phƣơng pháp dùng để tìm lỗi hay đảm bảo sự phù hợp để mã hóa các
nguyên tắc, không làm chỉnh sửa trực tiếp mã nguồn chƣơng trình đó và nó
thực hiện các thuật toán kiểm tra mã nguồn đƣa vào dƣới dạng cây cú pháp
trừu tƣợng rồi đánh dấu phân tích ở những nơi mà các lỗi từ vựng, cú pháp
và thậm chí một số lỗi ngữ nghĩa có thể xảy ra. Nói cách khác, các công cụ
phân tích tĩnh phát hiện trong mã nguồn chƣơng trình những nơi có chứa
hoặc có khả năng chứa lỗi, bị lỗi hoặc sở hữu định dạng xấu. Đoạn mã nhƣ
vậy sẽ đƣợc xem xét cẩn thận của lập trình viên và có thể quyết định sửa đổi

16

phần này chƣơng trình hay không. Các lợi thế chính của việc sử dụng phân
tích mã tĩnh nằm ở khả năng tiết kiệm chi phí đáng kể của các loại bỏ
khuyết tật trong một chƣơng trình.
Suocre Code Static Analysis
Error Report
Quality Report
Software Metric
Tools

Hình 1.2: Tổng quan phân tích mã nguồn tĩnh
Công cụ phân tích mã nguồn tĩnh là một “phần mềm công cụ” đƣợc
xây dựng để kiểm chứng mã nguồn cho phép phát hiện một số lƣợng lớn các
lỗi ở giai đoạn xây dựng, và điều này làm giảm đáng kể chi phí của việc
phát triển toàn bộ dự án.
Phân tích tĩnh chƣơng trình có các phƣơng pháp nhƣ sau:
- Kiểm tra mô hình: Trong kiểm tra mô hình, một mô hình của hệ thống
đƣợc tạo ra để hỗ trợ phân tích mọi sự thực thi có thể trong mô hình. Kiểm
tra mô hình có thể kiểm chứng đƣợc rằng mô hình của hệ thống hoạt động
chính xác trong tất cả trƣờng hợp có thể. Kiểm tra mô hình phân tích hết
mọi khía cạnh thực thi của chƣơng trình và chỉ ra những sự vi phạm nhƣng
không chứng minh đƣợc chƣơng trình sẽ đƣợc thực thi chính xác mà không
có lỗi. Hạn chế của kiểm tra mô hình đó là không gian trạng thái của mô
hình thƣờng quá lớn do đó việc thám hiểm tất cả các trạng thái không phải
lúc nào cũng thực hiện đƣợc.

17

- Phân tích luồng dữ liệu: Là một kỹ thuật cổ điển trong phân tích tĩnh,
nó đƣợc sử dụng để tìm ra các thuộc tính quan trọng của các chƣơng trình

đƣợc phân tích, giúp các kỹ sƣ phần mềm tối ƣu hóa chƣơng trình của mình.
Trong lập trình hiện đại kỹ thuật phân tích tĩnh dựa trên luồng dữ liệu đƣợc
các kỹ sƣ phần mềm dùng để hoàn thiện các chức năng chính của chƣơng
trình;
- Giải thích trừu tƣợng: Diễn giải về các ngữ nghĩa của một chƣơng
trình phần mềm máy tính, với những hàm đơn điệu trên các tập hợp đã đƣợc
xếp thứ tự. Đây là nội dung nghiên cứu chính của đề tài, sẽ đƣợc trình bày
chi tiết trong chƣơng 2 và chƣơng 3. Phần lớn những kết quả lý thuyết của 2
chƣơng này đƣợc trích dẫn từ tài liệu [2][6].
1.2.3. Kiểm thử phần mềm
Việc tạo ra một sản phẩm thì không phải chỉ do một tổ chức đứng ra
làm từ đầu đến cuối, mà đòi hỏi sự liên kết, tích hợp của rất nhiều sản phẩm,
thƣ viện lập trình,…của nhiều tổ chức khác nhau…Để chứng tỏ rằng các
chức năng phần mềm có làm theo đúng đặc tả và các yêu cầu về hiệu năng
hay không ta phải tiến hành một quá trình gọi là kiểm thử.
Kiểm thử phần mềm là hoạt động khảo sát thực tiễn sản phẩm hay dịch
vụ phần mềm trong đúng môi trƣờng chúng dự định sẽ đƣợc triển khai
nhằm cung cấp cho ngƣời có lợi ích liên quan những thông tin về chất lƣợng
của sản phẩm hay dịch vụ phần mềm ấy. Kiểm thử là một quá trình thực thi
chƣơng trình với mục đích là tìm ra các lỗi hay khiếm khuyết của phần mềm
nhằm đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ƣu của phần mềm trong nhiều ngành
khác nhau. Thông tin đầu vào đƣợc cung cấp cho quá trình kiểm thử bao
gồm:
- Thông tin cấu hình của phần mềm.
- Thông tin cầu hình về kiểm thử.

