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函数调用图

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用Python程序产生的函数调用图

函数调用图(call graph,也称为call multigraph)[1][2],属于控制流图[3],可以展示电脑程序函数之间的关系。每一个节点是一个函数,每一个边(f, g)表示函数f调用函数g。若其中有出现互相调用的,表示程序中可能有递归调用

基本概念

函数调用图可以由动态程序分析产生(动态函数调用图),也可以由静态程序分析产生(静态函数调用图)[4]。动态函数调用图是程序执行过程的记录,可能是性能分析工具所输出的。动态函数调用图可以准确的描述这次程序执行时,各函数之间的关系。但会遗漏这次没有执行到的代码。静态函数调用图则是设法表示所有可能执行情形下,所有函数之间的关系。准确的静态函数调用图是不可判定问题,因此静态函数调用图是多半只是近似情形。函数调用图上有所有函数之间的调用关系,但有可能其中有一些调用是永远不会执行到的。

函数调用图可以定义来呈现不同程度的准确度。更准确的函数调用图会更近似真正程序的行为,不过要计算的时间会比较长,要存储的资料也会比较多。最准确的函数调用图是完全“上下文相关”(context-sensitive),针对每一个函数,图中会对不同情形,不同调用堆栈下的调用,有不同的节点。全上下文相关的函数调用图称为调用上下文树英语calling context tree。利用动态程序分析可以轻易的产生,不过会花许多的存储器。调用上下文树一般不会用静态程序分析产生,因为对大型程序会花许多时间。最不准确的函数调用图称为“上下文无关”(context-insensitive),针对每一个函数只会有一个节点。

若编程语言中有动态分派的特性(例如JavaC++),要产生准确的静态程序分析会需要假名分析英语alias analysis的结果[5]。相对的,要得到准确的假名分析也需要函数调用图。许多静态分析系统可以同步产生这二份资料,解决这个看似无限循环的问题。

用途

函数调用图有几种不同的用途。其中一个简单的应用是找出没有被其他程序调用的子函数。函数调用图可以当做文件,有助于程序员的程序理解[6]。函数调用图也是进一步分析的基础,例如追踪某一变量数值在各子函数中的变化,或是进行变更影响分析[7]。函数调用图可以用来侦测异常的程序执行,或是侦测代码注入攻击[8]

示例的图

以下是用gprof英语gprof自我分析得到的函数调用图

index    called     name                              |index    called     name
      72384/72384       sym_id_parse [54]             |       1508/1508        cg_dfn [15]
[3]   72384             match [3]                     |[13]   1508             pre_visit [13]
----------------------                                |----------------------
          4/9052        cg_tally [32]                 |       1508/1508        cg_assemble [38]
       3016/9052        hist_print [49]               |[14]   1508             propagate_time [14]
       6032/9052        propagate_flags [52]          |----------------------
[4]    9052             sym_lookup [4]                |          2             cg_dfn [15]
----------------------                                |       1507/1507        cg_assemble [38]
       5766/5766        core_create_function_syms [41]|[15]   1507+2           cg_dfn [15]
[5]    5766             core_sym_class [5]            |       1509/1509        is_numbered [9]
----------------------                                |       1508/1508        is_busy [11]
         24/1537        parse_spec [19]               |       1508/1508        pre_visit [13]
       1513/1537        core_create_function_syms [41]|       1508/1508        post_visit [12]
[6]    1537             sym_init [6]                  |          2             cg_dfn [15]
----------------------                                |----------------------
       1511/1511        core_create_function_syms [41]|       1505/1505        hist_print [49]
[7]    1511             get_src_info [7]              |[16]   1505             print_line [16]
----------------------                                |          2/9           print_name_only [25]
          2/1510        arc_add [31]                  |----------------------
       1508/1510        cg_assemble [38]              |       1430/1430        core_create_function_syms [41]
[8]    1510             arc_lookup [8]                |[17]   1430             source_file_lookup_path [17]
----------------------                                |----------------------
       1509/1509        cg_dfn [15]                   |         24/24          sym_id_parse [54]
[9]    1509             is_numbered [9]               |[18]     24             parse_id [18]
----------------------                                |         24/24          parse_spec [19]
       1508/1508        propagate_flags [52]          |----------------------
[10]   1508             inherit_flags [10]            |         24/24          parse_id [18]
----------------------                                |[19]     24             parse_spec [19]
       1508/1508        cg_dfn [15]                   |         24/1537        sym_init [6]
[11]   1508             is_busy [11]                  |----------------------
----------------------                                |         24/24          main [1210]
       1508/1508        cg_dfn [15]                   |[20]     24             sym_id_add [20]
[12]   1508             post_visit [12]               |

相关条目

参考资料

  1. ^ Callahan, D.; Carle, A.; Hall, M.W.; Kennedy, K. Constructing the procedure call multigraph. IEEE Transactions on Software Engineering. April 1990, 16 (4): 483–487. doi:10.1109/32.54302. 
  2. ^ Uday Khedker; Amitabha Sanyal; Bageshri Sathe. Data Flow Analysis: Theory and Practice. CRC Press. 2009: 234. ISBN 978-0-8493-3251-7. 
  3. ^ Pankaj Jalote. An Integrated Approach to Software Engineering. Springer Science & Business Media. 1997: 372. ISBN 978-0-387-94899-7. 
  4. ^ Ryder, B.G. Constructing the Call Graph of a Program. IEEE Transactions on Software Engineering. May 1979, SE–5 (3): 216–226. doi:10.1109/tse.1979.234183. 
  5. ^ Grove, David; DeFouw, Greg; Dean, Jeffrey; Chambers, Craig; Grove, David; DeFouw, Greg; Dean, Jeffrey; Chambers, Craig. Call graph construction in object-oriented languages. ACM SIGPLAN Notices (ACM). 9 October 1997, 32 (10): 108, 108–124, 124. doi:10.1145/263700.264352. 
  6. ^ Eisenbarth, T.; Koschke, R.; Simon, D. Aiding program comprehension by static and dynamic feature analysis. Proceedings IEEE International Conference on Software Maintenance. ICSM 2001. 2001: 602–611. ISBN 0-7695-1189-9. doi:10.1109/icsm.2001.972777. 
  7. ^ Musco, Vincenzo; Monperrus, Martin; Preux, Philippe. A large-scale study of call graph-based impact prediction using mutation testing. Software Quality Journal. 26 July 2016, 25 (3): 921–950. arXiv:1812.06286可免费查阅. doi:10.1007/s11219-016-9332-8. 
  8. ^ Gao, Debin; Reiter, Michael K.; Song, Dawn. Gray-box extraction of execution graphs for anomaly detection. Proceedings of the 11th ACM conference on Computer and communications security - CCS '04. ACM. 25 October 2004: 318–329. ISBN 1581139616. doi:10.1145/1030083.1030126.