由于嵌入式系統(tǒng)行業(yè)的快速發(fā)展，嵌入式設(shè)備的代碼質(zhì)量成為首要關(guān)注的問(wèn)題之一。考慮到嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的特殊性（調(diào)試?yán)щy、出錯(cuò)成本高等），開(kāi)發(fā)人員需要使用專門(mén)的工具來(lái)提升自己的代碼質(zhì)量。

靜態(tài)代碼分析器就是這些工具之一。本文描述了靜態(tài)分析以及它如何在嵌入式系統(tǒng)中受益。

靜態(tài)代碼分析

首先，讓我們弄清楚靜態(tài)代碼分析器是什么以及它們可以執(zhí)行哪些功能。

靜態(tài)代碼分析器是分析程序而不實(shí)際執(zhí)行它的軟件。靜態(tài)分析工具比編譯器對(duì)源代碼進(jìn)行更深入的檢查。通常，編譯器只發(fā)現(xiàn)語(yǔ)法錯(cuò)誤。

靜態(tài)分析工具的工作原理：

分析器的輸入數(shù)據(jù)是源代碼（最好是可編譯的）

分析器將源代碼轉(zhuǎn)換為特殊模型以供進(jìn)一步分析（AST、語(yǔ)義模型等）；

分析器通過(guò)對(duì)模型應(yīng)用一組診斷規(guī)則來(lái)搜索缺陷。診斷規(guī)則基于各種方法；

分析儀以方便您的格式保存所有發(fā)出的警告；

開(kāi)發(fā)人員只需要研究報(bào)告并修復(fù)所有缺陷；

利潤(rùn)！

靜態(tài)分析儀可以執(zhí)行廣泛的任務(wù)。讓我們介紹分析器最常見(jiàn)的任務(wù)：

程序代碼中的錯(cuò)誤檢測(cè)。在這種情況下，靜態(tài)分析極大地補(bǔ)充了代碼審查。它允許您在您和您的同事開(kāi)始繁瑣的代碼審查之前發(fā)現(xiàn)并解決許多問(wèn)題；

廣義上的代碼質(zhì)量增強(qiáng)。代碼質(zhì)量可以包括可讀性、可維護(hù)性、代碼復(fù)雜性、內(nèi)聚程度以及可以直接或間接影響錯(cuò)誤數(shù)量的其他方面。因此，靜態(tài)分析器有助于遵循編碼標(biāo)準(zhǔn)（在公司內(nèi)接受并普遍接受）；

代碼分析作為 CI/CD 中質(zhì)量門(mén)機(jī)制的一部分。分析器不僅可以警告代碼中的潛在錯(cuò)誤，還可以作為一種保護(hù)機(jī)制。如果代碼質(zhì)量水平不符合規(guī)定的要求，他們就會(huì)停止持續(xù)交付。如果檢測(cè)到錯(cuò)誤或不符合標(biāo)準(zhǔn)的代碼片段，此類代碼分析器會(huì)擴(kuò)展編譯器行為并阻止構(gòu)建；

項(xiàng)目指標(biāo)的收集、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的收集、反映項(xiàng)目“總體健康狀況”的圖形和圖表結(jié)構(gòu)。

實(shí)施效益

靜態(tài)分析器已被證明對(duì)嵌入式軟件非常有用。讓我們看看靜態(tài)分析最明顯的積極方面。

首先，靜態(tài)分析的使用減少了昂貴的（如果不是不可能的話）已經(jīng)發(fā)布的設(shè)備“閃爍”的可能性。

嵌入式系統(tǒng)軟件中的錯(cuò)誤非常麻煩。問(wèn)題是一旦開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)，這些錯(cuò)誤就不可能或幾乎不可能糾正。假設(shè)一家公司已經(jīng)生產(chǎn)了數(shù)千臺(tái)洗衣機(jī)并將其交付給商店。但是，結(jié)果機(jī)器在某種模式下無(wú)法正常工作。公司應(yīng)該怎么做？一般來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題是修辭性的，有兩種實(shí)際選擇：

順其自然，在各個(gè)網(wǎng)站上收到負(fù)面的客戶反饋，破壞聲譽(yù)。當(dāng)然，公司可以發(fā)布并發(fā)送手動(dòng)添加說(shuō)“不要這樣做”。然而，這是一個(gè)“弱”的選擇；

