一种面向动态链状数据结构的指针定值引用链算法

小型微型计算机系统Journal o f Chi nese Co m puter Sy stem s2011年7月第7期V o l 132N o .72011收稿日期:2010-04-12 基金项目:国家自然科学基金项目(90718026,60928004)资助. 作者简介:付小朋,男,1983年生,硕士研究生,研究方向为程序分析技术;张 昱,女,1972年生,博士,副教授,CCF 会员,研究方向为程序设计语言理论与实现技术,特别是并行语言设计、编译,并行程序分析和验证等.一种面向动态链状数据结构的指针定值引用链算法付小朋1,2,张 昱1,2,张 伟1,2,汪 晨1,21(中国科学技术大学计算机科学与技术学院,合肥230027)2(中国科学技术大学苏州研究院软件安全实验室,江苏苏州215123)E-m ai:l yuzh ang @ustc .edu .cn摘 要:采用流敏感的方法分析计算过程内操作动态链状数据结构的指针定值引用链.目的是连接对链状数据结构进行定值的语句和引用这些链状数据结构的语句,具体地,每条对链状数据结构进行定值的语句,算法将找出所有引用被该语句定值的链状数据结构的语句的集合.该算法将被整合到我们设计和开发的并行语言m i ni-SPC 中,指导对操作动态链状数据结构的并行程序的正确分析和程序变换.实验表明基于本文的算法能保证操作动态链状数据结构的指针定值引用链的分析精度,提高分析的效率.关键词:定值引用链;到达定值;别名分析;程序分析;动态链状数据结构中图分类号:T P311 文献标识码:A 文章编号:1000-1220(2011)07-1412-06St udy on Definition -use Chai n s A lgorith m in Dyna m ic Pointer -linked Data StructuresFU X iao-peng 1,2,ZHANG Y u 1,2,ZHANG W e i 1,2,W AN G C hen 1,21(Schoo l of C o m pu ter Science &Techn ology,Un i versity o f Science &Techno l ogy o fC h i na,Hefei 230027,Ch i na )2(Soft w a re Secur i ty Lab,Suzhou Institute f o r Ad vanced S t udy,Un iversity of Sci en ce &Technology of Ch ina,Suzhou 215123,C hina )Abstrac t :T his paper presen ts a f l ow -sen sitive a l g or ith m t o com pute i ntrapro cedura l definiti o n-use cha i ns i n dyna m i c po i nter -li nked data struc tures .T he ai m is t o re l a te the sta t em ents t ha t con struc t li nk s o f li nked data struc t ures(.i e .de fi n iti on s)to st a te m ents t ha tm i ght traverse t he struc t ures t hough t he li nks(.i e .uses).Spec ificall y,fo r each sta t em ent S tha t def i nes li nks o f linked da ta structures ,t he a l g or it hm fi nds the se t o f sta t em ents t hat trave rse t he li nk sw h i ch are def i ned by S .O ur m e t hod w ill be i nco rpo ra ted in -to t he pa ra lle l languag e m i ni-SPC designed and dev e l oped by us .It is used to be i n cha rg e o f accurate l y ana l y zing and transfo r m i ng t he para ll e l prog ra m i n dyna m i c po i nter-linked da t a struc tures .Experi m en t a l results illustrate that the propo sed a lgo rith m fo r com pu -ti ng de fi n iti on-use cha i n s co ul d m a i nta i n t he qua lity o f