Daily bump.
[official-gcc.git] / gcc / doc / analyzer.texi
blobaadb0de0798a9a8a97659084989615977d403d4d
1 @c Copyright (C) 2019-2021 Free Software Foundation, Inc.
2 @c This is part of the GCC manual.
3 @c For copying conditions, see the file gcc.texi.
4 @c Contributed by David Malcolm <dmalcolm@redhat.com>.
6 @node Static Analyzer
7 @chapter Static Analyzer
8 @cindex analyzer
9 @cindex static analysis
10 @cindex static analyzer
12 @menu
13 * Analyzer Internals::       Analyzer Internals
14 * Debugging the Analyzer::   Useful debugging tips
15 @end menu
17 @node Analyzer Internals
18 @section Analyzer Internals
19 @cindex analyzer, internals
20 @cindex static analyzer, internals
22 @subsection Overview
24 The analyzer implementation works on the gimple-SSA representation.
25 (I chose this in the hopes of making it easy to work with LTO to
26 do whole-program analysis).
28 The implementation is read-only: it doesn't attempt to change anything,
29 just emit warnings.
31 The gimple representation can be seen using @option{-fdump-ipa-analyzer}.
32 @quotation Tip
33 If the analyzer ICEs before this is written out, one workaround is to use
34 @option{--param=analyzer-bb-explosion-factor=0} to force the analyzer
35 to bail out after analyzing the first basic block.
36 @end quotation
38 First, we build a @code{supergraph} which combines the callgraph and all
39 of the CFGs into a single directed graph, with both interprocedural and
40 intraprocedural edges.  The nodes and edges in the supergraph are called
41 ``supernodes'' and ``superedges'', and often referred to in code as
42 @code{snodes} and @code{sedges}.  Basic blocks in the CFGs are split at
43 interprocedural calls, so there can be more than one supernode per
44 basic block.  Most statements will be in just one supernode, but a call
45 statement can appear in two supernodes: at the end of one for the call,
46 and again at the start of another for the return.
48 The supergraph can be seen using @option{-fdump-analyzer-supergraph}.
50 We then build an @code{analysis_plan} which walks the callgraph to
51 determine which calls might be suitable for being summarized (rather
52 than fully explored) and thus in what order to explore the functions.
54 Next is the heart of the analyzer: we use a worklist to explore state
55 within the supergraph, building an "exploded graph".
56 Nodes in the exploded graph correspond to <point,@w{ }state> pairs, as in
57      "Precise Interprocedural Dataflow Analysis via Graph Reachability"
58      (Thomas Reps, Susan Horwitz and Mooly Sagiv).
60 We reuse nodes for <point, state> pairs we've already seen, and avoid
61 tracking state too closely, so that (hopefully) we rapidly converge
62 on a final exploded graph, and terminate the analysis.  We also bail
63 out if the number of exploded <end-of-basic-block, state> nodes gets
64 larger than a particular multiple of the total number of basic blocks
65 (to ensure termination in the face of pathological state-explosion
66 cases, or bugs).  We also stop exploring a point once we hit a limit
67 of states for that point.
69 We can identify problems directly when processing a <point,@w{ }state>
70 instance.  For example, if we're finding the successors of
72 @smallexample
73    <point: before-stmt: "free (ptr);",
74     state: @{"ptr": freed@}>
75 @end smallexample
77 then we can detect a double-free of "ptr".  We can then emit a path
78 to reach the problem by finding the simplest route through the graph.
80 Program points in the analysis are much more fine-grained than in the
81 CFG and supergraph, with points (and thus potentially exploded nodes)
82 for various events, including before individual statements.
83 By default the exploded graph merges multiple consecutive statements
84 in a supernode into one exploded edge to minimize the size of the
85 exploded graph.  This can be suppressed via
86 @option{-fanalyzer-fine-grained}.
87 The fine-grained approach seems to make things simpler and more debuggable
88 that other approaches I tried, in that each point is responsible for one
89 thing.
