Generalized Points-to Graphs: A New Abstraction of Memory in the Presence of Pointers

Flow- and context-sensitive points-to analysis is difficult to scale; for top-down approaches, the problem centers on repeated analysis of the same procedure; for bottom-up approaches, the abstractions used to represent procedure summaries have not scaled while preserving precision. We propose a novel abstraction called the Generalized Points-to Graph (GPG) which views points-to relations as memory updates and generalizes them using the counts of indirection levels leaving the unknown pointees implicit. This allows us to construct GPGs as compact representations of bottom-up procedure summaries in terms of memory updates and control flow between them. Their compactness is ensured by the following optimizations: strength reduction reduces the indirection levels, redundancy elimination removes redundant memory updates and minimizes control flow (without over-approximating data dependence between memory updates), and call inlining enhances the opportunities of these optimizations. We devise novel operations and data flow analyses for these optimizations. Our quest for scalability of points-to analysis leads to the following insight: The real killer of scalability in program analysis is not the amount of data but the amount of control flow that it may be subjected to in search of precision. The effectiveness of GPGs lies in the fact that they discard as much control flow as possible without losing precision (i.e., by preserving data dependence without over-approximation). This is the reason why the GPGs are very small even for main procedures that contain the effect of the entire program. This allows our implementation to scale to 158kLoC for C programs

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

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

BCFA: Bespoke Control Flow Analysis for CFA at Scale

Many data-driven software engineering tasks such as discovering programming patterns, mining API specifications, etc., perform source code analysis over control flow graphs (CFGs) at scale. Analyzing millions of CFGs can be expensive and performance of the analysis heavily depends on the underlying CFG traversal strategy. State-of-the-art analysis frameworks use a fixed traversal strategy. We argue that a single traversal strategy does not fit all kinds of analyses and CFGs and propose bespoke control flow analysis (BCFA). Given a control flow analysis (CFA) and a large number of CFGs, BCFA selects the most efficient traversal strategy for each CFG. BCFA extracts a set of properties of the CFA by analyzing the code of the CFA and combines it with properties of the CFG, such as branching factor and cyclicity, for selecting the optimal traversal strategy. We have implemented BCFA in Boa, and evaluated BCFA using a set of representative static analyses that mainly involve traversing CFGs and two large datasets containing 287 thousand and 162 million CFGs. Our results show that BCFA can speedup the large scale analyses by 1%-28%. Further, BCFA has low overheads; less than 0.2%, and low misprediction rate; less than 0.01%.Comment: 12 page

Slicing of Concurrent Programs and its Application to Information Flow Control

This thesis presents a practical technique for information flow control for concurrent programs with threads and shared-memory communication. The technique guarantees confidentiality of information with respect to a reasonable attacker model and utilizes program dependence graphs (PDGs), a language-independent representation of information flow in a program

Pruning, Pushdown Exception-Flow Analysis

Statically reasoning in the presence of exceptions and about the effects of exceptions is challenging: exception-flows are mutually determined by traditional control-flow and points-to analyses. We tackle the challenge of analyzing exception-flows from two angles. First, from the angle of pruning control-flows (both normal and exceptional), we derive a pushdown framework for an object-oriented language with full-featured exceptions. Unlike traditional analyses, it allows precise matching of throwers to catchers. Second, from the angle of pruning points-to information, we generalize abstract garbage collection to object-oriented programs and enhance it with liveness analysis. We then seamlessly weave the techniques into enhanced reachability computation, yielding highly precise exception-flow analysis, without becoming intractable, even for large applications. We evaluate our pruned, pushdown exception-flow analysis, comparing it with an established analysis on large scale standard Java benchmarks. The results show that our analysis significantly improves analysis precision over traditional analysis within a reasonable analysis time.Comment: 14th IEEE International Working Conference on Source Code Analysis and Manipulatio

Heap Reference Analysis Using Access Graphs

Despite significant progress in the theory and practice of program analysis, analysing properties of heap data has not reached the same level of maturity as the analysis of static and stack data. The spatial and temporal structure of stack and static data is well understood while that of heap data seems arbitrary and is unbounded. We devise bounded representations which summarize properties of the heap data. This summarization is based on the structure of the program which manipulates the heap. The resulting summary representations are certain kinds of graphs called access graphs. The boundedness of these representations and the monotonicity of the operations to manipulate them make it possible to compute them through data flow analysis. An important application which benefits from heap reference analysis is garbage collection, where currently liveness is conservatively approximated by reachability from program variables. As a consequence, current garbage collectors leave a lot of garbage uncollected, a fact which has been confirmed by several empirical studies. We propose the first ever end-to-end static analysis to distinguish live objects from reachable objects. We use this information to make dead objects unreachable by modifying the program. This application is interesting because it requires discovering data flow information representing complex semantics. In particular, we discover four properties of heap data: liveness, aliasing, availability, and anticipability. Together, they cover all combinations of directions of analysis (i.e. forward and backward) and confluence of information (i.e. union and intersection). Our analysis can also be used for plugging memory leaks in C/C++ languages.Comment: Accepted for printing by ACM TOPLAS. This version incorporates referees' comment