[论文解读] Program Optimization Based Pointer Analysis and Live Stack-Heap Analysis

Mohamed A. El-Zawawy|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2011

Logic, programming, and type systems参考文献 21被引用 11

一句话总结

本文提出了一种组合式类型系统，整合了流敏感指针分析、活跃栈-堆分析以及程序优化，实现了具有形式化证明依据的死代码消除。通过在指针分析类型中增强活跃栈-堆信息，并在推理规则中增加转换组件，该方法提供了经过认证的优化，能够间接修正错误代码，支持带证明的代码和经过验证的编译。

ABSTRACT

In this paper, we present type systems for flow-sensitive pointer analysis, live stack-heap (variables) analysis, and program optimization. The type system for live stack-heap analysis is an enrichment of that for pointer analysis; the enrichment has the form of a second component being added to types of the latter system. Results of pointer analysis are proved useful via their use in the type system for live stack-heap analysis. The type system for program optimization is also an augmentation of that for live stack-heap analysis, but the augmentation takes the form of a transformation component being added to inference rules of the latter system. The form of program optimization being achieved is that of dead-code elimination. A form of program correction may result indirectly from eliminating faulty code (causing the program to abort) that is dead. Therefore program optimization can result in program correction. Our type systems have the advantage of being compositional and relatively-simply structured. The novelty of our work comes from the fact that our type system for program optimization associates the optimized version of a program with a justification (in the form of a type derivation) for the optimization. This justification is pretty much appreciated in many research areas like certified code (proof-carrying code) which is the motivation of this work

研究动机与目标

• 开发一种组合式且结构化的程序优化类型系统，支持对代码变换的形式化推理。
• 将活跃栈-堆分析作为指针分析的增强，以实现对变量生命周期更精确的追踪。
• 通过形式化证明依据实现死代码消除，从而同时提升优化效果与程序正确性。
• 通过提供可作为机器可检查证明的类型推导，支持带证明的代码。
• 构建一个模块化框架，使每个优化步骤均基于静态分析，并拥有可验证的类型推导。

提出的方法

• 通过在流敏感指针分析类型系统中增加第二个分量，以追踪活跃栈-堆变量。
• 以指针分析的结果为基础，开展活跃栈-堆分析，以提高变量生命周期追踪的精度。
• 在活跃栈-堆类型系统中，通过在推理规则中增加转换组件，以表示代码优化。
• 应用转换组件以消除死代码，其优化过程由有效的类型推导所证明。
• 确保组合式结构，使得优化可逐步应用并逐级验证。
• 利用类型推导作为带证明的产物，支持对优化后代码的运行时验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在组合式且类型理论化的框架中扩展指针分析，以支持活跃栈-堆变量的追踪？
• RQ2 活跃栈-堆分析在程序优化过程中如何提升死代码消除的精确性？
• RQ3 如何通过类型推导而非临时分析，对程序优化进行形式化证明？
• RQ4 所提出的类型系统在支持带证明的代码和认证编译方面发挥何种作用？
• RQ5 通过类型系统将分析与优化相结合，是否能通过移除有缺陷的死代码，实现对程序的间接修正？

主要发现

• 所提出的类型系统通过类型推导实现了具有形式化证明依据的死代码消除，增强了对优化后代码的信任度。
• 基于指针分析构建的活跃栈-堆分析，提高了对不再需要的变量的识别精度。
• 推理规则中的转换组件使得代码优化能够系统化且可验证。
• 该框架通过生成机器可检查的优化正确性证明，支持带证明的代码。
• 移除死代码可能通过消除引发异常的错误代码，间接修正程序，从而提高可靠性。
• 该系统具有组合式结构且结构相对简单，有利于模块化推理与可扩展性。