Permission-Based Separation Logic for Multithreaded Java Programs

This paper presents a program logic for reasoning about multithreaded Java-like programs with dynamic thread creation, thread joining and reentrant object monitors. The logic is based on concurrent separation logic. It is the first detailed adaptation of concurrent separation logic to a multithreaded Java-like language. The program logic associates a unique static access permission with each heap location, ensuring exclusive write accesses and ruling out data races. Concurrent reads are supported through fractional permissions. Permissions can be transferred between threads upon thread starting, thread joining, initial monitor entrancies and final monitor exits. In order to distinguish between initial monitor entrancies and monitor reentrancies, auxiliary variables keep track of multisets of currently held monitors. Data abstraction and behavioral subtyping are facilitated through abstract predicates, which are also used to represent monitor invariants, preconditions for thread starting and postconditions for thread joining. Value-parametrized types allow to conveniently capture common strong global invariants, like static object ownership relations. The program logic is presented for a model language with Java-like classes and interfaces, the soundness of the program logic is proven, and a number of illustrative examples are presented

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

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

Method for Statically Checking an Object-oriented Computer Program Module

A method for statically checking an object-oriented computer program module includes the step of identifying objects within a computer program module, at least one of the objects having a plurality of references thereto, possibly from multiple clients. A discipline of permissions is imposed on the objects identified within the computer program module. The permissions enable tracking, from among a discrete set of changeable states, a subset of states each object might be in. A determination is made regarding whether the imposed permissions are violated by a potential reference to any of the identified objects. The results of the determination are output to a user

Behavioral types in programming languages

A recent trend in programming language research is to use behav- ioral type theory to ensure various correctness properties of large- scale, communication-intensive systems. Behavioral types encompass concepts such as interfaces, communication protocols, contracts, and choreography. The successful application of behavioral types requires a solid understanding of several practical aspects, from their represen- tation in a concrete programming language, to their integration with other programming constructs such as methods and functions, to de- sign and monitoring methodologies that take behaviors into account. This survey provides an overview of the state of the art of these aspects, which we summarize as the pragmatics of behavioral types

Thread-Modular Static Analysis for Relaxed Memory Models

We propose a memory-model-aware static program analysis method for accurately analyzing the behavior of concurrent software running on processors with weak consistency models such as x86-TSO, SPARC-PSO, and SPARC-RMO. At the center of our method is a unified framework for deciding the feasibility of inter-thread interferences to avoid propagating spurious data flows during static analysis and thus boost the performance of the static analyzer. We formulate the checking of interference feasibility as a set of Datalog rules which are both efficiently solvable and general enough to capture a range of hardware-level memory models. Compared to existing techniques, our method can significantly reduce the number of bogus alarms as well as unsound proofs. We implemented the method and evaluated it on a large set of multithreaded C programs. Our experiments showthe method significantly outperforms state-of-the-art techniques in terms of accuracy with only moderate run-time overhead.Comment: revised version of the ESEC/FSE 2017 pape