[論文レビュー] Enhancing Symbolic Execution of Heap-based Programs with Separation Logic for Test Input Generation

Long Hoang Pham, Quang Loc Le+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2017

Software Testing and Debugging Techniques参考文献 37被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、分離論理を用いて完全に初期化され、有効なテスト入力を生成するヒープベースのプログラム向けの記号実行フレームワークを提案する。文脈に依存する遅延初期化を分離論理の事前条件と統合することで、無効な入力を排除し、パス爆発を低減する。評価では、平均98.98％のブランチカバレッジを達成した。

ABSTRACT

Symbolic execution is a well established method for test input generation. Despite of having achieved tremendous success over numerical domains, existing symbolic execution techniques for heap-based programs are limited due to the lack of a succinct and precise description for symbolic values over unbounded heaps. In this work, we present a new symbolic execution method for heap-based programs based on separation logic. The essence of our proposal is context-sensitive lazy initialization, a novel approach for efficient test input generation. Our approach differs from existing approaches in two ways. Firstly, our approach is based on separation logic, which allows us to precisely capture preconditions of heap-based programs so that we avoid generating invalid test inputs. Secondly, we generate only fully initialized test inputs, which are more useful in practice compared to those partially initialized test inputs generated by the state-of-the-art tools. We have implemented our approach as a tool, called Java StarFinder, and evaluated it on a set of programs with complex heap inputs. The results show that our approach significantly reduces the number of invalid test inputs and improves the test coverage.

研究の動機と目的

• ヒープベースのプログラムに対する有効なテスト入力を生成する現行の記号実行ツールの限界を解決すること。
• 遅延初期化におけるヒープオブジェクトの選択肢を明示的に列挙することによって引き起こされるパス爆発を低減すること。
• 分離論理による正確なヒープ仕様を活用することで、部分的に初期化されたまたは無効なテスト入力を排除すること。
• 複雑なデータ構造向けに意味のあるテスト入力を効率的に生成するためのテストカバレッジと効率を向上させること。
• 実世界のJavaプログラムにおける可変ヒープ構造を対象とした実用的でスケーラブルな記号実行フレームワークを提供すること。

提案手法

• 本手法は、分離論理、存在記号化変数、帰納的述語、算術を組み合わせた論理を用い、ヒープ事前条件を正確に記述する。
• 文脈に依存する遅延初期化を導入し、記号実行は分離論理の事前条件を満たす状態のみを探索する。
• 最小不動点解析を用いて、無効なものを列挙せずに有効なヒープ構成を計算する。
• 本手法は、後処理による具体化を必要とせず、完全に初期化されたテスト入力のみを生成する。
• フレームワークは、Javaバイトコードを解析するため、Symbolic PathFinderに基づいて実装されたJava StarFinderとして実装されている。
• 分離論理の式を用いて記号実行を誘導し、ソースで無効なパスを pruning する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分離論理をどのようにしてヒープ入力構造を正確に仕様化し、無効なテスト入力の生成を低減できるか？
• RQ2 分離論理の事前条件に基づく文脈に依存する遅延初期化は、パス爆発と無効な入力を排除できるか？
• RQ3 従来の記号実行と比較して、分離論理の使用がテストカバレッジにどの程度向上をもたらすか？
• RQ4 本手法は、複雑で可変的なヒープベースのデータ構造に対して、完全に初期化されたテスト入力をどの程度効果的に生成できるか？
• RQ5 分離論理を記号実行と統合することで、無限大のヒープ構造を持つ実世界のプログラムへスケーリング可能か？

主な発見

• 提案手法は、最先端のツールと比較して、無効なテスト入力の数を顕著に削減した。
• Java StarFinderは、複雑なヒープベースのJavaプログラムのセットで平均98.98％のブランチカバレッジを達成した。
• 生成されたすべてのテスト入力は完全に初期化されており、後処理による具体化の必要がなかった。
• 分離論理の事前条件の使用により、ヒープレットに対する正確で局所的な推論が可能になり、全体的な推論の複雑さを回避できた。
• すべての可能なヒープオブジェクトのバインディングを明示的に列挙するのを避けることで、既存のアプローチを上回った。
• 分離論理と記号実行の統合は、実世界のプログラムへのスケーラビリティと実用性を示した。