J AVA バイトコードにおけるデータ依存解析手法の提案と実装

JAVAバイトコードにおけるデータ依存解析手法の提案と実装JAVAバイトコードにおけるデータ依存解析手法の提案と実装誉田謙二† 大畑文明† 井上克郎†‡ †大阪大学大学院基礎工学研究科 ‡奈良先端科学技術大学院大学情報科学研究科

発表内容 • 背景 • JAVAバイトコードにおけるデータ依存 • データ依存解析手法の提案 • 提案手法の実現 • まとめと今後の課題ソフトウェア科学会全国大会

背景(1/2) • プログラム文間の依存関係 • 制御依存関係 • 条件節～述部(述部の実行が条件節に依存)　 • データ依存関係 • 同一変数の定義～参照(データフローによる依存) • 依存関係解析の利用 • プログラム理解 • プログラムデバッグ • プログラム保守 a:=5; b:=3; if b>0 then c:=a else d:=b; ソフトウェア科学会全国大会

背景(2/2) • 既に提案されている依存関係解析手法 • 高級言語(C, C++, etc…)のソースコード • 3番地コードを対象 • JAVAバイトコードのような、スタックの存在が前提となる言語に対するデータ依存解析手法は提案されていないソフトウェア科学会全国大会

JAVAバイトコードにおけるデータ依存 • クラスファイル • JAVAバイトコード • JAVAバイトコードにおけるデータ依存関係 • ローカル変数に関するデータ依存 • フィールドに関するデータ依存 • スタックに関するデータ依存ソフトウェア科学会全国大会

class A class A JAVAコンパイラ class B class B クラスファイル • ソースプログラムはJAVAコンパイラにより、クラスファイルに変換される • クラスファイル • クラス単位に生成 • JAVAバイトコードによる命令列などにより構成　ソフトウェア科学会全国大会

JAVAバイトコード • クラスファイルを構成する命令列 • JAVAバーチャルマシン（JVM）への入力 • 約200種類の命令で構成されるソフトウェア科学会全国大会

0 23 1 23 4 スタックローカル変数 0 1 23 27 スタックローカル変数 JAVAバイトコードの実行例 0 iconst_4 1 23 4 スタックローカル変数 iload_1 iadd ソフトウェア科学会全国大会

JAVAバイトコードにおけるデータ依存関係 • データの格納 • ローカル変数 / フィールド • スタック • ある値に対応する記憶領域が命令により変化する(push / pop演算の存在) • iconst_n • iload_n • iadd etc… • 命令に応じてその位置を追跡する必要があるソフトウェア科学会全国大会

0 1 スタックに関するデータ依存 • スタック上のある値v が参照されるとき、v を定義した命令s から参照する命令t にスタックに関するデータ依存関係が存在する s : iconst_v , t : istore_1 iconst_v v ローカル変数スタック istore_1 ソフトウェア科学会全国大会

スタックに関するデータ依存 • スタック上のある値v が参照されるとき、v を定義した命令s から参照する命令t にスタックに関するデータ依存関係が存在する s : iconst_v , t : istore_1 iconst_v 0 1 v ローカル変数スタック istore_1 ソフトウェア科学会全国大会

ローカル変数に関するデータ依存 • あるローカル変数x の値v が参照されるとき、v を定義した命令s から参照する命令t にx に関するデータ依存関係が存在する x : 1, s : istore_1, t : iload_1 v 0 istore_1 1 v スタックローカル変数 0 v iload_1 1 v スタックローカル変数ソフトウェア科学会全国大会

v x v フィールドに関するデータ依存 • あるフィールドx の値v が参照されるとき、v を定義した命令s から参照する命令t にx に関するデータ依存関係が存在する s : putfield Point/x I, t : getfield Point/x I putfield Point/x I x v フィールドスタック v getfield Point/x I フィールドスタックソフトウェア科学会全国大会

データ依存解析手法の提案 • 前提 • 解析アルゴリズム • 制御フローグラフの構築 • データ依存関係の抽出 • 解析フレームの準備 • データ依存関係の抽出ソフトウェア科学会全国大会

前提 • 提案するアルゴリズム • 静的解析(存在しうるすべての経路に対して解析) • 単一スレッドを対象 • 入力: JAVAバイトコード • 出力: データ依存関係を表すグラフ • 節点: JAVAバイトコードの命令 • 辺: 命令間に起こりうる制御の移動、命令間に存在するデータ依存関係ソフトウェア科学会全国大会

解析アルゴリズム Step1:制御フローグラフの構築 • 制御フローグラフ　 (Control Flow Graph,CFG) • 節点：JAVAバイトコードの命令 • 辺：命令間に起こりうる制御の移動 iload_0 iconst_3 if_icmplt L3 L3 iconst_4 iconst_3 goto L5 L5 istore_0 iload_0 ireturn ソフトウェア科学会全国大会

