引言

在 Java 軟件開發(fā)過程中，開發(fā)團隊往往要花費大量的時間和精力發(fā)現(xiàn)并修改代碼缺陷。Java 靜態(tài)代碼分析（static code analysis）工具能夠在代碼構建過程中幫助開發(fā)人員快速、有效的定位代碼缺陷并及時糾正這些問題，從而極大地提高軟件可靠性并節(jié)省軟件開發(fā)和測試成本。目前市場上的 Java 靜態(tài)代碼分析工具種類繁多且各有千秋，因此本文將分別介紹現(xiàn)有 4 種主流 Java 靜態(tài)代碼分析工具 (Checkstyle，F(xiàn)indBugs，PMD，Jtest)，并從功能、特性等方面對它們進行分析和比較，希望能夠幫助 Java 軟件開發(fā)人員了解靜態(tài)代碼分析工具，并選擇合適的工具應用到軟件開發(fā)中。

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靜態(tài)代碼分析工具簡介

什么是靜態(tài)代碼分析

靜態(tài)代碼分析是指無需運行被測代碼，僅通過分析或檢查源程序的語法、結構、過程、接口等來檢查程序的正確性，找出代碼隱藏的錯誤和缺陷，如參數(shù)不匹配，有歧義的嵌套語句，錯誤的遞歸，非法計算，可能出現(xiàn)的空指針引用等等。

在軟件開發(fā)過程中，靜態(tài)代碼分析往往先于動態(tài)測試之前進行，同時也可以作為制定動態(tài)測試用例的參考。統(tǒng)計證明，在整個軟件開發(fā)生命周期中，30% 至 70% 的代碼邏輯設計和編碼缺陷是可以通過靜態(tài)代碼分析來發(fā)現(xiàn)和修復的。

但是，由于靜態(tài)代碼分析往往要求大量的時間消耗和相關知識的積累，因此對于軟件開發(fā)團隊來說，使用靜態(tài)代碼分析工具自動化執(zhí)行代碼檢查和分析，能夠極大地提高軟件可靠性并節(jié)省軟件開發(fā)和測試成本。

靜態(tài)代碼分析工具的優(yōu)勢

1. 幫助程序開發(fā)人員自動執(zhí)行靜態(tài)代碼分析，快速定位代碼隱藏錯誤和缺陷。

2. 幫助代碼設計人員更專注于分析和解決代碼設計缺陷。

3. 顯著減少在代碼逐行檢查上花費的時間，提高軟件可靠性并節(jié)省軟件開發(fā)和測試成本。

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Java 靜態(tài)代碼分析理論基礎和主要技術

• 缺陷模式匹配：缺陷模式匹配事先從代碼分析經驗中收集足夠多的共性缺陷模式，將待分析代碼與已有的共性缺陷模式進行模式匹配，從而完成軟件的安全分析。這種方式的優(yōu)點是簡單方便，但是要求內置足夠多缺陷模式，且容易產生誤報。
• 類型推斷：類型推斷技術是指通過對代碼中運算對象類型進行推理，從而保證代碼中每條語句都針對正確的類型執(zhí)行。這種技術首先將預定義一套類型機制，包括類型等價、類型包含等推理規(guī)則，而后基于這一規(guī)則進行推理計算。類型推斷可以檢查代碼中的類型錯誤，簡單，高效，適合代碼缺陷的快速檢測。
• 模型檢查：模型檢驗建立于有限狀態(tài)自動機的概念基礎之上，這一理論將被分析代碼抽象為一個自動機系統(tǒng)，并且假設該系統(tǒng)是有限狀態(tài)的、或者是可以通過抽象歸結為有限狀態(tài)。模型檢驗過程中，首先將被分析代碼中的每條語句產生的影響抽象為一個有限狀態(tài)自動機的一個狀態(tài)，而后通過分析有限狀態(tài)機從而達到代碼分析的目的。模型檢驗主要適合檢驗程序并發(fā)等時序特性，但是對于數(shù)據值域數(shù)據類型等方面作用較弱。
• 數(shù)據流分析：數(shù)據流分析也是一種軟件驗證技術，這種技術通過收集代碼中引用到的變量信息，從而分析變量在程序中的賦值、引用以及傳遞等情況。對數(shù)據流進行分析可以確定變量的定義以及在代碼中被引用的情況，同時還能夠檢查代碼數(shù)據流異常，如引用在前賦值在后、只賦值無引用等。數(shù)據流分析主要適合檢驗程序中的數(shù)據域特性。

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現(xiàn)有主流 Java 靜態(tài)分析工具

Checkstyle

Checkstyle 是 SourceForge 的開源項目，通過檢查對代碼編碼格式，命名約定，Javadoc，類設計等方面進行代碼規(guī)范和風格的檢查，從而有效約束開發(fā)人員更好地遵循代碼編寫規(guī)范。