18

1.2.4. So sánh giữa kiểm chứng mô hình và kiểm thử phần mềm
Cả kiểm chứng mô hình và kiểm thử phần mềm đều thực hiện vai trò

đảm bảo chất lƣợng phần mềm bằng việc tìm ra các lỗi nếu có của phần
mềm. Tuy nhiên giữa kiểm chứng mô hình và kiểm thử phần mềm có một
số điểm khác nhau quan trọng sau:
Kiểm thử phần mềm đòi hỏi phải có chƣơng trình để thực hiện, còn
kiểm chứng mô hình thì ngoài kiểm thử trên mã nguồn còn có thể dùng để
kiểm chứng bản thiết kế, nghĩa là khi chƣơng trình vẫn còn trên giấy.
Kiểm thử phần mềm chỉ có thể khẳng định đƣợc chƣơng trình không
gặp lỗi đối với các trƣờng hợp kiểm thử đã kiểm tra tức không tìm thấy lỗi
chứ không khẳng định đƣợc là chƣơng trình hoàn toàn không còn lỗi.
Ngƣợc lại, kiểm chứng phần mềm cho phép ta kết luận đƣợc chƣơng trình
hoàn toàn không còn lỗi.
Nhƣ vây, ta cũng có thể kiểm thử phần mềm có ƣu điểm rất lớn là dễ
thực hiện. Một ngƣời bình thƣờng cũng có thể thực hiện đƣợc. Trong khi
đó, kiểm chứng mô hình đòi hỏi phải mô hình hóa và đặc tả, kỹ thuật này rất
khó và yêu cầu ngƣời thực hiện có trình độ kinh nghiệm và kiến thức nhất
định
Do đó, về bản chất phân tích tĩnh chƣơng trình và kiểm thử chƣơng
trình bằng các bộ dữ liệu cụ thể là hai mặt bổ sung cho nhau. Phân tích tĩnh
chƣơng trình tập trung cho sự đúng đắn của thuật toán, cấu trúc chƣơng
trình trong khi kiểm thử phần mềm tập trung cho sự đúng đắn của ngôn ngữ
lập trình.
1.3 Kết luận chƣơng 1.
Trong chƣơng này, tôi đã giới thiệu các khái niệm liên quan đến công
nghệ phần mềm, quy trình phát triển phần mềm, kỹ thuật kiểm thử phần
mềm, phân tích tĩnh chƣơng trình. Chƣơng 2 sẽ tìm hiểu sâu hơn về giải
thích trừu tƣợng và phân tích tĩnh chƣơng trình bằng giải thích trừu tƣợng.

19

CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP GIẢI THÍCH TRỪU TƢỢNG

2.1. Khái niệm giải thích trừu tƣợng
Giải thích trừu tƣợng (Abstract interpretation): Là một kỹ thuật trong
phân tích tích chƣơng trình máy tính, kỹ thuật này diễn giải về ngữ nghĩa
của một chƣơng trình phần mềm máy tính, với những hàm đơn điệu trên các
tập hợp đã đƣợc xếp thứ tự.
Giải thích trừu tƣợng đƣợc hiểu là việc thực thi một phần một chƣơng
trình máy tính để lấy thông tin về nó: luồng điều khiển, luồng dữ liệu
+ Hình thức: cái tất cả những gì đã đƣợc chuẩn tắc hóa, đã đƣợc chứng
minh bằng toán học.
+ Phi hình thức: dựa kinh nghiệm, thử nghiệm, mà không thể chứng
minh đƣợc bằng toán học.
Ứng dụng của kỹ thuật giải thích trừu tƣợng: Phân tích trừu tƣợng đƣợc
ứng dụng trong chƣơng trình dịch và trong gỡ rối chƣơng trình.
2.2. Ứng dụng của giải thích trừu tƣợng.
Giải thích trừu tƣợng đƣợc ứng dụng rộng rãi và là một phần không thể
thiếu trong ngành khoa học máy tính. Giải thích trừu tƣợng đƣợc dùng để
chứng minh tính đầy đủ và tính đúng đắn của hệ thống. Một số ứng dụng
của giải thích trừu tƣợng nhƣ:
- Phân tích cú pháp của dòng lệnh: phân tích thuộc tính và cú pháp của
các dòng lệnh bằng việc giải thích trừu tƣợng các thuộc tính và cú pháp.
- Phân tích tĩnh chƣơng trình: đây là lĩnh vực đƣợc ứng dụng nhiều nhất
của giải thích trừu tƣợng. Phƣơng pháp này phân tích mã nguồn của
chƣơng trình bằng cách trừu tƣợng hóa các bƣớc thực hiện lệnh của
chƣơng trình đó. Từ đó chứng minh tính đúng đắn của chƣơng trình
- Ẩn thông tin: trong các ngôn ngữ dựa trên các phần mềm bảo mật, các
thông tin đƣợc ẩn đi để tránh sự theo dõi, phát hiện bằng cách sử dụng
việc trừu tƣợng hóa các thông tin của chƣơng trình đó.

