C++ 静态分析工具高级定制：规则编写与集成 CI/CD

好的，让我们开始这场关于 C++ 静态分析工具高级定制的讲座。

C++ 静态分析工具高级定制：规则编写与集成 CI/CD

大家好！欢迎来到“C++ 静态分析工具高级定制”讲座。今天，我们将深入探讨如何为 C++ 静态分析工具编写自定义规则，并将其集成到持续集成/持续交付 (CI/CD) 流程中。

开场白：静态分析，代码质量的守护神

在软件开发的世界里，bug就像潜伏在黑暗角落的影子，伺机而动。它们不仅会影响用户体验，还可能导致严重的安全性问题。而静态分析工具，就像一位经验丰富的代码侦探，能够在代码运行之前，通过分析源代码，发现潜在的错误、漏洞和不规范之处。

静态分析，简单来说，就是不运行程序，直接检查源代码。这就像医生看 X 光片一样，在问题爆发之前就发现它。

为什么需要定制规则？

市面上有很多优秀的静态分析工具，比如 clang-tidy, cppcheck, Coverity 等。它们内置了大量的规则，可以帮助我们发现常见的代码问题。但是，每个项目都有其独特的代码风格、业务逻辑和安全要求。内置规则可能无法完全满足我们的需求。

这时候，就需要我们定制规则，让静态分析工具更好地适应我们的项目。

第一部分：定制规则的理论基础

定制规则的本质，就是告诉静态分析工具：“嘿，注意这些特定的代码模式，它们可能存在问题！”

1. 规则的组成

一个规则通常由以下几个部分组成：

目标代码模式：规则所要检测的代码模式。
触发条件：什么情况下，规则应该被触发。
问题描述：当规则被触发时，应该给出的错误或警告信息。
修复建议：如何修复检测到的问题。

2. 如何描述代码模式？

不同的静态分析工具使用不同的方式来描述代码模式。常见的有：

正则表达式：简单但功能有限，适合检测简单的文本模式。
抽象语法树 (AST)：将代码解析成树形结构，可以更精确地匹配代码模式。
数据流分析：跟踪变量的值，可以检测更复杂的逻辑错误。

3. 选择合适的工具

在开始之前，我们需要选择一个合适的静态分析工具。这里，我们以 clang-tidy 为例，因为它开源、可扩展，并且与 Clang 编译器紧密集成。

第二部分：clang-tidy 规则编写实战

clang-tidy 使用 C++ 编写规则，这使得它非常灵活和强大。

1. 环境搭建

首先，我们需要安装 Clang 和 LLVM 开发环境。具体的安装步骤可以参考官方文档。

2. 创建一个简单的规则

假设我们想要创建一个规则，检测代码中是否使用了 printf 函数。printf 函数存在类型安全问题，应该尽量避免使用。

创建一个新的规则类

#include "clang/AST/ASTContext.h"
#include "clang/ASTMatchers/ASTMatchers.h"
#include "clang/ASTMatchers/ASTMatchFinder.h"
#include "clang/Frontend/CompilerInstance.h"
#include "clang/Lex/Lexer.h"
#include "clang/Tooling/Tooling.h"
#include "clang/Tooling/CommonOptionsParser.h"
#include "llvm/Support/CommandLine.h"

using namespace clang;
using namespace clang::ast_matchers;
using namespace clang::tooling;

namespace my_rules {

class NoPrintfCheck : public clang::ast_matchers::MatchFinder::MatchCallback {
public:
  NoPrintfCheck(CompilerInstance *CI) : CI(CI) {}

  virtual void run(const clang::ast_matchers::MatchFinder::MatchResult &Result) {
    if (const CallExpr *call = Result.Nodes.getNodeAs<CallExpr>("call")) {
      DiagnosticsEngine &DE = CI->getDiagnostics();
      SourceLocation loc = call->getLocStart();
      DE.Report(loc, DE.getCustomDiagID(DiagnosticsEngine::Warning,
                                          "Avoid using printf, use iostream instead."))
          << FixHint(SourceRange(loc, loc.getLocWithOffset(7)), "std::cout << ..."); // 假设 printf 长度为 7
    }
  }

private:
  CompilerInstance *CI;
};

class NoPrintfRule : public clang::tidy::ClangTidyCheck {
public:
  NoPrintfRule(StringRef Name, ClangTidyContext *Context)
      : ClangTidyCheck(Name, Context) {}

  void registerMatchers(MatchFinder *Finder) override {
    Finder->addMatcher(callExpr(callee(functionDecl(hasName("printf")))).bind("call"), this);
  }

  void check(const MatchFinder::MatchResult &Result) override {
    if(CI == nullptr)
      CI = Result.Context->getCompilerInstance();

