Встраиваемые системы давно и прочно вошли в нашу жизнь. Требования к их стабильности и надежности очень высоки, а исправление ошибок обходится дорого. Поэтому для embedded разработчиков особенно актуально регулярное использование специализированных инструментов для обеспечения качества исходного кода. Эта статья расскажет о появлении поддержки GNU Arm Embedded Toolchain в анализаторе PVS-Studio и дефектах кода, найденных в проекте Mbed OS.
Анализатор PVS-Studio уже поддерживает несколько коммерческих компиляторов для встраиваемых систем, например:
Теперь к поддержке добавлен еще один инструмент разработчика - GNU Embedded Toolchain.
GNU Embedded Toolchain - коллекция компиляторов от компании Arm, основанная на GNU Compiler Collection. Первый официальный релиз состоялся в 2012 году, и с тех пор проект развивается вместе с GCC.
Основное предназначение GNU Embedded Toolchain - генерация кода, работающего на "голом железе" (bare metal), то есть напрямую на процессоре без прослойки в виде операционной системы. В комплект поставки входят компиляторы для C и C++, ассемблер, набор утилит GNU Binutils и библиотека Newlib. Исходный код всех компонентов полностью открыт и распространяется по лицензии GNU GPL. С официального сайта можно скачать версии под Windows, Linux и macOS.
Чтобы протестировать анализатор, нужно как можно больше исходного кода. Обычно проблем с этим нет, но, когда мы имеем дело с embedded разработкой, нацеленной в первую очередь на устройства, входящие в IoT, найти достаточное количество больших проектов может быть сложно. К счастью, эту проблему удалось решить за счет специализированных операционных систем, исходный код которых в большинстве случаев открыт. Дальше речь пойдет об одной из них.
Хотя основной целью статьи является рассказать о поддержке GNU Embedded Toolchain, много про это написать сложно. Тем более, что читатели наших статей наверняка ждут описания каких-то интересных ошибок. Что же, не будем обманывать их ожидания и запустим анализатор на проекте Mbed OS. Это операционная система с открытым исходным кодом, которая разрабатывается при участии компании Arm.
Официальный сайт: https://www.mbed.com/
Исходный код: https://github.com/ARMmbed/mbed-os
Выбор на Mbed OS пал не случайно, вот как описывают проект его авторы:
Arm Mbed OS is an open source embedded operating system designed specifically for the "things" in the Internet of Things. It includes all the features you need to develop a connected product based on an Arm Cortex-M microcontroller, including security, connectivity, an RTOS and drivers for sensors and I/O devices.
Это идеальный проект для сборки с помощью GNU Embedded Toolchain, особенно с учетом участия Arm в его разработке. Сразу оговорюсь, что цели найти и показать как можно больше ошибок в конкретном проекте у меня не было, поэтому результаты проверки рассмотрены кратко.
В ходе проверки кода Mbed OS анализатор PVS-Studio выдал 693 предупреждения, 86 из них - с приоритетом high. Я не буду подробно рассматривать их все, тем более что многие из них повторяются или не представляют особого интереса. Например, анализатор выдал много предупреждений V547 (Expression is always true/false), относящихся к однотипным фрагментам кода. Анализатор можно настроить, чтобы существенно сократить количество ложных и неинтересных срабатываний, но такой задачи при написании статьи не ставилось. Желающие могут посмотреть пример подобной настройки, описанной в статье "Характеристики анализатора PVS-Studio на примере EFL Core Libraries, 10-15% ложных срабатываний".
Для статьи я отобрал несколько интересных ошибок, чтобы продемонстрировать работу анализатора.
Начнем с распространенного класса ошибок в C и C++ - утечек памяти.