de fi n iti on-use cha i ns fo r dyna m i ca lly a ll o ca ted l o cati o n and i m prov e the a -naly sis c s perfo r m ance effic i entl y.K ey word s :defi n iti on -use cha i n s ;reach i ng -def i nition ;a lias analy sis ;pro gra m ana l y sis ;dyna m i c li nked data struc t ures1 引 言一个变量的定值引用链是连接该变量的定值语句到所有可能流经到的对该定值的引用语句.定值引用链被广泛地应用于优化和并行编译器[1],甚至于软件工程工具中[2].确定含有动态链状数据结构(如链表,二叉链表示的树等)的指针程序中的定值引用链,要比没有动态内存分配的程序复杂得多.这主要因为前者允许通过指针间接访问内存单元以及动态构造链状数据结构,导致程序中存在复杂的别名问题.例如,假设q 指向单链表的节点,p=q 导致p y nex t 和q y nex t 因代表同一个内存单元而互为左值别名,p 和q 因指向同一个内存单元而互为右值别名.由于别名的存在,导致在计算面向动态链状数据结构的指针定值引用链时,往往需要在数据流分析的过程中借助别名分析得到的别名集合(a li a s se ts)或内存形状图SS G s (st o re shape g raphs).在过去的20年里,别名分析问题已经成为程序分析技术研究的重点和难点之一.现有的别名分析研究成果主要是在精度和时空效率之间做取舍.精确的别名分析,可以移除不再有效的到达定值,提高定值引用链的精度,这样这些定值就不会被错误地传播到任何随后的引用.本文设计一种新的面向动态链状数据结构的指针定值引用算法,别名信息的获取是通过正向的数据流分析途径,沿程序执行的所有路径,在每个程序点收集所有能到达这个程序点的定值来识别的,本质上是一个流敏感的别名分析.所谓流敏感就是分析中考虑程序中语句的执行顺序.它的主要特点是:在某个程序点,它并不计算出所有的可能别名集合,而仅仅是识别那些需要知道别名信息的指针变量的可能别名;并且到达定值分析和别名信息的获取是在一个分析遍中完成,而不是先独立的进行别名分析,然后利用别名分析结果再进行到达定值分析.这种方法的优点是:1)避免建立别名集合或内存形状图来概括所有可能的指针型域访问表达式的别名.2)避免利用到达定值和别名分析的别名信息而产生虚假的定值引用链.3)不会产生多级的访问路径表达式,避免多级域访问路径表达式的相等比较.本文利用正向分析的数据流迭代算法,计算过程内的指针到达定值信息;在到达定值信息基础上,推导得到程序的引用定值链和定值引用链.该方法将被整合到我们设计和开发的并行语言m i n-i SPC [3]中,指导对操作动态链状数据结构的并行程序的正确分析和程序转换.2 问题描述2.1 定值引用描述在没有脱引用和取地址操作的程序中,一般指针变量的定值引用链算法和传统的方法[9]相同,本文的算法主要关注指针型域访问表达式的定值引用链.在含有动态链状数据结构的指针程序中,定值引用链可以扩展为:针对每条对链状数据结构的域访问表达式进行定值的语句s ,沿所有可能的程序执行路径,计算引用被语句s 定值的内存位置的所有语句的集合.具体地,如图1(a)所示的程序,假设s i 是对p y f 的定值,s j 中包含对q y f 的引用,s i 是对q y f 的定值,当且仅当:(1)至少有一条程序执行路径从s i 到s j ,这样p y f 的定值能到达s j .(2)p 和q指向同一个内存单元(a) (b)图1 定值引用关系F i g .1 D ef -use asso ciation如图1(b)所示的程序,由于p 和q 右值别名,p y n 和q y n 代表相同的内存单元,这样语句s 2和s 3都是对同一内存单元的赋值,这样可以知道s 4中对p y n 的引用的定值在s 3,而不在s 2.因此在计算定值引用链的时候,需要知道指针变量的右值别名信息,以便确定两个域访问表达式是否代表相同的位置,即是否为左值别名.2.2 语 言为了形式化算法,我们使用了一个简单的语言,如图2所示.语言是强调指针类型的类C 小语言,所有的数据类型type 都是结构体类型,所有声明的变量都是结构体指针变量.语言中有动态的内存分配m a ll o c 和释放free 操作,但是禁止取地址&操作、强制类型转换和指针算术运算.程序中可能的值为指向内存位置的指针或空指针.假设m a ll o c 的每次调用都能成功分配并且所分配空间和尚未释放空间不相交,而free 操作每次释放指针指向的内存单元后将该指针置为空.在动态分配产生的结构体中,每个域保存一个内存位置.多级的域访问表达式,如x y f y f,通过引入临时变量而被规图2 语言的语法F i g.2 T he syntax o f l anguag e范化(no r m a lize)为一级的域访问表达式,如t=x y f,t y f.