Purity and Side Effect Analysis for Java Programs

1. Alexandre D. Salcianu and Martin C. Rinard Purity and SideEffectAnalysisfor Java Programs

2. Idea • Método para analizar la pureza de programas Java (no anotados). • Construido sobre una mejora de “combined pointer and escape analysismethod” (Rinard-Whaley) • Chequea si un método es puro, en el sentido de que no cambia ningún objeto existente en el pre-estado.

3. Para qué? • Cómo input para algunos análisis de programas • Para entender y documentar el programa • Para reducir el trabajo de los modelcheckers • Los métodos puros se pueden utilizar en especificaciones y aserciones dentro del código.

4. Mejoras • Se distingue entre objetos existentes en el pre-estado y objetos nuevos (creado por el método) • Además de determinar si un método es puro o no , el análisis obtiene otro tipo de información relacionado con los efectos que produce el método : • Parámetros read-only • Parámetros Safe • WriteEffects

5. Análisis Intraprocedural • Para cada método m y cada punto del programa dentro de m el análisis computa un points-tograph que modela la parte del heap que el método m accede antes de ese punto. • Un points-tograph G es un tupla G = < I,O,L,E > • I = conjunto de ejes internos • O = conjunto de ejes externos • L = estado abstracto de las variables locales (i.e L(v) es el conjunto de nodos que la variable local v puede apuntar) • E = conjunto de nodos que escapan “globalmente”

6. Definición de escape • Un objeto “escapa” si es alcanzable desde afuera del método analizado (ej: desde uno de los parámetros) • En otro caso, el objeto está “capturado”.

7. Ejemplo: Main.sumX p head L6 data list P12 L4 L5 next cell data cell it I2 next Círculos sólidos: nodos internos Círculos punteados: nodos externos Flechas sólidas: ejes internos Flechas punteadas: ejes externos

8. Análisis Intraprocedural • Además del points-tograph, para cada método m el análisis computa un conjunto Wmque contiene los campos abstractos modificados que son visibles externamente. • Un campo abstracto es un campo para un nodo específico, se lo denota como <n,f> donde n es el nodo y f es el campo.

9. Análisis Intraprocedural • El cálculo del PTG y el Wm se define a partir de una función de transferencia, aplicada a un conjunto reducido de sentencias. • El grafo inicial se compone solo de los parámetros que toma el método, más el parámetro implícito this. • if S goto a : se asume que la condición S no produce efectos colaterales => no cambio nada.

10. Análisis Intraprocedural • v1 = v2 : se agrega un eje desde v1 a todos los nodos apuntados por v2 • v = new C : se agrega un nuevo nodo interno y se lo apunta desde v. En las variables se realizan strongupdates

11. Análisis Intraprocedural • v1 = v2.f: • Caso 1: si ningún nodo apuntado por v2 escapa • Caso 2: si algún nodo apuntado por v2 escapa

12. Análisis Intraprocedural • v1.f = v2: se agrega un eje desde cada nodo apuntado por v1 hacia todos los nodos apuntados por v2.Se agregan a Wmlos campos de la forma : <L(v1) externos , f > En los campos de variables se realizan weakupdates

13. Ejemplo: Cell Constructor d P4 data this P2 next Cell (Object d, Cell n) { this.data = d; this.next = n; } P3 n W = {<P2, data>, <P2,next>}

14. Ejemplo: List.add head this P5 L1 head next I1 data voidadd(Object e){ this.head = new Cell(e,this.head); } P6 e W {<P5, head>}

15. Ejemplo: ListItr.next cell data this P10 L4 L3 L5 next cell result Objectnext(){ Objectresult = this.cell.data; this.cell = this.cell.next; returnresult; } W {<P10, cell>}

