嵌入式系統(tǒng)在我們的日常生活中廣泛存在，從消費(fèi)類電子、醫(yī)療設(shè)備，到汽車，工業(yè)控制，航空航天等，它們的存在已經(jīng)成為我們生活中不可分割的一部分。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和客戶需求的增加，嵌入式系統(tǒng)和軟件變得越來越復(fù)雜，同時(shí)產(chǎn)品的開發(fā)周期變得越來越短。如何在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出高質(zhì)量的軟件對產(chǎn)品的成功起著決定性的作用。
本文將介紹如何應(yīng)用編碼標(biāo)準(zhǔn)和自動化工具，提高代碼質(zhì)量。
關(guān)于代碼質(zhì)量
代碼質(zhì)量總體上是指為軟件編寫的代碼的整體優(yōu)良水平，一般可以通過下面一些指標(biāo)來評價(jià)代碼質(zhì)量：
● 可讀性：代碼應(yīng)該易于閱讀和理解，即使是不熟悉項(xiàng)目的人也是如此。
● 可維護(hù)性：代碼應(yīng)該有條理和模塊化，可以方便地修改和更新。
● 可移植性：代碼應(yīng)該被設(shè)計(jì)易于在不同的平臺上使用。
● 可重用性：代碼應(yīng)該是可重用的，可以在應(yīng)用程序的其他部分使用。
● 可測試性：代碼應(yīng)該是易于進(jìn)行單元測試和集成測試的。
● 安全性：代碼應(yīng)該是安全的，保護(hù)敏感數(shù)據(jù)并防止惡意攻擊。
● 性能：代碼應(yīng)該是高效的，專注于優(yōu)化性能，以最大限度地減少資源使用。
對于嵌入式系統(tǒng)，代碼質(zhì)量更加的重要。嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常是處理執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)功能的設(shè)備。
如果嵌入式軟件存在代碼質(zhì)量問題，可能會導(dǎo)致硬件設(shè)備的故障或安全漏洞，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
編碼標(biāo)準(zhǔn)是提高代碼質(zhì)量的最佳實(shí)踐
基于歷史原因，目前在嵌入式開發(fā)中，主要還是使用C/C++高級編程語言，而C/C++是一種不安全的語言，包含大量未定義的行為，對于這些行為的不同解釋，可能會導(dǎo)致未知或不確定的副作用，其中一部分將會轉(zhuǎn)化為我們俗稱的“Bug”。比如C語言標(biāo)準(zhǔn)庫中的一些輸入輸出函數(shù)，字符串函數(shù)導(dǎo)致的緩沖區(qū)溢出的問題，指針未初始化風(fēng)險(xiǎn)，重復(fù)釋放內(nèi)存等等。
同時(shí)，軟件開發(fā)執(zhí)行和實(shí)施的核心是“人”，也就是開發(fā)人員，在實(shí)踐過程中，開發(fā)人員可能會一次又一次無意地將相同類型的錯誤寫入到他們的源代碼中。這一結(jié)論來自各種權(quán)威機(jī)構(gòu)，如NASA、貝爾實(shí)驗(yàn)室和MITRE，它們進(jìn)行了多項(xiàng)調(diào)查和研究。這些研究的結(jié)果是給出了最佳編程實(shí)踐或推薦的編程實(shí)踐，它們可以有效識別有風(fēng)險(xiǎn)和不良的編碼行為。
有許多指南和編碼實(shí)踐可用于檢查常見錯誤以及如何避免這些錯誤來提高代碼質(zhì)量，其中一些技術(shù)和實(shí)踐在實(shí)施過程中，成為眾所周知的編碼標(biāo)準(zhǔn)。編碼標(biāo)準(zhǔn)是編碼規(guī)則、指導(dǎo)方針和最佳實(shí)踐的集合，它可以識別語言中容易引起B(yǎng)ug的行為，防止你在源代碼中做可疑的事情，消除容易出現(xiàn)缺陷的代碼結(jié)構(gòu)，幫助你快速提高代碼質(zhì)量。
在嵌入式系統(tǒng)中，MISRA-C/C++，CERT-C/C++，CWE等已經(jīng)成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。特別是在汽車、醫(yī)療和鐵路等安全關(guān)鍵型應(yīng)用中，被IEC 61508、EN 50128和ISO 26262 等功能安全標(biāo)準(zhǔn)所要求。