    NoPrintfCheck check(CI);
    check.run(Result);
  }

private:
  CompilerInstance *CI = nullptr;
};

} // namespace my_rules

解释代码
- NoPrintfCheck 类：继承自 MatchFinder::MatchCallback，用于处理匹配到的代码。
- run 方法：当匹配到 printf 函数时，该方法会被调用。它会生成一个警告信息，并提供一个修复建议。
- NoPrintfRule 类：继承自 ClangTidyCheck，是规则的入口点。
- registerMatchers 方法：注册一个匹配器，用于查找 printf 函数的调用。
- check 方法：在找到匹配项后调用，它创建 NoPrintfCheck 实例并运行它。

注册规则

需要在 ClangTidyModule.cpp 文件中注册我们的规则。

#include "ClangTidy.h"
#include "ClangTidyModule.h"
#include "ClangTidyCheck.h"
#include "my_rules.h"

using namespace clang::tidy;

namespace clang {
namespace tidy {
namespace my_rules {

class MyModule : public ClangTidyModule {
public:
  void addCheckFactories(ClangTidyCheckFactories &CheckFactories) override {
    CheckFactories.registerCheck<my_rules::NoPrintfRule>("my-rules-no-printf", "");
  }
};

} // namespace my_rules

// This anchor is used to force the linker to link in the generated object file
// and thus register the module.
static ClangTidyModuleRegistry::Add<my_rules::MyModule>
X("my-module", "Adds my custom rules.");

} // namespace tidy
} // namespace clang

编译和安装规则

mkdir build
cd build
cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DLLVM_CONFIG=path/to/llvm-config -DCLANG_TIDY_SRC_DIR=path/to/clang-tools-extra/clang-tidy ..
make -j
sudo make install

请将 path/to/llvm-config 和 path/to/clang-tools-extra/clang-tidy 替换为你的实际路径。

使用规则

创建一个 .clang-tidy 文件，启用我们的规则。
```
Checks: '*,my-rules-no-printf'
```
然后，运行 clang-tidy 命令。
```
clang-tidy main.cpp -- -std=c++17
```
如果 main.cpp 中使用了 printf 函数，clang-tidy 就会发出警告。

3. 更复杂的规则：检测内存泄漏

内存泄漏是 C++ 中常见的问题。我们可以创建一个规则，检测没有使用 delete 释放的内存。

这个规则会更加复杂，需要使用数据流分析。由于篇幅限制，这里只给出思路：

找到 new 表达式：使用 AST 匹配器找到所有的 new 表达式。
跟踪指针的生命周期：使用数据流分析，跟踪 new 返回的指针的生命周期。
检测是否释放：如果指针在函数退出之前没有被 delete 释放，就发出警告。

第三部分：将规则集成到 CI/CD 流程中

编写完规则后，我们需要将它集成到 CI/CD 流程中，以便在每次代码提交时自动运行静态分析。

1. 选择 CI/CD 工具

常见的 CI/CD 工具包括 Jenkins, GitLab CI, GitHub Actions 等。这里以 GitHub Actions 为例。

2. 创建一个 GitHub Actions workflow

在项目的 .github/workflows 目录下创建一个 YAML 文件，例如 static-analysis.yml。

name: Static Analysis

on:
  push:
    branches: [ main ]
  pull_request:
    branches: [ main ]

jobs:
  static-analysis:
    runs-on: ubuntu-latest

    steps:
      - uses: actions/checkout@v3

      - name: Install clang-tidy
        run: |
          sudo apt-get update
          sudo apt-get install clang-tidy

      - name: Run clang-tidy
        run: |
          clang-tidy $(git ls-files '*.cpp' '*.h') -- -std=c++17