Checkstyle 提供了支持大多數(shù)常見 IDE 的插件，文本主要使用 Eclipse 中的 Checkstyle 插件。如下圖 1 所示，Checkstyle 對代碼進行編碼風格檢查，并將檢查結果顯示在 Problems 視圖中。圖中，代碼編輯器中每個放大鏡圖標表示一個 Checkstyle 找到的代碼缺陷。開發(fā)人員可通過在 Problems 視圖中查看錯誤或警告詳細信息。

此外，Checkstyle 支持用戶根據需求自定義代碼檢查規(guī)范，在下圖 2 中的配置面板中，用戶可以在已有檢查規(guī)范如命名約定，Javadoc，塊，類設計等方面的基礎上添加或刪除自定義檢查規(guī)范。

FindBugs

FindBugs 是由馬里蘭大學提供的一款開源 Java 靜態(tài)代碼分析工具。FindBugs 通過檢查類文件或 JAR 文件，將字節(jié)碼與一組缺陷模式進行對比從而發(fā)現(xiàn)代碼缺陷，完成靜態(tài)代碼分析。FindBugs 既提供可視化 UI 界面，同時也可以作為 Eclipse 插件使用。文本將主要使用將 FindBugs 作為 Eclipse 插件。在安裝成功后會在 eclipse 中增加 FindBugs perspective，用戶可以對指定 Java 類或 JAR 文件運行 FindBugs，此時 FindBugs 會遍歷指定文件，進行靜態(tài)代碼分析，并將代碼分析結果顯示在 FindBugs perspective 的 bugs explorer 中，如下圖 3 所示：

圖中 Bug Explorer 中的灰色圖標處為 Bug 類型，每種分類下紅色圖標表示 bug 較為嚴重，黃色的圖標表示 bug 為警告程度。Propreties 列出了 bug 的描述信息及修改方案。

此外，F(xiàn)indBugs 還為用戶提供定制 Bug Pattern 的功能。用戶可以根據需求自定義 FindBugs 的代碼檢查條件，如下圖 4 所示：

PMD

PMD 是由 DARPA 在 SourceForge 上發(fā)布的開源 Java 代碼靜態(tài)分析工具。PMD 通過其內置的編碼規(guī)則對 Java 代碼進行靜態(tài)檢查，主要包括對潛在的 bug，未使用的代碼，重復的代碼，循環(huán)體創(chuàng)建新對象等問題的檢驗。PMD 提供了和多種 Java IDE 的集成，例如 Eclipse，IDEA，NetBean 等。本文主要使用 PMD 以插件方式與 Eclipse 集成。如下圖 5 所示：在 Violations Overview 視圖中，按照代碼缺陷嚴重性集中顯示了 PMD 靜態(tài)代碼分析的結果。

PMD 同樣也支持開發(fā)人員對代碼檢查規(guī)范進行自定義配置。開發(fā)人員可以在下圖 6 中的面板中添加、刪除、導入、導出代碼檢查規(guī)范。

Jtest

Jtest 是 Parasoft 公司推出的一款針對 Java 語言的自動化代碼優(yōu)化和測試工具，Jtest 的靜態(tài)代碼分析功能能夠按照其內置的超過 800 條的 Java 編碼規(guī)范自動檢查并糾正這些隱蔽且難以修復的編碼錯誤。同時，還支持用戶自定義編碼規(guī)則，幫助用戶預防一些特殊用法的錯誤。Jtest 提供了基于 Eclipse 的插件安裝。Jtest 支持開發(fā)人員對 Java 代碼進行編碼規(guī)范檢查，并在 Jtask 窗口中集中顯示檢查結果，如下圖 7 所示：

同時，Jtest 還提供了對用戶定制代碼檢查配置甚至自定義編碼規(guī)則的支持，這一功能使得開發(fā)人員可以基于不同場景定制所需要的編碼規(guī)范，如圖 8 所示：

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Java 靜態(tài)分析工具對比

本章節(jié)將從以下幾個方面對上述 Java 靜態(tài)分析工具進行比較：

應用技術及分析對象

下表 1 列出了不同工具的分析對象及應用技術對比：

內置編程規(guī)范

Checkstyle：

• Javadoc 注釋：檢查類及方法的 Javadoc 注釋
• 命名約定：檢查命名是否符合命名規(guī)范
• 標題：檢查文件是否以某些行開頭
• Import 語句：檢查 Import 語句是否符合定義規(guī)范
• 代碼塊大小，即檢查類、方法等代碼塊的行數(shù)
• 空白：檢查空白符，如 tab，回車符等
• 修飾符：修飾符號的檢查，如修飾符的定義順序
• 塊：檢查是否有空塊或無效塊
• 代碼問題：檢查重復代碼，條件判斷，魔數(shù)等問題
• 類設計：檢查類的定義是否符合規(guī)范，如構造函數(shù)的定義等問題

FindBugs：

• Bad practice 壞的實踐：常見代碼錯誤，用于靜態(tài)代碼檢查時進行缺陷模式匹配
• Correctness 可能導致錯誤的代碼，如空指針引用等
• 國際化相關問題：如錯誤的字符串轉換
• 可能受到的惡意攻擊，如訪問權限修飾符的定義等
• 多線程的正確性：如多線程編程時常見的同步，線程調度問題。
• 運行時性能問題：如由變量定義，方法調用導致的代碼低效問題。

