C++在嵌入式應用中的安全問(wèn)題

嵌入式系統的軟件設計中，“匯編語(yǔ)言+C語(yǔ)言”早已成為理所當然的經(jīng)典組合。的確，對于硬件配置來(lái)說(shuō)，匯編語(yǔ)言清晰明了；對于上層設計來(lái)說(shuō)，C語(yǔ)言緊湊高效。這樣的搭配能夠滿(mǎn)足大多數傳統嵌入式系統應用的需要。隨著(zhù)技術(shù)水平的提高，今天的嵌入式系統也比過(guò)去更加深入到人們的日常生活中，大到汽車(chē)、飛機、火箭，小到手機、打印機、鬧鐘、手表，都可以找到嵌入式系統的蹤影。然而，這看似一成不變的情況，也在悄然轉變。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )、多媒體等技術(shù)的出現、發(fā)展與普及，對嵌入式系統應用有了新的要求，也給了其他高級語(yǔ)言，特別是C++語(yǔ)言以機會(huì )。

　　由此帶來(lái)的在語(yǔ)言使用中的安全問(wèn)題，目前雖然還未凸顯，但根據以往的經(jīng)驗來(lái)看，終將成為限制行業(yè)發(fā)展的新瓶頸。已有的C++語(yǔ)言國際標準雖然龐大細致，但作為一個(gè)“語(yǔ)言標準”，只能是盡力做得面面俱到，其目標在于構造一個(gè)語(yǔ)句合法性的權威依據，以約束人們對于C++的使用。但它并不是針對應用而寫(xiě)的規范，對于可能遇到的安全性問(wèn)題也無(wú)法進(jìn)行特別深入的探討，更加沒(méi)有安全方面的實(shí)踐經(jīng)驗支撐。一個(gè)針對安全方面的、被國際所認可的使用規范，無(wú)疑是C++語(yǔ)言在嵌入式系統中得到廣泛應用的堅實(shí)基礎與助推劑。

　　1 C++在嵌入式應用中的機遇與挑戰

　　C++作為一門(mén)高級語(yǔ)言，人們在提及它時(shí)，總難免會(huì )談到C語(yǔ)言。直至今天，很多人對于C++語(yǔ)言的認識依然是“C語(yǔ)言的超集”。這是因為C++的起源與C語(yǔ)言有著(zhù)千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。

　　1978年，美國貝爾實(shí)驗室的Dennis Ritchie和BrianKernighan在BCPL以及其簡(jiǎn)化版本B語(yǔ)言的基礎之上開(kāi)發(fā)了C語(yǔ)言，并合作出版了《The C Programming Lan-guage》。C語(yǔ)言迅速得到了大家的認可，并廣為流傳。1989年，ANSI推出了第一個(gè)C語(yǔ)言的標準——X3．159-1989，并被ISO采納，隨之發(fā)布。ISO／IEC 9899-1990。早在C語(yǔ)言標準發(fā)布之前，貝爾實(shí)驗室的Bjarne Stroustrup就致力于在C語(yǔ)言里增加類(lèi)、函數類(lèi)型檢查以及其他的一些優(yōu)秀特征，于1980年發(fā)布“C with Classes”。經(jīng)過(guò)持續的努力，他最終完成了對C語(yǔ)言的改造，由此創(chuàng )生出一門(mén)新語(yǔ)言——C++，并出版了《The C++ ProgrammingLanguage》一書(shū)。由于它帶來(lái)了持續的影響，ISO于1998年發(fā)布ISO／IEC 14882：1998；幾乎同一時(shí)間，ANSI也發(fā)布了類(lèi)似標準，這標志著(zhù)C++作為一門(mén)獨立語(yǔ)言的標準化得到了官方的認可。

　　統計數據表明，日常生活中一個(gè)美國人平均占用8個(gè)微控制器，這些都離不開(kāi)嵌入式系統的應用。然而嵌入式系統軟件技術(shù)似乎落后于當前的軟件發(fā)展形勢，近年來(lái)才逐漸由匯編語(yǔ)言過(guò)渡到面向過(guò)程的C語(yǔ)言。但對于面向對象語(yǔ)言的應用還很有限。

　　這一方面是由于嵌入式開(kāi)發(fā)人員多年來(lái)應付有限資源的經(jīng)驗而養成的保守態(tài)度，另一方面也是由于長(cháng)久以來(lái)，嵌入式系統應用設計中，人們要花費許多精力在底層硬件的驅動(dòng)上，功能實(shí)現也主要局限在實(shí)時(shí)操作系統和相關(guān)支撐軟件的層次，并不涉及過(guò)多的應用軟件開(kāi)發(fā)。這種在嚴苛條件下追求效率與實(shí)時(shí)性的任務(wù)，其他的高級語(yǔ)言并沒(méi)有特別的優(yōu)勢。