解释代码
- on：指定 workflow 的触发条件，这里是在 main 分支的 push 和 pull request 事件。
- jobs：定义一个名为 static-analysis 的 job。
- runs-on：指定 job 运行的操作系统。
- steps：定义 job 的步骤。
  - actions/checkout@v3：将代码检出到 runner。
  - Install clang-tidy：安装 clang-tidy。
  - Run clang-tidy：运行 clang-tidy 命令，对所有 .cpp 和 .h 文件进行静态分析。

3. 自定义规则的集成

如果你的自定义规则没有安装到系统目录，你需要指定 clang-tidy 的插件路径。

      - name: Run clang-tidy
        run: |
          clang-tidy $(git ls-files '*.cpp' '*.h') --load-plugin=/path/to/your/rule.so -- -std=c++17

将 /path/to/your/rule.so 替换为你的规则库的实际路径。

4. 处理静态分析结果

静态分析的结果通常会输出到控制台。我们可以使用一些工具，将结果转换成更友好的格式，例如 SARIF。

      - name: Convert to SARIF
        run: |
          clang-tidy $(git ls-files '*.cpp' '*.h') --export-fixes=fixes.yaml -- -std=c++17
          # 使用 clang-tidy-review 工具将结果转换为 SARIF 格式
          # (需要安装 clang-tidy-review)
          # clang-tidy-review -e fixes.yaml -p $(pwd) -s sarif > results.sarif

      - name: Upload SARIF results
        uses: github/codeql-action/upload-sarif@v2
        with:
          sarif_file: results.sarif

解释代码
- Convert to SARIF：将 clang-tidy 的输出转换为 SARIF 格式。
- Upload SARIF results：将 SARIF 文件上传到 GitHub Code Scanning。

第四部分：高级技巧与注意事项

1. 规则的测试

在编写规则时，一定要进行充分的测试，确保规则能够正确地检测到问题，并且不会产生误报。

2. 规则的性能

复杂的规则可能会影响编译速度。在编写规则时，要注意性能优化。

3. 规则的可维护性

编写清晰、简洁的代码，并添加必要的注释，以便其他人能够理解和维护你的规则。

4. 规则的文档

为你的规则编写详细的文档，说明规则的作用、使用方法和注意事项。

5. 持续改进

静态分析是一个持续改进的过程。定期 review 静态分析的结果，并根据实际情况调整规则。

常见问题解答

Q: 如何调试 clang-tidy 规则？

A: 可以使用 GDB 或 LLDB 调试 clang-tidy。需要在 CMakeLists.txt 中设置 CMAKE_BUILD_TYPE=Debug。
Q: 如何忽略特定的代码片段？

A: 可以使用 #pragma clang diagnostic 指令，或者在 .clang-tidy 文件中配置 IgnorePaths。
Q: 如何贡献自己的规则？

A: 可以将你的规则提交到 Clang 或 LLVM 社区。

总结

静态分析是提高代码质量的重要手段。通过定制规则，我们可以让静态分析工具更好地适应我们的项目，发现潜在的问题。将规则集成到 CI/CD 流程中，可以实现代码质量的自动化保障。

希望今天的讲座能够帮助大家更好地理解 C++ 静态分析工具的高级定制。谢谢大家！

附录：一些常用的 AST 匹配器

匹配器	描述
`functionDecl`	匹配函数声明
`callExpr`	匹配函数调用
`varDecl`	匹配变量声明
`binaryOperator`	匹配二元运算符
`ifStmt`	匹配 if 语句
`forStmt`	匹配 for 循环
`whileStmt`	匹配 while 循环
`cxxRecordDecl`	匹配类/结构体声明
`memberExpr`	匹配成员访问表达式 (例如 `obj.member`)
`hasName`	匹配具有特定名称的节点
`hasType`	匹配具有特定类型的节点
`hasParent`	匹配具有特定父节点的节点
`allOf`	匹配所有子匹配器都匹配的节点
`anyOf`	匹配任何子匹配器匹配的节点
`unless`	匹配不匹配子匹配器的节点
`bind`	将匹配的节点绑定到一个名称，以便在回调函数中使用

掌握这些匹配器，可以帮助你更精确地描述代码模式。

记住，静态分析的目的是帮助我们写出更好的代码。不要把它当成一种负担，而要把它当成一种工具，一种伙伴。

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