基于静态分析的Rust内存安全缺陷检测研究 报告人：徐辉 报告日期：2022.11.25 复旦大学 大纲 一、问题背景 二、Rust指针缺陷检测方法 三、实验结论 四、论文发表心得 大纲 一、问题背景 二、Rust指针缺陷检测方法 三、实验结论 四、论文发表心得 Rust语言 ❑ 系统级安全编程语言 ▪ 内存安全 ▪ 并发安全 ▪ 效率 2006年 2011年 Mozilla… Rust如何保障内存安全？ ❑ 内存安全问题产生的主要原因之一是指针别名导致悬空指针 ▪ 手动释放内存或调用析构函数 ▪ 函数返回时发生的自动析构或内存释放 ❑ Rust设计的目标之一是编译时检查指针别名（共享可变引用） ▪ 但一般意义上的指针分析是NP-hard问题 ▪ 智能指针可行，但作为运行时方案，效率低 ▪ Rust在语法设计中引入所有权机制，简化指针分析问题 handling drop(_0) 返回值 Auto Memory Reclaim问题：示例2 创建未初始化的变量foo Panic将导致访问未初始化内存 大纲 一、问题背景 二、Rust指针缺陷检测方法 三、实验结论 四、论文发表心得 研究挑战和思路 ❑ 研究挑战：指针分析是NP-hard问题 ▪ 准确性：应采用路径敏感的指针分析算法，避免过多误报 ▪ 分析效率：应基于Rust MIR的特点对算法进行优化，使其可行

掌握的基础知识，并且重新调整了目录结构。 我个人对 Rust 语言设计的看法主要是：重大创新，却又博采众长。 Rust 为了解决内存安全问题重新设计了类型系统，提出了所有权的概念，同时 为了能够解决当前大多数语言无法检测到的运行时错误，rust 创造性地设计了 无畏并发。Rust 借鉴了很多优秀语言的设计理念，以及快速迭代的社区，这些 都是 Rust 受到赞赏的重要因素。 Rust 是一门系统级编程语言，被设计为保证内存和线程安全，并防止段错误。 “零开销抽象”。理论上来说，它的速 度与 C / C++ 同级。 Rust 可以被归为通用的、多范式、编译型的编程语言，类似 C 或者 C++。与 这两门编程语言不同的是，Rust 是线程安全的！ Rust 编程语言的目标是，创建一个高度安全和并发的软件系统。它强调安全性、 并发和内存控制。尽管 Rust 借用了 C 和 C++ 的语法，它不允许空指针和悬 挂指针，二者是 C 和 C++ 中系统崩溃、内存泄露和不安全代码的根源。 却不再让你担心内存安全问题，也不用再操心内存管理的麻烦，那 Rust 是如何做到这一点的？通过所有权。 3.1 所有权 3.1.1 绑定 首先必须强调下，准确地说 Rust 中并没有变量这一概念，而应该称为标识符， 目标资源(内存，存放 value)绑定到这个标识符。 { let x: i32; // 标识符 x, 没有绑定任何资源 let y: i32 = 100; // 标识符

https://google.github.io/comprehensive-rust/。如果您 在其他地方阅读，请在那里查看更新。 The course is also available as a PDF. 本课程的目标是教会你使用 Rust。假设你对 Rust 一无所知，本课程可以： • 帮助你全面理解 Rust 的语法和语言。 • 让你可以用 Rust 修改现有程序和编写新程序。 • 为你展示常见的 Rust 处理器。 • 并发：为期一天的课程，介绍 Rust 中的并发性。我们将涵盖传统并发（使用线程和互斥锁进行抢占 式调度）和 async/await 并发（使用 futures 进行协作式多任务处理）。 非目标 Rust 是一门庞大的语言，短短几天的课程无法覆盖其全部内容。本课程不包括以下内容： • 学习如何开发宏：请参阅 Rust Book 的第 19.5 章 和 Rust by Examples 对应章节。 C、C++ 和 Java 的互操作性。 你需要检出 AOSP。在同一机器上检出课程库，然后将 src/android/ 目录移至所检出的 AOSP 的根 目录。这将确保 Android 构建系统能检测到 src/android/ 中的 Android.bp 文件。 确保 adb sync 适用于你的模拟器或实际设备，并使用 src/android/build_all.sh 预构建所有 Android