退出銷(xiāo)售機(jī)器并開(kāi)始更新固件。這是一個(gè)昂貴的選擇。

發(fā)布多少設(shè)備并不重要。修復(fù)錯(cuò)誤可能有問(wèn)題，甚至為時(shí)已晚。火箭墜毀——錯(cuò)誤被發(fā)現(xiàn)，但為時(shí)已晚。患者死亡——錯(cuò)誤被檢測(cè)到，但它不會(huì)讓人們回來(lái)。導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的目標(biāo)精度損失- 檢測(cè)到錯(cuò)誤，但損壞已經(jīng)造成。汽車(chē)休息不起作用- 檢測(cè)到錯(cuò)誤，但這無(wú)助于車(chē)禍?zhǔn)芎φ摺３绦蝈e(cuò)誤的代價(jià)是可怕的，不是嗎？

結(jié)論很簡(jiǎn)單：嵌入式設(shè)備的代碼應(yīng)該盡可能徹底地測(cè)試。特別是如果錯(cuò)誤可能導(dǎo)致人員傷亡或巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

靜態(tài)代碼分析是檢測(cè)錯(cuò)誤的過(guò)程，但它不保證會(huì)發(fā)現(xiàn)代碼中的所有錯(cuò)誤。但是，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)該利用任何機(jī)會(huì)額外檢查代碼的正確性。靜態(tài)分析器可以指出即使在多次代碼審查之后仍然存在的各種錯(cuò)誤。

如果靜態(tài)分析可以幫助減少設(shè)備代碼中的錯(cuò)誤數(shù)量，那就太棒了。也許這些特殊錯(cuò)誤的發(fā)現(xiàn)將防止生命損失。或者，也許這些公司不會(huì)浪費(fèi)很多錢(qián)，也不會(huì)因?yàn)榭蛻敉对V而失去良好的聲譽(yù)。

其次，靜態(tài)代碼分析器顯著降低了軟件測(cè)試和調(diào)試過(guò)程的成本。

靜態(tài)分析允許您在編碼期間或夜間構(gòu)建期間發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。結(jié)果，大多數(shù)錯(cuò)誤的搜索和修復(fù)可以便宜得多。

可能每個(gè)開(kāi)發(fā)人員都嘗試過(guò)“刷新”設(shè)備，但沒(méi)有成功。例如，在此過(guò)程中，設(shè)備沒(méi)有設(shè)置正確的電壓或完全燒壞。發(fā)生了什么，您在哪里尋找問(wèn)題？畢竟，不僅僅是軟件錯(cuò)誤可能是問(wèn)題的根源。也可能是硬件本身的錯(cuò)誤或質(zhì)量差的布局。因此，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的過(guò)程可能需要很長(zhǎng)時(shí)間。

最悲傷的場(chǎng)景：

開(kāi)發(fā)人員 100% 確定他編寫(xiě)的代碼是正確的；

電路工程師和其他負(fù)責(zé)硬件的同事參與了該項(xiàng)目；

尋找問(wèn)題的過(guò)程緩慢而費(fèi)力；

開(kāi)發(fā)人員再次查看代碼并突然發(fā)現(xiàn) - 一個(gè)錯(cuò)字；

超級(jí)低效浪費(fèi)隊(duì)友的精力和時(shí)間；

這很尷尬和不愉快。

由于以下原因，可能會(huì)彈出此類錯(cuò)誤。在正在進(jìn)行的項(xiàng)目中，開(kāi)發(fā)人員使用了他的舊做法，他需要至少適應(yīng)項(xiàng)目。例如，他可以編寫(xiě)以下代碼片段：

uchar Arr［3］;

。..。

for （uchar idx = 0; idx ！= 4; idx++）

avg += Arr［idx］;

avg /= 3;

這個(gè)錯(cuò)誤的背景如下。開(kāi)發(fā)人員以他之前的開(kāi)發(fā)為基礎(chǔ)，代碼主要是使用復(fù)制粘貼方法編寫(xiě)的。他沒(méi)注意，忘了把4換成3在一行。結(jié)果，他在訪問(wèn)位于數(shù)組邊界之外的索引時(shí)出現(xiàn)了未定義的行為。這樣的代碼可能是陰險(xiǎn)的。程序在調(diào)試過(guò)程中可以正常工作。但是，在實(shí)際情況下，當(dāng)客戶端多次運(yùn)行它時(shí)，它可能會(huì)崩潰。如果靜態(tài)分析器發(fā)現(xiàn)這樣的錯(cuò)誤，那就太好了。

因此，為避免調(diào)試過(guò)程曲折而費(fèi)力，在刷機(jī)之前盡可能多地檢測(cè)出缺陷位置非常重要。

第三，靜態(tài)分析的使用保證了沒(méi)有太多經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)人員。