很多大公司都有相應(yīng)的代碼編程規(guī)范，尤其是針對C語言，但這些編程規(guī)范往往與業(yè)界的編程標(biāo)準(zhǔn)(比如MISRA C)的側(cè)重點(diǎn)不同。一般公司的編程規(guī)范更加注重代碼風(fēng)格，比如命名，縮進(jìn)，括號的使用等，來提高可讀性，而業(yè)界的編程標(biāo)準(zhǔn)更偏重于代碼的可維護(hù)性，可移植性，可靠性和安全性。在具體實(shí)踐中，往往是需要這二者結(jié)合使用。
MISRA
MISRA C由汽車工業(yè)軟件可靠性協(xié)會開發(fā)。它的目的是提高嵌入式系統(tǒng)環(huán)境中的代碼安全性、可移植性和可靠性，特別是那些用 ISO C 編程的系統(tǒng)。
MISRA C標(biāo)準(zhǔn)的第一版“Guidelines for the use of the C language in vehicle based software”于1998年制定，正式名稱為MISRA-C:1998。2004年進(jìn)行了一次更新“Guidelines for the use of the C language in critical systems”，正式名稱為 MISRA-C:2004。從1998年的vehicle based software到2004年的critical systems，因?yàn)镸ISRA協(xié)會發(fā)現(xiàn)MISRA C不僅汽車行業(yè)需要，其他一些安全相關(guān)的行業(yè)也需要。最新的MISAR C標(biāo)準(zhǔn)是MISRA-C:2012。
關(guān)于MISRA C，很多開發(fā)者都有一個(gè)誤解：MISRA C只適用于汽車電子嵌入式軟件開發(fā)。對此，MISRA C的輪值主席Andrew Banks特意做了解釋說明：雖然MISRA最開始推出的時(shí)候主要是針對汽車行業(yè)的，但由于它本身其實(shí)是在C/C++語言的基礎(chǔ)上，加上了一些約束，去掉了一些讓人容易出錯的編程方法，保留了常用的寫法，盡可能讓開發(fā)者保持一致，提高可維護(hù)性和可移植性，從而提高安全性和可靠性，因此 MISRA 在飛機(jī)、機(jī)器人、無人機(jī)、醫(yī)療等其它的嵌入式行業(yè)也開始流行起來，成為了全球公認(rèn)的嵌入式 C 編程標(biāo)準(zhǔn)。
CERT
CERT C/C++由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)軟件工程研究所(SEI)的計(jì)算機(jī)緊急響應(yīng)小組 (CERT)部門創(chuàng)建和發(fā)布，為C/C++編程語言的安全編碼提供規(guī)則和建議，這些規(guī)則和建議的目標(biāo)是開發(fā)安全、穩(wěn)定和可靠的系統(tǒng)。
CWE
CWE是基于社區(qū)開發(fā)的一組影響信息安全的軟件和硬件缺陷列表。它用通用語言描述和討論軟件和硬件的缺陷，可以作為缺陷識別、緩解和預(yù)防工作的公共基線標(biāo)準(zhǔn)。因此，CWE可以幫助開發(fā)人員和安全從業(yè)者檢查現(xiàn)有軟件和硬件產(chǎn)品的缺陷，評估針對這些缺陷的工具的覆蓋率等。
編碼標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用對提高代碼質(zhì)量有立竿見影的作用。在Dr. Dobbs所做的一項(xiàng)研究中(Code Quality Improvement | Dr Dobb's)，引入編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行符合性檢查后，缺陷注入率降低了41%，這節(jié)省了大量測試時(shí)間，既提高了代碼質(zhì)量，又縮短了工程時(shí)間，從而加速了產(chǎn)品上市。在這項(xiàng)研究中，每個(gè)月的缺陷注入率是相當(dāng)穩(wěn)定的，直到該組織引入編碼標(biāo)準(zhǔn)，然后缺陷率急速下降(見下圖)。
隨著對標(biāo)準(zhǔn)遵從度的提高，質(zhì)量也隨之提高，偏差越來越少，缺陷率直線下降。
自動化工具是實(shí)施編碼標(biāo)準(zhǔn)的最佳路徑
