[论文解读] Explicit-Value Analysis Based on CEGAR and Interpolation

Dirk Beyer, Stefan Löwe|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2012

Software Testing and Debugging Techniques参考文献 26被引用 3

一句话总结

本文提出了一种将 CEGAR、插值与抽象技术整合到显式值程序分析中的新方法，通过仅精炼必要变量实现动态精度调整。该方法结合显式值追踪与谓词分析，并利用不可行反例引导的精炼机制，在 SV-COMP’12 竞赛中实现了具有竞争力的性能与精度，优于当前最先进的工具如 cpa-memo。

ABSTRACT

Abstraction, counterexample-guided refinement, and interpolation are techniques that are essential to the success of predicate-based program analysis. These techniques have not yet been applied together to explicit-value program analysis. We present an approach that integrates abstraction and interpolation-based refinement into an explicit-value analysis, i.e., a program analysis that tracks explicit values for a specified set of variables (the precision). The algorithm uses an abstract reachability graph as central data structure and a path-sensitive dynamic approach for precision adjustment. We evaluate our algorithm on the benchmark set of the Competition on Software Verification 2012 (SV-COMP'12) to show that our new approach is highly competitive. In addition, we show that combining our new approach with an auxiliary predicate analysis scores significantly higher than the SV-COMP'12 winner.

研究动机与目标

• 通过整合抽象、CEGAR 和插值技术，弥合强大谓词分析与简单显式值分析之间的差距。
• 通过仅精炼消除不可行错误路径所必需的变量，实现在显式值分析中的动态自适应精度。
• 在抽象精炼过程中不依赖复杂的 SMT 求解器，从而提升验证性能与精度。
• 结合显式值分析与谓词分析，以实现精度与可扩展性的互补优势。
• 证明：通过精炼技术增强的轻量级显式值分析，可与领先的符号模型检测器相媲美甚至超越。

提出的方法

• 使用抽象可达性图作为核心数据结构，表示分析过程中的程序状态。
• 采用 CEGAR 机制并结合路径敏感的动态精度调整，从最小化追踪开始，基于不可行错误路径进行精炼。
• 在显式值域中应用插值，提取能消除不可行路径的最小变量集合。
• 结合显式值分析与辅助谓词分析，以平衡精度与性能。
• 利用不可行反例引导抽象精炼，避免对无关变量进行不必要的追踪。
• 仅在可行性检查与插值中使用 SMT 求解器，而不用于核心抽象计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 CEGAR 与插值能否有效应用于显式值分析，以提升精度与可扩展性？
• RQ2 通过抽象与精炼增强的轻量级显式值分析，能否实现与基于 SMT 的谓词抽象相媲美的性能？
• RQ3 将显式值分析与谓词分析结合，是否能获得优于单一方法的验证结果？
• RQ4 在显式值域中应用插值，能否识别出消除不可行错误路径的最小且充分的追踪变量集合？
• RQ5 在工业规模验证基准中，该方法在实际应用中与当前最先进工具相比表现如何？

主要发现

• 所提方法在 SV-COMP’12 基准集的 280 个实例中解决了 211 个，获得 318 分，优于 SV-COMP’12 冠军工具 cpa-memo。
• 显式值分析与谓词分析的结合（cpa-expl itp -pred）解决的实例数更多，得分更高，优于独立的谓词分析（cpa-pred）或显式值分析（cpa-expl itp ）。
• 该方法的验证耗时显著低于 Blast 和 SATabs，同时解决了更多实例并获得更高得分。
• 该方法证明 CEGAR 与插值可有效适配显式值分析，实现在无需大量使用 SMT 的前提下动态调整精度。
• 与谓词分析的结合显著提升了结果，表明两种分析方式的互补优势可增强整体验证有效性。
• 该方法实现了高精度，表现为尽管解决实例数仅比 cpa-memo 略多，但得分远高于其，表明错误结果更少。