将高级语言特性编 译成底层代码，并且与手写的代码运行速度同样快。Rust 努力确保代码又安全又快速。 这里提到的只是几个较大的受益群体，Rust 语言也希望能支持更多其他用户。总的来说， Rust 最重要的目标是消除数十年来程序员习以为常的取舍，让安全和高效、速度和易读易用 可以兼得。试试看 Rust，说不定它的选择就适合你。 本书适合哪些人 本书假设你已经有其他编程语言的经验，任何语言均可，我们力求让各种语言背景的人都能读 Rust 用来表明程 序因错误而退出。第九章 “panic! 与不可恢复的错误” 部分会详细介绍 panic。 使用 --release flag 在 release 模式中构建时，Rust 不会检测会导致 panic 的整型溢 出。相反发生整型溢出时，Rust 会进行一种被称为二进制补码 wrapping（two’s complement wrapping）的操作。简而言之，比此类型能容纳最大值还大的值会回绕 dollars of pain and damage in the last forty years. 我称之为我十亿美元的错误。当时，我在为一个面向对象语言设计第一个综合性的面 向引用的类型系统。我的目标是通过编译器的自动检查来保证所有引用的使用都应该 是绝对安全的。不过我未能抵抗住引入一个空引用的诱惑，仅仅是因为它是这么的容 易实现。这引发了无数错误、漏洞和系统崩溃，在过去四十年里可能造成了价值十亿

流式处理 3.2 流式处理 3.3 Rust 的锁 2. 异步死锁检测 https://github.com/tokio-rs/async-backtrace 1. sync rwlock parking_lot async rwlock tokio 1. 找出目标系统的三元组 {arch}-{vendor}-{sys}-{abi}

将高级语言特性编 译成底层代码，并且与手写的代码运行速度同样快。Rust 努力确保代码又安全又快速。 这里提到的只是几个较大的受益群体，Rust 语言也希望能支持更多其他用户。总的来说， Rust 最重要的目标是消除数十年来程序员习以为常的取舍，让安全和高效、速度和易读易用 可以兼得。试试看 Rust，说不定它的选择就适合你。 本书适合哪些人 本书假设你已经有其他编程语言的经验，任何语言均可，我们尽可能让各种语言背景的人都能 Rust 用来表明程序因错误而退出。第九章 “panic! 与不可恢复的错误” 部分会详细介 绍 panic。 使用 --release flag 在 release 模式中构建时，Rust 不会检测会导致 panic 的整型 溢出。相反发生整型溢出时，Rust 会进行一种被称为二进制补码 wrapping（two’s complement wrapping）的操作。简而言之，比此类型能容纳最大值还大的值会回绕 dollars of pain and damage in the last forty years. 我称之为我十亿美元的错误。当时，我在为一个面向对象语言设计第一个综合性的面 向引用的类型系统。我的目标是通过编译器的自动检查来保证所有引用的使用都应该 是绝对安全的。不过我未能抵抗住引入一个空引用的诱惑，仅仅是因为它是这么的容 易实现。这引发了无数错误、漏洞和系统崩溃，在之后的四十多年中造成了数十亿美

用优秀的设计消减数据同步代价 读写分离 限制作用范围 COPY-WRITE机制 优化并行粒度 任务粒度与并行效率的关系 rayon库中的粒度控制函数 死锁的检测和处理 基于rayon线程池的自动触发式死锁检测 通过有向图环路检测移除死锁 Rust社区与并行编译 Rust社区与并行编译 18年1月由编译器团队成员提出 成立社区工作组 陷入技术阻塞，人员逐渐流失 编译器Roadmap寻求帮助