91 Program points in the analysis also have a "call string" identifying the
92 stack of callsites below them, so that paths in the exploded graph
93 correspond to interprocedurally valid paths: we always return to the
94 correct call site, propagating state information accordingly.
95 We avoid infinite recursion by stopping the analysis if a callsite
96 appears more than @code{analyzer-max-recursion-depth} in a callstring
97 (defaulting to 2).
99 @subsection Graphs
101 Nodes and edges in the exploded graph are called ``exploded nodes'' and
102 ``exploded edges'' and often referred to in the code as
103 @code{enodes} and @code{eedges} (especially when distinguishing them
104 from the @code{snodes} and @code{sedges} in the supergraph).
106 Each graph numbers its nodes, giving unique identifiers - supernodes
107 are referred to throughout dumps in the form @samp{SN': @var{index}} and
108 exploded nodes in the form @samp{EN: @var{index}} (e.g. @samp{SN: 2} and
109 @samp{EN:29}).
111 The supergraph can be seen using @option{-fdump-analyzer-supergraph-graph}.
113 The exploded graph can be seen using @option{-fdump-analyzer-exploded-graph}
114 and other dump options.  Exploded nodes are color-coded in the .dot output
115 based on state-machine states to make it easier to see state changes at
116 a glance.
118 @subsection State Tracking
120 There's a tension between:
121 @itemize @bullet
122 @item
123 precision of analysis in the straight-line case, vs
124 @item
125 exponential blow-up in the face of control flow.
126 @end itemize
128 For example, in general, given this CFG:
130 @smallexample
131       A
132      / \
133     B   C
134      \ /
135       D
136      / \
137     E   F
138      \ /
139       G
140 @end smallexample
142 we want to avoid differences in state-tracking in B and C from
143 leading to blow-up.  If we don't prevent state blowup, we end up
144 with exponential growth of the exploded graph like this:
146 @smallexample
148            1:A
149           /   \
150          /     \
151         /       \
152       2:B       3:C
153        |         |
154       4:D       5:D        (2 exploded nodes for D)
155      /   \     /   \
156    6:E   7:F 8:E   9:F
157     |     |   |     |
158    10:G 11:G 12:G  13:G    (4 exploded nodes for G)
160 @end smallexample
162 Similar issues arise with loops.
164 To prevent this, we follow various approaches:
166 @enumerate a
167 @item
168 state pruning: which tries to discard state that won't be relevant
169 later on withing the function.
170 This can be disabled via @option{-fno-analyzer-state-purge}.
172 @item
173 state merging.  We can try to find the commonality between two
174 program_state instances to make a third, simpler program_state.
175 We have two strategies here:
177   @enumerate
178   @item
179      the worklist keeps new nodes for the same program_point together,
180      and tries to merge them before processing, and thus before they have
181      successors.  Hence, in the above, the two nodes for D (4 and 5) reach
182      the front of the worklist together, and we create a node for D with
183      the merger of the incoming states.
185   @item
186      try merging with the state of existing enodes for the program_point
187      (which may have already been explored).  There will be duplication,
188      but only one set of duplication; subsequent duplicates are more likely
189      to hit the cache.  In particular, (hopefully) all merger chains are
190      finite, and so we guarantee termination.
191      This is intended to help with loops: we ought to explore the first
192      iteration, and then have a "subsequent iterations" exploration,
193      which uses a state merged from that of the first, to be more abstract.