20

- Ngoài ra giải thích trừu tƣợng còn nhiều ứng dụng quan trọng khác
trong các ngành công nghiệp nhƣ xe hơi, hàng không, vũ trụ
2.3. Một số khái niệm cơ bản.
2.3.1. Ngữ nghĩa
Ngữ nghĩa cụ thể của một chƣơng trình là một mô hình toán học mô
tả tất cả các hành vi của chƣơng trình thực hiện trong tất cả các môi
trƣờng phù hợp.

Hình 2.1 Sơ đồ hành vi của chƣơng trình.
2.3.2. Tính an toàn:
Tính an toàn của một chƣơng trình máy tính việc không xuất hiện lỗi
khi thực hiện các hành vi của chƣơng trình trong bất kỳ một môi trƣờng
nào. Các hành vi của chƣơng trình không vƣợt quá phạm vi của môi
trƣờng cho phép. Nhƣ trong hình 2.2.

Hình 2.2 Quỹ đạo an toàn.

21

Ngƣợc lại, một chƣơng trình sẽ xuất hiện lỗi nếu các hành vi của nó
vƣợt quá giới hạn cho phép của chƣơng trình, có nghĩa là giao của quỹ
đạo các hành vi và vùng cấm sẽ khác rỗng.

Hình 2.3 Quỹ đạo không an toàn.
2.3.3. Giải thích trừu tƣợng:
Chính là chứng minh tính an toàn của chƣơng trình dựa trên ngữ
nghĩa trừu tƣợng của nó. Phân tích tĩnh chƣơng trình bằng giải thích trừu
tƣợng tính toán ngữ nghĩa trừu tƣợng của chƣơng trình dựa trên mã của
chƣơng trình đã đƣợc trừu tƣợng hóa. Nếu ngữ nghĩa trừu tƣợng là an
toàn, không trong vùng cấm.

Hình 2.4 Quỹ đạo hành vi trừu tƣợng của chƣơng trình.

22



Hình 2.4 Phát hiện lỗi với giải thích trừu tƣợng.
2.3.4. Tiêu chuẩn trừu tƣợng hóa:
- Là một cơ sở cho việc thiết kế các phân tích tĩnh:
+ Trừu tƣợng hóa dữ liệu.
+ Trừu tƣợng hóa các toán tử cơ bản.
+ Trừu tƣợng hóa các điều khiển chƣơng trình nhƣ: cấu trúc
điều khiển, lặp,
- Các thông số phải phù hợp với vùng tính toán của ứng dụng.
2.3.5. Miền trừu tƣợng: (Abstract domains):
Miền trừu tƣợng là một đại số trừu tƣợng, đƣợc xây dựng nhƣ là một
thƣ viện cung cấp các mô tả về tính chất trừu tƣợng của chƣơng trình, các
toán tử thực hiện chƣơng trình và các lệnh của chƣơng trình. Có hai loại
miền trừu tƣợng hữu hạn và vô hạn. Miền trừu tƣợng hữu hạn đƣợc sử

23

dụng nhƣ là một thƣ viện đầy đủ cung cấp các mô tả về tính chất trừu
tƣợng của một ngôn ngữ. Miền trừu tƣợng vô hạn về cơ bản giống nhƣ
miền trừu tƣợng hữu hạn, nó khác miền trừu tƣợng hữu hạn ở chỗ nó có
thể cung cấp các mô tả về tính chất trừu tƣợng của các đối tƣợng vô hạn.
Có các loại miền trừu tƣợng nhƣ sau:
- Intervals (nonrelational):
x [a, b], y [a', b'],

- Polyhedra (relational):
x + y - 2z 10,
- Difference-bound matrices (weakly relational):
y - x 5, z - y 10,
2.3.6. Vết thực thi
- Ngữ nghĩa hoạt động các bƣớc của chƣơng trình là một hệ
thống các chuyển đổi trạng thái bao gồm:
〚P〛, 〚P〛, Entry〚P〛, Exit〚P〛
Trong đó:
+ 〚P〛 tập các trạng thái của chƣơng trình.
+ 〚P〛 ( 〚P〛x 〚P〛) mối quan hệ chuyển tiếp
giữa một trạng thái và trạng thái tiếp theo của nó.
+ Entry〚P〛 ( 〚P〛) tập trạng thái ban đầu.
+ Exit〚P〛 ( 〚P〛) tập trạng thái kết thúc.
- Xem xét các dấu vết thực thi: là việc quan tâm đến hàng loạt
các trạng thái của chƣơng trình, tƣơng ứng với các xử lý của
chƣơng trình thông qua quá trình chuyển đổi rời rạc.

24


Hình 2.5 Các bƣớc chuyển trạng thái của chƣơng trình.
- Tập các vết chuyển đổi trạng thái của chƣơng trình nhƣ vậy
đƣợc gọi là vết thực thi.


Hình 2.6 Vết thực thi của chƣơng trình
- Truy cập vết tiến: Cho một hệ thống chuyển đổi , và trạng
thái ban đầu I ( ) các vết phía trƣớc là một tập con của
trạng thái ban đầu

post[ *] I = {
n-1
| n > 0:
n

0


I
i [0, n-2] : (
i
,
i+1
)}
Trong đó: post[ *]X ≜ {y | x X : (x,y)}