支持源代碼逆向建模的關(guān)系模型設(shè)計(jì)

劉彥宇，唐運(yùn)樂(lè)

(北海藝術(shù)設(shè)計(jì)職業(yè)學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，廣西 北海 536000)

現(xiàn)有的軟件逆向工程分析方法主要有4種:詞法分析和語(yǔ)法分析;程序切片;動(dòng)態(tài)分析;圖形化方法［1］。在對(duì)現(xiàn)有源代碼進(jìn)行分析的過(guò)程中，首先想到的便是圖形化建模方法，使用Rational Rose、Visio、Rigio、StarUML等，進(jìn)行逆向建模，即通過(guò)對(duì)源代碼的自動(dòng)分析，提取出代碼各個(gè)層次上各類元素的相關(guān)信息，分析它們間的相互關(guān)系并生成多種類型的模型描述文檔［1－4］。但由于程序開(kāi)發(fā)本身的復(fù)雜性，以及這些分析工具關(guān)注重點(diǎn)所限，分析結(jié)果往往和預(yù)期相差很遠(yuǎn)，像Visio逆向生成的類模型文檔，只包含了類的描述信息，缺少更多的類結(jié)構(gòu)信息。這就需要開(kāi)發(fā)人員在使用輔助工具的基礎(chǔ)上，更多的人為參與代碼分析。

為了幫助開(kāi)發(fā)者快速地閱讀理解程序源代碼，本文針對(duì)Java語(yǔ)言，以基于實(shí)體關(guān)系的C++元模型［5］為基礎(chǔ)，擴(kuò)展了一種支持Java源代碼逆向建模的關(guān)系模型，按照關(guān)系模型設(shè)計(jì)代碼數(shù)據(jù)庫(kù)。

1 Java源代碼的逆向建模過(guò)程

目前，現(xiàn)有逆向建模方法大致為，通過(guò)抽取源代碼信息，存入設(shè)計(jì)的表或數(shù)據(jù)庫(kù)中，再通過(guò)一些輔助工具或數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序?qū)Τ槿〉男畔⑦M(jìn)行模型描述［2－3，6－7］。這種方法在將抽取信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)所要設(shè)計(jì)的接口程序相對(duì)復(fù)雜。而基于實(shí)體關(guān)系的C++元模型可以很好的完成結(jié)構(gòu)化分析及細(xì)粒度搜索，同時(shí)它還可以平衡粒度尺寸及分析局限。本文在原有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行關(guān)系模型設(shè)計(jì)，擴(kuò)展了兩方面內(nèi)容。第一，針對(duì)業(yè)界大量使用的Java語(yǔ)言，擴(kuò)展了特定語(yǔ)言的元模型。采用Java1.5的特性，通過(guò)這些特性可以有效控制元模型的復(fù)雜度，同時(shí)與Java語(yǔ)言中的文法概念相匹配后，便可以很容易的對(duì)抽取信息進(jìn)行分類處理，簡(jiǎn)化接口程序。第二，擴(kuò)展實(shí)體類型和關(guān)系類型，支持細(xì)粒度分析。

整個(gè)逆向建模過(guò)程如圖1所示，分三個(gè)步驟:第一，抽取源代碼信息，采用Eclipse AST對(duì)源代碼進(jìn)行解析;第二，存儲(chǔ)到代碼數(shù)據(jù)庫(kù);第三，生成模型描述文檔、進(jìn)行代碼信息檢索。

2 關(guān)系模型設(shè)計(jì)

將代碼中的信息抽象為實(shí)體、關(guān)系，并且將它們與源程序使用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的文法概念相匹配，之后，便很容易對(duì)各種信息進(jìn)行分類處理。

實(shí)體可以與源代碼中的顯式聲明一致，例如Class、Interface、Method等，也可以與Array、Primitive這類Java類型一致。解析過(guò)程中如果實(shí)體類型無(wú)法描述，可以使用UNKNOWN代替。表1列出了全部實(shí)體類型，這些類型遵循Java語(yǔ)言規(guī)范(JLS)中定義的標(biāo)準(zhǔn)含義。

圖1 Java源代碼逆向建模過(guò)程

表1 實(shí)體類型

關(guān)系代表兩實(shí)體之間的依賴特性，因此所有關(guān)系都是從源實(shí)體到目標(biāo)實(shí)體的二元關(guān)系。程序在檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)源實(shí)體，源實(shí)體相對(duì)較小并且包含有關(guān)系的觸發(fā)代碼。目標(biāo)實(shí)體則不同，它可以是關(guān)系涉及的本地實(shí)體，也可以是涉及到的Java標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)或者其他外部的JAR。表2列出了完整的關(guān)系類型。

