Adam Shapiro Senior Program Manager US-Networking Core PM

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2 Adam Shapiro Senior Program Manager US-Networking Core PM
在驱动程序开发中 使用静态分析工具 Adam Shapiro Senior Program Manager US-Networking Core PM

3 议程 静态分析工具 Static Driver Verifier (SDV) 总结 什么是静态分析？ 静态分析工具的优点
3/19/2017 8:00 AM 议程 静态分析工具 什么是静态分析？ 静态分析工具的优点 下一版Windows将有哪些更新？ PREfast for Drivers (PFD) 核心的PREfast代码注解(annotations) Static Driver Verifier (SDV) RoleTypes 总结

4 什么是静态分析? 源代码的编译期间分析 检查对定义完善的限制条件的违反 类似于代码走查, 但由工具来完成
一个简单的例子就是编译期间的类型检查 检查对定义完善的限制条件的违反 过程调用约定和API约定

5 由静态检查工具发现的代码错误示例 f()要求p不为NULL: 重复结束同一个IRP: p = NULL; … f(p);
IoCompleteRequest (Irp); ...

6 为什么使用静态分析? 低级代码错误! 经验法则 “如果有一个缺陷在程序员的桌面上修正要花1美元， 那么一旦这个缺陷已经被集成到完成的程序中，将 需要100美元来修正，如果在软件被应用部署之后 才发现这一缺陷，代价将达到数万美元。” “Building a Better Bug Trap” — The Economist June 2003

7 工具可以提高你的效率 按钮技术 100%的路径覆盖率 尽早发现缺陷 缺陷报告容易使用 成本低(让计算机帮你做)
快速 (计算机在几分钟或几小时内完成几个星期的人力工作) 尽早发现缺陷 甚至在拿到硬件设备之前 在设计测试用例之前 在平常写代码的时候 缺陷报告容易使用 在源代码中直接给出缺陷路径（或者是关键点），降低调试代码的成 本

8 静态分析 如何工作？ 建立一个驱动的抽象模型，沿着所有路径完整检查执行代码 跟驱动程序近似 抽象模型更简单：被简化了…
简化到能够完整检查（模拟）的程度 跟驱动程序近似 控制部分保持一致 保留所有路径并同等对待 数据状态是近似的 如果参数x无约束条件, 假定一切值都是可能的。 如果(x>0)在测试点是成立的, 维护布尔值(x>0), 而不是x的整数值：布尔值比整数值更简单 If (x > 0) { IoCompleteRequest (Irp); }

9 静态检查工具 不是银弹 不是替代功能测试 针对违反定义良好的约束条件 局限性 是个好用的工具 不可能知道所有会发生错误
算法是基于源代码的抽象和启发 结果可能是错误的肯定和错误否定 是个好用的工具

10 静态分析工具比较 PREfast for Drivers Static Driver Verifier 驱动模型 语言 发现的问题 范围
任意 WDM KMDF NDIS 语言 C和C++ 只支持C 发现的问题 本地的缺陷 易于修正 大规模 全局的缺陷 难以修正 小规模 范围 进程级 本地的违例 进程间 发现深层错误 开发周期 早期使用: “编译驱动的时候” 运行仅需几分钟，所以请经常运行 后期使用: “驱动基本结构成形的时候” 定期运行, 修正错误后运行 KMDF验证平均需时 = 20 min WDM验证平均需时= 40 min

11 两种静态分析工具并用 WDK中提供的两种互补技术 PREfast for Drivers: 在每个进程中深度分析可能的违例
Static Driver Verifier: 延执行路径，跨进程间的边界

12 两种静态分析工具并用 示例 X X ReadFoo ( PIRP Irp ) { ... status = Bar (Irp);
if (status) { IoCompleteRequest(Irp); } ReadFoo ( PIRP Irp ) { PIRP p = NULL; ... if (status) { IoCompleteRequest(p); } X X Bar ( PIRP Irp ) { ... IoCompleteRequest(Irp); return STATUS_SUCCESS; }

13 PFD有什么更新？ 微软内部推动 “PFD Clean” 内部引擎的改进 表达式的范围更广 更好的注解错误检查
Windows 7 – Microsoft拥有的内置驱动和WDK范例完全通过PFD 微软的驱动和WDK的公共头文件都有注解 内部引擎的改进 表达式的范围更广 支持常量, 成员名字, 无副作用的C表达式 更好的注解错误检查 WDK中包含部分微软自动代码检查(OACR)

