如何通過提升代碼質(zhì)量, 加速完成項目的功能安全認證

近年來，國內(nèi)電子公司和芯片設計企業(yè)大舉進攻汽車、醫(yī)療和工業(yè)等高可靠應用（mission-critical）領域，為自己找到了擺脫紅海的新領域。但是高可靠應用多數(shù)都需要功能安全認證，在許多行業(yè)在諸如汽車、航空電子、醫(yī)療和工業(yè)控制等行業(yè)，是很常見甚至是必須的工作。這些認證通過必要的流程和測試來填寫功能安全清單，一直以來都是一個非常困難的事情，但有一些方法可以加快您的認證。

雖然可以對研發(fā)過程進行大量的微調(diào)以加快您的認證，但一切現(xiàn)代電子信息系統(tǒng)都從軟件即代碼質(zhì)量開始。但如何能夠確保代碼質(zhì)量呢？幸運的是，使用一些簡單的方法，可以幾乎立即提升您的代碼質(zhì)量，并盡可能地減少痛苦。

從標準中獲得幫助

作為一家產(chǎn)品被全球近五萬家企業(yè)/機構采用的嵌入式開發(fā)工具提供商，IAR的研發(fā)工程師評估在C99中，代碼規(guī)范中有大約190種模棱兩可之處。也就是在C99中，有190種不同的合乎句法的C結構，在C語言規(guī)范中沒有明確說明。實際上，進入C18，情況會變得有一點糟糕，在C++中，情況會更加糟糕，這里需要引入多繼承和虛擬繼承的概念。當然，編譯器必須把您的源代碼變成具體的代碼，所以它必須對代碼的含義選擇一種解釋，然后用它來運行。

這在實踐中意味著，您可以得到不同的編譯器，它們對源代碼有不同的解釋。在一個高可靠的系統(tǒng)中，這是一個如同噩夢般的場景；特別是由于許多公司為了追求盡快通過功能安全認證，為了方便測試在多個平臺上交叉編譯他們的代碼?？梢韵胂?，這對您獲得認證的時間會有多么非常糟糕的影響，因為您不得不圍繞所有這些情況進行測試，以證明代碼的可重復性和可靠性。

怎樣才能破解這個難題呢？簡短的答案是，避免模棱兩可的情況出現(xiàn)在您的代碼中。但如何做到這一點呢？使用像MISRA這樣的編碼標準可以快速解決這個難題，因為這些標準就是為了讓您避免掉入代碼中那些常見類型的陷阱。這些標準還倡導編碼要安全可靠，以減少您代碼中的漏洞數(shù)量。但是，怎樣才能確保我們遵循這些標準呢？幸運的是，功能安全標準提供了一種方法。

標準需要代碼分析

幾乎每一個功能安全標準都需要您對您的代碼進行靜態(tài)分析，并且強烈建議您對您的代碼進行運時（或動態(tài)）分析。這些標準中影響最廣的是IEC 61508，涵蓋了一般與安全相關的系統(tǒng)。在該標準的C.4.2這一節(jié)中，對于安全完整性等級（SIL）1以上的產(chǎn)品，不建議使用沒有消除模棱兩可和危險行為的編碼標準的C語言。

 換句話說，如果您想為您的產(chǎn)品獲得SIL 2-4等級的認證，您必須使用靜態(tài)分析來讓您的代碼更加穩(wěn)固。這是為什么呢？這些靜態(tài)分析工具可以迫使開發(fā)者實施諸如MISRA的編碼標準。此外，靜態(tài)和運時分析可以幫助您提高代碼質(zhì)量，快速指出您何時的編碼行為是有風險的，特別是存在上述編碼標準中模棱兩可的情況。

然而，當您使用這類自動化工具時，也會對您的認證時間線產(chǎn)生巨大影響。許多組織使用難以配置、難用的代碼分析工具，這些工具在構建服務器上運行，作為每日構建的一部分。這對您的幫助并不是很大，因為個體開發(fā)者并沒有得到即時的反饋，他們并不知道自己剛剛寫的代碼有什么問題。此外，有時這些工具發(fā)出的警告信息是難以理解的，開發(fā)者們要弄清楚是什么意思，以及怎樣修正代碼才能讓警告消失，這浪費了他們的時間。

換句話說，安全性認證不是要突出項目的優(yōu)點（高性能），而是要盡量找出項目的弱點（漏洞），所以要盡可能地選用被最大量開發(fā)人員群體驗證過的開發(fā)工具，或者是“見多識廣”的開發(fā)工具系統(tǒng)。全球有超過15萬開發(fā)人員在使用IAR提供的IAR Embedded Workbench開發(fā)工具來完成其各種嵌入式項目，通過與其中許多“高手”開發(fā)人員溝通發(fā)現(xiàn)：如果您能在開發(fā)過程中進行代碼分析--在正式構建之前--那么漏洞就像是從來沒有過一樣。您項目的漏洞會比較低，這正是認證機構想要的，因為這意味著您有一個非常成熟的開發(fā)組織。

