C++实现静态代码分析工具：基于AST（抽象语法树）进行定制化规则检查 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

C++静态代码分析工具：基于AST的定制化规则检查

大家好，今天我们来探讨如何使用AST（抽象语法树）构建一个定制化的C++静态代码分析工具。静态代码分析，顾名思义，是在不实际运行代码的情况下，对代码进行分析，以发现潜在的错误、漏洞、不规范的写法等问题。基于AST的静态代码分析，相较于基于文本匹配的方法，更加准确和可靠，因为它理解了代码的结构和语义。

1. 为什么选择AST？

传统的基于文本匹配的静态代码分析，例如使用正则表达式，在处理复杂的语法结构时往往显得力不从心。例如，要检查是否所有的if语句都有else分支，使用正则表达式会非常困难，因为需要考虑各种嵌套情况和注释等干扰因素。

AST则不同，它将代码解析成一棵树状结构，每个节点代表一个语法元素，例如变量声明、函数调用、控制流语句等。通过遍历AST，我们可以轻松地访问和操作代码的各个部分，进行更精确的分析。

以下是一个简单的例子，说明AST的优势：

代码：

int main() {
  int x = 10;
  if (x > 5) {
    x = x * 2;
  }
  return 0;
}

AST (简化版)：

TranslationUnitDecl
  FunctionDecl main
    CompoundStmt
      DeclStmt
        VarDecl x
          IntegerLiteral 10
      IfStmt
        BinaryOperator '>'
          DeclRefExpr x
          IntegerLiteral 5
        CompoundStmt
          BinaryOperator '='
            DeclRefExpr x
            BinaryOperator '*'
              DeclRefExpr x
              IntegerLiteral 2
      ReturnStmt
        IntegerLiteral 0

通过AST，我们可以直接访问IfStmt节点，并检查它是否有else子节点。这比尝试用正则表达式匹配if和else更加可靠。

2. 工具链的选择：Clang和LLVM

要构建一个基于AST的C++静态代码分析工具，我们需要一个能够将C++代码解析成AST的工具。Clang是一个非常好的选择。Clang是一个C、C++、Objective-C和Objective-C++的编译器前端，它是LLVM项目的一部分。

Clang: 负责将C++代码解析成AST。Clang提供了一系列的API，可以用于访问和操作AST。
LLVM: LLVM是一个模块化的编译器基础设施，Clang利用LLVM的后端进行代码生成。虽然我们这里主要关注静态分析，LLVM的强大功能也为未来的扩展提供了可能性。

3. 环境搭建

首先，需要安装Clang和LLVM。具体安装步骤取决于你的操作系统。通常可以通过包管理器进行安装，例如在Ubuntu上：

sudo apt-get update
sudo apt-get install clang llvm

安装完成后，需要确保Clang的可执行文件（例如clang++）在你的PATH环境变量中。

4. 编写简单的AST访问代码

接下来，我们编写一个简单的程序，使用Clang API来访问AST。

#include <iostream>
#include <clang/AST/ASTConsumer.h>
#include <clang/AST/RecursiveASTVisitor.h>
#include <clang/Frontend/CompilerInstance.h>
#include <clang/Frontend/FrontendAction.h>
#include <clang/Tooling/Tooling.h>

using namespace clang;
using namespace clang::tooling;

// 继承自RecursiveASTVisitor，用于遍历AST
class MyASTVisitor : public RecursiveASTVisitor<MyASTVisitor> {
public:
  explicit MyASTVisitor(ASTContext *Context) : Context(Context) {}

  // 覆写VisitStmt函数，用于访问语句节点
  bool VisitStmt(Stmt *S) {
    // 输出语句的类型
    llvm::outs() << "Statement Type: " << S->getStmtClassName() << "n";
    return true;
  }

private:
  ASTContext *Context;
};

// 继承自ASTConsumer，用于创建ASTVisitor
class MyASTConsumer : public ASTConsumer {
public:
  explicit MyASTConsumer(ASTContext *Context) : Visitor(Context) {}

  // 覆写HandleTranslationUnit函数，在AST构建完成后调用
  void HandleTranslationUnit(ASTContext &Context) override {
    Visitor.TraverseDecl(Context.getTranslationUnitDecl());
  }

private:
  MyASTVisitor Visitor;
};

// 继承自FrontendAction，用于创建ASTConsumer
class MyFrontendAction : public ASTFrontendAction {
public:
  std::unique_ptr<ASTConsumer> CreateASTConsumer(CompilerInstance &CI, StringRef file) override {
    return std::make_unique<MyASTConsumer>(&CI.getASTContext());
  }
};

int main(int argc, const char **argv) {
  if (argc < 2) {
    llvm::errs() << "Usage: ast-example <source_file>n";
    return 1;
  }

  // 创建CommandLineArguments
  std::vector<std::string> args(argv + 1, argv + argc);

  // 创建ClangTool
  ClangTool Tool(CommonOptionsParser::create(args).get()->getCompilations(), args);