194   @end enumerate
196 We avoid merging pairs of states that have state-machine differences,
197 as these are the kinds of differences that are likely to be most
198 interesting.  So, for example, given:
200 @smallexample
201       if (condition)
202         ptr = malloc (size);
203       else
204         ptr = local_buf;
206       .... do things with 'ptr'
208       if (condition)
209         free (ptr);
211       ...etc
212 @end smallexample
214 then we end up with an exploded graph that looks like this:
216 @smallexample
218                    if (condition)
219                      / T      \ F
220             ---------          ----------
221            /                             \
222       ptr = malloc (size)             ptr = local_buf
223           |                               |
224       copy of                         copy of
225         "do things with 'ptr'"          "do things with 'ptr'"
226       with ptr: heap-allocated        with ptr: stack-allocated
227           |                               |
228       if (condition)                  if (condition)
229           | known to be T                 | known to be F
230       free (ptr);                         |
231            \                             /
232             -----------------------------
233                          | ('ptr' is pruned, so states can be merged)
234                         etc
236 @end smallexample
238 where some duplication has occurred, but only for the places where the
239 the different paths are worth exploringly separately.
241 Merging can be disabled via @option{-fno-analyzer-state-merge}.
242 @end enumerate
244 @subsection Region Model
246 Part of the state stored at a @code{exploded_node} is a @code{region_model}.
247 This is an implementation of the region-based ternary model described in
248 @url{https://www.researchgate.net/publication/221430855_A_Memory_Model_for_Static_Analysis_of_C_Programs,
249 "A Memory Model for Static Analysis of C Programs"}
250 (Zhongxing Xu, Ted Kremenek, and Jian Zhang).
252 A @code{region_model} encapsulates a representation of the state of
253 memory, with a @code{store} recording a binding between @code{region}
254 instances, to @code{svalue} instances.  The bindings are organized into
255 clusters, where regions accessible via well-defined pointer arithmetic
256 are in the same cluster.  The representation is graph-like because values
257 can be pointers to regions.  It also stores a constraint_manager,
258 capturing relationships between the values.
260 Because each node in the @code{exploded_graph} has a @code{region_model},
261 and each of the latter is graph-like, the @code{exploded_graph} is in some
262 ways a graph of graphs.
264 Here's an example of printing a @code{program_state}, showing the
265 @code{region_model} within it, along with state for the @code{malloc}
266 state machine.
268 @smallexample
269 (gdb) call debug (*this)
270 rmodel:
271 stack depth: 1
272   frame (index 0): frame: ‘test’@@1
273 clusters within frame: ‘test’@@1
274   cluster for: ptr_3: &HEAP_ALLOCATED_REGION(12)
275 m_called_unknown_fn: FALSE
276 constraint_manager:
277   equiv classes:
278   constraints:
279 malloc:
280   0x2e89590: &HEAP_ALLOCATED_REGION(12): unchecked ('ptr_3')
281 @end smallexample
283 This is the state at the point of returning from @code{calls_malloc} back
284 to @code{test} in the following:
286 @smallexample
287 void *
288 calls_malloc (void)
290   void *result = malloc (1024);
291   return result;
294 void test (void)
296   void *ptr = calls_malloc ();
297   /* etc.  */
299 @end smallexample
301 Within the store, there is the cluster for @code{ptr_3} within the frame
302 for @code{test}, where the whole cluster is bound to a pointer value,
303 pointing at @code{HEAP_ALLOCATED_REGION(12)}.  Additionally, this pointer
304 has the @code{unchecked} state for the @code{malloc} state machine
305 indicating it hasn't yet been checked against NULL since the allocation
306 call.
308 @subsection Analyzer Paths
310 We need to explain to the user what the problem is, and to persuade them
311 that there really is a problem.  Hence having a @code{diagnostic_path}
312 isn't just an incidental detail of the analyzer; it's required.
314 Paths ought to be:
315 @itemize @bullet
316 @item
317 interprocedurally-valid
318 @item
319 feasible
320 @end itemize
322 Without state-merging, all paths in the exploded graph are feasible
323 (in terms of constraints being satisfied).
324 With state-merging, paths in the exploded graph can be infeasible.
326 We collate warnings and only emit them for the simplest path
327 e.g. for a bug in a utility function, with lots of routes to calling it,
328 we only emit the simplest path (which could be intraprocedural, if
329 it can be reproduced without a caller).
