基于SMT求解器的BPEL过程数据流错误检测

2017年12月计算机工程与设计 Dec.2017第 38 卷第 12 期 COMPUTERENGINEERINGANDDESIGN Vol.38 No.12基于SMT求解器的BPEL过程数据流错误检测张成震，宋巍，唐成宇，陈芳菲(南京理工大学计算机科学与工程学院，江苏南京210094)摘要：针对现有检测数据流反模式错误方法常采用枚举策略，存在路径爆炸和异常误报等问题，提出一种基于可满足性 模理论（S M T)约束求解器的符号编码去检测所有可行路径中的数据流反模式错误的方法。

进行符号编码，包括最常见的 3种数据流反模式，根据S M T约束求解器进行数据流反模式错误的识别检测。

使用工业界中真实的B P E L过程作为数据集 进行实验，实验结果表明，所提方法能够高效无误地检测出B P E L过程中的数据流异常错误。

关键词$B P E L过程；数据流；反模式；符号编码；S M T求解器中图法分类号！T P31C.5 文献标识号：A文章编号$1000-7024 (2017) 12-3311-05doi： 10. 16208/.. is s n l000-7024. 2017. 12. 021Detecting data flow errors in BPEL processes based on SM T solvers ZHANG Cheng-zhen，SONG Wei&TANG Cheng-yu，CHEN Fang-fei (S c h o o l o f C o m p u te r S cience and E n g in e e rin g,N a n jin g U n iv e r s ity o f S cience and T e c h n o lo g y&N a n jin g210094 ,C h in a) Abstract：E x is tin g m e th o d s c o m m o n ly a d o p t e n u m e ra tio n s tra te g y to d e te c t d a ta flo w a n ti-p a tte rn e rro rs&w h ic h m a y c o n ta in th e p a th e x p lo s io n and bo gus e rro rs.F o r th is>a s y m b o lic e n co d in g a p p ro a ch based o n s a tis fia b ility m o d u lo th e o ry(S M T) c o n s tra in t s o lv e r w as p re se n te d to d e te c t da ta flo w e rro rs in a ll fe a sib le tra ce s.A s y m b o lic e n coding w as co m m o n da ta flo w a n ti-p a tte rn s&and th e y w e re d e tected u s in g th e S M T c o n s tra in t s o lv e r.T h e e x p e rim e n t w as con d u cte d in th e re a l-w o r ld B P E L processes fro m in d u s try.T h e re s u lts in d ic a te th a t th e p ropose d m e th o d can d e te ct th e d a ta flo w e rro rs in B P E L processes e ffe c tiv e ly and e ffic ie n tly.Key word s：B P E L processes；da ta f lo w；a n ti-p a tte rn s；s y m b o lic e n c o d in g；S M T so lve r/引言随着服务计算和云计算的快速发展，不同种类的资源 被封装成可调用的(W e b)服务。

业务过程执行语言（简称 B P E L)已经成为描述W e b服务事实上的业界标准，但 B P E L过程质量依然低于我们的预期，常造成些重复出现 的不良问题模式，我们称之为反模式。

反模式主要包括两 大类：第一类是控制流反模式，由于B P E L语言是根据X M L格式编排，此外B P E L过程是一种块结构，从而使得 控制流反模式不易发生在流程中；第二类是数据流反模式，数据流反模式在B P E L过程中较易发生，主要因为B P E L 不仅支持并发执行，并发的不同分支能够通过条件I n k进 行同步，而且在B P E L过程中一些变量常来自动态的、多 变的外部服务。

因此，本文重点研究B P E L过程中常见的3种数据流反模式错误的检测，包括输人缺失（in p u t m s s in g)、输出冗余（o u tp u t re d u n d a n c y)和输出丢失（o u tp u t lo s t)。

现有检测数据流反模式的方法主要分为两种：第一种 需要枚举B P E L过程的所有路径（tra c e)1，尽管这种方法 不会遗漏任何真实的数据流反模式错误，但可能会造成路 径爆炸和异常误报等问题；另一种方法采用动态分析法去 识别数据流反模式错误2，尽管它不会产生异常误报，但 是所得结果不完备，即可能遗漏部分隐藏较深的错误。

