体系结构扩展支持软件可靠性综述

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1、体系结构扩展支持软件可靠性综述摘要：随着软件工程的兴起，软件可靠性研究也慢慢形成了一个系统的发展方向，而其中软件bug是引起软件不稳定的最主要原因。而由于软件系统的复杂性越来越高，软件bug非常难检测且难于去除。软件bug包括内存相关的错误，并发错误等，而内存相关的错误是出现最多，且与系统安全紧密相关的，主要是由于对内存对象和数据处理不当而引起的软件异常等。传统的软件调试技术正凸现出许多的不足，例如利用交互式调试器（gdb等）非常的耗时，且需要非常大的人力和程序员的经验，更为重要的一点是，它很难重现一个软件错误。传统的软件调试技术有三个局限性：效率低，精确度低，错误覆盖率小。

2、因此传统的调试技术遇到了瓶颈，无法有效的应付日益复杂的软件系统，必须进一步对软件可靠性进行研究，提出新的解决方法。这两年，研究人员开始改进各种各样的体系结构来支持软件可靠性，并取得了很好的成果。关键字：软件bug，软件可靠性，软件调试1.引言随着摩根定律的应用，微处理器的速度连续的显著增加，给计算机和互联网带来了新一轮的革命，这时候计算机性能不再是唯一的关注焦点，软件可靠性，硬件可靠性和低功耗的嵌入式芯片技术等变得越来越重要。随着软件工程的兴起，软件健壮性研究也慢慢形成了一个系统的发展方向，而其中软件bug是引起软件不稳定的最主要原因。而由于软件系统的复杂性越来越高，软件bu

3、g非常难检测且难于去除。虽然软件开发技术不断在发展，但每年造成计算机系统崩溃的原因中，软件bug的比例在不断增加，已经接近40％，而且给各个国家带来了巨大的经济损失，据美国商务部国家标准和科技机构（NIST）的研究，软件错误和瑕疵每年造成美国约595亿美元的经济损失[1]。软件bug包括内存相关的错误，并发错误等，而内存相关的错误是出现最多，且与系统安全紧密相关的，主要是由于对内存对象和数据处理不当而引起的软件异常等。黑客经常利用内存错误来攻击别人的电脑，执行恶意代码窃取机密信息等。从我国2005年国家安全报告来看，超过50％的系统攻击都是由于内存错误造成的。所以，检查内存相

4、关的错误对查出系统攻击就非常的重要，尤其是用不安全语言如C/C++完成的软件程序，检查内存错误必须作为一项重要工作来完成。然而，传统的软件调试技术正凸现出许多的不足。例如利用交互式调试器（gdb等）非常的耗时，且需要非常大的人力和程序员的经验，更为重要的一点是，它很难重现一个软件错误，因为错误常常会在执行数小时或者数天后发生，或者需要某一个特殊的用户输入组合才会发生，或者与时间相关的事件导致错误发生，在这些情况下，交互式调试器会显得无能为力。而利用动态监控技术来调试程序的那些工具，如Purify，Valgrind，IntelThreadChecker，DIDUCE，Erase

5、r，CCured等，他们都主要基于程序实际执行路径，变量精确值和别名信息来监控程序，对常见的内存错误能起到很好的监控。但是，他们却有三个局限性：效率低，精确度低，错误覆盖率小。此时，传统的调试技术遇到了瓶颈，无法有效的应付日益复杂的软件系统，因此，必须进一步对软件可靠性进行研究，提出新的解决方法。这两年，研究人员开始改进各种各样的体系结构来支持软件可靠性，并取得了很好的成果，IBM通过BEAM（BugsErrorsAndMistakes）项目，采用数据流分析方法检测软件bug；同时，美国UCBerkeley、Stanford、UIUC、Arizona、英国Cambridge等

6、大学也分别从不同角度开展了软件错误检测与排错、软件调试技术等方面的深入研究。但这仅仅是一个开始，远远没有提供一个完整的解决方案。1.1软件错误(bug)的分类软件错误主要可分为内存相关的错误与语义相关错误。从前面的介绍可以知道，对于C/C++完成的软件程序，内存错误是最常见的错误，因此，要检查内存错误，并对症下药，首先需要非常熟悉各种错误，而内存相关的错误可以分为主要的六种[2]：l缓冲区溢出：访问超出了缓冲区的边界。l堆栈溢出：对函数返回地址的不合法修改。l内存泄漏：动态分配的内存对象失去引用，变成了悬挂对象，所以无法释放。l未初始化的读操作：在内存对象初始化之前就读取数据

7、，无法预料的结果。l双重释放：一个内存对象被释放两次。l与程序语义相关的错误：这类错误主要是与设计者本意不一致的内存错误，比如错误的指针赋值，这一类错误不能通过编译器查出，通常由于设计者设计上的缺陷或者编码的失误造成的。语义相关错误主要有以下四种：l资源竞争：多个进程同时访问未加保护的资源，引起的资源内部状态不一致的问题。l分支判断错误：程序存在未预期到的执行分支。l边界设置偏差：程序对于边界条件的处理错误。l原子性破坏：某个进程的原子性操作被另外一个进程所打断，并造成冲突。1.传统的软件调试技术现在流