PMD：

• 可能的 Bugs：檢查潛在代碼錯誤，如空 try/catch/finally/switch 語句
• 未使用代碼（Dead code）：檢查未使用的變量，參數(shù)，方法
• 復雜的表達式：檢查不必要的 if 語句，可被 while 替代的 for 循環(huán)
• 重復的代碼：檢查重復的代碼
• 循環(huán)體創(chuàng)建新對象：檢查在循環(huán)體內實例化新對象
• 資源關閉：檢查 Connect，Result，Statement 等資源使用之后是否被關閉掉

Jtest

• 可能的錯誤：如內存破壞、內存泄露、指針錯誤、庫錯誤、邏輯錯誤和算法錯誤等
• 未使用代碼：檢查未使用的變量，參數(shù)，方法
• 初始化錯誤：內存分配錯誤、變量初始化錯誤、變量定義沖突
• 命名約定：檢查命名是否符合命名規(guī)范
• Javadoc 注釋：檢查類及方法的 Javadoc 注釋
• 線程和同步：檢驗多線程編程時常見的同步，線程調度問題
• 國際化問題：
• 垃圾回收：檢查變量及 JDBC 資源是否存在內存泄露隱患

錯誤檢查能力

為比較上述 Java 靜態(tài)分析工具的代碼缺陷檢測能力，本文將使用一段示例代碼進行試驗，示例代碼中將涵蓋我們開發(fā)中的幾類常見錯誤，如引用操作、對象操作、表達式復雜化、數(shù)組使用、未使用變量或代碼段、資源回收、方法調用及代碼設計幾個方面。最后本文將分別記錄在默認檢查規(guī)范設置下，不同工具對該示例代碼的分析結果。以下為示例代碼 Test.java。其中，代碼的注釋部分列舉了代碼中可能存在的缺陷。

				 
 package Test;
import java.io.*;
public class Test {
	/**
	 * Write the bytes from input stream to output stream.
	 * The input stream and output stream are not closed.
	 * @param is
	 * @param os
	 * @throws IOException
	 */
	public  boolean copy(InputStream is, OutputStream os) throws IOException {
        int count = 0;
        //缺少空指針判斷
        byte[] buffer = new byte[1024];
		while ((count = is.read(buffer)) >= 0) {
			os.write(buffer, 0, count);
		}
		//未關閉I/O流
		return true;
	}
	/**
	 * 
	 * @param a
	 * @param b
	 * @param ending
	 * @return copy the elements from a to b, and stop when meet element ending
	 */
	public void copy(String[] a, String[] b, String ending)
	{
		int index;
		String temp = null;
		//空指針錯誤
		System.out.println(temp.length());
		//未使用變量
		int length=a.length;
		for(index=0; index&a.length; index++)
		{
			//多余的if語句
			if(true)
			{
				//對象比較 應使用equals
				if(temp==ending)
				{
					break;
				}
				//缺少 數(shù)組下標越界檢查
				b[index]=temp;
			}
		}
	}
	/**
	 * 
	 * @param file
	 * @return file contents as string; null if file does not exist
	 */
	public  void  readFile(File file) {
		InputStream is = null;
		OutputStream os = null;
			try {
				is = new BufferedInputStream(new FileInputStream(file));
				os = new ByteArrayOutputStream();
				//未使用方法返回值
				copy(is,os);
				is.close();
				os.close();
			} catch (IOException e) {
				//可能造成I/O流未關閉
				e.printStackTrace();
			} 
			finally
			{
				//空的try/catch/finally塊
			}
	}
}

通過以上測試代碼，我們對已有 Java 靜態(tài)代碼分析工具的檢驗結果做了如下比較，如下表 2 所示。

由表中可以看出幾種工具對于代碼檢查各有側重。其中，Checkstyle 更偏重于代碼編寫格式，及是否符合編碼規(guī)范的檢驗，對代碼 bug 的發(fā)現(xiàn)功能較弱；而 FindBugs，PMD，Jtest 著重于發(fā)現(xiàn)代碼缺陷。在對代碼缺陷檢查中，這三種工具在針對的代碼缺陷類別也各有不同，且類別之間有重疊。

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總結

本文分別從功能、特性和內置編程規(guī)范等方面詳細介紹了包括 Checkstyle，F(xiàn)indBugs，PMD，Jtest 在內的四種主流 Java 靜態(tài)代碼分析工具，并通過一段 Java 代碼示例對這四種工具的代碼分析能力進行比較。由于這四種工具內置編程規(guī)范各有不同，因此它們對不同種類的代碼問題的發(fā)現(xiàn)能力也有所不同。其中 Checkstyle 更加偏重于代碼編寫格式檢查，而 FindBugs，PMD，Jtest 著重于發(fā)現(xiàn)代碼缺陷。最后，希望本文能夠幫助 Java 軟件開發(fā)和測試人員進一步了解以上四種主流 Java 靜態(tài)分析工具，并幫助他們根據需求選擇合適的工具。