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指针分析理论基础一

接下来两篇文章将主要介绍以下四点内容。前三点对应线下课程第九课，最后一点对应第十课。

  1. Pointer Analysis: Rules
  2. How to Implement Pointer Analysis
  3. Pointer Analysis: Algorithms
  4. Pointer Analysis with Method Calls

我们先关注前三点，暂时不理会函数调用。

Notations

首先介绍常用数学符号，不会的同学可以复习一下离散数学。

分别定义变量，域，对象（用下标标识是在第几行创建的对象），实例域和指针（是变量和实例对象的并），和指向关系。X表示笛卡尔积。

pt(p)代表的是指针p可能指向的对象。如在下面的代码块后，pt(x)可能指向的目标可以记为$${o_2,o_4}$$（以行号作为object的下标）。

if(...){
    x = new A();
} else {
    x = new B();
}

Pointer Analysis: Rules

前排提示：与《数理逻辑》/《形式化语义》梦幻联动。没学过的同学也不要着急。

主要解释Rule一列中的内容。横线上的内容是前提(Premises)，横线下的内容是结论(Conclusion)。

用简单易懂的语言描述，看到new语句，我们就将新建的对象加入pt(x)。

对于Assign语句，我们将x指向y指向的对象。

对于Store和Load亦然。

Summary

最后用一图总结。第一条规则添加指向，而后三条规则传递指向关系。

How to Implement Pointer Analysis

别处的资料都没有全家桶，只介绍某些特殊情况下的分析算法。在这里你能喜提一个完整的指针分析算法全家桶。

本质上来说，指针分析是在指针间传递指向关系。

inclusion constraints的具体解释：在上述表示的结论部分中可以写作两个集合间的包含关系。如Load应该表示为：

  • 前提：y=x.f和 $$o_i \in pt(x)$$
  • 结论：$$pt(o_i.f) \subset pt(y)$$

Key to implementation: when 𝑝𝑡(𝑥)is changed, propagate the changed part to the related pointers of 𝑥

Pointer Flow Graph

Pointer Flow Graph (PFG) of a program is a directed graph
that expresses how objects flow among the pointers in the program.

为了实现指针分析，我们首先了解与之密切相关的数据结构——指针流图。

图的两大要素是Node和Edge。我们定义：

  • Node: Pointer = V ⋃ (O × F)
    • A node n represents a variable or a field of an abstract object
  • Edges: Pointer × Pointer
    • An edge 𝑥 -> 𝑦 means that the objects pointed by pointer 𝑥 may flow to (and also be pointed to by) pointer 𝑦

Example

假设c和d一开始都指向 $$o_i$$，根据上述规则，我们能够从左侧的程序语句从上到下构建出右侧的指针流图。

因此，所有b所指向的对象更新时，都要传递到e中。这是一个求传递闭包(transitive closure)的过程。假如我们考虑j位置的一条新语句b = new T();

PFG的整个构造过程，需要在构建PFG和在已有的PFG上传递指向关系这两个步骤间循环往复。这两个步骤是相互依赖的，所以需要精心设计算法来实现分析。

Pointer Analysis: Algorithms

Introduction to algorithm

  • 由于做流不敏感分析。输入为Set，丢失了语句的顺序关系也没关系。
  • WorkList：保存接下来要处理的指向信息，与BFS中的队列作用类似。
    • Each worklist entry 𝑛, 𝑝𝑡𝑠 is a pair of pointer 𝑛 and points-to set 𝑝𝑡𝑠, which means that 𝑝𝑡𝑠 should be propagated to 𝑝𝑡(𝑛)
    • E.g., $$[(x,{o_i}),(y,{o_j, o_k}),(x.f,{(o_l)}),\dots]$$

首先，四个红框部分对应之前提到的四种基本语句——New、Assign、Store和Load。接下来做详细讲解。

Handling of New and Assign

Init and adding edges

首先考虑两种简单的语句：New和Assign。

  • 前三行代码做初始化的工作，并针对所有的New语句，将所有的初始指向关系加入WorkList。
  • 之后的两行代码处理Assign语句，添加y->x的边到PFG中。添加边的具体算法如下

Propagate

传播的具体算法如下，标号为2的语句是整个算法中唯一执行后改变指向关系的语句。

Detial-Differential Propagation

在真实的指针分析中，对象的数量非常巨大（上亿），我们通过Differential Propagation来消除冗余。

Solve(𝑆)
    ...
    while WL is not empty do
        remove 𝑛, 𝑝𝑡𝑠 from WL
        Δ = pts – pt(n) // Differential Propagation
        Propagate(n, Δ) // Differential Propagation

首先我们考虑不使用Differential Propagation的情况，首先是a->c->d的传递路线。

然后是b->c->d的传递路线，虽然 $${o_1, o_3}$$之前已经在c所指向的集合中了，但依然需要参与传播，这是冗余的。

我们再来看使用Differential Propagation的情况，只需要传播$${o_5}$$一项即可。在实际应用中这能够大大减小开销。

  • In practice, Δ is usually small compared with the original set, so propagating only the new points-to information (Δ)
  • Besides, Δ is also important for efficiency when handling stores, loads, and method calls, as explained later

Handling Store and Load

对于AddEdge函数中第二个if的说明：仅在第一次添加s->t到PFG时添加pt(s)的信息到t，是因为Propagate中的语句能够处理后续的pt(s)变化。

The Algorithm-Review

至此，我们完整地介绍了为了教学目的设计的指针分析算法。

Example

尝试用上述算法，计算以下代码的PFG。

b = new C();
a = b;
c = new C();
c.f = a;
d = c;
c.f = d;
e = d.f;

这一例子动态内容很多，所以计划录制一小段视频讲解。先放个答案，能自己推导对的同学就可以跳过视频了。

Key points

The X You Need To Understand in This Lecture

  • Rules for pointer analysis
  • PFG(Pointer flow graph)
  • Algorithm for pointer analysis