虽然等式e 1y f =e 2y f 是有效的,但为了简化,表示为t=e 2y f 和e 1y f =,t 即只允许等式的一边出现域访问表达式.从而,在分析程序时只需考虑如下三种指针赋值语句:(1)p=q (别名语句)(2)p=q y f (引用语句)(3)p y f =q (定值语句)前两种语句将引起右值别名,而不会改变链状数据结构中节点之间的连接;而最后一种语句会导致从链状数据结构中移除一个连接(或null),并引入一个新的连接,即指针型域的新的定值.为了抽象具体的内存位置,用H 来表示在程序执行的过程中,变量对应的具体内存,包含变量的栈位置、以及程序执行中产生的所有堆位置.具体的内存抽象是一个二元组Q =(Q v ,Q f ):Q v :V y HQ f :(H @F )y H这样Q v将变量映射到它们的栈位置,range (Q v )表示是栈上的内存位置.假如一个位置h I H 是动态分配的结构体存储位置,则Q f (h,f )表示该结构体的f 域,为了简化起见,表示成h +f .可以知道Q f 的定义域和值域的所有存储位置都是动态分配的.在H 中,对每个内存位置,引入下面几个辅助函数来获得它的属性:函数H entry :H y H,如果某内存位置是由结构体指针变量(如指针p)指向的,则返回结构体指针变量对应的内存位置(Q v (p));由域访问表达式(如p y next)指向的,则返回域访问表达式中结构体指针变量对应的内存位置(Q v (p)).函数H ha sField :H y {true ,false},用来判断某内存位置是否由结构体域访问表达式指向.如果是,则返回true ;否则返回fa lse .函数H field :H y F G {null},如果内存位置是由结构体域访问表达式指向的,则返回其域名,否则返回nul.l3 定值引用算法本节介绍所设计的过程内定值引用链的算法,它首先利14137期付小朋等:一种面向动态链状数据结构的指针定值引用链算法用迭代的数据流分析算法得到到达定值信息;然后利用到达定值分析的结果,得到每条语句的引用定值链;最后根据引用定值链,推导得到定值引用链.3.1 到达定值分析3.1.1 定值抽象每条赋值语句被抽象为一个定值实体,每个定值实体d I D A H @H @L 是一个三元组,用来表示程序中的一个定值点,如3h 1,h 2,l 4,h 1、h 2分别是赋值语句赋值号左、右两边表达式对应的内存抽象,l 是此语句的标号.这样到达定值分析计算的是,在每个程序点,沿所有的程序的执行路径能到达这个程序点的所有可能(m ay)的定值点的集合.在定值抽象D 上定义了一个格,格的底元是X ,表示没有任何定值点;顶元是P ,表示程序的所有定值点都可行.对于任意的d 1,d 2I D ,格的并运算 定义为:d 1 d 2=d 1G d 23.1.2 数据流等式和转换方程数据流方程如图3所示,其中符号"_"表示不关心具体的内存位置或标号,可以为任意的值.p,q 分别表示指针变量p 和q 对应的内存位置,相应地用缩写形式qf 表示域访问表达式q y f 对应的内存位置,下面内容中此形式表示相同的含R kill 和R g en 方程R kill ([p=q]l )={3p,_,_4}R kill ([p =q y f]l)={3p,_,_4}R kill ([p y f=q ]l )={3h +f,_,_4|h I R a lia s (R in (l),p )}R kill ([p=m alloc(t ype)]l)={3p,_,_4}R kill ([free(p)]l)=ÁR kill ([b]l )=ÁR g en ([p =q]l )={3p,h,l 4|h I R a lia s (R in (l),q )}R g en ([p =q y f]l )={3p,h,l 4|h I R alia s (R in (l),q f)}R g en ([p y f=q]l )={3h +f ,h 1,l 4|h 1I R a lia s (R in (l ),q ),h I R a lia s(R in (l),p )}R g en ([p =m all oc(typ e)]l )={3p,nu ll ,l 4}R g en ([free(p )]l )=ÁR g en ([b ]l )=Á数据流方程R i n (l)=Áif l=R in it (S )Gl c I R pre (l)R o ut (l c )o t her w iseR o ut (l)=(R in (l)-R k ill (l))G R gen (l)图3 到达定值分析F i g.3 R eaching-de fi n iti on ana ly sis义.对任一语句s,引入两个程序点,分别代表正好到达该语句的入口位置和正好离开该语句的出口位置.函数R in 和R out 和辅助函数R init 和R pr e 的作用是:函数R in :L y P (D ),计算可到达某语句入口程序点的定值实体的集合.