Предупреждение анализатора: V773 CWE-401 The function was exited without releasing the 'read_buf' pointer. A memory leak is possible. cfstore_test.c 565
int32_t cfstore_test_init_1(void)
{
....
read_buf = (char*) malloc(max_len);
if(read_buf == NULL) {
CFSTORE_ERRLOG(....);
return ret;
}
....
while(node->key_name != NULL)
{
....
ret = drv->Create(....);
if(ret < ARM_DRIVER_OK){
CFSTORE_ERRLOG(....);
return ret; // <=
}
....
free(read_buf);
return ret;
}Классическая ситуация при работе с динамической памятью. Выделенный с помощью malloc буфер используется только внутри функции и освобождается перед выходом. Проблема в том, что этого не происходит, если функция прекращает работу досрочно. Обратите внимание на одинаковый код в блоках if. Скорее всего, автор скопировал верхний фрагмент и забыл добавить вызов free.
Еще пример, аналогичный предыдущему.
Предупреждение анализатора: V773 CWE-401 The function was exited without releasing the 'interface' pointer. A memory leak is possible. nanostackemacinterface.cpp 204
nsapi_error_t Nanostack::add_ethernet_interface(
EMAC &emac,
bool default_if,
Nanostack::EthernetInterface **interface_out,
const uint8_t *mac_addr)
{
....
Nanostack::EthernetInterface *interface;
interface = new (nothrow) Nanostack::EthernetInterface(*single_phy);
if (!interface) {
return NSAPI_ERROR_NO_MEMORY;
}
nsapi_error_t err = interface->initialize();
if (err) {
return err; // <=
}
*interface_out = interface;
return NSAPI_ERROR_OK;
}Указатель на выделенную память возвращается через выходной параметр, но только если вызов initialize прошел успешно, а в случае ошибки происходит утечка, потому что локальная переменная interface выходит из области видимости, и указатель попросту теряется. Здесь следовало бы либо вызвать delete, либо хотя бы отдать хранящийся в переменной interface адрес наружу в любом случае, чтобы об этом мог позаботиться вызывающий код.
Использование функции memset часто приводит к ошибкам, примеры связанных с ней проблем можно посмотреть в статье "Самая опасная функция в мире С/С++".
Рассмотрим такое предупреждение анализатора:
V575 CWE-628 The 'memset' function processes '0' elements. Inspect the third argument. mbed_error.c 282
mbed_error_status_t mbed_clear_all_errors(void)
{
....
//Clear the error and context capturing buffer
memset(&last_error_ctx, sizeof(mbed_error_ctx), 0);
//reset error count to 0
error_count = 0;
....
}Программист намеревался обнулить память, занимаемую структурой last_error_ctx, но перепутал местами второй и третий аргумент. В результате 0 байт заполняется значением sizeof(mbed_error_ctx).
Точно такая же ошибка присутствует сотней строк выше:
V575 CWE-628 The 'memset' function processes '0' elements. Inspect the third argument. mbed_error.c 123
Предупреждение анализатора: V612 CWE-670 An unconditional 'return' within a loop. thread_network_data_storage.c 2348
bool thread_nd_service_anycast_address_mapping_from_network_data (
thread_network_data_cache_entry_t *networkDataList,
uint16_t *rlocAddress,
uint8_t S_id)
{
ns_list_foreach(thread_network_data_service_cache_entry_t,
curService, &networkDataList->service_list) {
// Go through all services
if (curService->S_id != S_id) {
continue;
}
ns_list_foreach(thread_network_data_service_server_entry_t,
curServiceServer, &curService->server_list) {
*rlocAddress = curServiceServer->router_id;
return true; // <=
}
}
return false;
}В этом фрагменте ns_list_foreach - это макрос, который раскрывается в оператор for. Внутренний цикл выполняет не больше одной итерации из-за вызова return сразу после строки, в которой инициализируется выходной параметр функции. Возможно, этот код работает так, как задумано, но использование внутреннего цикла выглядит в этом контексте довольно странно. Скорее всего, инициализация rlocAddress и выход из функции должны выполняться по условию, или от внутреннего цикла можно избавиться.
