Java Bytecode. Vorlesung Modellierung, Analyse, Verifikation Wintersemester 2018/19. Register und Stack. Klassenhierarchie und Typen
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- Alexandra Hofmeister
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1 Vorlesung Modellierung, Analyse, Verifikation Wintersemester 2018/19 Prof. Barbara König Zwischensprache zwischen Hochsprache (Java) und Maschinensprache Vorteil: Maschinenunabhängigkeit, Geschwindigkeitsvorteil gegenüber Interpretation Ausführung durch Java Virtual Machine (JVM) Objekt-Orientierung ist im Bytecode sichtbar: Klassen, Methodenaufrufe, etc. Problem: Sicherheitslücken Zugriff auf beliebige Stellen des Hauptspeichers, z.b. durch Verwendung von Integers als Objekt-Referenzen Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 1 Klassenhierarchie und Typen Register und Stack Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 64 Gegeben: Klassenhierarchie Class B Class Class A Class C Jede Klasse besitzt Felder und Methoden Klasse B erbt von A B hat mindestens die Felder und Methoden von A Typen: Integer NullT Class cname Class Menge aller Typen: Ty ganze Zahl Null-Pointer Klasse cname Super-Klasse Es gilt: isref (Integer) = false isref (NullT) = true isref (Class cname) = true isref (Class) = true Typ: Register: Satz von m lokalen Registern, die Elemente vom Typ Integer, NullT und Class cname enthalten können Stack: Stack mit Länge max, mit Push- und Pop-Operationen Class A NullT Objekt der Klasse A Register... Null-Pointer Integer 17 nicht initialisiert Typ: Integer NullT Stack 8... Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 65 Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 66
2 Befehlssatz (I) Befehlssatz (II) Load n: Inhalt des n-ten Registers auf den Stack (Push) Store n: Oberstes Stack-Element in n-tes Register (Pop) AConst Null: Null-Pointer auf Stack legen (Push) IConst i: Integer i auf Stack legen (Push) IAdd: Die zwei obersten Stack-Werte (Typ Integer) addieren und das Ergebnis auf Stack legen Getfield fname ty cname: Referenz auf Objekt der Klasse cname vom Stack nehmen Inhalt des Feld fname vom Typ ty dieses Objekts holen und auf Stack legen. Putfield fname ty cname: Erstes Stack-Element (e) und zweites Stack-Element (Referenz auf ein Objekt der Klasse cname) entfernen Feld fname vom Typ ty dieses Objekts den Wert e zuweisen New cname: Neues Objekt der Klasse cname erzeugen und auf Stack legen (Push). Invoke cname mname ty 1 ty 2 : Erstes Stack-Element (Parameter vom Typ ty 1 ) und zweites Stack-Element (Referenz auf ein Objekt der Klasse cname) entfernen Methode mname dieses Objekts mit dem Parameter aufrufen und Rückgabewert (vom Typ ty 2 ) auf Stack legen Befehlssatz (III) Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 67 Bösartiger Bytecode Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 68 CmpEq q: Die obersten beiden Werte vom Stack nehmen und miteinander vergleichen. Bei Gleichheit in Zeile q springen Return: An die Aufrufstelle der Methode zurückkehren Der zuoberst auf dem Stack liegende Wert ist Rückgabewert (vom Typ ty r ) Eine Methode des Bytecode besteht aus einer Liste von Kommandos der Form l: cmd, wobei l (das Label) von 1 bis k läuft. 1: IConst : IConst 1 3: Putfield f Integer A Die Zahl 1000 wird als Referenz auf eine Objekt der Klasse A angesehen und dadurch an eine Speicherstelle x der Wert 1 geschrieben. Andere Sicherheitslücken: Stack-Überlauf, Addition von Referenzen, etc. Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 69 Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 70
3 Verband (I) Idee zur Erkennung von bösartigem Bytecode: Zuordnung von Typen zu Register- und Stack-Inhalten. Die Menge aller Typen bildet einen Verband. Durch wird für jeden Block (jede Programmzeile) ein Typ bestimmt, der den möglichen Register- und Stack-Inhalt an dieser Stelle beschreibt. Mit Hilfe des Typs an dieser Stelle kann man ablesen, ob ein bestimmter Befehl zulässig oder unzulässig ist. T = {None, Err} (Ty ({Undef } Ty) m ) Partielle Ordnung (Definition in mehreren Schritten) A c B A ist als Klasse von B abgeleitet ty 1, ty 2 Ty = {Integer, NullT, Class, Class A, Class B,...