函数R out :L y P (D ),计算可到达某语句出口程序点的定值实体的集合.函数R init :S t m ts y L,用来得到程序段的初始语句标号.函数R pre :L y P (L ),得到某语句在控制流图(容易从控制流语句的语法结构求得)中所有前驱语句的标号的集合.对于赋值语句和条件语句的分析,引入函数R k ill 和R g en 来计算:函数R k ill :S y P (D ),被某语句注销的定值实体的集合,假如语句中对某个内存位置进行了赋值,则这个内存位置的其余定值实体会被注消.函数R gen :S y P (D ),语句中因赋值产生的定值实体的集合,只有赋值语句才产生定值实体.既然每条赋值语句被抽象为一个三元组实体3h 1,h 2,l 4,这样它不但可以用来表示对某个内存位置h 1的定值,而且记录和h 1右值别名的内存位置h 2,它们指向相同的内存单元.如果h 1和h 2互为右值别名,则别名关系可以记作3h 1,h 24.这里我们用等价类[4]来表示指向同一个内存单元的所有指针变量对应的内存位置.这样的话:如果右值别名序对有3h n ,h n-143h n-1,h n -24,3h 2,h 14,则可以用h 1作为它们的等价类表示,这样指向这个内存单元的变量对应的内存位置的右值别名都可以用h 1来表示,即通过传递性,有3h n ,h 143h n-1,h 14,3h 2,h 14.如果某赋值语句抽象的定值实体为d n =3h 3,h 2,l n 4,需要找出和h 2指向同一个内存单元的等价类表示,这里通过辅助函数R alias (如图4)来实现,假如能够到达语句l n 的定值实体集合R in (l n )中有定值实体d n-1=3h 2,h 1,l n -14,则可以知道和h 2右值别名的内存位置为h 1,这样用h 1去替代实体d n 中的h 2,从而得到定值实体3h 3,h 1,l n 4,并向下传递.R a lia s (D se t ,h ){1H set =Á;2if(D s e t ==Á)ret urn {h };3for (each 3h 1,h 2,l 4i n D set ){4 if(H e n try (h )!= H entry (h 1))5 con ti nue;6 els e if(!H ha sF ield (h 1))7 if(H e n try (h 2)!=nu ll &&!H ha sField (h 2)){8 i f(H ha sF ie l d (h ))9 H se t G =R a lia s (D se t ,h 2+H fie ld (h ));10 els e11 H se t G ={h 2};12 }13else i f(H ha sF ie l d (h ))14 if(H fie ld (h )== H field (h 1)&&!H ha s F ie ld (h 2))15 H s e t G ={h 2};16}//end fo r17if(H se t == Á)H se t G ={h }18ret urn H set ;19}图4 辅助函数R a lia s F ig .4 H elper functi o n R a lia s从而在定值实体中所有引用的内存位置都用它们的等价类表示来替代.在数据流方程的R kill 函数中,对于赋值语句等号左边的域访问表达式的指针变量用该指针的等价类表示来替代,而不关心等号右边的表达式;而R g en 函数不但将赋值语句等号左边的域访问表达式的指针变量用该指针的等价类表1414 小 型 微 型 计 算 机 系 统 2011年示来替代,而且对于等号右边的表达式,也将用该表达式的等价类表示来替代.对各种赋值语句和条件语句的函数R kill 和R ge n 的具体操作如图3所示.辅助函数R alias 如图4所示,体现了算法的核心.该函数主要用来找到能够到达某语句的入口程序点并可能(m ay )和参数h 指向同一个位置的等价类表示的内存位置的集合.Progra m R in /R o ut It erator1Iterat or2It erator3[q=x]1R in (1)ÁÁÁR out (1)3q,x,143q,x,143q,x,14[q !=nu ll ]2R in (2)3q,x,143q,x,143q,t 13t 1,xn,443z n,t 1,543xn,z ,643t 2,z ,743q,x,143q,t 13t 1,xn,443t 1,t 1n,443z n,t 1,543xn,z ,643t 1n,z ,643t 2,z,74[z =m all oc (t ype)]3R o ut (2)R in (3)3q,x,143q,x,143q,t 1,843z ,nu ll ,343t 1,xn,443z n,t 1,543xn,z ,643t 2,z ,743q,x,143q,t 1,843z,nu ll ,343t 1,xn,443t 1,t 1n,443z n,t 1,543xn,z ,643t 1n,z ,643t 2,z,74[t 