为克服现有方法的不足，本文提出了使用符号编码3的方法识别B P E L过程中的数据流反模式错误，其主要步 骤如下：首先，解析B P E L过程的源文件，得到其控制流 图（B C F G);然后，将B C F G分解，得到其子控制流图(S ub-B C F G)[4];接着，编码得到检测3种数据流反模式的收稿日期：2016-10-09#修订日期：2017-09-25基金项目：国家自然科学基金项目（61202003、61572171)作者简介：张成震（1991-)，男，安徽合肥人，硕士研究生，研究方向为软件工程方法；宋巍（1981-)，男，山东日照人，博士，副教授，硕士生导师，C C F会员，研究方向为软件工程；唐成宇（1991-)，男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向为服务计算；陈芳菲（1992 -），女，江苏无锡人，硕士研究生，研究方向为过程挖掘。

E-m a il:zhangcgzhe@126.c o m•3312 •计算机工程与设计2017 年公式；最后，运行Yices求解器>公式（输入格式为SMT- LIB2)得到数据流错误的结果。

本文采用工业中的BPEL 过程作为数据集评估我们的方法，实验结果表明该方法的 有效性和高效率。

因此，本文的贡献在于以下3点：$)给出使用符号编码检测BPEL过程3种数据流反 模式错误的方法。

当存在该3种错误时，能够返回具体的 执行路径重现错误；$)采用SM T求解器，能够确保不会产生异常误报问 题。

此外，SM T求解器内在的优化机制进一步提高了效率，有效保持了并发程序中的高效率；$)使用工业中的BPEL过程作为数据集进行实验评 估，验证该方法的有效性和高效率。

1相关工作本节我们简要回顾业务过程中反模式的定义与错误检 测，以及符号编码在其它方面的应用。

业务过程中最普遍的两种结构化错误：死锁（dead­locks)和缺乏同步 (lack of synchronization)，作者米用图理 论技术和基于P e tri网的方法识别这两种结构化冲突错误=。

K hrbouche等检测死活动和活锁等错误是面向模型 检查的自动化验证业务过程模型7。

此外，R oy等研究在 不同应用领域中实际工业业务流程的控制流错误，其实证 研究表明控制流错误很难产生&。

Palma等整理总结BPEL 过程中7种反模式，采用制定规范并将BPEL过程先抽象 再简化去识别得到反模式错误[1]。

T c k a等在文献[7]中整理了9种数据流反模式，并采用了时序逻辑去检测错误。

在BPEL过程中可能存在不理想的顺序结构，即原本可以 采用并发执行的过程活动却被设计成为一个顺序结构)]。

同时，语言层次的反模式被认为一种全新的软件类反模式 首次被提出）0]。

Said等基于SM T求解器给出产生数据竞争的实际执行 路径）1]，文中使用的符号分析根据预测性模型精确编码顺 序一致性语义，确保报告的路径是可行的。

Wang等在文献 )]基于SM T求解器对并发程序进行符号化预测分析，根 据一条执行路径和源码得到并发路径程序（concurrent trace program)，以此作为预测模型。

W ang等)]根据SM T求解 器对源于服务的工作流应用生成测试用例，它能够保证生 成的测试用例是可行的且真实存在的。

尽管上述工作定义了数据流反模式，且给出了基于SM T求解器符号编码在其它方面的应用，但并没有给出有 效的方法去检测BPEL过程中的数据流反模式错误，且给 出的方法会存在路径爆炸和异常误报等问题。

本文方法能 有效解决。

2预备知识本节我们简要介绍BPEL基础和数据流反模式的定义。

2. 1BPEL 基础B P E L即业务过程执行语言，是为满足基于服务的业 务过程需要而发展的，是描述W e b服务组合的主要方法之 一)2]。

它不仅能表达顺序结构（如<sequence>)、分支结 构(如<s w itc h>)和循环结构(如<w h ile>)，还能表示并 发结构(如<f l〇w>)。

B P E L活动分成基本活动和结构化活 动两类，其中基本活动包括〈in v o k e〉、〈re c e iv e〉、<a ssig n>和<r e p ly>等，结构化活动包括<i f>、〈s w itc h >、<w h ile>、<p ic k>、<flo w>等。

不同的活动用于实现不同的功能，其可能包含输入变 量集或输出变量集。

如<in v o k e>S动包含W e b服务的同 步和异步两种操作，当其表达同步操作时只有输入变量值，而表达异步操作时同时具有输入变量值和返回的输出变量 值；<re ce ive>活动接收消息并含有输出变量；<i f>活动 含有输入变量的条件表达式。