Как я говорил выше, анализатор выдал довольно большое количество неинтересных предупреждений V547, поэтому я изучал их бегло и выписал для статьи только два случая.
https://www.viva64.com/ru/w/v547/V547 CWE-570 Expression 'pcb->state == LISTEN' is always false. lwip_tcp.c 689
enum tcp_state {
CLOSED = 0,
LISTEN = 1,
....
};
struct tcp_pcb *
tcp_listen_with_backlog_and_err(struct tcp_pcb *pcb, u8_t backlog, err_t *err)
{
....
LWIP_ERROR("tcp_listen: pcb already connected",
pcb->state == CLOSED,
res = ERR_CLSD; goto done);
/* already listening? */
if (pcb->state == LISTEN) { // <=
lpcb = (struct tcp_pcb_listen*)pcb;
res = ERR_ALREADY;
goto done;
}
....
}Анализатор считает, что условие pcb->state == LISTEN всегда ложно, давайте разберемся, почему.
Перед оператором if используется макрос LWIP_ERROR, который по логике своей работы напоминает assert. Его объявление выглядит так:
#define LWIP_ERROR(message, expression, handler) do { if (!(expression)) { \
LWIP_PLATFORM_ERROR(message); handler;}} while(0)Если условие ложно, макрос сообщает об ошибке и выполняет код, переданный через параметр handler, в этом фрагменте кода - безусловный переход с использованием goto.
В данном примере проверяется условие 'pcb->state == CLOSED', то есть переход на метку done происходит в случае, когда pcb->state имеет любое другое значение. Оператор if, следующий за вызовом LWIP_ERROR, проверяет pcb->state на равенство LISTEN, но это условие никогда не выполняется, потому что state в этой строке может содержать только значение CLOSED.
Рассмотрим еще одно предупреждение, связанное с условиями: V517 CWE-570 The use of 'if (A) {...} else if (A) {...}' pattern was detected. There is a probability of logical error presence. Check lines: 62, 65. libdhcpv6_server.c 62
static void libdhcpv6_address_generate(....)
{
....
if (entry->linkType == DHCPV6_DUID_HARDWARE_EUI64_TYPE) // <=
{
memcpy(ptr, entry->linkId, 8);
*ptr ^= 2;
}
else if (entry->linkType == DHCPV6_DUID_HARDWARE_EUI64_TYPE)// <=
{
*ptr++ = entry->linkId[0] ^ 2;
*ptr++ = entry->linkId[1];
....
}
}Здесь if и else if проверяют одно и то же условие, в результате чего код в теле else if никогда не выполняется. Такие ошибки часто возникают при написании кода методом 'copy-paste'.
Посмотрим напоследок на забавный фрагмент кода.
Предупреждение анализатора: V607 Ownerless expression '& discover_response_tlv'. thread_discovery.c 562
static int thread_discovery_response_send(
thread_discovery_class_t *class,
thread_discovery_response_msg_t *msg_buffers)
{
....
thread_extension_discover_response_tlv_write(
&discover_response_tlv, class->version,
linkConfiguration->securityPolicy);
....
}А теперь давайте взглянем на объявление макроса thread_extension_discover_response_tlv_write:
#define thread_extension_discover_response_tlv_write \
( data, version, extension_bit)\
(data)Макрос раскрывается в аргумент data, то есть его вызов внутри функции thread_discovery_response_send после препроцессирования превращается в выражение (&discover_response_tlv).
У меня комментариев нет. Наверное, это не ошибка, но такой код всегда вводит меня в состояние, подобному изображению на картинке :).
Список поддерживаемых в PVS-Studio компиляторов пополнился. Если у вас есть проект, предназначенный для сборки с помощью GNU Arm Embedded Toolchain, предлагаю попробовать проверить его с помощью нашего анализатора. Скачать демонстрационную версию можно здесь. Обратите также внимание на вариант с бесплатной лицензией, который подходит для некоторых небольших проектов.