1=q y n]4R o ut (3)R in (4)3q,x,143z,nu ll ,343q,x,143q,t 1,843z ,nu ll ,343t 1,xn,443z n,t 1,543xn,z ,643t 2,z ,743q,x,143q,t 1,843z,nu ll ,343t 1,xn,443t 1,t 1n,443z n,t 1,543xn,z ,643t 1n,z ,643t 2,z,74[z y n =t 1]5R o ut (4)R in (5)3q,x,143z,nu ll ,343t 1,xn,443q,x,143q,t 1,843z ,nu ll ,343t 1,xn,443t 1,t 1n,443zn,t 1,543xn,z,643t 2,z ,743q,x,143q,t 1,843z,nu ll ,343t 1,xn,443t 1,t 1n,443z n,t 1,543xn,z ,643t 1n,z ,643t 2,z,74[q y n=z ]6R o ut (5)R in (6)3q,x,143z,nu ll ,343t 1,xn,443zn,t 1,543q,x,143q,t 1,843z ,nu ll ,343t 1,xn,443t 1,t 1n,443zn,t 1,543xn,z,643t 2,z ,743q,x,143q,t 1,843z,nu ll ,343t 1,xn,443t 1,t 1n,443z n,t 1,543xn,z ,643t 1n,z ,643t 2,z,74[t 2=q y n]7R o ut (6)R in (7)3q,x,143z,nu ll ,343t 1,xn,443zn,t 1,543xn,z ,643q,x,143q,t 1,843z ,nu ll ,343t 1,xn,443t 1,t 1n,443zn,t 1,543xn,z,643t 1n,z ,643t 2,z ,743q,x,143q,t 1,843z,nu ll ,343t 1,xn,443t 1,t 1n,443z n,t 1,543xn,z ,643t 1n,z ,643t 2,z,74[q=t 2y n]8R o ut (7)R in (8)3q,x,143z,nu ll ,343t 1,xn,443zn,t 1,543xn,z ,643t 2,z ,743q,x,143q,t 1,843z ,nu ll ,343t 1,xn,443t 1,t 1n,443zn,t 1,543xn,z,643t 1n,z ,643t 2,z ,743q,x,143q,t 1,843z,nu ll ,343t 1,xn,443t 1,t 1n,443z n,t 1,543xn,z ,643t 1n,z ,643t 2,z,74R o ut (8)3z ,nu ll ,343t 1,xn,443zn,t 1,543xn,z ,643t 2,z ,743q,t 1,843z ,nu ll ,343t 1,xn,443t 1,t 1n,443z n,t 1,543xn,z,643t 1n,z ,643t 2,z ,743q,t 1,843z,nu ll ,343t 1,xn,443t 1,t 1n,443zn,t 1,543xn,z ,643t 1n,z,643t 2,z ,743q,t 1,84图5 单链表程序的到达定值F i g.5 Sing l e linked list c s reaching de fi n iti onR a lias 算法首先初始化一个内存位置集合Hse t<H 为空(第1行),然后判断某语句的入口程序点的到达定值抽象D s e t <D 是否为空,若为空,则退出返回h 本身(第2行);否则循环处理Dset集合中每个元素,假设为3h 1,h 2,l 4,如果H entry (h )和H entry (h 1)不相同,也就是它们的指针变量对应的内存位置不相同,继续处理D s e t 中的下一个元素(第4-5行);否则,如果h 1不是由域访问表达式指向的,有两种情况:(1)h 是域访问表达式指向的,则应该先找出和域访问表达式的指针变量指向相同位置的内存位置,要求H entry (h 2)不为空且H ha sField (h 2)为fa lse ,则h 和h 2指向相同的内存位置.然后再递归找和h 2+H fie ld (h )指向相同位置的内存位置(第6-9行).(2)h 是指针变量指向的,并且H entry (h 2)不为空且H ha s F ield (h 2)为fa lse ,则将h 2加入到H s e t 中(第11行).如果h 和h 1是同一个域访问表达式对应的内存位置,并h 2是由指针变量指向的内存位置,则用h 2替代h,即将h 2加入到H s e t 中(第13-15行).最后在循环结束后判定H se t 是否为空,为空则返回h 本身(第17行).3.1.3 示 例在这里通过下面的程序片段来说明到达定值分析的主要特性.它是对单链表的插入操作,在单链表x 的每个节点后插入节点z .