Precise Null Pointer Analysis Through Global Value Numbering

Precise analysis of pointer information plays an important role in many static analysis techniques and tools today. The precision, however, must be balanced against the scalability of the analysis. This paper focusses on improving the precision of standard context and flow insensitive alias analysis algorithms at a low scalability cost. In particular, we present a semantics-preserving program transformation that drastically improves the precision of existing analyses when deciding if a pointer can alias NULL. Our program transformation is based on Global Value Numbering, a scheme inspired from compiler optimizations literature. It allows even a flow-insensitive analysis to make use of branch conditions such as checking if a pointer is NULL and gain precision. We perform experiments on real-world code to measure the overhead in performing the transformation and the improvement in the precision of the analysis. We show that the precision improves from 86.56% to 98.05%, while the overhead is insignificant.Comment: 17 pages, 1 section in Appendi

Heap Abstractions for Static Analysis

Heap data is potentially unbounded and seemingly arbitrary. As a consequence, unlike stack and static memory, heap memory cannot be abstracted directly in terms of a fixed set of source variable names appearing in the program being analysed. This makes it an interesting topic of study and there is an abundance of literature employing heap abstractions. Although most studies have addressed similar concerns, their formulations and formalisms often seem dissimilar and some times even unrelated. Thus, the insights gained in one description of heap abstraction may not directly carry over to some other description. This survey is a result of our quest for a unifying theme in the existing descriptions of heap abstractions. In particular, our interest lies in the abstractions and not in the algorithms that construct them. In our search of a unified theme, we view a heap abstraction as consisting of two features: a heap model to represent the heap memory and a summarization technique for bounding the heap representation. We classify the models as storeless, store based, and hybrid. We describe various summarization techniques based on k-limiting, allocation sites, patterns, variables, other generic instrumentation predicates, and higher-order logics. This approach allows us to compare the insights of a large number of seemingly dissimilar heap abstractions and also paves way for creating new abstractions by mix-and-match of models and summarization techniques.Comment: 49 pages, 20 figure

A combined representation for the maintenance of C programs

A programmer wishing to make a change to a piece of code must first gain a full understanding of the behaviours and functionality involved. This process of program comprehension is difficult and time consuming, and often hindered by the absence of useful program documentation. Where documentation is absent, static analysis techniques are often employed to gather programming level information in the form of data and control flow relationships, directly from the source code itself. Software maintenance environments are created by grouping together a number of different static analysis tools such as program sheers, call graph builders and data flow analysis tools, providing a maintainer with a selection of 'views' of the subject code. However, each analysis tool often requires its own intermediate program representation (IPR). For example, an environment comprising five tools may require five different IPRs, giving repetition of information and inefficient use of storage space. A solution to this problem is to develop a single combined representation which contains all the program relationships required to present a maintainer with each required code view. The research presented in this thesis describes the Combined C Graph (CCG), a dependence-based representation for C programs from which a maintainer is able to construct data and control dependence views, interprocedural control flow views, program slices and ripple analyses. The CCG extends earlier dependence-based program representations, introducing language features such as expressions with embedded side effects and control flows, value returning functions, pointer variables, pointer parameters, array variables and structure variables. Algorithms for the construction of the CCG are described and the feasibility of the CCG demonstrated by means of a C/Prolog based prototype implementation

Information Flow Control with System Dependence Graphs - Improving Modularity, Scalability and Precision for Object Oriented Languages

