基于语义的编译器测试_st 编译器测试

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# 研究背景及意义 #

今天的题目是编译器的测试，我先解释一下为什么这个题目本身有意义。

第一点，这个问题很重要。之前的讲座讲到了很多程序上面的漏洞，但这些只是单个程序的问题。如果编译器本身是有漏洞的话，那么理论上所有的程序都有可能有漏洞。因为所有的程序最终是在编译器上运行，如果编译器本身运行会出错，那么你没法保证这个程序的正确性。也就是说，所有程序正确性的分析是先基于这个编译器本身的正确性来做的。

第二点，现在很多新的语言层出不穷，比如智慧合约、Rust、Kotlin 等等。而且就算是传统的程序，比如像 C 或者 C++，一般认为 C 和 C++ 这种程序用了这么多年，几百万的程序员都写了各种各样的 C 程序，那么 GCC 或者 LLVM 这些编译器本身应该是比较正确了。但实际并不是，这几年大家发现这些编译器里面还是有存在很多漏洞。像刚才说的，这些漏洞理论上有可能会造成很大的麻烦。

最后一点，Tony Hoare，一个很知名的计算机科学家（大家学习过的 Quick Sort 就是他发明的），在 2003 年的时候给大家提了一系列的 Grand Challenges。他当时认为计算机科学，主要是指软件工程，形式化方法这些，缺少一些大的目标。就是说我们发了很多文章做了很多工具，但确实解决了很多很大的问题吗？好像并没有我们想象的那样。他就提了几个特别远大的目标，意思是说你们做计算机科学的最好像做物理的一样，如果有一些远大的目标，那么我们就可以保证这个领域不断的向前迈进。他其中提出的一个目标，就是我们要验证我们的编译器。如果我们连自己写的编译器，这是作为我们所有程序的基础，都做不到可以验证它的正确性，那么你要说我们可以验证别的大的系统的正确性，这个事情他觉得有可能需要打一个问号。

总的来说，我想说的是编译器的正确性这个问题本身很有意义。同时，为了解决这个问题，我们发展了一系列方法。这些方法本身也可能对解决别的问题有帮助。

# 问题定义 #

现在我们就来定义这个问题：一个编译器，你可以想象它就是一个函数，这个函数的输入就是你的源代码。比如说它可以是一个 Java 程序，或者你对智慧合约有些了解的话，它就可以是一个 Solidity 的程序。它的输出就是对应的机器码，对于 Java 来说是 JVM 上的 bytecode，对于 Solidity 来说，就是 EVM 上的 opcode。

那么我们的问题就是，给定任意一个程序，比如说 Java 程序，我们要保证原程序和通过编译器编译出来的程序，他们俩的行为是一致的。这个就是我们想要解决的问题。这个问题本身很难，因为给定一个语言以后，比如说 Java 或者 Solidity，你能写的程序有无穷多个，而我们要求任意一个程序进来，我们都能保证最后编译出来的程序是对的。

具体到怎么解决这个问题，我们需要解决三个比较小的问题。

1. 我要怎么定义原程序的语义是什么？程序员用某一种语言来写某一个程序的时候，肯定是想达到某种目标的，肯定是基于对这个程序语言的某种理解来写的这个程序。这个理论上你可以理解为这就是我的这个程序想要的语义。

2. 同时编译出来的那个程序，比如说 Java 的 bytecode、EVM 的 opcode，它本身也是有语义的，它的语义实际就代表了机器去执行这个东西，它应该执行出来什么效果。问题是我们要怎么定义这些编译完了的程序的语义？

3. 如果我可以很好地定义原程序的语义和编译完的程序的语义。接下来问题就是我们要怎么证明给定任何一个程序，原程序的语义和对应的编译完的程序的语义是一样的？这里就要定义一个等价关系。这个等价关系要怎么定义，也是一个很大的问题。这个问题有很长很长的历史，很多人提出过很多不同的等价关系。

因为编译器是个很重要的东西。这么多年大家还是花了不少的精力想解决这个问题的。特别是 Tony Hoare 2003 年提出这个 Grand Challenge 以后的几年里，还是有不少的科学家做了很多尝试的。当然最后的效果不是特别好，过了几年以后大家慢慢就转战别的问题了。

# 编译器测试 #

# 方法

编译器的正确性的研究可以粗略的分成两类，形式化的证明，和测试。

## 形式化的方法

其中一个比较乌托邦的做法是，用一个很形式化的方法来很严谨的解决这个问题。比如说用形式化的方法来定义一个形式化的程序的语义，同时用一个同样的形式化的方法来定义对应的机器语言的语义，然后用一个理论证明的方法来证明这两个东西永远是一致的。当然这种做法代价很大。因为你需要：

第一步，把语言的语义完整地定义出来；

第二步，把机器语言的语义完整地定义出来；

第三步，通过人工的方法去证明对于任何程序，这俩都是等价的。

比较成功的一个例子是 CompCert verified compiler，它可以定义一个小小的 C 的子集叫 Clight。然后你给我任意一个 Clight 里面写的程序，或者说你只用某一部分 C 里面的语言特性的话，同时如果对应的出来的机器码是运行在 PowerPC assembly code 上面的，那么我可以保证这个结果是对的。

这已经是做的最好的一个结果了。比较苛刻一点地说，这个东西实际上很难有用。因为就算你可以做到这种程度，但程序语言是一个不断发展的东西。比如说 Java，这几年它发展很快，各种新的版本层出不穷。如果你通过这种方法来证明 JVM 的