　　最近幾年，嵌入式系統領(lǐng)域又有了新的發(fā)展。首先，隨著(zhù)手機、PDA等消費性電子產(chǎn)品的飛速增長(cháng)，嵌入式系統的市場(chǎng)規模在迅速擴大，同時(shí)越來(lái)越多的智能嵌入式應用場(chǎng)合需要互聯(lián)網(wǎng)的支持，這要求嵌入式系統的軟件具有更好的應用性和更高的復雜性；其次，隨著(zhù)芯片等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，嵌入式系統工程師們不再需要時(shí)時(shí)刻刻去考慮資源是否夠用了。當面向對象的高級語(yǔ)言參與到嵌入式系統設計中去不再遙不可及時(shí)，語(yǔ)言的效率則成為突出的問(wèn)題。根據《Thinking in C++》一書(shū)的總結，C++與C的效率差別往往在±5％，這使得C++在新一輪的嵌入式應用發(fā)展浪潮中占得先機。

　　值得注意的是，盡管自1998年發(fā)布最初的C++標準——ISO／IEC 14882：1998以來(lái)，每5年都會(huì )對此標準進(jìn)行一次更新，但是由于C++語(yǔ)言過(guò)于復雜，以及它經(jīng)歷了長(cháng)年的演變，直到2004年，沒(méi)有任何一款編譯器完全支持ISO C++。這對于時(shí)常要面對各種嚴苛條件的嵌入式系統應用工程師們來(lái)說(shuō)，是難以忍受的。同時(shí)，即使是符合ISO C++標準的語(yǔ)句或者格式，對于實(shí)際的應用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，也存在著(zhù)重大隱患，而不應當被直接采用。因此，人們迫切需要一個(gè)正式的基于安全角度考慮的C++語(yǔ)言使用規范。

　　2 關(guān)于MISRA

　　MISRA(the Motor Industry Software Reliability As-sociation)，即汽車(chē)工業(yè)軟件可靠性協(xié)會(huì )，于1994．年在英國成立，以“協(xié)助汽車(chē)工業(yè)提供安全、可靠的軟件”為使命，期望通過(guò)“規范指南”的形式來(lái)約束人們在汽車(chē)電子以及其他嵌入式系統開(kāi)發(fā)領(lǐng)域或涉及安全與可靠性的領(lǐng)域中對于程序語(yǔ)言的使用。由于這些“規范指南”都是從大量工程實(shí)踐中總結的第一手經(jīng)驗，因而具有極高的指導意義。

　　經(jīng)過(guò)4年準備，它在1998年發(fā)布了一個(gè)針對汽車(chē)工業(yè)的《Guidelines for the Use of the C Langtlage in VehicleBased Software》，簡(jiǎn)稱(chēng)“MISRA C：1998'’，針對那些滿(mǎn)足C語(yǔ)言標準，卻存在安全隱患的語(yǔ)言使用習慣，提出了127條規則。由于它很好地解決了C語(yǔ)言國際標準的冗繁性，以及其中對于安全性考慮的不足性，從而得到了廣泛的好評。MISRA-C不僅成為眾多汽車(chē)廠(chǎng)商推崇的行業(yè)標準，其影響力更是遠遠超出了汽車(chē)工業(yè)，得到鐵路、航空航天、國防、醫療等眾多領(lǐng)域的認可，成為“最佳實(shí)踐”解決方案。2004年，MISRA對于已有的規則進(jìn)行改編與擴充，推出了“MISRA C 2004”，首次將該規范指南的對象從汽車(chē)工業(yè)推廣到所有具有安全性要求的系統應用中去，包含了強制規則121條，推薦規則20條，并刪除了15條舊規則，共計含有141條規則。

　　時(shí)至今日，MISRA組織不僅是汽車(chē)工業(yè)軟件規范的權威，其制定的規范指南更得到了嵌入式系統應用領(lǐng)域的廣泛認可?？紤]到近年來(lái)，C++語(yǔ)言在嵌入式系統中的應用越來(lái)越多，2005年MISRA C++委員會(huì )成立，并于2008年推出針對C++語(yǔ)言的《MISRA C++：2008——Guidelines for the USe of the C++ language in critical sys-tems>>，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“MISRA C++：2008”。有興趣的讀者可以聯(lián)系相關(guān)網(wǎng)站：http：／／www．misra-cpp．com／，購買(mǎi)詳細的文檔。

　　MISRA C++：2008同樣從推出之日起，就得到了業(yè)內外廣泛關(guān)注。例如：LDRA軟件公司一直跟蹤著(zhù)MIS-RA C++：2008的制定進(jìn)展，在MISRA C++：2008發(fā)布時(shí)同步宣稱(chēng)已經(jīng)完成了對工具套件產(chǎn)品的相應改進(jìn)，使其符合MISRA C++：2008標準。(LDRA的Testbed產(chǎn)品曾成功用于“神舟”飛船項目的軟件測試)

　3 MISRA C++概述

　　作為規范指南，MISRA C++：2008基于ISO／IEC 14882：2003的C++語(yǔ)言國際標準，以規則(rule)的形式，給出了相關(guān)的建議。它的規則又細分為以下3種類(lèi)型：

　?、購娭菩?required)，必須符合、允許例外；

　?、谕扑]型(advisory)，推薦符合；

　?、鄄蝗萦懻撔?document)，必須符合、不許例外。

　　MISRA C++：2008中共給出了20個(gè)大類(lèi)的規則(編號并不連續)，細分為228條。詳細情況如表1所列。