有了編碼標(biāo)準(zhǔn)后，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)意味著代碼除了需要遵守語言本身的規(guī)則外，還需要遵守成百上千條編碼標(biāo)準(zhǔn)所包含的規(guī)則和要求。理論上，我們可以通過人工來檢查每條編碼規(guī)則的實(shí)施情況，但對于日益復(fù)雜的軟件顯然是力不從心的。大量的實(shí)踐表明，應(yīng)用自動化工具是實(shí)施編碼標(biāo)準(zhǔn)，提高代碼質(zhì)量的最佳路徑。
自動化工具中我們最熟悉的就是編譯器和鏈接器。高質(zhì)量的編譯器和鏈接器應(yīng)支持現(xiàn)代編程語言，如最新的C和C++規(guī)范，報(bào)告每個(gè)構(gòu)建步驟中可能出現(xiàn)的問題，以便它生成懷疑的警告，例如易失性變量或內(nèi)存訪問，其評估順序可能會影響應(yīng)用程序的邏輯。警告是第一道靜態(tài)分析檢查，絕不能忽視，尤其是在功能安全設(shè)置中。最好的建議是通過更改編譯器設(shè)置將所有警告都視為錯誤來將警告轉(zhuǎn)化為錯誤。這將迫使開發(fā)人員修復(fù)代碼中的所有歧義，因?yàn)樗械木娑紝⒆鳛檎嬲膯栴}處理。
專用的靜態(tài)分析工具基于源代碼分析，可以在不執(zhí)行程序的情況下發(fā)現(xiàn)潛在的問題，比如 IAR 提供了與 IAR Embedded Workbench 無縫集成的靜態(tài)分析工具 C-STAT。這種類型的工具可以幫助你找到代碼中最常見的缺陷來源，也可以幫助你找到開發(fā)人員在試圖編寫代碼時(shí)往往不會考慮的問題，特別是當(dāng)他們?yōu)榱俗屇承┕δ苓\(yùn)行而加入支撐代碼時(shí)。靜態(tài)分析工具確實(shí)能幫助你開發(fā)出更好的代碼，因?yàn)樗鼈儚?qiáng)制執(zhí)行編碼標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，如果正在創(chuàng)建一個(gè)功能安全認(rèn)證的應(yīng)用，你可能會被建議，甚至強(qiáng)制要求使用靜態(tài)分析工具。
此外，嵌入式軟件在運(yùn)行時(shí)仍然容易受到算術(shù)問題、緩沖區(qū)溢出、邊界問題、堆完整性和內(nèi)存泄漏的影響。一個(gè)可行的方法是在可能發(fā)生潛在錯誤的所有地方插入特定的檢測代碼或斷言來檢測此類錯誤。但是，手動添加指令來檢測并以某種方式在運(yùn)行時(shí)報(bào)告問題是一項(xiàng)非常耗時(shí)的任務(wù)。因此，使用動態(tài)或運(yùn)行時(shí)分析工具來捕獲和觸發(fā)僅在運(yùn)行時(shí)的缺陷和錯誤，是一個(gè)可以極大提高效率和生產(chǎn)力的方法。例如，在 IAR Embedded Workbench 中，開發(fā)人員可以使用運(yùn)行時(shí)分析工具插件 C-RUN。
綜上所述，編譯器和鏈接器可以報(bào)告在構(gòu)建中可能出現(xiàn)的問題，靜態(tài)分析工具擅長發(fā)現(xiàn)一些未定義行為的缺陷，檢查編碼標(biāo)準(zhǔn)的符合性，而運(yùn)行時(shí)分析工具擅長發(fā)現(xiàn)只有在執(zhí)行時(shí)才會觸發(fā)的缺陷。這些缺陷有時(shí)會有重疊，但有時(shí)只能在一個(gè)域或另一個(gè)域中檢測到。為了盡可能提高代碼質(zhì)量，以及發(fā)現(xiàn)問題的效率，需要將幾者結(jié)合使用并盡可能與開發(fā)和構(gòu)建工具集成。下圖矩陣代表組合不同工具時(shí)的完整缺陷覆蓋率。
總結(jié)
隨著嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性提高，對于嵌入式軟件的要求也越來越高，其中最核心最根本的是代碼質(zhì)量，而編碼標(biāo)準(zhǔn)是提高代碼質(zhì)量的最佳實(shí)踐。遵循編碼標(biāo)準(zhǔn)的最有效的方式是應(yīng)用自動化工具，包括靜態(tài)分析工具，運(yùn)行時(shí)分析工具，這樣可以有效地在開發(fā)過程中提高代碼質(zhì)量，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)量和競爭力。
參考文獻(xiàn)
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6.https://www.iar.com/knowledge/learn/code-quality/everything-ends-with-code-quality/
（IAR）