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Gebiet der statischen Programmanalyse — insbesondere betrachten wir Analysen, deren Ziel es ist, bestimmte Sicherheitseigenschaften, wie etwa Integrität und Vertraulichkeit, für Programme zu garantieren. Hierfür verwenden wir sogenannte Abhängigkeitsgraphen, welche das potentielle Verhalten des Programms sowie den Informationsfluss zwischen einzelnen Programmpunkten abbilden. Mit Hilfe dieser Technik können wir sicherstellen, dass z.B. ein Programm keinerlei Information über ein geheimes Passwort preisgibt. Im Speziellen liegt der Fokus dieser Arbeit auf Techniken, die das Erstellen des Abhängigkeitsgraphen verbessern, da dieser die Grundlage für viele weiterführende Sicherheitsanalysen bildet. Die vorgestellten Algorithmen und Verbesserungen wurden in unser Analysetool Joana integriert und als Open-Source öffentlich verfügbar gemacht. Zahlreiche Kooperationen und Veröffentlichungen belegen, dass die Verbesserungen an Joana auch in der Forschungspraxis relevant sind. Diese Arbeit besteht im Wesentlichen aus drei Teilen. Teil 1 befasst sich mit Verbesserungen bei der Berechnung des Abhängigkeitsgraphen, Teil 2 stellt einen neuen Ansatz zur Analyse von unvollständigen Programmen vor und Teil 3 zeigt aktuelle Verwendungsmöglichkeiten von Joana an konkreten Beispielen. Im ersten Teil gehen wir detailliert auf die Algorithmen zum Erstellen eines Abhängigkeitsgraphen ein, dabei legen wir besonderes Augenmerk auf die Probleme und Herausforderung bei der Analyse von Objektorientierten Sprachen wie Java. So stellen wir z.B. eine Analyse vor, die den durch Exceptions ausgelösten Kontrollfluss präzise behandeln kann. Hauptsächlich befassen wir uns mit der Modellierung von Seiteneffekten, die bei der Kommunikation über Methodengrenzen hinweg entstehen können. Bei Abhängigkeitsgraphen werden Seiteneffekte, also Speicherstellen, die von einer Methode gelesen oder verändert werden, in Form von zusätzlichen Knoten dargestellt. Dabei zeigen wir, dass die Art und Weise der Darstellung, das sogenannte Parametermodel, enormen Einfluss sowohl auf die Präzision als auch auf die Laufzeit der gesamten Analyse hat. Wir erklären die Schwächen des alten Parametermodels, das auf Objektbäumen basiert, und präsentieren unsere Verbesserungen in Form eines neuen Modells mit Objektgraphen. Durch das gezielte Zusammenfassen von redundanten Informationen können wir die Anzahl der berechneten Parameterknoten deutlich reduzieren und zudem beschleunigen, ohne dabei die Präzision des resultierenden Abhängigkeitsgraphen zu verschlechtern. Bereits bei kleineren Programmen im Bereich von wenigen tausend Codezeilen erreichen wir eine im Schnitt 8-fach bessere Laufzeit — während die Präzision des Ergebnisses in der Regel verbessert wird. Bei größeren Programmen ist der Unterschied sogar noch deutlicher, was dazu führt, dass einige unserer Testfälle und alle von uns getesteten Programme ab einer Größe von 20000 Codezeilen nur noch mit Objektgraphen berechenbar sind. Dank dieser Verbesserungen kann Joana mit erhöhter Präzision und bei wesentlich größeren Programmen eingesetzt werden. Im zweiten Teil befassen wir uns mit dem Problem, dass bisherige, auf Abhängigkeitsgraphen basierende Sicherheitsanalysen nur vollständige Programme analysieren konnten. So war es z.B. unmöglich, Bibliothekscode ohne Kenntnis aller Verwendungsstellen zu betrachten oder vorzuverarbeiten. Wir entdeckten bei der bestehenden Analyse eine Monotonie-Eigenschaft, welche es uns erlaubt, Analyseergebnisse von Programmteilen auf beliebige Verwendungsstellen zu übertragen. So lassen sich zum einen Programmteile vorverarbeiten und zum anderen auch generelle Aussagen über die Sicherheitseigenschaften von Programmteilen treffen, ohne deren konkrete Verwendungsstellen zu kennen. Wir definieren die Monotonie-Eigenschaft im Detail und skizzieren einen Beweis für deren Korrektheit. Darauf aufbauend entwickeln wir eine Methode zur Vorverarbeitung von Programmteilen, die es uns ermöglicht, modulare Abhängigkeitsgraphen zu erstellen. Diese Graphen können zu einem späteren Zeitpunkt der jeweiligen Verwendungsstelle angepasst werden. Da die präzise Erstellung eines modularen Abhängigkeitsgraphen sehr aufwendig werden kann, entwickeln wir einen Algorithmus basierend auf sogenannten Zugriffspfaden, der die Skalierbarkeit verbessert. Zuletzt skizzieren wir einen Beweis, der zeigt, dass dieser Algorithmus tatsächlich immer eine konservative Approximation des modularen Graphen berechnet und deshalb die Ergebnisse darauf aufbauender Sicherheitsanalysen weiterhin gültig sind. Im dritten Teil präsentieren wir einige erfolgreiche Anwendungen von Joana, die im Rahmen einer Kooperation mit Ralf Küsters von der Universität Trier entstanden sind. Hier erklären wir zum einen, wie man unser Sicherheitswerkzeug Joana generell verwenden kann. Zum anderen zeigen wir, wie in Kombination mit weiteren Werkzeugen und Techniken kryptographische Sicherheit für ein Programm garantiert werden kann - eine Aufgabe, die bisher für auf Informationsfluss basierende Analysen nicht möglich war. In diesen Anwendungen wird insbesondere deutlich, wie die im Rahmen dieser Arbeit vereinfachte Bedienung die Verwendung von Joana erleichtert und unsere Verbesserungen der Präzision des Ergebnisses die erfolgreiche Analyse erst ermöglichen