  // 运行ClangTool
  return Tool.run(newFrontendActionFactory<MyFrontendAction>().get());
}

代码解释：

MyASTVisitor: 这个类继承自RecursiveASTVisitor，它定义了如何遍历AST。 VisitStmt函数是RecursiveASTVisitor提供的一个虚函数，我们覆写了这个函数，以便在访问到任何语句节点时，输出该语句的类型。
MyASTConsumer: 这个类继承自ASTConsumer，它负责创建MyASTVisitor，并在AST构建完成后，调用MyASTVisitor来遍历AST。 HandleTranslationUnit函数是ASTConsumer提供的一个虚函数，它在整个编译单元被处理完成后被调用。
MyFrontendAction: 这个类继承自ASTFrontendAction，它负责创建ASTConsumer。 CreateASTConsumer函数是ASTFrontendAction提供的一个虚函数，它在编译器实例初始化后被调用，用于创建和返回一个AST消费者。
main函数: main函数负责设置ClangTool，并运行它。 ClangTool是Clang tooling library提供的一个类，它简化了使用Clang进行静态分析的过程。

编译和运行：

编译:
```
clang++ -std=c++17 -I /usr/lib/llvm-14/include `llvm-config --cxxflags` `llvm-config --ldflags --system-libs --libs`  -o ast-example ast-example.cpp
```
注意: /usr/lib/llvm-14/include 和 llvm-config 的路径可能需要根据你的系统进行调整。另外，llvm的版本号也需要对应你安装的版本，比如llvm-15，llvm-16等等。
运行:
```
./ast-example your_source_file.cpp
```
将 your_source_file.cpp 替换成你的C++源文件。

运行结果会将你的源文件中的所有语句类型输出到控制台。

5. 定制化规则检查：检查if语句必须有else分支

现在，我们来实现一个更具体的规则检查：检查所有的if语句是否都有else分支。

修改MyASTVisitor类：

class MyASTVisitor : public RecursiveASTVisitor<MyASTVisitor> {
public:
  explicit MyASTVisitor(ASTContext *Context) : Context(Context) {}

  bool VisitIfStmt(IfStmt *S) {
    if (S->getElse() == nullptr) {
      // 报告错误
      SourceLocation Loc = S->getBeginLoc();
      Context->getDiagnostics().Report(Loc, diag::err_missing_else)
          << FixItHint::CreateInsertion(S->getEndLoc().getLocWithOffset(1), " else {}");
    }
    return true;
  }

private:
  ASTContext *Context;
};

代码解释：

VisitIfStmt: 我们覆写了VisitIfStmt函数，它会在访问到IfStmt节点时被调用。
S->getElse() == nullptr: 我们检查IfStmt节点是否有else子节点。如果没有，则表示缺少else分支。
Context->getDiagnostics().Report(...): 我们使用Clang的诊断系统报告错误。 diag::err_missing_else是一个自定义的诊断ID，我们需要在后面定义它。
FixItHint::CreateInsertion(...): 我们使用Clang的FixItHint功能，提供一个自动修复建议，即在if语句的末尾插入一个空的else分支。

6. 定义自定义诊断ID

我们需要定义一个自定义的诊断ID，用于报告缺少else分支的错误。

在程序中添加以下代码：

namespace {
  enum {
    diag_last // 占位符
  };
}

static llvm::cl::opt<bool>
    MyCheck("my-check", llvm::cl::desc("Enable my custom check"), llvm::cl::init(true));

static void registerMatchers(ast_matchers::MatchFinder &Finder,
                             ASTContext *Context) {
  Finder.addMatcher(
      ifStmt().bind("ifStmt"), // 绑定IfStmt节点到 "ifStmt"
      new MyASTVisitor(Context)); // 使用自定义的MyASTVisitor
}

static std::unique_ptr<FrontendActionFactory>
newFrontendActionFactory() {
  class MyFrontendAction : public ASTFrontendAction {
  public:
    std::unique_ptr<ASTConsumer> CreateASTConsumer(CompilerInstance &CI,
                                                     StringRef file) override {
      CI.getDiagnostics().addDiagnostic(diag::err_missing_else,
                                         clang::DiagnosticsEngine::Warning,
                                         "Missing 'else' branch in if statement");

      return std::make_unique<MyASTConsumer>(&CI.getASTContext());
    }
  };
  return std::make_unique<FrontendActionFactory<MyFrontendAction>>();
}

代码解释：

diag::err_missing_else: 我们定义了一个枚举值diag::err_missing_else，用于表示缺少else分支的诊断ID。
CI.getDiagnostics().addDiagnostic(...): 在CreateASTConsumer函数中，我们使用CI.getDiagnostics().addDiagnostic函数注册了自定义的诊断信息。第一个参数是诊断ID，第二个参数是诊断级别（这里使用clang::DiagnosticsEngine::Warning，表示警告），第三个参数是诊断信息。

