Questa tesi introduce un generico e parametrizzato framework per analisi statica dei programmi Java bytecode, basato sulla generazione e soluzione dei vincoli. All'interno del framework è possibile gestire sia i flussi di eccezione all'interno di programmi analizzati, sia i side-effect indotti dalle esecuzioni dei metodi che possono modificare la memoria. Questo framework è generico nel senso che diverse istanziazioni dei suoi parametri risultano in diverse analisi statiche capaci di catturare varie proprietà relative alla memoria delle variabili del programma ad ogni punto del programma. Le analisi statiche definite dal framework sono basate su interpretazione astratta, e quindi le proprietà d'interesse sono rappresentate da dei domini astratti. Il framework può essere usato per la definizione sia delle analisi statiche che producono le approssimazioni del tipo "possible" oppure "may", che quelle del tipo "definite" oppure "must". Nel primo caso, il risultato di tali analisi è una sovra-approssimazione di quello che potrebbe essere vero ad un certo punto del programma, mentre nel secondo caso il risultato rappresenta una sotto-approssimazione della situazione reale. Questa tesi fornisce un insieme di condizioni che diverse istanziazioni dei parametri del framework devono soddisfare affinché le analisi statiche definite all'interno del framework siano "sound" (corrette). Quando i parametri istanziati soddisfano tali condizioni, il framework garantisce la correttezza dell'analisi corrispondente all'istanziazione in questione. Il vantaggio di questo approccio è che il designer di una nuova analisi statica deve soltanto mostrare che i parametri da lui istanziati soddisfano i criteri specificati dal framework.In questo modo la dimostrazione di correttezza dell'analisi completa è semplificata. Questa è una caratteristica molto importante del presente lavoro. La tesi introduce due nuove analisi statiche relatve alle proprietà della memoria: la Possible Reachability Analysis Between Program Variables e la Definite Expression Aliasing Analysis. La prima rappresenta un esempio delle analisi "possible" e determina, per ogni punto p del programma, quali sono le coppie ordinate delle variabili <v, w> disponibili a tale punto, tali che v potrebbe raggiungere w al punto p, ovvero, che a partire dalla variabile v è possibile seguire un insieme di locazioni di memoria che portano all'oggetto legato alla variabile w. La seconda analisi è un esempio delle analisi "definite" e determina, per ogni punto p del programma ed ogni variabile v disponibile a tale punto, un insieme di espressioni il cui valore è sempre uguale al valore che la variabile v può avere al punto p, per ogni possibile esecuzione. Entrambe le analisi sono state formalizzate e dimostrate corrette grazie ai risultati teorici del framework introdotto in questa tesi. In più, entrambe le analisi sono state implementate all'interno dell'analizzatore statico per Java e Android chiamato Julia (www.juliasoft.com). Gli esperimenti eseguiti sui programmi reali mostrano che la precisione dei principali tool di Julia (nullness e termination tool) è migliorata rispetto alle versioni precedenti di Julia nelle quali le nuove analisi non erano presenti.

The present thesis introduces a generic parameterized framework for static analysis of Java bytecode programs, based on constraint generation and solving. This framework is able to deal with the exceptional flows inside the program and the side-effects induced by calls to non-pure methods. It is generic in the sense that different instantiations of its parameters give rise to different static analyses which might capture complex memory-related properties at each program point. Different properties of interest are represented as abstract domains, and therefore the static analyses defined inside the framework are abstract interpretation-based. The framework can be used to generate possible or may approximations of the property of interest, as well as definite or must approximations of that property. In the former case, the result of the static analysis is an over-approximation of what might be true at a given program point; in the latter, it is an under-approximation. This thesis provides a set of conditions that different instantiations of framework's parameters must satisfy in order to have a sound static analysis. When these conditions are satisfied by a parameter's instantiation, the framework guarantees that the corresponding static analysis is sound. It means that the designer of a novel static analysis should only show that the parameters he or she instantiated actually satisfy the conditions provided by the framework. This way the framework simplifies the proofs of soundness of the static analysis: instead of showing that the overall analysis is sound, it is enough to show that the provided instantiation describing the actual static analyses satisfies the conditions mentioned above. This a very important feature of the present approach. Then the thesis introduces two novel static analyses dealing with memory-related properties: the Possible Reachability Analysis Between Program Variables and the Definite Expression Aliasing Analysis. The former analysis is an example of a possible analysis which determines, for each program point p, which are the ordered pairs of variables <v, w> available at p, such that v might reach w at p, i.e., such that starting from v it is possible to follow a path of memory locations that leads to the object bound to w. The latter analysis is an example of a definite analysis, and it determines, for each program point p and each variable v available at that point, a set of expressions which are always aliased to v at p. Both analyses have been formalized and proved sound by using the theoretical results of the framework. These analyses have been also implemented inside the Julia tool (www.juliasoft.com), which is a static analyzer for Java and Android. Experimental evaluation of these analyses on real-life benchmarks shows how the precision of Julia's principal checkers (nullness and termination checkers) increased compared to the previous version of Julia where these two analyses were not implemented. Moreover, this experimental evaluation showed that the presence of the reachability analysis actually decreased the total run-time of Julia. On the other hand, the aliasing analysis takes more time, but the number of possible warnings produced by the principal checkers drastically decreased.

