如何在编码阶段减少代码中的bug？

前言

作为一名合格的程序员，不写bug是不可能的。如何花费最少的时间来修复bug呢？

在编码阶段借助一些静态分析工具往往可以事半功倍，减少代码中的bug。

静态分析工具能够在代码未运行的情况下分析源代码，发现代码中的bug。在C/C++程序中，静态分析工具可以发现程序错误，如空指针取消引用、内存泄漏、被零除、整数溢出、越界访问、初始化前使用等。

编译器中的静态分析

编译器的目标是生成可执行文件，所以，他们并不关注静态代码分析。

但是，随着编译器的慢慢完善，在静态分析方面也做得越来越好。

比如，当我们编译代码时，有时候编译器会产生很多烦人的警告。大多数时候，这些警告并不会给程序造成影响。因此，很多人并不会关注这些警告。

不过，我们应该充分信任编译器。毕竟，没有人比编译器更了解这门语言。

因此，我们必须花一些时间来认真检查编译器产生的警告。这比起花费几个小时甚至几天去解一个bug代价要小的多。

例如，看下下面的代码，你觉得他会打印“ON” 还是 “OFF”呢？

#include <stdio.h>
 
#define ON  0xFF
#define OFF 0x00
 
void print_message(char status)
{
    if (status == ON)
        printf("ON\n");
    else
        printf("OFF\n");
}
 
int main(int argc, const char *argv[])
{
    print_message(ON);
 
    return 0;
}

$ gcc main.c -o main
$ ./main
OFF!

结果出人意料！我第一次也错误的认为这段代码会打印“ON”。

如果我们用Clang编译，又有什么结果呢？

Clang main.c -o main
main.c:8:16: warning: comparison of constant 255 with expression of type 'char' is always
      false [-Wtautological-constant-out-of-range-compare]
    if (status == ON)
        ~~~~~~ ^  ~~
1 warning generated.

Clang是一个优秀的静态分析器，能够分析代码中潜在的问题。对于上面的问题，GCC 在编译时加上-Wall 和-Wpedantic编译选项也可以分析出bug。

$ gcc main.c -o main -Wall -Wpedantic
main.c: In function ‘main’:
main.c:3:13: warning: overflow in implicit constant conversion [-Woverflow]
 #define ON  0xFF
             ^
main.c:16:19: note: in expansion of macro ‘ON’
     print_message(ON);
                   ^

不过，Clang和GCC的主要任务是编译代码，静态分析也并不是在每次编译时都需要，而且编译器在做静态分析时需要花费大量的时间。这就是为什么我们需要一个专门的静态代码分析工具。

Wikipedia（https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_tools_for_static_code_analysis）中提供了静态代码分析工具的列表。cppcheck是最好的开源静态分析工具之一。

cppcheck简介

Cppcheck是一个针对C/C++代码的静态分析工具，专注于检测未定义的行为和危险的编码行为。比如空指针，除零，整数溢出，无效的移位操作，无效的转换，STL的无效用法，内存管理，空指针引用，越界检查，未初始化的变量，未使用或者重复的代码等。

Cppcheck是一个开源项目，托管在Sourceforge和GitHub上，支持GNU/Linux、Windows和Mac OS操作系统。

安装Cppcheck

可以通过以下命令，在线安装Cppcheck。

 sudo apt install cppcheck

也可以直接下载源代码，手动编译安装:

wget https://github.com/danmar/cppcheck/archive/1.90.tar.gz
$ tar xfv 1.90.tar.gz
$ cd cppcheck-1.90/
$ make MATCHCOMPILER=yes FILESDIR=/usr/share/cppcheck HAVE_RULES=yes -j4
$ sudo make MATCHCOMPILER=yes FILESDIR=/usr/share/cppcheck HAVE_RULES=yes install
$ cppcheck --version
Cppcheck 1.90