} ty 1 t ty 2 ty 1 = ty 2 (ty 1 = NullT isref (ty 2 )) (isref (ty 1 ) ty 2 = Class) (ty 1 = Class A ty 2 = Class B A c B) Verband (II) Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 71 Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 72 Komponenten des monotonen Frameworks Partielle Ordnung auf T = {None, Err} (Ty ({Undef } Ty) m ) None T t für alle t T t T Err für alle t T (st 1, reg 1 ) T (st 2, reg 2 ) st i = [s i 1,..., s i p i ] reg i = [r i 1,..., r i m] p 1 = p 2 1 j p 1 : (sj 1 t sj 2 ) 1 j m : (rj 1 t rj 2 rj 2 = Undef ) für i = 1, 2 Labels: Zeilennummern des s Flussrelation F : Für jede Programmzeile der Form l : CmpEq q enthält die Flussrelation die Paare (l, q) und (l, l + 1). Für jede andere Zeile (außer bei Return-Anweisungen) wird das Paar (l, l + 1) hinzugefügt. Extremales Label: 1 (die Nummer der ersten Programmzeile) Initialer Analysewert : ι = ([], [Class C, p, Undef,..., Undef ]) }{{} Länge m wobei C die Klasse des Objekts ist, dessen Methode aufgerufen wird und p der Typ des Eingabeparameters ist. Es fehlen noch: die Transferfunktionen Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 73 Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 74
4 Typregeln für den (I) st < max, reg!n Undef (st, reg) Load n st < max (st, reg) AConst Null st = [Integer, Integer] st (st, reg) IAdd st > 0 (st, reg) Store n st < max (st, reg) IConst i st = [ty 0 ] st, ty 0 t Class cname (st, reg) Getfield fname ty cname st = [ty v, ty 0 ] st, ty v t ty, ty 0 t Class cname (st, reg) Putfield fname ty cname Typregeln für den (II) st < max (st, reg) New cname st = [ty a, ty 0 ] st, ty 0 t Class cname, ty a t ty 1 (st, reg) Invoke cname mname ty 1 ty 2 st = [ty 1, ty 2 ] st, ty 1 = ty 2 = Integer (isref(ty 1 ) isref(ty 2 )) (st, reg) CmpEq q st = [ty] st, ty t ty r (st, reg) Return Transferfunktionen (I) Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 75 Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 76 Transferfunktionen (II) None transfer(cmd, t) f l (t) = Err falls t = None falls t = (st, reg), (st, reg) cmd und block(l) = cmd sonst transfer(load n, (st, reg)) = ([reg!n] st, reg) transfer(store n, (st, reg)) = (rest(st), reg[n first(st)]) transfer(aconst Null, (st, reg)) = ([NullT] st, reg) transfer(iconst i, (st, reg)) = ([Integer] st, reg) transfer(iadd, (st, reg)) = ([Integer] rest 2 (st), reg) transfer(getfield fname ty cname, (st, reg)) = ([ty] rest(st), reg) transfer(putfield fname ty cname, (st, reg)) = (rest 2 (st), reg) transfer(new cname, (st, reg)) = ([Class cname] st, reg) transfer(invoke cname mname ty 1 ty 2, (st, reg)) = ([ty 2 ] rest 2 (st), reg) transfer(cmpeq q, (st, reg)) = (rest 2 (st), reg) transfer(return, (st, reg)) = (st, reg) Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 77 Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 78
5 Beispiel für die Analyse des s Beispiel für die Analyse des s Situation: Klassenhierarchie wie oben (Klassen B, C werden von Klasse A abgeleitet) Alle Klassen haben eine Methode m : Integer Class C Klasse C hat ein Feld f : Integer Eine (unbenannte) Methode der Klasse A vom Typ Class B Class C wird aufgerufen. Aufgabe: Durchführen der Analyse des s auf folgendem Code der aufzurufenden Methode: 1: Load 1 2: IConst 1 3: Invoke A m Integer C 4: Store 0 5: Load 0 6: Getfield f Integer C 7: IConst 0 8: CmpEq 1 9: Load 0 10: Return (Nummerierung der Register beginnt bei 0.) Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 79 Fehlermeldungen des s Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 80 Korrektheit des s Unvollständige Liste von Fehlermeldungen: Inconsistent stack height Accessing value from uninitialized register Stack size too large Unable to pop operand off an empty stack Expecting to find integer on stack Expecting to find object/array on stack Incompatible type for getting or setting field Wrong return type in function Mismatched stack types Man kann zeigen: Falls für das Analyseergebnis des s gilt: A (l) Err und A (l) Err für alle vorkommenden Labels l, so hat das analysierte Programm keine Laufzeitfehler. (Siehe auch die Liste der Fehlermeldungen.) Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 81 Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 82
6 Stack Map Frames Seit Java 7 (Bytecode-Version 50): Sprungstellen müssen mit den korrekten Stack- und Registertypen annotiert werden. Diese Annotationen heißen Stack Map Frames. Dadurch benötigt der Worklist-Algorithmus nur noch einen Durchlauf. Vorteil: effizientere Verifikation Nachteil: es ist sehr komplex eigenen Bytecode zu schreiben bzw. zu generieren Barbara König Modellierung, Analyse, Verifikation 83
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