14 SDV有什么更新 内置驱动和 WDK KMDF, WDM范例通过SDV 针对NDIS的SDV – 和NDIS组无缝的合作
针对WDM和KMDF的扩展规则集 可靠性, 安全性, IRQL, 同步, 正确的对象创建规则 WDM, KMDF, 和NDIS驱动的角色类型 先决条件规则 进入前验证 引擎改进 改进性能，伸缩性和准确性 特别地，所有规则都减少NUR (无用结果)

15 驱动的PREfast 快速(典型情况是2–5倍的编译耗时) 发现大量的“疏忽” 错误和“硬” 错误 应用于可编译的代码; 无需运行

16 PREfast for Drivers PREfast无法发现的一些错误 Null指针, 未初始化的变量 (延非常规路径)
本地的泄漏 (内存, 资源) 不匹配的参数 未检查返回值 格式/列表不匹配 一些IRQL的误用 容易忽略的各种特殊情况 例如，取消IRQL 回调/函数指针的恰当使用

17 问题: 驱动特有的资源泄露 void LeakSample(BOOLEAN Option1) {
问题: 驱动特有的资源泄露 void LeakSample(BOOLEAN Option1) { NTSTATUS Status; KIRQL OldIrql; BufInfo *pBufInfo; KeAcquireSpinLock(MyLock,&OldIrql); //... if (Option1) { pBufInfo = ExAllocatePoolWithTag(NonPagedPool, sizeof(BufInfo), 'fuB_'); if (NULL==pBufInfo) { return STATUS_NO_MEMORY; } KeReleaseSpinLock(MyLock, OldIrql); return STATUS_SUCCESS; //… #include <wdm.h> PKSPIN_LOCK MyLock; typedef struct { char buff[100]; } BufInfo;

18 应用PFD: 驱动特有的资源泄露 void LeakSample(BOOLEAN Option1) {
NTSTATUS Status; KIRQL OldIrql; BufInfo *pBufInfo; KeAcquireSpinLock(MyLock,&OldIrql); //... if (Option1) { pBufInfo = ExAllocatePoolWithTag(NonPagedPool, sizeof(BufInfo), 'fuB_'); if (NULL==pBufInfo) { return STATUS_NO_MEMORY; } KeReleaseSpinLock(MyLock, OldIrql); return STATUS_SUCCESS; //… #include <wdm.h> PKSPIN_LOCK MyLock; typedef struct { char buff[100]; } BufInfo; warning 8103: Leaking the resource stored in 'SpinLock:MyLock‘.

19 解决: 驱动特有的资源泄露 void LeakSample(BOOLEAN Option1) {
解决: 驱动特有的资源泄露 void LeakSample(BOOLEAN Option1) { NTSTATUS Status; KIRQL OldIrql; BufInfo *pBufInfo; KeAcquireSpinLock(MyLock,&OldIrql); //... if (Option1) { pBufInfo = ExAllocatePoolWithTag(NonPagedPool, sizeof(BufInfo), 'fuB_'); if (NULL==pBufInfo) { KeReleaseSpinLock(MyLock, OldIrql); return STATUS_NO_MEMORY; } return STATUS_SUCCESS; //… #include <wdm.h> PKSPIN_LOCK MyLock; typedef struct { char buff[100]; } BufInfo;

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22 为什么要注解? 好的工程操作 精确描述你建造的“部件” 和它代表的约定 使能自动检查 告诉工具其无法推论的东西 有效的(检查过) 文档
使能自动检查 告诉工具其无法推论的东西 有效的(检查过) 文档 程序员无需猜测/试验 代码和文档不会渐行渐远 注释虽好, 但…

23 注解的好处 记录和表达约定 自动检查: “低级的” 代码错误 开发人员知道其约定 此约定好不好? 代码错误越早发现, 代价越小
注解代码和无注解代码相比，发现更多代码错误(及更少的 干扰) 代码进入测试阶段时携带更少 “简单”错误 大大提高测试效率—在发现/修正简单错误上浪费的时间 少了

