由于嵌入式系統行業的快速增長，嵌入式設備的代碼質量成為主要關注點之一。考慮到嵌入式系統開發的特殊性（調試難度大、出錯成本高等），開發人員需要使用專用工具來提升代碼質量。

靜態代碼分析器是這些工具之一。本文介紹靜態分析及其在嵌入式系統中的優勢。

靜態代碼分析

首先，讓我們弄清楚什么是靜態代碼分析器以及它們可以執行哪些功能。

靜態代碼分析器是一種分析程序而不實際執行程序的軟件。靜態分析工具比編譯器對源代碼執行更深入的檢查。通常，編譯器只發現語法錯誤。

靜態分析工具的工作原理：

分析器的輸入數據是源代碼（最好是可編譯的）

分析器將源代碼轉換為特殊模型以供進一步分析（AST、語義模型等）;

分析器通過將一組診斷規則應用于模型來搜索缺陷。診斷規則基于各種方法;

分析器以您方便的格式保存所有發出的警告;

開發人員只需要研究報告并修復所有缺陷;

利潤！

靜態分析儀可以執行廣泛的任務。讓我們介紹分析器最常見的任務：

程序代碼中的錯誤檢測。在這種情況下，靜態分析極大地補充了代碼審查。它允許您在您和您的同事開始煩人的代碼審查之前找到并修復許多問題;

廣義上的代碼質量增強。代碼質量可以包括可讀性、可維護性、代碼復雜性、內聚級別以及可能直接或間接影響錯誤數的其他方面。因此，靜態分析儀有助于遵循編碼標準（公司內部接受和普遍接受）;

代碼分析作為 CI/CD 中質量門機制的一部分。分析器不僅可以警告代碼中的潛在錯誤，還可以用作保護機制。如果代碼質量級別不符合指定的要求，它們將停止持續交付。此類代碼分析器擴展編譯器行為，并在檢測到不符合標準的錯誤或代碼片段時阻止生成;

收集項目指標，收集統計數據，反映項目“總體健康狀況”的圖形和圖表結構。

實施的好處

事實證明，靜態分析儀對于嵌入式軟件非常有用。讓我們來看看靜態分析最明顯的積極方面。

首先，靜態分析的使用降低了已經發布的設備“閃爍”的昂貴（如果不是不可能的話）的可能性。

嵌入式系統軟件中的錯誤非常麻煩。問題在于，一旦開始批量生產，錯誤就不可能或幾乎不可能糾正。假設一家公司已經生產并交付了數千臺洗衣機。但是，事實證明機器在特定模式下無法正常工作。公司應該怎么做？一般來說，這個問題是修辭性的，有兩種真正的選擇：

順其自然，在各種網站上收到負面的客戶反饋，并破壞聲譽。當然，公司可以發布并發送手冊添加說“不要這樣做”。然而，這是一個“弱”的選擇;

以停止銷售計算機并開始更新固件。這是一個昂貴的選擇。

發布多少設備并不重要。修復錯誤可能有問題，甚至為時已晚。火箭墜毀了——檢測到錯誤，但為時已晚。病人死了——錯誤被檢測到了，但它不會把人帶回來。導彈防御系統有瞄準精度損失 - 檢測到錯誤，但損害已經完成。汽車故障不起作用 - 檢測到錯誤，但這無助于車禍受害者。編程錯誤的代價是可怕的，不是嗎？

結論很簡單：嵌入式設備的代碼應該盡可能徹底地測試。特別是如果錯誤可能導致人員傷亡或巨大的經濟損失。

靜態代碼分析是檢測錯誤的過程，但它不能保證它會找到代碼中的所有錯誤。但是，開發人員應利用任何機會額外檢查代碼的正確性。靜態分析器可以指出即使在多次代碼審查后仍然存在的各種錯誤。

如果靜態分析可以幫助減少設備代碼中的錯誤數量，那就太棒了。也許發現這些特定錯誤將防止生命損失。或者也許這些公司不會浪費很多錢，也不會因為客戶投訴而失去良好的聲譽。