331 We thus want to find the shortest feasible path through the exploded
332 graph from the origin to the exploded node at which the diagnostic was
333 saved.  Unfortunately, if we simply find the shortest such path and
334 check if it's feasible we might falsely reject the diagnostic, as there
335 might be a longer path that is feasible.  Examples include the cases
336 where the diagnostic requires us to go at least once around a loop for a
337 later condition to be satisfied, or where for a later condition to be
338 satisfied we need to enter a suite of code that the simpler path skips.
340 We attempt to find the shortest feasible path to each diagnostic by
341 first constructing a ``trimmed graph'' from the exploded graph,
342 containing only those nodes and edges from which there are paths to
343 the target node, and using Dijkstra's algorithm to order the trimmed
344 nodes by minimal distance to the target.
346 We then use a worklist to iteratively build a ``feasible graph''
347 (actually a tree), capturing the pertinent state along each path, in
348 which every path to a ``feasible node'' is feasible by construction,
349 restricting ourselves to the trimmed graph to ensure we stay on target,
350 and ordering the worklist so that the first feasible path we find to the
351 target node is the shortest possible path.  Hence we start by trying the
352 shortest possible path, but if that fails, we explore progressively
353 longer paths, eventually trying iterations through loops.  The
354 exploration is captured in the feasible_graph, which can be dumped as a
355 .dot file via @option{-fdump-analyzer-feasibility} to visualize the
356 exploration.  The indices of the feasible nodes show the order in which
357 they were created.  We effectively explore the tree of feasible paths in
358 order of shortest path until we either find a feasible path to the
359 target node, or hit a limit and give up.
361 This is something of a brute-force approach, but the trimmed graph
362 hopefully keeps the complexity manageable.
364 This algorithm can be disabled (for debugging purposes) via
365 @option{-fno-analyzer-feasibility}, which simply uses the shortest path,
366 and notes if it is infeasible.
368 The above gives us a shortest feasible @code{exploded_path} through the
369 @code{exploded_graph} (a list of @code{exploded_edge *}).  We use this
370 @code{exploded_path} to build a @code{diagnostic_path} (a list of
371 @strong{events} for the diagnostic subsystem) - specifically a
372 @code{checker_path}.
374 Having built the @code{checker_path}, we prune it to try to eliminate
375 events that aren't relevant, to minimize how much the user has to read.
377 After pruning, we notify each event in the path of its ID and record the
378 IDs of interesting events, allowing for events to refer to other events
379 in their descriptions.  The @code{pending_diagnostic} class has various
380 vfuncs to support emitting more precise descriptions, so that e.g.
382 @itemize @bullet
383 @item
384 a deref-of-unchecked-malloc diagnostic might use:
385 @smallexample
386   returning possibly-NULL pointer to 'make_obj' from 'allocator'
387 @end smallexample
388 for a @code{return_event} to make it clearer how the unchecked value moves
389 from callee back to caller
390 @item
391 a double-free diagnostic might use:
392 @smallexample
393   second 'free' here; first 'free' was at (3)
394 @end smallexample
395 and a use-after-free might use
396 @smallexample
397   use after 'free' here; memory was freed at (2)
398 @end smallexample
399 @end itemize
401 At this point we can emit the diagnostic.
403 @subsection Limitations
405 @itemize @bullet
406 @item
407 Only for C so far
408 @item
409 The implementation of call summaries is currently very simplistic.
410 @item
411 Lack of function pointer analysis
412 @item
413 The constraint-handling code assumes reflexivity in some places
414 (that values are equal to themselves), which is not the case for NaN.
415 As a simple workaround, constraints on floating-point values are
416 currently ignored.
417 @item
418 There are various other limitations in the region model (grep for TODO/xfail
419 in the testsuite).
420 @item
421 The constraint_manager's implementation of transitivity is currently too
422 expensive to enable by default and so must be manually enabled via
423 @option{-fanalyzer-transitivity}).