程序錯(cuò)誤可以形象地分為兩種類型。開(kāi)發(fā)人員知道第一種類型的錯(cuò)誤。由于疏忽，這些錯(cuò)誤意外地出現(xiàn)在代碼中。第二種錯(cuò)誤出現(xiàn)在開(kāi)發(fā)人員根本不知道不可能以這種方式編寫(xiě)代碼的情況下。換句話說(shuō)，他們可以隨心所欲地查看此類代碼，但仍然不會(huì)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。

靜態(tài)分析器包含有關(guān)各種代碼模式的知識(shí)庫(kù)。在某些情況下，這些模式會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。因此，他們可以指出開(kāi)發(fā)人員自己不會(huì)發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤。一個(gè)例子是使用 32 位 time_t 類型，這可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備在2038之后無(wú)法正常工作。

另一個(gè)例子是程序的未定義行為，這是由于不當(dāng)使用移位運(yùn)算符《《/》》而發(fā)生的。這些運(yùn)算符在微控制器的代碼中被廣泛使用。不幸的是，開(kāi)發(fā)人員經(jīng)常非常粗心地使用這些運(yùn)算符。這使得程序不可靠并且依賴于編譯器的特定版本和設(shè)置。同時(shí)，程序可以運(yùn)行，但這不是因?yàn)樗拇a寫(xiě)得對(duì)，而是因?yàn)?a target="_blank">開(kāi)發(fā)者很幸運(yùn)。

使用靜態(tài)分析器，開(kāi)發(fā)人員可以對(duì)沖許多此類不愉快的情況。此外，您可以使用分析器來(lái)控制整體代碼質(zhì)量。當(dāng)項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)正在成長(zhǎng)或變化時(shí)，這一點(diǎn)很重要。換句話說(shuō)，分析器有助于跟蹤初學(xué)者是否開(kāi)始編寫(xiě)糟糕的代碼。

第四，現(xiàn)代靜態(tài)分析器不僅能發(fā)現(xiàn)代碼錯(cuò)誤和漏洞，還支持嵌入式系統(tǒng)的編碼標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)提高了程序的安全性、可移植性和可靠性水平。

C 和 C++ 被稱為嵌入式系統(tǒng)的流行編程語(yǔ)言。MISRA C、MISRA C++ 和 AUTOSAR C++ 等標(biāo)準(zhǔn)是為這些語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都有相當(dāng)多的規(guī)則和建議（MISRA C：143，MISRA C++：228，AUTOSAR C++：超過(guò) 350）。在沒(méi)有靜態(tài)代碼分析器的情況下編碼時(shí)，根本不可能遵守這么多的規(guī)則和建議。這些規(guī)則是開(kāi)發(fā)人員需要避免的編碼模式，從而減少出錯(cuò)的可能性。目前，所有主要的靜態(tài)分析參與者（Coverity、Klockwork、PVS-Studio，。..）都在努力盡可能地增加標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋范圍。

編碼標(biāo)準(zhǔn)

MISRA 的歷史始于很久以前。回到 90 年代初，“安全 IT”英國(guó)政府計(jì)劃為各種與電子系統(tǒng)安全相關(guān)的項(xiàng)目提供資金。MISRA（汽車(chē)工業(yè)軟件可靠性協(xié)會(huì)）項(xiàng)目本身的成立是為了創(chuàng)建用于開(kāi)發(fā)陸地車(chē)輛微控制器軟件的指南 - 主要是汽車(chē)。

MISRA（作為一個(gè)組織）是一個(gè)由來(lái)自各種汽車(chē)和飛機(jī)行業(yè)的利益相關(guān)者組成的社區(qū)。

賓利汽車(chē)；

福特汽車(chē)公司；

捷豹路虎；

德?tīng)柛２裼拖到y(tǒng)；

堀場(chǎng)米拉；

千變?nèi)f化電氣；

偉世通工程服務(wù)；

利茲大學(xué)；

英國(guó)里卡多；

采埃孚天合。

非常強(qiáng)大的市場(chǎng)參與者，不是嗎？毫不奇怪，他們的第一個(gè)與語(yǔ)言相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn) MISRA C 在關(guān)鍵嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員中獲得了廣泛的認(rèn)可。不久之后，出現(xiàn)了 MISRA C++。逐漸地，標(biāo)準(zhǔn)的版本已經(jīng)更新和修訂，以涵蓋語(yǔ)言的新功能。目前，當(dāng)前版本是 MISRA C： 2012 和 MISRA C++： 2008。