[q =x ]1;while [q !=nu ll]2do {[z =m all oc(type)]3;[t 1=q y n ex t ]4;[z y n ex t =t 1]5;[q y nex t=z]6;[t 2=q y nex t]7;[q=t 2y nex t ]8;}图5表述了到达定值分析利用w o rk list 迭代算法[4]的迭代过程,计算每次迭代中每个程序点的到达定值信息.在Iterato r1中,在语句1中,内存位置q 和x 右值别名,这样出口程序点到达定值中增加(g en)定值实体3q,x,14;到达语句4时,因为q 和x 右值别名,由别名函数可以找到R a lias (R in (4),qn )={xn },即由q 的别名x 替代,增加3t 1,xn,44;到达语句5时,增加3z n,t 1,54;到达语句6时,同理语句4,增加3xn,z,64;到达语句7时,由别名函数可以找到R a lia s (R in (7),qn )={z },故增加3t 2,z ,74;到达语句8时,由别名函数可以找到R alias (R in (8),t 2n )={t 1},由于语句是对q 的定值,将所有到达此程序点对q 的定值注销(kill),而增加3q,t 1,84.14157期 付小朋等:一种面向动态链状数据结构的指针定值引用链算法经过一次迭代计算后,分析没有到达稳定状态,继续迭代计算,从语句1和8到达循环的头部,Ri n (2)=Ro ut(1)G Rout(8),这样q可能(m ay)和x,t1右值别名,同理在定值实体中对q的引用时用x,t1去替代,如到达语句4时,将所有到达此程序点对t1的定值实体注销,而增加定值实体3t1,xn,443t1,t1n,44.经过数次迭代计算后,每个程序点的到达定值没有变化,迭代算法到达稳定的状态,到达定值分析结束,得到如图5中Iterato r3中所示的每个程序点的到达定值信息.3.2引用定值链在到达定值信息的基础上,可以计算引用定值链.引用定值链连接对一个内存位置的引用的语句到所有可能沿某条路径流经到该语句并对该内存位置定值的语句.3.2.1推导方程式函数Rud:L y P(H@L)得到某语句引用的内存位置和所有可能沿某条路径到达该语句并对该内存位置定值的语句的标号之间的序对.对于任一标号为l的语句s,根据语句入口程序点的到达定值信息,有:Rud (l)={3h,l14|h I Rus e s(s l)C3h,_,l14I Rin(l)}(1)其中,函数Ruse s:S y P(H)得到某语句中所有引用的域访问表达式对应的内存位置.对于引用语句,Ruse s函数定义如公式(2),而其它类型的语句的Ruses函数都为空.Ruse s ([p=q y f]l)={h+f|h I Ralia s(Rin(l),q)}(2)3.2.2示例根据图5中每条语句入口程序点已经得到的到达定值信息,利用公式(1)可以求得如图6的Rus e s函数的信息;再利用公式(2),可以求得如图6中的引用定值链.l R uses(l)R ud(l)1ÁÁ2ÁÁ3ÁÁ4xn,t1n3xn,643t1n,645ÁÁ6ÁÁ7xn,t1n3xn,643t1n,648z n3zn,54图6单链表程序的引用定值链F i g.6S i ng l e li nked list c s use-def i n ition cha i ns3.3定值引用链在引用定值链信息的基础上,可以推导得到定值引用链.定值引用链连接对一个内存位置的定值的语句到所有可能沿某条路径流经到对该内存位置引用的语句.3.3.1推导方程式函数Rdu(l):L y P(H@L),得到某语句定值的内存位置和可能沿某条路径到达所有引用该内存位置的语句的标号之间的序对.利用引用定值链,求定值引用链的推导方程式为:P l1,l2I L,h I H,3h,l24I Rud(l1)]3h,l14I Rdu(l2)(3) 3.3.2示例根据图6得到的引用定值链,可以利用公式(3)可以求得程序的定值引用链,如图7所示.l R ud(l)R du(l)1ÁÁ2ÁÁ3ÁÁ43xn,643t1n,64Á5Á3zn,846Á3xn,443xn,743t1n,443t1n,7473xn,643t1n,64Á83z n,54Á图7单链表程序的定值引用链F i g.7S i ng le li nked list c s def i nition-us e cha i ns4实验结果和分析笔者在SU IF[10]框架上,实现了过程内的定值引用算法,并做了相关的测试,详细的程序和数据可见[3],测试用例如表1所示,它们大部分来自O l den[5]中的测试程序.