安全編碼技術(shù)：提高嵌入式應(yīng)用代碼安全性與可靠性

編程語(yǔ)言的現(xiàn)代化和更好的編碼技術(shù)與從機(jī)械計(jì)算機(jī)到現(xiàn)代軟件開發(fā)流程的演變直接相關(guān)。我們已經(jīng)從高度專業(yè)化、主要是數(shù)學(xué)符號(hào)的表示法過(guò)渡到了更接近人類語(yǔ)法的高級(jí)編程語(yǔ)言，這一進(jìn)步歸功于編譯器技術(shù)。然而，這也打開了代碼缺陷之門。 C和C++ 等高級(jí)編程語(yǔ)言，包含大量未定義的行為，而不同的編譯器對(duì)這些行為的解釋可能略有不同，這可能會(huì)導(dǎo)致未知或不希望出現(xiàn)的副作用，最終轉(zhuǎn)化為缺陷。

查找和修復(fù)這些缺陷可能會(huì)占用高達(dá)80%的開發(fā)時(shí)間，具體取決于開發(fā)機(jī)構(gòu)的成熟程度。這引出了一個(gè)明顯的結(jié)論：代碼質(zhì)量是一個(gè)大問題。那么，為什么不盡量避免缺陷，以減少調(diào)試所需的時(shí)間呢？

順便說(shuō)一句，我們現(xiàn)在仍然在軟件中使用“錯(cuò)誤”和“調(diào)試”這些概念，但這些詞的起源可以追溯到哈佛大學(xué)的機(jī)械計(jì)算機(jī)。當(dāng)時(shí)，一只飛蛾卡在繼電器中，這一事件被記錄為計(jì)算機(jī)歷史上第一個(gè)“錯(cuò)誤”或缺陷。

一次又一次重復(fù)同樣的錯(cuò)誤

眾所周知，在Web、應(yīng)用程序、桌面，甚至嵌入式開發(fā)中，開發(fā)人員往往會(huì)無(wú)意間一次又一次地在他們的源代碼中引入相同類型的錯(cuò)誤。這個(gè)結(jié)論來(lái)自于多個(gè)重要機(jī)構(gòu)，如NASA、貝爾實(shí)驗(yàn)室和MITRE，他們進(jìn)行了多項(xiàng)調(diào)查和研究。常見缺陷的例子包括在C++代碼（甚至C代碼）中沒有進(jìn)行分配后的釋放，以及使用沒有原型的函數(shù)，因此無(wú)法在編譯時(shí)進(jìn)行嚴(yán)格的類型檢查。這項(xiàng)研究的結(jié)果列出了最佳編程實(shí)踐或推薦的編程實(shí)踐，它們可以識(shí)別有風(fēng)險(xiǎn)的和不良的編碼行為。

有許多關(guān)于如何提高代碼質(zhì)量的指南和編碼實(shí)踐，它們都基于常見的錯(cuò)誤，并指出了如何在將來(lái)避免這些常見錯(cuò)誤。其中一些技巧和實(shí)踐已經(jīng)成為被廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)（比如MISRA-C和CERT-C），特別是在汽車、醫(yī)療和鐵路等關(guān)鍵行業(yè)中，以確保應(yīng)用程序的代碼安全性（code safety）和代碼防護(hù)能力（code security）。諸如IEC 61508、EN 50128和ISO 26262等功能安全標(biāo)準(zhǔn)建議[或強(qiáng)烈建議，具體取決于安全完整性等級(jí)（SIL）或汽車安全完整性等級(jí)（ASIL）]使用靜態(tài)和運(yùn)行時(shí)分析工具，以滿足標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)榘踩P(guān)鍵系統(tǒng)中的缺陷可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果，如人員傷亡或環(huán)境破壞。

關(guān)注可靠性

安全編碼技術(shù)要綜合考慮代碼質(zhì)量、代碼安全性和代碼防護(hù)能力。代碼安全性關(guān)注的是軟件的可靠性，而代碼防護(hù)能力則旨在防止不必要的活動(dòng)，并且在遭受攻擊時(shí)確保系統(tǒng)安全。這兩者都高度依賴于代碼質(zhì)量，因?yàn)榇a質(zhì)量是每個(gè)可靠應(yīng)用程序的基礎(chǔ)。

安全編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是推動(dòng)軟件的安全性，以確保所需的可靠性。然而，同樣重要的是提高源代碼的可讀性和可維護(hù)性。更高效、更易讀的代碼意味著源代碼更加健壯、缺陷更少且在未來(lái)可用，有助于提高代碼的可重用性。