7. 编译和运行（包含自动修复）

编译: 使用相同的编译命令。
运行：
```
./ast-example your_source_file.cpp -- -fix-errors
```
添加了 -- -fix-errors 参数，表示启用自动修复功能。

如果你的your_source_file.cpp中包含缺少else分支的if语句，运行结果会输出错误信息，并且会自动在if语句的末尾插入一个空的else分支。

8. 完整代码示例

#include <iostream>
#include <clang/AST/ASTConsumer.h>
#include <clang/AST/RecursiveASTVisitor.h>
#include <clang/Frontend/CompilerInstance.h>
#include <clang/Frontend/FrontendAction.h>
#include <clang/Tooling/Tooling.h>
#include <clang/Rewrite/Core/Rewriter.h>

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

namespace {
  enum {
    diag_last // 占位符
  };
}

static llvm::cl::opt<bool>
    MyCheck("my-check", llvm::cl::desc("Enable my custom check"), llvm::cl::init(true));

// 继承自RecursiveASTVisitor，用于遍历AST
class MyASTVisitor : public RecursiveASTVisitor<MyASTVisitor> {
public:
  explicit MyASTVisitor(ASTContext *Context, Rewriter &Rewrite) : Context(Context), Rewrite(Rewrite) {}

  bool VisitIfStmt(IfStmt *S) {
    if (S->getElse() == nullptr) {
      // 报告错误
      SourceLocation Loc = S->getBeginLoc();
      Context->getDiagnostics().Report(Loc, diag::err_missing_else)
          << FixItHint::CreateInsertion(S->getEndLoc().getLocWithOffset(1), " else {}");

      // 自动修复（插入空的else分支）
      Rewrite.InsertText(S->getEndLoc().getLocWithOffset(1), " else {}", true, true);
    }
    return true;
  }

private:
  ASTContext *Context;
  Rewriter &Rewrite;
};

// 继承自ASTConsumer，用于创建ASTVisitor
class MyASTConsumer : public ASTConsumer {
public:
  MyASTConsumer(ASTContext *Context, Rewriter &Rewrite) : Visitor(Context, Rewrite), Rewrite(Rewrite) {}

  void HandleTranslationUnit(ASTContext &Context) override {
    Visitor.TraverseDecl(Context.getTranslationUnitDecl());
  }

private:
  MyASTVisitor Visitor;
  Rewriter &Rewrite;
};

// 继承自FrontendAction，用于创建ASTConsumer
class MyFrontendAction : public ASTFrontendAction {
public:
  MyFrontendAction() {}

  std::unique_ptr<ASTConsumer> CreateASTConsumer(CompilerInstance &CI, StringRef file) override {
    CI.getDiagnostics().addDiagnostic(diag::err_missing_else,
                                       clang::DiagnosticsEngine::Warning,
                                       "Missing 'else' branch in if statement");

    TheRewriter.setSourceMgr(CI.getSourceManager(), CI.getLangOpts());
    return std::make_unique<MyASTConsumer>(&CI.getASTContext(), TheRewriter);
  }

  void EndSourceFileAction() override {
    TheRewriter.getEditBuffer(TheRewriter.getSourceMgr().getMainFileID())
        .write(llvm::outs());
  }

private:
  Rewriter TheRewriter;
};

static std::unique_ptr<FrontendActionFactory>
newFrontendActionFactory() {
    return std::make_unique<FrontendActionFactory<MyFrontendAction>>();
}

int main(int argc, const char **argv) {
  if (argc < 2) {
    llvm::errs() << "Usage: ast-example <source_file>n";
    return 1;
  }

  // 创建CommandLineArguments
  std::vector<std::string> args(argv + 1, argv + argc);

  // 创建ClangTool
  ClangTool Tool(CommonOptionsParser::create(args).get()->getCompilations(), args);

  // 运行ClangTool
  return Tool.run(newFrontendActionFactory().get());
}

9. 总结和展望

通过以上步骤，我们实现了一个简单的基于AST的C++静态代码分析工具，可以检查if语句是否缺少else分支，并提供自动修复功能。

改进方向：

更复杂的规则检查: 可以实现更复杂的规则检查，例如检查是否存在内存泄漏、空指针解引用、未初始化的变量等。
更完善的自动修复: 可以提供更完善的自动修复建议，例如根据上下文自动生成else分支的代码。
更友好的用户界面: 可以开发一个更友好的用户界面，例如图形界面或命令行界面。
与构建系统集成: 可以将静态代码分析工具与构建系统集成，例如CMake或Make，在编译过程中自动进行代码分析。
使用AST Matcher: Clang提供了AST Matcher API，可以更方便地查找符合特定模式的AST节点。使用AST Matcher可以简化代码，并提高代码的可读性。
数据流分析: 可以结合数据流分析技术，进行更深入的代码分析，例如检测潜在的死代码和未使用的变量。

希望这次的讲解能够帮助大家更好地理解和应用AST技术，构建自己的C++静态代码分析工具。通过自定义规则检查，我们可以有效地提高代码质量，减少潜在的错误和漏洞。

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