An incremental points-to analysis with CFL-reachability

Abstract. Developing scalable and precise points-to analyses is increasingly important for analysing and optimising object-oriented programs where pointers are used pervasively. An incremental analysis for a program updates the existing analysis information after program changes to avoid reanalysing it from scratch. This can be efficiently deployed in software development environments where code changes are often small and frequent. This paper presents an incremental approach for demand-driven context-sensitive points-to analyses based on Context-Free Language (CFL) reachability. By tracing the CFL-reachable paths traversed in computing points-to sets, we can precisely identify and recompute on demand only the points-to sets affected by the program changes made. Combined with a flexible policy for controlling the granularity of traces, our analysis achieves significant speedups with little space overhead over reanalysis from scratch when evaluated with a null dereferencing client using 14 Java benchmarks.

Improving Quality of Software with Foreign Function Interfaces using Static Analysis

A Foreign Function Interface (FFI) is a mechanism that allows software written in one host programming language to directly use another foreign programming language by invoking function calls across language boundaries. Today\u27s software development often utilizes FFIs to reuse software components. Examples of such systems are the Java Development Kit (JDK), Android mobile OS, and Python packages in the Fedora LINUX operating systems. The use of FFIs, however, requires extreme care and can introduce undesired side effects that degrade software quality. In this thesis, we aim to improve several quality aspects of software composed of FFIs by applying static analysis. The thesis investigates several particular characteristics of FFIs and studies software bugs caused by the misuse of FFIs. We choose two FFIs, the Java Native Interface (JNI) and the Python/C interface, as the main subjects of this dissertation. To reduce software security vulnerabilities introduced by the JNI, we first propose definitions of new patterns of bugs caused by the improper exception handlings between Java and C. We then present the design and implement a bug finding system to uncover these bugs. To ensure software safety and reliability in multithreaded environment, we present a novel and efficient system that ensures atomicity in the JNI. Finally, to improve software performance and reliability, we design and develop a framework for finding errors in memory management in programs written with the Python/C interface. The framework is built by applying affine abstraction and affine analysis of reference-counts of Python objects. This dissertation offers a comprehensive study of FFIs and software composed of FFIs. The research findings make several contributions to the studies of static analysis and to the improvement of software quality