使用Cppcheck分析代码

例子1

下面，我们通过一个例子来介绍Cppcheck的使用方法。你能找出以下代码中的两个bug吗？

void calc(void)
{
    int buf[10] = { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
    int result;
    int i;
 
    for (i = 0; i <= 10; i++) {
        result += buf[i];
    }
}
 
int main(void)
{
    calc();
    return 0;
}

使用GCC编译代码，并没有报出任何警告和错误。

$ gcc -Wall -Wextra -Werror -Wpedantic main.c -o main
$ ls main
main

Clang分析出了其中的一个bug。

$ clang -Wall -Wextra -Werror -Wpedantic -Weverything main.c -o main
main.c:8:9: error: variable 'result' is uninitialized when used here [-Werror,-Wuninitialized]
        result += buf[i];
        ^~~~~~
main.c:4:15: note: initialize the variable 'result' to silence this warning
    int result;
              ^
               = 0
1 error generated.

而cppcheck找出了全部的bug。

$ cppcheck main.c
Checking main.c ...
main.c:8:22: error: Array 'buf[10]' accessed at index 10, which is out of bounds. [arrayIndexOutOfBounds]
        result += buf[i];
                     ^
main.c:8:9: error: Uninitialized variable: result [uninitvar]
        result += buf[i];
        ^

例子2

我们用cppcheck 分析下Busybox看看有什么样的结果。

$ wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2
$ tar xfv busybox-1.31.1.tar.bz2
$ cd busybox-1.31.1/
$ cppcheck . 2>&1 | tee cppcheck.log
...
$ cat cppcheck.log | grep error | wc -l
146

Busybox的最新版本中有超过140个可能的bug(在我写这篇文章的时候)。有些错误可能是误报，不过有几个是可以分析下的。

$ cat cppcheck.log | grep "Uninitialized variable"
archival/libarchive/bz/blocksort.c:1034:20: error: Uninitialized variable: origPtr [uninitvar]
archival/libarchive/bz/compress.c:235:18: error: Uninitialized variable: ll_i [uninitvar]
archival/libarchive/bz/compress.c:679:20: error: Uninitialized variable: origPtr [uninitvar]
archival/libarchive/decompress_bunzip2.c:165:20: error: Uninitialized variable: runCnt [uninitvar]
console-tools/loadfont.c:146:6: error: Uninitialized variable: height [uninitvar]
...
 
$ cat cppcheck.log | grep "out of bounds"
util-linux/fdisk_sgi.c:138:10: error: Array 'freelist[17]' accessed at index 17, which is out of bounds. [arrayIndexOutOfBounds]
util-linux/fdisk_sgi.c:138:10: note: Array index out of bounds
util-linux/fdisk_sgi.c:139:10: error: Array 'freelist[17]' accessed at index 17, which is out of bounds. [arrayIndexOutOfBounds]
util-linux/fdisk_sgi.c:139:10: note: Array index out of bounds
util-linux/volume_id/iso9660.c:114:15: error: Buffer is accessed out of bounds: hs->id [bufferAccessOutOfBounds]
...
 
$ cat cppcheck.log | grep "Resource leak"
scripts/kconfig/confdata.c:376:4: error: Resource leak: out [resourceLeak]

cppcheck扩展插件

Cppcheck还可以通过使用正则表达式创建新的检查规则来扩展，甚至可以通过用Python编写的模块来扩展。

此外，还有针对Eclipse、Visual Studio、Code::Blocks、Sublime Text和QtCreator等几种流行开发工具的cppcheck插件。

vim编辑器 插件链接：https://github.com/vim-syntastic/syntastic

总结

静态代码分析有时候可能会产生误报，但是cppcheck很好的平衡了真实bug和误报的数量。因此，建议大家可以在个人的开发工具中集成cppcheck静态分析工具。虽然它并不会解决你所有的问题，但是，它肯定有助于提高你代码的质量，并且减少你花在修正bug上的时间。