A General Framework for Constraint-Based Static Analyses of Java Bytecode Programs

NIKOLIC, Durica
2013

Abstract

Questa tesi introduce un generico e parametrizzato framework per analisi statica dei programmi Java bytecode, basato sulla generazione e soluzione dei vincoli. All'interno del framework è possibile gestire sia i flussi di eccezione all'interno di programmi analizzati, sia i side-effect indotti dalle esecuzioni dei metodi che possono modificare la memoria. Questo framework è generico nel senso che diverse istanziazioni dei suoi parametri risultano in diverse analisi statiche capaci di catturare varie proprietà relative alla memoria delle variabili del programma ad ogni punto del programma. Le analisi statiche definite dal framework sono basate su interpretazione astratta, e quindi le proprietà d'interesse sono rappresentate da dei domini astratti. Il framework può essere usato per la definizione sia delle analisi statiche che producono le approssimazioni del tipo "possible" oppure "may", che quelle del tipo "definite" oppure "must". Nel primo caso, il risultato di tali analisi è una sovra-approssimazione di quello che potrebbe essere vero ad un certo punto del programma, mentre nel secondo caso il risultato rappresenta una sotto-approssimazione della situazione reale. Questa tesi fornisce un insieme di condizioni che diverse istanziazioni dei parametri del framework devono soddisfare affinché le analisi statiche definite all'interno del framework siano "sound" (corrette). Quando i parametri istanziati soddisfano tali condizioni, il framework garantisce la correttezza dell'analisi corrispondente all'istanziazione in questione. Il vantaggio di questo approccio è che il designer di una nuova analisi statica deve soltanto mostrare che i parametri da lui istanziati soddisfano i criteri specificati dal framework.In questo modo la dimostrazione di correttezza dell'analisi completa è semplificata. Questa è una caratteristica molto importante del presente lavoro. La tesi introduce due nuove analisi statiche relatve alle proprietà della memoria: la Possible Reachability Analysis Between Program Variables e la Definite Expression Aliasing Analysis. La prima rappresenta un esempio delle analisi "possible" e determina, per ogni punto p del programma, quali sono le coppie ordinate delle variabili disponibili a tale punto, tali che v potrebbe raggiungere w al punto p, ovvero, che a partire dalla variabile v è possibile seguire un insieme di locazioni di memoria che portano all'oggetto legato alla variabile w. La seconda analisi è un esempio delle analisi "definite" e determina, per ogni punto p del programma ed ogni variabile v disponibile a tale punto, un insieme di espressioni il cui valore è sempre uguale al valore che la variabile v può avere al punto p, per ogni possibile esecuzione. Entrambe le analisi sono state formalizzate e dimostrate corrette grazie ai risultati teorici del framework introdotto in questa tesi. In più, entrambe le analisi sono state implementate all'interno dell'analizzatore statico per Java e Android chiamato Julia (www.juliasoft.com). Gli esperimenti eseguiti sui programmi reali mostrano che la precisione dei principali tool di Julia (nullness e termination tool) è migliorata rispetto alle versioni precedenti di Julia nelle quali le nuove analisi non erano presenti.
Static Analysis; Abstract Interpretation; Java Bytecode; Pointer Analysis; Reachability Analysis; Aliasing Analysis; Constraint-based Analysis
The present thesis introduces a generic parameterized framework for static analysis of Java bytecode programs, based on constraint generation and solving. This framework is able to deal with the exceptional flows inside the program and the side-effects induced by calls to non-pure methods. It is generic in the sense that different instantiations of its parameters give rise to different static analyses which might capture complex memory-related properties at each program point. Different properties of interest are represented as abstract domains, and therefore the static analyses defined inside the framework are abstract interpretation-based. The framework can be used to generate possible or may approximations of the property of interest, as well as definite or must approximations of that property. In the former case, the result of the static analysis is an over-approximation of what might be true at a given program point; in the latter, it is an under-approximation. This thesis provides a set of conditions that different instantiations of framework's parameters must satisfy in order to have a sound static analysis. When these conditions are satisfied by a parameter's instantiation, the framework guarantees that the corresponding static analysis is sound. It means that the designer of a novel static analysis should only show that the parameters he or she instantiated actually satisfy the conditions provided by the framework. This way the framework simplifies the proofs of soundness of the static analysis: instead of showing that the overall analysis is sound, it is enough to show that the provided instantiation describing the actual static analyses satisfies the conditions mentioned above. This a very important feature of the present approach. Then the thesis introduces two novel static analyses dealing with memory-related properties: the Possible Reachability Analysis Between Program Variables and the Definite Expression Aliasing Analysis. The former analysis is an example of a possible analysis which determines, for each program point p, which are the ordered pairs of variables available at p, such that v might reach w at p, i.e., such that starting from v it is possible to follow a path of memory locations that leads to the object bound to w. The latter analysis is an example of a definite analysis, and it determines, for each program point p and each variable v available at that point, a set of expressions which are always aliased to v at p. Both analyses have been formalized and proved sound by using the theoretical results of the framework. These analyses have been also implemented inside the Julia tool (www.juliasoft.com), which is a static analyzer for Java and Android. Experimental evaluation of these analyses on real-life benchmarks shows how the precision of Julia's principal checkers (nullness and termination checkers) increased compared to the previous version of Julia where these two analyses were not implemented. Moreover, this experimental evaluation showed that the presence of the reachability analysis actually decreased the total run-time of Julia. On the other hand, the aliasing analysis takes more time, but the number of possible warnings produced by the principal checkers drastically decreased.
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Tipologia: Tesi di dottorato
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