424 @item
425 The checkers are currently hardcoded and don't allow for user extensibility
426 (e.g. adding allocate/release pairs).
427 @item
428 Although the analyzer's test suite has a proof-of-concept test case for
429 LTO, LTO support hasn't had extensive testing.  There are various
430 lang-specific things in the analyzer that assume C rather than LTO.
431 For example, SSA names are printed to the user in ``raw'' form, rather
432 than printing the underlying variable name.
433 @end itemize
435 Some ideas for other checkers
436 @itemize @bullet
437 @item
438 File-descriptor-based APIs
439 @item
440 Linux kernel internal APIs
441 @item
442 Signal handling
443 @end itemize
445 @node Debugging the Analyzer
446 @section Debugging the Analyzer
447 @cindex analyzer, debugging
448 @cindex static analyzer, debugging
450 @subsection Special Functions for Debugging the Analyzer
452 The analyzer recognizes various special functions by name, for use
453 in debugging the analyzer.  Declarations can be seen in the testsuite
454 in @file{analyzer-decls.h}.  None of these functions are actually
455 implemented.
457 Add:
458 @smallexample
459   __analyzer_break ();
460 @end smallexample
461 to the source being analyzed to trigger a breakpoint in the analyzer when
462 that source is reached.  By putting a series of these in the source, it's
463 much easier to effectively step through the program state as it's analyzed.
465 The analyzer handles:
467 @smallexample
468 __analyzer_describe (0, expr);
469 @end smallexample
471 by emitting a warning describing the 2nd argument (which can be of any
472 type), at a verbosity level given by the 1st argument.  This is for use when
473 debugging, and may be of use in DejaGnu tests.
475 @smallexample
476 __analyzer_dump ();
477 @end smallexample
479 will dump the copious information about the analyzer's state each time it
480 reaches the call in its traversal of the source.
482 @smallexample
483 extern void __analyzer_dump_capacity (const void *ptr);
484 @end smallexample
486 will emit a warning describing the capacity of the base region of
487 the region pointed to by the 1st argument.
489 @smallexample
490 __analyzer_dump_path ();
491 @end smallexample
493 will emit a placeholder ``note'' diagnostic with a path to that call site,
494 if the analyzer finds a feasible path to it.
496 The builtin @code{__analyzer_dump_exploded_nodes} will emit a warning
497 after analysis containing information on all of the exploded nodes at that
498 program point:
500 @smallexample
501   __analyzer_dump_exploded_nodes (0);
502 @end smallexample
504 will output the number of ``processed'' nodes, and the IDs of
505 both ``processed'' and ``merger'' nodes, such as:
507 @smallexample
508 warning: 2 processed enodes: [EN: 56, EN: 58] merger(s): [EN: 54-55, EN: 57, EN: 59]
509 @end smallexample
511 With a non-zero argument
513 @smallexample
514   __analyzer_dump_exploded_nodes (1);
515 @end smallexample
517 it will also dump all of the states within the ``processed'' nodes.
519 @smallexample
520    __analyzer_dump_region_model ();
521 @end smallexample
522 will dump the region_model's state to stderr.
524 @smallexample
525 __analyzer_dump_state ("malloc", ptr);
526 @end smallexample
528 will emit a warning describing the state of the 2nd argument
529 (which can be of any type) with respect to the state machine with
530 a name matching the 1st argument (which must be a string literal).
531 This is for use when debugging, and may be of use in DejaGnu tests.
533 @smallexample
534 __analyzer_eval (expr);
535 @end smallexample
536 will emit a warning with text "TRUE", FALSE" or "UNKNOWN" based on the
537 truthfulness of the argument.  This is useful for writing DejaGnu tests.
540 @subsection Other Debugging Techniques
542 The option @option{-fdump-analyzer-json} will dump both the supergraph
543 and the exploded graph in compressed JSON form.
545 One approach when tracking down where a particular bogus state is
546 introduced into the @code{exploded_graph} is to add custom code to
547 @code{program_state::validate}.