其次，靜態代碼分析器大大降低了軟件測試和調試過程的成本。

靜態分析允許您在編碼或夜間構建期間發現錯誤。因此，搜索和修復大多數錯誤可以便宜得多。

可能每個開發人員都嘗試“刷新”設備失敗。例如，在此過程中，設備未設置為適當的電壓或完全燒壞。發生了什么，你在哪里尋找問題？畢竟，不僅是軟件錯誤可能是問題的根源。這也可能是硬件本身或低質量布局中的錯誤。因此，查找錯誤的過程可能需要很長時間。

最可悲的情況：

開發人員 100% 確定他編寫的代碼正確;

電路工程師和其他負責硬件的同事參與該項目;

對問題的搜索緩慢而疲憊;

開發人員再次查看代碼，突然發現 - 一個錯別字;

超級低效浪費隊友的精力和時間;

這是尷尬和不愉快的。

由于以下原因，可能會彈出此類錯誤。在正在進行的項目中，開發人員使用了他的舊做法，他至少需要適應項目。例如，他可以編寫以下代碼片段：

uchar Arr［3］;

。..。

for （uchar idx = 0; idx ！= 4; idx++）

avg += Arr［idx］;

avg /= 3;

此錯誤的背景如下。開發人員以他以前的開發為基礎，代碼主要是使用復制粘貼方法編寫的。他沒有注意，忘了在一行中用 4 替換 3。結果，他在訪問數組邊界之外的索引時獲得了未定義的行為。這樣的代碼可能是陰險的。程序在調試期間可以正常工作。但是，在實際條件下，當客戶端多次運行它時，它可能會崩潰。如果靜態分析器發現此類錯誤，那就太好了。

因此，為了避免曲折而疲憊的調試過程，在刷新設備之前檢測盡可能多的缺陷位置非常重要。

第三，靜態分析的使用為沒有太多經驗的開發人員提供了保障。

程序錯誤可以形象地分為兩種類型。開發人員知道第一種類型的錯誤。由于疏忽，這些錯誤意外出現在代碼中。第二種錯誤出現在開發人員根本不知道以這種方式編寫代碼的情況下。換句話說，他們可以根據需要查看此類代碼，但仍然找不到錯誤。

靜態分析器包含有關各種代碼模式的知識庫。在某些情況下，這些模式會導致錯誤。因此，他們可以指出開發人員自己不會發現的錯誤。一個例子是使用 32 位 time_t 類型，這可能會導致2038 年之后設備不正確的工作。

另一個例子是程序的未定義行為，這是由于不正確使用班次運算符 《《/》》 而發生的。這些運算符在微控制器的代碼中應用非常廣泛。不幸的是，開發人員經常非常粗心地使用這些運算符。這使得程序不可靠，并且依賴于編譯器的特定版本和設置。同時，該程序可以工作，但這并不是因為它的代碼編寫正確，而是因為開發人員很幸運。

使用靜態分析器，開發人員可以對沖許多此類不愉快的情況。此外，還可以使用分析器來控制整體代碼質量。當項目團隊成長或變化時，這一點很重要。換句話說，分析器有助于跟蹤初學者是否開始編寫錯誤代碼。

第四，現代靜態分析儀不僅可以發現代碼錯誤和漏洞，還可以支持嵌入式系統的編碼標準。這些標準提高了程序的安全性、可移植性和可靠性級別。

C 和 C++ 被稱為嵌入式系統的流行編程語言。MISRA C、MISRA C++ 和 AUTOSAR C++ 等標準是為這些語言開發的。每個標準都有相當數量的規則和建議（MISRA C：143，MISRA C++：228，AUTOSAR C++：超過350）。在沒有靜態代碼分析器的情況下進行編碼時，根本不可能遵守這么多規則和建議。這些規則是開發人員需要避免的編碼模式，從而降低出錯的可能性。目前，靜態分析的所有主要參與者（Coverity，Klockwork，PVS-Studio等）都在努力盡可能增加標準的覆蓋范圍。

