修改GCC增加插裝功能的實(shí)現(xiàn)方法

程序插裝（Program Instrumentation）概念最先是由J.G.Huang教授提出，是借助往被測(cè)程序中插入操作（稱為“探針”），以便獲取程序的控制流和數(shù)據(jù)流信息，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試目的的方法。在軟件動(dòng)態(tài)測(cè)試中，程序插裝是一種基本的測(cè)試手段，應(yīng)用廣泛，是覆蓋率測(cè)試、軟件故障注入和動(dòng)態(tài)性能分析的基礎(chǔ)技術(shù)。
　　GCC（GNU ComPIler Collection）是一個(gè)高度優(yōu)化，高度可移植，廣泛使用的編譯系統(tǒng)。它能處理多種語(yǔ)言，包括C/C++、Fortran、Java和Pascal等多種語(yǔ)言前端，而且后端支持幾乎所有的處理器結(jié)構(gòu)。GCC作為源碼開放的軟件，人們可以自由修改和使用;加入插裝模塊后，在GCC所支持的語(yǔ)言中都可插入相應(yīng)的測(cè)試代碼（這里只介紹C語(yǔ)言的插裝模塊）。本文將詳細(xì)敘述如何修改GCC，使其在編譯每個(gè)C函數(shù)時(shí)，分別將各個(gè)形式參數(shù)連同該函數(shù)名傳遞給一個(gè)指定函數(shù)。該指定函數(shù)的返回值賦予原來(lái)的形式參數(shù)，從而可以人為控制***裝函數(shù)的每個(gè)參數(shù)實(shí)際值，進(jìn)而完成各種規(guī)則下的測(cè)試。
　　1 GCC編譯流程分析
　　編譯器的工作是將源代碼（通常使用高級(jí)語(yǔ)言編寫）翻譯成目標(biāo)代碼（通常是低級(jí)的目標(biāo)代碼或者機(jī)器語(yǔ)言）。在現(xiàn)代編譯器的實(shí)現(xiàn)中，這個(gè)工作一般是分為兩個(gè)階段來(lái)實(shí)現(xiàn)的：
　　第一階段，編譯器的前端接收輸入的源代碼，經(jīng)過(guò)詞法、語(yǔ)法和語(yǔ)義分析等得到源程序的某種中間表示方式。
　　第二階段，編譯器的后端將前端處理生成的中間表示方式進(jìn)行一些優(yōu)化，并最終生成在目標(biāo)機(jī)器上可運(yùn)行的代碼。
　　GCC編譯器以一個(gè)函數(shù)為單位對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的輸入源文件進(jìn)行編譯處理。根據(jù)GNU Bison（一個(gè)類似YACC但功能更強(qiáng)大的文法分析工具）生成的語(yǔ)法分析程序，前端完成語(yǔ)法、語(yǔ)義分析，建立語(yǔ)法樹，并轉(zhuǎn)換成中間代碼。GCC內(nèi)部使用了一種能對(duì)實(shí)際的體系結(jié)構(gòu)做一種抽象的，與硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)的語(yǔ)言，這個(gè)中間語(yǔ)言就是RTL（Register Ttansfer Language）。通過(guò)修改源程序的RTL，可以改變、刪除源程序，包括插入所需要的代碼，由GCC后端處理并最終輸出對(duì)應(yīng)硬件平臺(tái)的匯編碼，源程序無(wú)需手工修改便可實(shí)現(xiàn)插裝功能。
　　GCC的入口點(diǎn)main函數(shù)在文件main.c中。此函數(shù)非常簡(jiǎn)單，只有一條直接調(diào)用toplev_main函數(shù)的語(yǔ)句。toplev_main函數(shù)是在toplev.c文件中定義的，以下我們只關(guān)心與編譯有關(guān)的源碼，其他的暫時(shí)忽略。toplev_main中最重要的是調(diào)用了do_complile函數(shù)，這個(gè)函數(shù)從名字看就是做編譯工作的;而在此之后，toplev_main函數(shù)就返回了。dD_compile函數(shù)也是在tokv.c中定義的，其中真正進(jìn)行編譯工作的是調(diào)用compilte_file函數(shù)。compik_file函數(shù)最終調(diào)用了一個(gè)鉤子函數(shù)來(lái)分析（parse）整個(gè)輸入文件：
　?。?lang_hooks.parse_file）（set_yydebug）;
　　這里的lang_hooks是一個(gè)全局變量，不同語(yǔ)言的前端對(duì)此賦以不同的值。對(duì)C語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，這條語(yǔ)句相當(dāng)于調(diào)用了c-opts.c中的c_common_parse_file函數(shù)。c_com-mon_parse_file中調(diào)用了c-parse.c中的c_parse_file函數(shù);在此函數(shù)中又調(diào)用了同文件中的yyparse函數(shù)，該函數(shù)負(fù)責(zé)解析C語(yǔ)言源文件，并轉(zhuǎn)化為特殊的語(yǔ)法樹結(jié)構(gòu)。該函數(shù)是GNU bison將YACC轉(zhuǎn)變?yōu)镃語(yǔ)言而自動(dòng)生成的，所以這段代碼閱讀起來(lái)比較困難，但我們并不關(guān)心語(yǔ)法分析的細(xì)節(jié)。在完成函數(shù)體的分析后，利用已經(jīng)建立的tree結(jié)構(gòu)生成RTL，優(yōu)化后最終輸出匯編碼;自此C函數(shù)的編譯就算結(jié)束了，這些是由yyparse調(diào)用finish_function函數(shù)完成的。finish_function函數(shù)中最重要的函數(shù)是tree_rest_of_compilation（定義在tree_optimize.c中），它是真正實(shí)現(xiàn)上述功能的函數(shù)。為了說(shuō)明它所做的具體事情，我們將該函數(shù)做了刪減，保留了關(guān)鍵的地方。