解析アルゴリズム Step1:制御フローグラフの構築 • 制御フローグラフ　 (Control Flow Graph,CFG) • 節点：JAVAバイトコードの命令 • 辺：命令間に起こりうる制御の移動 iload_0 iconst_3 if_icmplt L3 L3 iconst_4 iconst_3 goto L5 L5 istore_0 Step2：データ依存関係の抽出 • CFGにデータ依存辺を追加 iload_0 ireturn ソフトウェア科学会全国大会

iload_0 iconst_3 if_icmplt L3 L3 iconst_4 iconst_3 goto L5 L5 istore_0 iload_0 ireturn Step1: 制御フローグラフの構築 Phase1: 命令を抽出し、CFG節点を作成 Phase2: 各命令sについて • 命令sの次に実行される可能性のある命令ｔを求める • s~t間にCFG辺を引くソフトウェア科学会全国大会

Step2:データ依存関係の抽出 (1/3) Phase1：解析フレームの準備 • 解析フレーム • メソッド内で各ローカル変数・フィールド・スタック上の値がどの命令で定義されたかを保持 • 変数名とその値を最後に定義した命令の番号の対の集合ソフトウェア科学会全国大会

Step2:データ依存関係の抽出 (2/3) • 各メソッドの処理に必要なスタックサイズ・ローカル変数の個数はコンパイラにより計算される • 解析フレームの例ソフトウェア科学会全国大会

Step2:データ依存関係の抽出 (3/3) Phase2: データ依存関係の抽出 • CFG辺をたどりながら、各節点を解析 • 各節点が表す命令に応じて、解析フレームを更新 • 逐次実行 • 分岐 • データ依存関係が抽出された場合、CFGにデータ依存辺を追加 • 更新された解析フレームを用い、この節点を始点とするすべてのCFG辺をたどり次の節点に移動し、解析を続けるソフトウェア科学会全国大会

逐次実行 • 解析フレームの更新 / データ依存辺の追加 1: iconst_3 3 ローカル変数スタック 2: istore_1 ソフトウェア科学会全国大会

逐次実行 • 解析フレームの更新 / データ依存辺の追加 1: iconst_3 ローカル変数スタック 2: istore_1 ソフトウェア科学会全国大会

分岐 • 解析フレームの更新 / データ依存辺の追加 5: iconst_3 6: iload_0 ローカル変数スタック 7: if_icmplt L4 ソフトウェア科学会全国大会

分岐 • 解析フレームの更新 / データ依存辺の追加 • 解析フレームの複製 5: iconst_3 6: iload_0 ローカル変数スタック 7: if_icmplt L4 ソフトウェア科学会全国大会

繰り返し(1/2) • 繰り返しの存在による解析のループ • CFGにループが存在する場合、解析がループに陥る • 等価な解析が無限に繰り返され、解析が終了しない等価な解析 ⇔ 等価な解析フレームによる解析 L1 iconst_2 goto L1 iload_0 istore_0 if_icmplt L3 ineg L3 iload_0 iload_0 iconst_3 iadd ireturn ソフトウェア科学会全国大会

繰り返し(2/2) • 等価な解析フレームによる解析を回避 • CFGの合流節点に、処理開始時の解析フレームの履歴を保持させる • 等価な解析フレームが既に履歴に含まれている場合、解析を停止する iload_0 ・・・ソフトウェア科学会全国大会

提案手法の実現 (1/2) • JAVAバイトコードをJasmin形式に変換し、解析 • 構文解析、CFG構築、データ依存関係解析データ依存解析ツール JAVAバイトコードデータ依存辺を追加したCFG CFG 1000 101101 0010111 1011110 1101001 構文解析、 CFG構築データ依存関係解析 Jasmin Translator JAVAバイトコード（Jasmin形式）ソフトウェア科学会全国大会

提案手法の実現 (2/2) L3 iconst_2 L3 L5 iconst_2 iload_0 if_icmple L5 iload_0 ineg istore_0 goto L3 iload_0 ireturn goto L3 データ依存解析ツール iload_0 istore_0 if_icmplt L5 ineg L5 iload_0 iload_0 ireturn ローカル変数に関するデータ依存辺スタックに関するデータ依存辺制御依存辺ソフトウェア科学会全国大会

まとめと今後の課題 • まとめ • 本研究では、JAVAバイトコードに対するデータ依存関係を定義し、その抽出手法を提案した • また、提案手法を採用したツールの試作を行い、その動作を確認した • 今後の課題 • スレッドへの対応 • 解析の効率化 • JAVAバイトコードに対するプログラムスライスの抽出ソフトウェア科学会全国大会

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