表1测试用例的数据结构T able1D ata struc t ures o f bench m a rk prog ra m s Progra m Descri p tion D at a S tructuresBH N-body si m u lati on Leaf-li nked treeEM3DS i m u l ati on of el ectrom agn eti cw aveB i partitePow er Pow er s yste m op ti m izati on H ierarch i ca l treeT s p T rave li ng s a l es m an p roble m Ba l anced b i n ary-tree T reeadd T ree add it on B i nary t reeIn s ert L ist i n sert L i nked-list选择这些测试用例的原因是它们创建和访问各种类型的动态链状数据结构,如链表、树状结构等.表2给出了经过过表2过程内分析的统计数据T able2S t a tistics after i n trapro cedura l ana l y sis Progra m L i n es Procedures T i m e(s)DEF/U SEDEF/USE[6]BH1977362.9845EM3D352150.1778Pow er772190.4500T s p532140.4115/T reeadd9930.0100In s ert4830.015/程内定值引用链分析的统计数据,分别给出了程序的行数、包含的过程体数量、分析过程中所耗的总时间、经过分析找出的所有定值引用序对的数量和文献[6]中算法给出的定值引用序对的数量.其中符号"/"表示文献[6]中没有对此程序进行测试.可以看到最后两列对应程序的定值引用序对数目并不相1416小型微型计算机系统2011年同.这是因为更精确的别名分析,可以移除虚假的定值引用链.由于本文中采用的算法,分析得到了更精确的别名信息,移除了不再有效的到达定值,提高了定值引用链的精度,所以定值引用序对数量比[6]中的略少,从而也表明本文的算法更优越.5相关工作比较过程内的定值引用链的分析技术,早已众所周知[9],过程间的分析技术也被提出[12],而扩展到带有指针或动态分配数据结构的程序中定值引用链的研究,早期的有文献[6-8].Pande和L andi等[7]首次在一级指针的C语言程序中,提出了一种过程间的定值引用链的算法.算法首先利用别名信息计算过程间的到达定值,然后利用到达定值的信息建立定值引用链,然而该算法忽略了对动态分配的数据结构的分析.A ltucher和L andi[8]运用一种新的命名策略来提高动态分配的内存位置的定值引用信息的精度.它被用来计算动态分配内存位置的扩展的一定别名(ex tended m ust a liases),然后利用此别名信息来提高定值引用链的精度,但是该算法将动态分配的结构体看成是一个整体对象,没有区分结构体中的各个不同域.Hw ang等[6]通过逆向的数据流迭代来计算每条语句向上暴露的引用(upw a rd expo sed uses),然后再计算动态链状数据结构指针程序的过程间的定值引用链.该方法产生多级的域访问路径表达式,为了确定两个多级的域访问路径表达式是否指向同一个内存位置,必须进行访问表达式的比较,算法的时空开销较大.本文采用正向的数据流迭代算法来计算到达定值信息,并在此基础上,推导求得每条语句的引用定值链和定值引用链.笔者受文献[13]的启发,在到达定值的分析过程中,抽象值记录赋值语句等号左,右两边的表达式和语句标号的三元组,不但保存内存位置的定值信息,而且保存了内存位置的右值别名信息.再根据语句入口程序点的到达定值信息,找到和指针变量右值别名的等价类表示,用它去替代指针变量对应的内存位置在定值实体中的位置,并向下传递别名.从而将到达定值分析和别名信息的获取在一个分析过程中完成,大大提高分析的效率.6结束语提出了一种面向动态链状数据结构的过程内指针定值引用链的算法.该算法首先用正向的数据流迭代算法得到动态链状数据结构的每条语句入口和出口程序点的到达定值信息,然后利用语句入口程序点的到达定值信息和别名信息,计算语句的引用定值链;最后根据语句中的引用定值链信息,推导得到定值引用链.本文不足之处在于只处理过程内的定值引用信息,没有完成过程间的定值引用算法.对过程间定值引用链算法的研究将是我们接下来的主要工作内容.R eferences:[1]D uest er w al d E,Gup t a R,Soffa M L.A d e m and-driven an al yzerfor dat a fl ow testi ng at t he i n tegrati on l evel[C].In IEEE In t erna-ti onal Con ference on So ft w areE ngineeri ng,B erli n,G er m any,M arch 1996,575-586.[2]W o lfeM.H i gh perfor m ance com pil ers for parallel com puti ng[M].Add is on-W esley,1995.