16. Análisis InterproceduralCaso Fácil • Por cada llamada (call) del tipo vR = v0.s(v1, … , vj) Si s es un método no analizable entonces todos los argumentos (v0,v1, … , vj) pueden ser alcanzados por código desconocido. Luego el análisis agrega todos los nodos apuntados por v0,v1, … , vjal conjunto E de nodos que escapan globalmente Además se agrega un eje entre vr y el nodo nglb

17. Análisis Interprocedural • Por cada llamada (call) del tipo vR = v0.s(v1, … , vj) el análisis usa el points-tographG anterior a la llamada y el points-tographGcalle(gráfico final del método invocado) para computar un points-tograph posterior a la invocación del método. • Si hay múltiples posibles invocaciones, el análisis las considera a todas y mergea el conjunto de resultados de los pointstograph

18. Análisis Interprocedural El análisis opera en dos pasos: • Se computa un mapeo entre los parameternodes y los load nodes del método invocado, hacia los nodos que representan en el método llamador. • Se usa el mapeo para “proyectar” el PTG del método llamado sobre el PTG anterior a la invocación

19. Paso 1: Mapping • El análisis computa un mapeo, que relaciona los parámetros y los load nodes del método invocado, con los nodos del método llamador que representan

20. Paso 2: Merge • Se utiliza el mapeo para combinar el grafo anterior a la llamada (G) y el grafo de la llamada (Gcalle), para obtener el grafo posterior a la llamada • Se remueven load nodes capturados. • Se utiliza la información de los campos modificados del método invocado (Wcalle) para actualizar los campos modificados del método m(Wm) (utilizando el mapeo)

21. Ejemplo: sumX head L6 list P12 cell it I2 StaticfloatsumX(Listlist){ float s = 0; Iteratorit = list.iterator(); while (it.hasNext()) { Point p = (Point) it.next(); s += p.x } return s; }

22. Ejemplo: sumX head L6 data L4 list P12 next cell cell it I2 L5 cell data this P10 L3 L4 • P10  I2 • L3  L6 next cell Gnext • L5  L5 • L4  L4 L5

23. Ejemplo: sumX p head L6 data list P12 L4 L5 next cell cell it I2 StaticfloatsumX(Listlist){ float s = 0; Iteratorit = list.iterator(); while (it.hasNext()) { Point p = (Point) it.next(); s += p.x } return s; }

24. Ejemplo: sumX p head L6 data list P12 L4 L5 next cell cell it I2 cell data • P10 I2 • L3  L5 • L3  L6 P10 L3 L4 next cell • L5  L5 • L4  L4 L5

25. Ejemplo: sumX p head L6 data list P12 L4 L5 next cell data cell it I2 next cell data P10 L3 L4 • P10 I2 • L3  L5 • L3  L6 next cell • L5  L5 • L4  L4 L5

26. Ejemplo: sumX p head L6 data list P12 L4 L5 next cell data cell it I2 next StaticfloatsumX(Listlist){ float s = 0; Iteratorit = list.iterator(); while (it.hasNext()) { Point p = (Point) it.next(); s += p.x } return s; }

27. Pureza del Método • Se computa el conjunto A de nodos que son alcanzables en G, desde nodos parámetros, utilizando ejes externos. • El método m es puro si y sólo si para todo n perteneciente a A: • n no escapa globalmente y • Ningún campo de n es alterado

28. Ejemplo: sumX p head L6 data list P12 L4 L5 next cell data cell it I2 next A = {P12, L6, L4, L5} Wm= {} E = {} }  sumX es puro

29. Ejemplo: List.add head this P5 L1 head next I1 A = {P5, P6, L1} Wm= {<P5, head>} E = {} data P6 e

30. Características del Análisis • Se realiza sin conocer el contexto en que se llamó el método (análisis composicional) • Obtiene un único resultado parametrizable • El resultado es luego instanciado en cada lugar que se invoque el método m. • Normalmente, el análisis procesa cada método una única vez. • Métodos recursivos requieren varias pasadas hasta llegar a un punto fijo.

31. Descanso??????