MISRA C是最成熟的軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)之一，可以避免常見的缺陷和漏洞。當(dāng)然，還有一些其他指南，如CWE和CERT-C編碼標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于任何嵌入式應(yīng)用程序都是強(qiáng)烈推薦的。下面讓我們更深入地了解這些編碼標(biāo)準(zhǔn)。

MISRA C標(biāo)準(zhǔn)

MISRA C由汽車行業(yè)軟件可靠性協(xié)會(huì)（Motor Industry Software Reliability Association）開發(fā)，它的目標(biāo)是提高嵌入式系統(tǒng)中代碼的安全性、可移植性和可靠性，尤其是那些使用ISO C編程的系統(tǒng)。

MISRA C標(biāo)準(zhǔn)的第一版名為《車載軟件C語(yǔ)言開發(fā)指南》，于1998年發(fā)布，正式名稱為MISRA-C:1998。之后于2004年和2012年進(jìn)行了更新，添加了更多的規(guī)則。另外，還有基于C++ 2003的MISRA C++ 2008標(biāo)準(zhǔn)。此后，MISRA C: 2012的修正案1又添加了14條附加規(guī)則，重點(diǎn)關(guān)注ISO C安全指南（Secure Guidelines）中強(qiáng)調(diào)的安全問題（security concerns）。其中一些規(guī)則解決了在許多嵌入式應(yīng)用程序中已知的安全漏洞之一：與使用不可信數(shù)據(jù)相關(guān)的特定問題。

MISRA規(guī)則可以幫助您在提交代碼進(jìn)行正式構(gòu)建之前發(fā)現(xiàn)問題，因此通過(guò)這種方式發(fā)現(xiàn)的缺陷就好像缺陷從未存在過(guò)一樣。MISRA規(guī)則的設(shè)計(jì)是以安全性和可靠性為前提的，同時(shí)也讓代碼更容易移植到其他工具和架構(gòu)上。

CWE and CERT C/C++

CWE，即通用缺陷列表（Common Weakness Enumeration），是一個(gè)由社區(qū)開發(fā)的有關(guān)軟件缺陷的詞典。CWE提供了一套統(tǒng)一的、可衡量的軟件缺陷，以便更好地理解和管理它們，并且可以支持能夠發(fā)現(xiàn)它們的高效軟件安全工具和服務(wù)。

CERT C/C++安全編碼標(biāo)準(zhǔn)（Secure Coding Standards）是由計(jì)算機(jī)緊急響應(yīng)小組（Computer Emergency Response Team，CERT）發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，提供了有關(guān)C/C++編程語(yǔ)言中安全編碼（secure coding）的規(guī)則和建議。

實(shí)施安全編碼技術(shù)

作為通常性的建議，每個(gè)嵌入式應(yīng)用程序至少都應(yīng)遵循MISRA（對(duì)于安全關(guān)鍵系統(tǒng)，MISRA 是強(qiáng)制性的）、CWE和CERT C/C++標(biāo)準(zhǔn)。

遵循這些編碼標(biāo)準(zhǔn)之后，在運(yùn)行時(shí)，您的應(yīng)用程序仍然可能會(huì)受到算術(shù)問題、緩沖區(qū)溢出、邊界問題、堆完整性和內(nèi)存泄漏等問題的影響。要檢測(cè)到這些錯(cuò)誤，可以在可能發(fā)生潛在錯(cuò)誤的所有位置插入特定的檢測(cè)代碼或斷言。然而，手動(dòng)添加指令來(lái)檢查并在運(yùn)行時(shí)報(bào)告問題是一項(xiàng)非常耗時(shí)的任務(wù)。

要遵守所有這些指南和標(biāo)準(zhǔn)，您需要遵循近700條規(guī)則和要求，同時(shí)還需要在源代碼中添加檢測(cè)代碼。那么，如何實(shí)施安全編碼技術(shù)并遵循所有這些規(guī)則呢？

使用自動(dòng)化工具

提高軟件質(zhì)量、安全性和可靠性的最佳方法是使用自動(dòng)化工具。這可以通過(guò)使用高質(zhì)量的編譯器和鏈接器（最好是經(jīng)過(guò)功能安全認(rèn)證的編譯器和鏈接器），以及自動(dòng)化的靜態(tài)分析和運(yùn)行時(shí)分析工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。