讓代碼分析成為日常工作流程的一部分

IAR的工程師們見過許多來自各行各業(yè)的公司，我們注意到的是，配置起來越容易使用的代碼分析工具越簡單，開發(fā)人員就更有可能使用它們，這樣能夠幫助開發(fā)人員更快完成項目實現(xiàn)產(chǎn)品上市。讓這些自動化工具成為開發(fā)者工具箱的一部分，意味著您可以在編寫應用程序時檢查和改進代碼質(zhì)量，同時可以在“區(qū)域”內(nèi)了解這部分代碼要做什么以及它如何與系統(tǒng)中的其他模塊進行交互。為了有效地做到這一點，這些工具必須被整合到日常工作流程中。

在瀏覽其他人對整合代碼分析的看法時，IAR的工程師發(fā)現(xiàn)谷歌在ACM出版物上發(fā)表了一篇文章，探討了代碼分析的優(yōu)點。雖然文章對他們的整個代碼庫，包括C、C++和Java進行了全面的考察，但他們的結果非常明確：

“在開發(fā)過程的早期就能發(fā)現(xiàn)編譯器錯誤，并且能夠整合到開發(fā)人員的工作流程中。我們發(fā)現(xiàn)擴大編譯器的檢查集對提高 Google的代碼質(zhì)量是有效的。” 

作者說，將靜態(tài)分析檢查整合到編譯器工作流程中，并使其作為錯誤出現(xiàn)，極大地提高了對工具調(diào)查結果的關注度，這意味著他們的代碼質(zhì)量最后會很高。再往下看，他們談到了一項調(diào)查，這項調(diào)查面向最近遇到編譯器錯誤以及已經(jīng)收到修復同一問題補丁的開發(fā)者：

“谷歌開發(fā)者認為，在編譯時標記的問題（與已提交的代碼補丁不同）能捕捉到更嚴重的漏洞；例如，編譯過程中標記的問題里面有74%被調(diào)查參與者認為是‘真正的問題’，相比之下，在已提交的代碼中發(fā)現(xiàn)的問題只有21%?！?/p>

文章還談到了將代碼分析作為工作流程一部分的重要性，指出當他們通過靜態(tài)分析工具自動運行提交的代碼并邀請工程師查看分析儀表板時，很少有工程師跟進到底。在編譯過程中的即時反饋讓靜態(tài)分析使用起來更簡單，也更難被忽視。因此，他們選擇在每個人的工作流程中默認加入靜態(tài)分析。谷歌團隊認為，代碼分析工具要想取得成功，一定要讓開發(fā)人員感覺到他們用了這些工具，并從中受益，并且很享受用這些工具。

但是，在工作流程中加入代碼分析，您期望看到什么樣的結果呢？有一件事情是可以期望實現(xiàn)的，那就是提高應用程序的整體安全性，因為高質(zhì)量代碼可以消除漏洞去利用諸如緩沖區(qū)溢出和非法指針等機會，如該文所述。雖然這本身就是使用代碼分析的一個很好的理由，但有時很難說服人們相信“一針不補，十針難縫”這句格言，您需要更顯著的結果來說服開發(fā)者和管理層，讓他們信服代碼分析的好處。

Stefan Wagner等人的一篇論文使用經(jīng)驗數(shù)據(jù)來計算代碼分析工具與傳統(tǒng)測試在不同代碼庫上的優(yōu)勢。他們的結果很有說服力：在769個被識別到的漏洞中，76%是被代碼分析工具發(fā)現(xiàn)，只有4%是在傳統(tǒng)測試中發(fā)現(xiàn)，其余20%在代碼審查中發(fā)現(xiàn)。如果能在開始測試前就消除75%的漏洞，那么能多快地實現(xiàn)軟件的平均故障間隔時間（MTTF）目標？答案是 “非?？臁?。僅僅是看測試節(jié)省下來的時間和金錢，即可發(fā)現(xiàn)對代碼分析工具的投資就是值得的，更不用說縮短產(chǎn)品上市周期省下的時間。這些都是功能安全認證機構喜歡看到的流程類型，因為它極大地降低了最終產(chǎn)品仍然含有漏洞的風險。

高質(zhì)量的代碼讓您在通往功能安全的道路上快速前進

加快功能安全認證之路的關鍵是提高代碼質(zhì)量。提高代碼質(zhì)量，可以降低您的產(chǎn)品漏洞率，這意味著可以更快地達到軟件發(fā)布標準，讓您的開發(fā)組織在功能安全認證機構看來非常成熟。雖然您永遠不可能確切地知道一個應用程序中還有多少漏洞，但盡早地多使用代碼分析工具可以減少漏洞的數(shù)量。