MISRA 最顯著的特點(diǎn)是其對(duì)細(xì)節(jié)的難以置信的關(guān)注和在確保安全和安保方面的極度細(xì)致。作者不僅將所有 C 和 C++ 缺陷集中在一個(gè)地方（例如 CERT 的作者）。他們還仔細(xì)制定了這些語(yǔ)言的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并寫(xiě)出了所有可能出錯(cuò)的方法。之后，他們添加了關(guān)于代碼可讀性的規(guī)則和建議。畢竟，在簡(jiǎn)單易讀的代碼中更難出錯(cuò)，在 Code-Review 期間更容易發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。

通常，第一次遇到 MISRA 的人會(huì)覺(jué)得該標(biāo)準(zhǔn)的目的是“禁止這個(gè)和禁止那個(gè)”。事實(shí)上，確實(shí)如此，但只是部分如此。

該標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)有許多禁止某些行為的規(guī)則。但是，這并不是要全面禁止，而是要列出所有可能導(dǎo)致安全漏洞的方式。對(duì)于大多數(shù)規(guī)則，您自己選擇是否需要遵守它們。讓我更詳細(xì)地解釋一下。

MISRA C 規(guī)則分為三個(gè)主要類別：強(qiáng)制、必需和建議。在任何情況下都不得違反強(qiáng)制性規(guī)則。例如，本節(jié)包括規(guī)則：“不要使用未啟動(dòng)變量的值”。所需的規(guī)則不那么嚴(yán)格。它們?cè)试S偏差的可能性。但是開(kāi)發(fā)人員需要以書(shū)面形式證明這些偏差的合理性并詳細(xì)記錄它們。其余規(guī)則屬于咨詢類別——它們是非強(qiáng)制性的。

MISRA C++ 有點(diǎn)不同：沒(méi)有 Mandatory 類別，大部分規(guī)則屬于Required 類別。因此，事實(shí)上，您有權(quán)違反任何規(guī)則——只是不要忘記記錄偏差。還有文檔類別。它包括與一般實(shí)踐相關(guān)的強(qiáng)制性規(guī)則（不允許有偏差），例如“必須記錄匯編程序的每次使用”或“包含的庫(kù)必須符合 MISRA C++”。

該標(biāo)準(zhǔn)既包含對(duì)問(wèn)題問(wèn)題的描述，也包含在承擔(dān)某項(xiàng)任務(wù)之前必須了解的提示：如何根據(jù) MISRA 設(shè)置開(kāi)發(fā)流程；如何使用靜態(tài)分析器檢查代碼的合規(guī)性；一個(gè)人必須維護(hù)哪些文件，如何填寫(xiě)它們等等。

目前，MISRA 不斷發(fā)展。例如，MISRA 在 2019 年初發(fā)布了《MISRA C:2012 第三版（第一次修訂）》。這是 MISRA C:2012 版更新和擴(kuò)展了新規(guī)則。同時(shí)，即將發(fā)布的《MISRA C： 2012 Amendment 2 – C11 Core”公布，這是 2012 年的修訂標(biāo)準(zhǔn)。

MISRA C++ 也不會(huì)停滯不前。如您所知，MISRA C++ 的最后一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以追溯到 2008 年，因此它所涵蓋的語(yǔ)言的最新版本是 C++03。正因?yàn)槿绱耍€有一個(gè)類似于MISRA的標(biāo)準(zhǔn)，它的名字叫AUTOSAR C++。它最初旨在作為 MISRA C++ 的延續(xù)，并旨在涵蓋該語(yǔ)言的更高版本。與其策劃者不同，AUTOSAR C++ 每年更新兩次，目前支持 C++14。新的 C++17 和 C++20 更新尚未到來(lái)。

結(jié)論

在本文中，我想說(shuō)明使用靜態(tài)分析器對(duì)任何嵌入式項(xiàng)目都絕對(duì)有用。使用靜態(tài)分析將幫助您：

減少查找和修復(fù)錯(cuò)誤所需的時(shí)間；

減少嚴(yán)重錯(cuò)誤的可能性；

減少對(duì)固件更新的需求；

監(jiān)控整體代碼質(zhì)量；

監(jiān)控新團(tuán)隊(duì)成員的表現(xiàn)；

嚴(yán)格遵守一定的軟件開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)；

監(jiān)控第三方模塊/庫(kù)的代碼質(zhì)量。

審核編輯：郭婷