IAR作為全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)軟件解決方案供應(yīng)商，所提供的集成開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench就包括了編譯器、匯編器、鏈接器和調(diào)試器，并無(wú)縫集成了靜態(tài)分析工具 C-STAT和運(yùn)行時(shí)分析工具C-RUN，形成了完整的工具鏈。憑借這些強(qiáng)大的功能，IAR Embedded Workbench可以確保代碼的穩(wěn)健性、安全性和高質(zhì)量。

我們先來(lái)看看編譯器和鏈接器，它們應(yīng)該支持現(xiàn)代編程語(yǔ)言，比如最新的C（ISO/IEC 9899:2018）和C++（ISO/IEC 14882:2020，也稱為C++20修訂版），這樣它們就會(huì)在出現(xiàn)可疑情況或語(yǔ)法問題時(shí)生成警告，例如，易失性內(nèi)存訪問，其求值順序可能會(huì)影響應(yīng)用程序的邏輯。

編譯器和鏈接器警告（warnings）是您的第一步靜態(tài)分析檢查，絕不能忽視，特別是在功能安全環(huán)境中。最佳建議是通過(guò)更改編譯器設(shè)置將所有警告視為錯(cuò)誤，這樣就可以將這些警告轉(zhuǎn)換為錯(cuò)誤。這將讓開發(fā)人員修復(fù)代碼中的所有不明確之處，因?yàn)樗袉栴}都將被視為真正的問題。

靜態(tài)分析工具可以幫助您發(fā)現(xiàn)代碼中最常見的缺陷，同時(shí)還可以幫助您找出開發(fā)人員在嘗試編寫代碼時(shí)通常不會(huì)考慮或擔(dān)心的問題，尤其是當(dāng)他們只是編寫腳手架代碼以使某些功能正常運(yùn)行時(shí)。這種類型的工具確實(shí)可以幫助您開發(fā)更高質(zhì)量的代碼，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭鷮?shí)施編碼標(biāo)準(zhǔn)。IAR的C-STAT靜態(tài)分析工具無(wú)需任何安裝和靜態(tài)代碼分析工程創(chuàng)建，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的規(guī)則設(shè)置，就可以在構(gòu)建（Build）成功之后進(jìn)行靜態(tài)代碼分析，非常適合開發(fā)人員在日常開發(fā)過(guò)程中使用。

此外，還有動(dòng)態(tài)或運(yùn)行時(shí)分析工具，可以捕獲僅在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的代碼缺陷。動(dòng)態(tài)或運(yùn)行時(shí)分析工具可以在于軟件調(diào)試器中執(zhí)行程序時(shí)發(fā)現(xiàn)代碼中的實(shí)際和潛在錯(cuò)誤。IAR的C-RUN動(dòng)態(tài)分析工具通過(guò)簡(jiǎn)單的配置、重新編譯、運(yùn)行，即可實(shí)現(xiàn)算術(shù)檢查、邊界檢查和堆檢查。使用C-RUN無(wú)需對(duì)現(xiàn)有流程做任何修改，可作為日常開發(fā)工作流程的自然組成部分，這極大地降低了動(dòng)態(tài)分析工具的使用門檻。

當(dāng)您查看系統(tǒng)中可能存在的所有缺陷時(shí)，靜態(tài)分析工具擅長(zhǎng)找到某些類型的缺陷，而運(yùn)行時(shí)分析工具則擅長(zhǎng)找到其他類型的缺陷。有時(shí)它們可能會(huì)有重疊，但有時(shí)只有一種工具才能檢測(cè)到某個(gè)缺陷。要獲得最全面的代碼分析，最好將這兩種工具結(jié)合使用，并將它們與頂尖的構(gòu)建工具集成在一起。下圖的矩陣很好地展示了在結(jié)合不同工具進(jìn)行檢測(cè)時(shí)完整的缺陷覆蓋范圍。

總結(jié)

隨著嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性提高，對(duì)于嵌入式軟件的要求也越來(lái)越高，其中最核心最根本的是代碼質(zhì)量，而遵循編碼標(biāo)準(zhǔn)的安全編碼技術(shù)是提高代碼質(zhì)量的最佳實(shí)踐。實(shí)施安全編碼技術(shù)最有效的方式是應(yīng)用自動(dòng)化工具，包括編譯器、鏈接器、靜態(tài)分析工具、運(yùn)行時(shí)分析工具。這樣可以高效地在開發(fā)過(guò)程中提高代碼質(zhì)量及其安全性和可靠性，既減少了項(xiàng)目的開發(fā)時(shí)間和成本，又提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力。