24 例 注解 wchar_t * wmemset( __out_ecount(s) wchar_t *p, __in wchar_t v,
例 注解 wchar_t * wmemset( __out_ecount(s) wchar_t *p, __in wchar_t v, __in size_t s); __in: 此参数为函数输入 __out: 此参数为函数输出 __out_ecount(s): 此参数为共s项的缓冲区 如果参数p的元素少于s个, PFD给出警告

25 注解 __in_opt, __out_opt…
NTKERNELAPI BOOLEAN IoIs32bitProcess(     __in_opt PIRP Irp     );

26 SDV规则 SDV携有 每一个规则应对一个接口规则的一个方面 规则用类C语言写成并定义 86个WDM规则 75个KMDF规则
39个NDIS规则 每一个规则应对一个接口规则的一个方面 规则用类C语言写成并定义 状态声明—以C风格的变量的形式 事件—与DDI函数关联

27 例 I/O System Driver Irp Device Driver Interface Callback
IoCompleteRequest Driver I/O System Callback

28 例 X I/O System Driver Irp Device Driver Interface Callback
IoCompleteRequest Driver I/O System X Callback

29 验证“三明治” 测试框架 用回调驱动 c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8 c9 无角色类型 c1 c2 c3 c4 c5 c6
有角色类型 KMDF驱动 KMDF 和WDM桩

30 角色类型声明 函数类型定义 使能对驱动中特定回调的识别 SDV是一个回调驱动验证工具 关于角色类型的列表，请参考MSDN的WDK文档
纯C声明, 非代码注解语言 (SAL) 注解 客户驱动可以用它来帮助静态分析工具识别函数和驱动模型相关的特 别的角色 使能对驱动中特定回调的识别 SDV是一个回调驱动验证工具 关于角色类型的列表，请参考MSDN的WDK文档 KMDF有160 个 WDM 有60 个 NDIS有40 个

31 KMDF UsbSamp驱动中的 角色类型 DRIVER_INITIALIZE DriverEntry; EVT_WDF_DRIVER_DEVICE_ADD UsbSamp_EvtDeviceAdd; EVT_WDF_DEVICE_PREPARE_HARDWARE UsbSamp_EvtDevicePrepareHardware; EVT_WDF_DEVICE_RELEASE_HARDWARE UsbSamp_EvtDeviceReleaseHardware; EVT_WDF_DEVICE_FILE_CREATE UsbSamp_EvtDeviceFileCreate; EVT_WDF_IO_QUEUE_IO_READ UsbSamp_EvtIoRead; EVT_WDF_IO_QUEUE_IO_WRITE UsbSamp_EvtIoWrite; EVT_WDF_IO_QUEUE_IO_DEVICE_CONTROL UsbSamp_EvtIoDeviceControl; EVT_WDF_REQUEST_CANCEL UsbSamp_EvtRequestCancel; EVT_WDF_REQUEST_COMPLETION_ROUTINE SubRequestCompletionRoutine; EVT_WDF_REQUEST_COMPLETION_ROUTINE ReadWriteCompletion;

32 静态分析能… 商业的情况 开发工作的情况 减少昂贵的部署后代码错误的风险 减少上市所需时间 减少代码检查和测试的代价 提高代码质量
达到更广的测试覆盖面 开发工作的情况 更早的发现和防治代码错误 更直接更明显 发现和防治“难测”的代码错误 使你的工作更高效

33 立即行动 尽早，经常运行静态分析工具 作为补充用调试器找出运行时问题的补充，请使用 静态分析工具 明智使用静态分析工具!
特别是在改动驱动之后 作为补充用调试器找出运行时问题的补充，请使用 静态分析工具 明智使用静态分析工具! 它不知道所有可能的错误 它不使测试可有可无 错误的肯定和错误的否定有可能误导 静态分析工具使测试完整

34 附加资源 WHDC网站的白皮书 PREfast 一步一步 PREfast 注解 C++驱动代码中如何使用函数的typedef来改进PREƒast结果 博客: MSDN上的PREfast for Drivers in WDK文档 用Windows Driver Foundation开发驱动，第23章 microsoft.com

35 本地化参考资源 网络资源 Windows 硬件开发者网站 http://www.microsoft.com/China/WHDC
Windows 媒体中心中文网站: /winfamily/mediacenter/default.mspx Windows徽标计划中文技术论坛 ?ForumID=2150&SiteID=15 Windows徽标流程问题联系

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