[3]Z hang Y u.Parallel p rogra mm ing l an guage w it h s h ared res ources pecificati on[EB/OL].U STC-Y al e Joi n t Research C en t er forH igh-Con fi dence So ft w are.h ttp://kyh tcs /pp l srs,2010-11-05.[4]S teen s gaard B.Po i n ts-t o anal y sis i n al m ost li near ti m e[C].Pro-ceed i ng s of t he23rd ACM S y m po si um on the Pri nci p l es o f Pro-gra mm i ng L anguages,S.t Petersburg B each,F l orida,1996.[5]M arti n C C arlisle,Anne Rogers.O l d en:paralleli z i ng progra m sw ith dyna m ic d at a stru ctures on d istri bu t ed-m e m ory m ach i nes[EB/ OL].h tt p://ww w.m arti ncarli s l /o l den.h t m,l1996.[6]Y aun-Sh i n Hw an g,Joel Saltz.In t erprocedura ldefi n ition use chai n sof dyna m i c po i n ter-li nked data stru ctures[M].S ci en ti fic Progra m-m i ng,I O S Press,2003.[7]Pande H D,Land iW A,Ryder B G.In t erprocedura ldef-use associ a-ti ons for c s yste m s w it h si n gle level po i n ters[C].IEEE Transac-ti ons on So ft w are Eng i neeri ng,M ay,1994,20(5):385-402. [8]A lt ucher R,Land iW.An extended for m o fm ust ali as anal y sis fordyna m ic all ocati on[C].Proceedi n gs of the22nd ACM S y m po si um on the Pri nci p les o f Prog ra mm i ng Languages,San Fran ci sco,C al-iforn i a,January1995,74-84.[9]A ho A V,S eth iR,U ll m an J D.C o m p ilers:pri nc i p l es,techn i ques,and too ls[M].Add is on-W esley,1986.[10]W ils on R,French R,W ils on C,eta.l SU I F:an infrast ruct ure for re-search on para ll eliz i ng and opti m i z i ng com p ilers[J].ACM S I G P-LAN N oti ces,Dece m ber,1994,29(12):31-37.[11]N i els on F,N i elson H R,H ank i n C.Princi p l e of progra m anal y sis[M].Spri nger,1999,41-44.[12]H arro l d M J,S offa M L.E ffici en t com putati on o f i n terp rocedurald efi n ition-u se chai n s[C].ACM Transacti ons on Progra mm i ngLan guages and Syste m s,1994,16(2):175-204.[13]H ackettB,Rug i na R.Reg i on-bas ed shape analysis w ith track ed l o-cati on s[C].Proceedi n gs o f t h e32nd ACM Sym pos i um on Pri nc-ip les of Progra mm i ng Languages,Long B each,C aliforn ia,J an uar-y,2005,310-323.[14]Andersen L O.Progra m analysis and s peci alization for t he C pro-gra mm i ng l anguage[D].D I KU,U n i versit y o fC openhagen,1994.14177期付小朋等:一种面向动态链状数据结构的指针定值引用链算法。