編碼標準

MISRA的歷史始于很久以前。早在 90 年代初，“安全 IT”英國政府計劃就為與電子系統安全相關的各種項目提供資金。MISRA（汽車行業軟件可靠性協會）項目本身的成立是為了創建陸地車輛（主要是汽車）微控制器軟件開發指南。

MISRA（作為一個組織）是一個由來自各個汽車和飛機行業的利益相關者組成的社區。

賓利汽車;

福特汽車公司;

捷豹路虎;

德爾福柴油系統;

堀場米拉;

千變萬化的電氣;

偉世通工程服務;

利茲大學;

里卡多·英國;

采埃孚天合。

非常強大的市場參與者，不是嗎？毫不奇怪，他們的第一個語言相關標準MISRA C在關鍵嵌入式系統的開發人員中得到了廣泛的認可。過了一會兒，米斯拉C++出現了。標準的版本已逐步更新和修訂，以涵蓋語言的新特征。目前，目前的版本是MISRA C：2012和MISRA C++：2008。

MISRA最顯著的特點是其對細節的令人難以置信的關注和在確保安全和保障方面的極其細致。作者不只是在一個地方收集所有C和C++缺陷（例如，CERT的作者）。他們還仔細制定了這些語言的國際標準，并寫出了所有可能犯錯的方法。之后，他們添加了有關代碼可讀性的規則和建議。畢竟，在簡單易讀的代碼中犯錯誤更難，并且在代碼審查期間更容易檢測到錯誤。

通常，第一次遇到MISRA的人會覺得該標準的目的是“禁止這個，禁止那個”。事實上，確實如此，但只是部分。

該標準確實有許多禁止某些操作的規則。但是，這并不意味著要全部禁止，而是列出可能以某種方式導致安全漏洞的所有可能方法。對于大多數規則，您可以自己選擇是否需要遵守它們。讓我更詳細地解釋一下。

MISRA C 規則分為三個主要類別：強制性、必需性和建議性。在任何情況下都不能違反強制性規則。例如，此部分包含規則：“不要使用未啟動變量的值”。所需的規則不太嚴格。它們允許偏差的可能性。但是開發人員需要以書面形式證明這些偏差的合理性，并詳細記錄它們。其余規則屬于咨詢類別——它們是非強制性的。

MISRA C++略有不同：沒有必填類別，大多數規則都屬于必需類別。因此，事實上，您有權違反任何規則——只是不要忘記記錄偏差。還有文檔類別。它包括與一般做法相關的強制性規則（不允許有偏差），例如“匯編程序的每次使用都必須記錄”或“包含的庫必須符合 MISRA C++”。

該標準既包含對問題問題的描述，也包含有關在承擔某項任務之前必須了解的提示：如何根據MISRA設置開發過程;如何使用靜態分析器檢查代碼的合規性;必須維護哪些文件，如何填寫等等。

目前，MISRA不斷發展。例如，MISRA在2019年初宣布了MISRA C：2012第三版（第一版）”。MISRA C：2012版已更新并擴展了新規則。同時，即將發布的“MISRA C：2012修正案2 - C11核心”，這是2012年的修訂標準。

MISRA C++也不會停滯不前。如您所知，MISRA C++的最后一個標準可以追溯到 2008 年，因此它涵蓋的語言的最新版本是 C++03。正因為如此，還有另一個類似于MISRA的標準，它的名字是AUTOSAR C++。它最初旨在作為MISRA C++的延續，旨在涵蓋該語言的更高版本。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。

結論

在本文中，我想說明使用靜態分析器對于任何嵌入式項目都非常有用。使用靜態分析將幫助您：

減少查找和修復錯誤所需的時間;

減少出現嚴重錯誤的可能性;

減少對固件更新的需求;

監控整體代碼質量;

監控新團隊成員的表現;

嚴格遵守一定的軟件開發標準;

監控第三方模塊/庫的代碼質量。

審核編輯：郭婷