一个国家，小 到一个家庭，社会的主要组织形式呈现出“树”的特征；冬天的衣服就像“栈”，最先穿上的最后才能脱下； 羽毛球筒则如同“队列”，一端放入、另一端取出；字典就像一个“哈希表”，能够快速查找目标词条。 本书旨在通过清晰易懂的动画图解和可运行的代码示例，使读者理解算法和数据结构的核心概念，并能够通 过编程来实现它们。在此基础上，本书致力于揭示算法在复杂世界中的生动体现，展现算法之美。希望本书 具有可行性，能够在有限步骤、时间和内存空间下完成。 ‧ 各步骤都有确定的含义，在相同的输入和运行条件下，输出始终相同。 1.2.2 数据结构定义 数据结构（data structure）是计算机中组织和存储数据的方式，具有以下设计目标。 ‧ 空间占用尽量少，以节省计算机内存。 第 1 章 初识算法 hello‑algo.com 14 ‧ 数据操作尽可能快速，涵盖数据访问、添加、删除、更新等。 ‧ 提供简洁的数据表示和逻辑信息，以便算法高效运行。 两者的详细对应关系如表 1‑1 所示。 表 1‑1 将数据结构与算法类比为拼装积木 数据结构与算法 拼装积木 输入数据 未拼装的积木 数据结构 积木组织形式，包括形状、大小、连接方式等 算法 把积木拼成目标形态的一系列操作步骤 输出数据 积木模型 值得说明的是，数据结构与算法是独立于编程语言的。正因如此，本书得以提供基于多种编程语言的实现。 约定俗成的简称 在实际讨论时，我们通常会将“数据结构与算法”简称为“算法”。比如众所周知的

一个国家，小 到一个家庭，社会的主要组织形式呈现出“树”的特征；冬天的衣服就像“栈”，最先穿上的最后才能脱下； 羽毛球筒则如同“队列”，一端放入、另一端取出；字典就像一个“哈希表”，能够快速查找目标词条。 本书旨在通过清晰易懂的动画图解和可运行的代码示例，使读者理解算法和数据结构的核心概念，并能够通 过编程来实现它们。在此基础上，本书致力于揭示算法在复杂世界中的生动体现，展现算法之美。希望本书 各步骤都有确定的含义，在相同的输入和运行条件下，输出始终相同。 1.2.2 数据结构定义 数据结构（data structure）是组织和存储数据的方式，涵盖数据内容、数据之间关系和数据操作方法，它具 有以下设计目标。 第 1 章 初识算法 www.hello‑algo.com 14 ‧ 空间占用尽量少，以节省计算机内存。 ‧ 数据操作尽可能快速，涵盖数据访问、添加、删除、更新等。 ‧ 提供简洁的数据表示和逻辑信息，以便算法高效运行。 两者的详细对应关系如表 1‑1 所示。 表 1‑1 将数据结构与算法类比为拼装积木 数据结构与算法 拼装积木 输入数据 未拼装的积木 数据结构 积木组织形式，包括形状、大小、连接方式等 算法 把积木拼成目标形态的一系列操作步骤 输出数据 积木模型 值得说明的是，数据结构与算法是独立于编程语言的。正因如此，本书得以提供基于多种编程语言的实现。 约定俗成的简称 在实际讨论时，我们通常会将“数据结构与算法”简称为“算法”。比如众所周知的

间下完成。 ‧ 各步骤都有确定的含义，在相同的输入和运行条件下，输出始终相同。 1.2.2 数据结构定义 「数据结构 data structure」是计算机中组织和存储数据的方式，具有以下设计目标。 ‧ 空间占用尽量少，以节省计算机内存。 第 1 章 初识算法 hello‑algo.com 14 ‧ 数据操作尽可能快速，涵盖数据访问、添加、删除、更新等。 ‧ 提供简洁的数据表示和逻辑信息，以便算法高效运行。 两者的详细对应关系如表 1‑1 所示。 表 1‑1 将数据结构与算法类比为拼装积木 数据结构与算法 拼装积木 输入数据 未拼装的积木 数据结构 积木组织形式，包括形状、大小、连接方式等 算法 把积木拼成目标形态的一系列操作步骤 输出数据 积木模型 值得说明的是，数据结构与算法是独立于编程语言的。正因如此，本书得以提供基于多种编程语言的实现。 � 约定俗成的简称 在实际讨论时，我们通常会将“数 在算法设计中，我们先后追求以下两个层面的目标。 1. 找到问题解法：算法需要在规定的输入范围内可靠地求得问题的正确解。 2. 寻求最优解法：同一个问题可能存在多种解法，我们希望找到尽可能高效的算法。 也就是说，在能够解决问题的前提下，算法效率已成为衡量算法优劣的主要评价指标，它包括以下两个维 度。 ‧ 时间效率：算法运行速度的快慢。 ‧ 空间效率：算法占用内存空间的大小。 简而言之，我们的目标是设计“既快又省