写在前面的话

本渣有幸成为南京大学软件学院研究生，在前往仙林校区蹭课的时候偶然发现了这门宝藏课程，听了以后感觉深有收获，但又因为课程难度较大，国庆假期归来发现遗忘较多，因此开了一坑来记录自己对每节课知识点的理解。也由于这是本人第一次开坑写博客，结构内容自有诸多不合理之处，希望有问题的地方大家可以指出。

系列文章目录

1.静态程序分析(Static Program Analysis)介绍
2.中间表示(Intermediate Representation)
3.数据流分析(Data Flow Analysis) (上)：可达性分析(Reaching Definitions)
4.数据流分析Data Flow Analysis) (下)：存活变量分析(Live Variables Analysis)及可用表达式分析(Available Expressions Analysis)
5.数据流分析基础(Data Flow Analysis-Foundations)
6.过程间分析(Interprocedural Analysis)
7.指针分析(Pointer Analysis)入门
8.指针分析基础知识(Pointer Analysis Foundations)

一、动机

在上一篇文章中，我们讲到了一种过程间分析的算法CHA，这是一种牺牲了精度来换取效率的算法，可以根据对象的类型进行分析，得到这个对象调用的方法可能是在哪定义的。然而这种算法对精度的牺牲自然会导致一些我们不想看到的"严谨"，就像上图所示，采用CHA算法会从对象n对应的类Number中寻找get()的定义，找不到后会从Number的子类寻找，因此经过CHA的分析n.get()的返回值是NAC。然而显而易见，由于n是One类型创建的，所以返回值应该是1才对，这就需要用到指针分析了。

二、指针分析

2.1 什么是指针分析

我们首先介绍一下指针分析的三个特征：

一个基本的静态分析：计算一个指针能指向哪个内存位置。
对于OO语言(主要是Java)来说：计算一个一个指针(variable或field)指向哪个对象。
作为一个may分析：计算指针指向的过拟合的对象集，即一个指针可能指向哪些对象？、

以上三个特征便可以看出指针分析到底是一种什么样的分析算法，其中需要解释一下的是第二条特征。不同于cpp，Java并没有真正的指针，或者说Java的指针被封装在代码底层，我们接触不到，而此处的指针指的是那些存储非数据而是地址的变量，例如T x = new T()中的x存储了新创建的一个类型为T的对象的地址，是一个指针。

2.2 一个指针会指向哪里

接下来用一个例子来具体感受一个指针会指向哪里：

右侧表格是左侧程序每个变量指针指向的对象，接下来一个个看。
第一、二行定义了a和x，分别指向A和B没问题；
第三行调用了A类中的set()函数，this指向当前对象，同时也是调用了这个方法的a指向的new A，而b指向自己新创建的new B；
而y指向了a.getB()返回的this.b所指向的new B；
下方的A.b即this.b，指向传入参数x的new B。

2.3 Pointer Analysis 和 Alias Analysis

Pointer Analysis是指针分析；
Alias Analysis是别名分析；
这是两个密切相关但是不同方面的分析，主要体现在：
指针分析主要分析指针指向哪个对象，而别名分析主要分析两个指针是否指向同一个对象。
这个点了解一下区别就可，不细说了。

2.4 指针分析的应用

指针分析有很多的应用场景，例如可用于

优化代码
查bug
安全性分析
验证测试

等技术场景。

三、指针分析中的关键因素

指针分析是一个复杂的系统，有不同的因素影响了这个系统的效率和精度，我们需要在此之间找到一个平衡，下图就是其中最重要的四个因素

四个因素分别是：堆抽象、上下文敏感、流敏感、分析范围，第三列则是一些最为广泛使用的选择策略。

3.1 堆抽象

Java运行时会将创建的很多的对象放在堆里以供调用，堆抽象就是对其建模。
为了确保终止性，堆抽象会将动态执行时无限的域映射到静态分析时有限的域，再进行静态分析：

堆抽象有很多种方法，最常用到的就是Allocation sites的抽象技术，这是一种Store based model，基于内存中地址的模型。
我将Allocation site翻译为抽象点，每个抽象点对应一个抽象对象，这个抽象对象代表被分配的所有具体对象，而系统通过抽象点对具体对象建模。
下面举个例子说明这种抽象关系：

动态运行时在for语句中创建了多个具体的对象a，而通过Allocation sites的技术抽象为一个抽象对象。

3.2 上下文敏感

上下文的敏感指的是系统模拟如何调用上下文，例如记录一个方法的传参、返回地址等，其中的上下文指的是被调方法的上下文。
左侧是上下文敏感的做法，对于每次调用方法的时候都会分别记录那次方法的上下文信息，而右侧是不敏感的做法，会将不同的调用合并，每个方法不论调用多少次都只会分析一次。

3.3 流敏感

流敏感指的是如何对控制流进行建模，我们之前学习到的算法都是流敏感的：
左侧是流敏感的分析，严格按照控制流的顺序进行分析，会在每个程序点都列出当前所有的指针指向；
右侧是流不敏感的分析，不考虑控制流的顺序，会将所有可能的指向一起加入域中。
由于流敏感分析的时候很多情况下域中的指向对象不可替换，因此开销很大，流不敏感的分析此时便可派上用处。

3.4 分析范围

分析分为整体分析和按需求分析。其中整体分析就是分析整个程序，不需要解释；按需求分析就是分析需要的代码行及相关的代码

1 x = new A();
2 y = x;
3 …
4 z = new T();
5 z.bar();

例如我要分析第五行的指针指向何处，只需要分析第四行即可。

3.5 总结

总结一下：

堆抽象：针对对象，选择Allocation-site抽象技术；
上下文敏感：针对方法，后续两种都会用到；
流敏感：针对控制流，为了减小开销，使用流不敏感的；
分析范围：由于并不知道得到需要分析处的指针指向需要从哪开始分析，有可能从头分析，消耗资源也很大，因此选择整体分析。

四、相关的语句

由于

if-else
switch-case
for/while/do-while
break/continue

四种语句并不会改变指针的指向，所以不考虑这四种语句的影响，主要分析以下四种类型的对象

Local variable: x
Static field: C.f
Instance field: x.f
Array element: array[i]

第一个局部变量x不用赘述；
第二个静态域C.f某些时候也可看作全局变量，一般不会碰到；
第三个实例域x.f建模为一个由x指向的对象 + 一个域f；
第四个数组元素在处理的时候会将其下标忽略，统一指向一个域，将array[i]全部抽象映射到array.arr的域中。

然后是五种会改变指针指向的操作：
这四种操作的需要牢记，将会在下一篇文章中具体分析。

五、总结

本文大概写了一下指针分析是什么，有哪些关注点，可以粗浅地了解一下什么是指针分析，具体的分析将在下一篇文章中进行。

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