表2 關(guān)系類型

擴(kuò)展后的關(guān)系模型如圖2所示，由工程(Project)、文件(File)、實(shí)體(Entity)、關(guān)系(Relation)、注釋(Comment)五個(gè)部分組成。

圖2 擴(kuò)展后的關(guān)系模型

首先，為每個(gè)逆向建模的工程，建立一個(gè)Project模型元素。由于每個(gè)工程中含有Java源文件、JAR文件、類文件，因此建立File模型元素來(lái)代表三種類型文件。源文件及類文件通過(guò)它們內(nèi)部的多個(gè)Entity模型元素聯(lián)系起來(lái)，而且在這些源實(shí)體及目標(biāo)實(shí)體之間形成Relation模型元素。另一方面，將Java工程打包生成的JAR文件，則包含全部Entity模型元素和Relation模型元素。對(duì)擴(kuò)展后的關(guān)系模型元素的詳細(xì)描述如下。

3 模型描述及信息檢索

將抽取的源代碼信息存儲(chǔ)到代碼數(shù)據(jù)庫(kù)后，就可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢語(yǔ)句得到程序相關(guān)信息。同時(shí)，通過(guò)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序，將源代碼信息轉(zhuǎn)換為更高層次的抽象視圖，以適當(dāng)?shù)男问缴赡Ｐ兔枋鑫臋n。

另一方面，由于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法對(duì)存儲(chǔ)在庫(kù)中字段內(nèi)容進(jìn)行檢索和分析，因此并未在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)詳細(xì)代碼數(shù)據(jù)，而是采用代碼數(shù)據(jù)庫(kù)+Lucene［7－8］的模式，設(shè)計(jì)信息檢索部分。從代碼數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)來(lái)建立Lucene索引，將Lucene定義的索引文檔(document)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的一個(gè)實(shí)體記錄匹配。Lucene中，文檔又是一些域(field)的序列，而域又是一些項(xiàng)(term)的序列，這里項(xiàng)就是最基本的檢索單元，是從一個(gè)實(shí)體的各部分中提取出來(lái)的字串。將代碼數(shù)據(jù)庫(kù)與Lucene結(jié)合既實(shí)現(xiàn)了全文檢索，又可以利用數(shù)據(jù)庫(kù)做復(fù)雜分析，實(shí)現(xiàn)模型描述文檔的建立。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

擴(kuò)展后的關(guān)系模型支持源代碼的細(xì)粒度分析，生成的各層次元素復(fù)雜，適合局部源代碼建模，基于此開(kāi)發(fā)的逆向建模工具與同類工具相比，具有一定特色。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用這種方法對(duì)開(kāi)源項(xiàng)目面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)db4o(for Java，version 8.0)的源代碼進(jìn)行了局部的模型描述，分別對(duì)db4o內(nèi)核的File Header(數(shù)據(jù)字典加載)、FreeSpace(空閑空間分配)、Internal Ids(分配對(duì)象OID)、Get(根據(jù) OID 獲取對(duì)象數(shù)據(jù))、Set(對(duì)象存儲(chǔ))［9］等5個(gè)方面進(jìn)行類模型描述。由于缺乏對(duì)比逆向建模細(xì)粒度分析優(yōu)劣的基準(zhǔn)測(cè)試及數(shù)據(jù)集，這里使用模型描述中獲得的實(shí)體數(shù)量作為評(píng)測(cè)參數(shù)。圖3顯示了基于擴(kuò)展關(guān)系模型開(kāi)發(fā)的逆向建模工具與Rational Rose、StarUML兩款工具在模型描述中獲得實(shí)體數(shù)量的對(duì)比。

結(jié)果顯示，由于分析粒度的不同，加之本文擴(kuò)展了實(shí)體及關(guān)系類型(不再只是類、字段、方法等顯式實(shí)體)，在對(duì)db4o五個(gè)類模型描述中，基于文中方法的工具在細(xì)粒度分析上要明顯優(yōu)于其他兩款工具。

另一方面，通過(guò)代碼數(shù)據(jù)庫(kù)+Lucene的模式，可以提高源代碼分析的速度，同時(shí)為簡(jiǎn)單時(shí)序分析提供可能性。圖4，5是代碼數(shù)據(jù)庫(kù)+Lucene，結(jié)合人為分析得到的db4o對(duì)象存儲(chǔ)的序列圖。

圖3 模型中獲得的實(shí)體數(shù)量對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行源代碼分析的過(guò)程中，可以采用粗粒度與細(xì)粒度分析相結(jié)合的方式，利用粗粒度分析項(xiàng)目整體概況，利用細(xì)粒度分析局部信息。但由于程序開(kāi)發(fā)本身的復(fù)雜性及眾多的設(shè)計(jì)模式，要更有效的表現(xiàn)設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)邏輯，減少人為參與代碼分析，還需要更具體的分析與匹配。

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