test Symbolic Execution-04-JPF (Java PathFinder) JPF is an extensible software analysis framework for Java bytecode
拓展阅读
开源 Auto generate mock data for java test.(便于 Java 测试自动生成对象信息)
开源 Junit performance rely on junit5 and jdk8+.(java 性能测试框架。性能测试。压测。测试报告生成。)
test fuzz-01-模糊测试（Fuzz Testing）
JPF (Java PathFinder)
JPF（Java PathFinder）是一个可扩展的用于Java字节码的软件分析框架。
jpf-core是所有JPF项目的基础；您总是需要安装它。它包含基本的虚拟机（VM）和模型检查基础设施，可用于检查并发缺陷，如死锁，以及未处理的异常，如NullPointerExceptions和AssertionErrors。
用于Java字节码程序的可扩展软件模型检查框架
有关JPF的一般信息
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文档
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愉快的验证——Java PathFinder 团队
是什么？
JPF最初是一个软件模型检查器，但如今，JPF是一个具有许多不同执行模式和扩展的运行时系统，已超越了模型检查。
JPF的各种模式，虽然服务于不同的目的，但通常用于通过以下方式验证Java程序：
- 检测和解释缺陷
- 收集“深层”运行时信息，如覆盖度指标
- 推断有趣的测试向量并创建相应的测试驱动程序
- 等等...
尽管JPF主要与软件模型检查相关联，但它可以以多种方式应用。
人们常常将其与测试混淆，事实上，JPF的模型检查概念可能与系统测试接近。
下面我们使用一个简单的例子来说明它们之间的区别。
What is JPF
这取决于您如何配置它。首先，JPF不是一个单一的、庞大的项目 - 它是一个根据配置的运行时组合不同组件的系统。项目jpf-core是构成JPF核心结构的基本组件。以下是对jpf-core的解释。
核心：支持模型检查的虚拟机
图1：JPF的高层次视图
JPF核心是一个用于Java™字节码的虚拟机（VM）。这意味着JPF是一个执行被测试系统（SUT）的程序。
JPF的VM能够处理由标准Java编译器生成的字节码指令。虽然Java字节码的执行语义在Sun的Java虚拟机规范中得到明确定义，但在JPF中我们几乎没有硬连线的语义 - VM指令集由一组可以替换的类表示。JPF是一台特殊的虚拟机。
JPF本身是用Java编写的，因此不像普通的Java那样快。这意味着JPF是在另一个VM之上运行的VM。
当JPF执行SUT时，它检查作为输入提供给JPF的某些属性。JPF可以检查的一些属性包括未处理的异常、死锁和用户定义的用于测试代码行为属性的断言。JPF会向您返回一份报告，说明这些属性是否成立，以及JPF为进一步分析（如测试用例）创建了哪些验证工件。
JPF（理论上）以系统化的方式探索所有潜在的执行路径。相比之下，普通的JVM只以一种可能的方式执行代码。基本上，JPF可以识别程序中的点，这些点表示执行可以以不同的方式进行的选择。然后，它系统地探索所有这些选择。典型的执行选择包括不同的调度序列或随机值，但JPF允许您引入自己的选择类型，如用户输入或状态机事件。
路径的数量可能会失控，并且通常会。这被称为软件模型检查中最具挑战性的问题，即状态空间爆炸问题。JPF使用不同的方式来缓解这个问题。JPF采用的第一道防线是状态匹配：每次JPF到达一个选择点时，它都会检查是否已经看到过类似的程序状态，如果是这样，它可以安全地放弃该路径，回溯到仍有未探索选择的前一个选择点，并从那里继续。没错，JPF可以恢复程序状态，这就像告诉调试器“回退100个指令”。
那么这些功能有什么用呢？通常用于查找SUT中的缺陷，但是是什么类型的缺陷呢？到现在为止，您已经知道答案：它取决于您如何配置JPF。默认情况下，核心会检查可以由VM在不需要您指定的情况下识别的属性：死锁和未处理的异常（这也包括Java断言表达式）。我们称这些为非功能属性，任何应用程序都不应该违反它们。但JPF并不止步于此 - 您可以定义自己的属性，这主要通过所谓的监听器完成，这是一种可以让您紧密监视JPF执行的所有操作的“插件”，例如执行单个指令、创建对象、达到新的程序状态等等。以监听器的形式实现的一个属性示例是竞争检测器，它识别并发程序中对共享变量的不同步访问（JPF核心自带两个）。
在JPF找到缺陷的情况下，另一个方便的功能是导致缺陷的完整执行历史，包括每个执行的字节码指令。
我们称之为程序追踪，它对于找出真正导致缺陷的原因非常宝贵。
想象一下死锁 - 通常从调用栈的快照中你几乎无法直接推断出什么。
所有这些解释了为什么JPF被称为“一种强大的调试器工具箱”：首先，它以所有可能的方式自动执行您的程序，以找到您甚至尚不知道的缺陷，然后解释给您这些缺陷是如何引起的。
注意：不是一个轻量级工具
当然，这是理想世界的情况。实际上，这可能需要相当多的配置，甚至一些编程。
JPF不像编译器那样是一个“黑盒”工具，学习曲线可能会很陡峭。更糟糕的是，JPF不能执行从Java应用程序调用的除Java以外的语言实现的本机代码。这不是因为它不知道如何做，而是因为这通常没有意义：像用于写入文件的系统调用这样的本机代码不容易还原 - JPF将失去匹配或回溯程序状态的能力。但当然有解决方法，而且它是可配置的：本机对等体和模型类。本机对等体是包含在真实本机方法之外执行的方法的类。这段代码由真实的Java VM而不是JPF执行，因此它也可以加速事情。模型类是标准类的简单替代品，如java.lang.Thread，它提供了完全可观察和可回溯的本机方法的替代方法。
如果您熟悉Java实现，您就知道包含的库的规模是多么庞大，因此很明显我们不能处理所有这些库，至少目前还不能。理论上没有限制，实现缺失的库方法通常相当容易，但是如果您让JPF在大型生产系统上执行，您应该准备好遇到UnsatisfiedLinkErrors等问题。臭名昭著的白点是java.io和java.net，但有人正在致力于解决这个问题。谁知道，也许您有兴趣加入这个努力 - JPF是开源的，没有什么是您不能看到的。我们现在在世界各地有二十多位主要合作伙伴，包括工业、政府和学术界。
那么，为什么值得投资于JPF呢？毕竟，它是一个庞大的工具，而不是一个快速简单的错误查找工具。首先，如果您正在寻找一个研究平台来尝试您的新软件验证思想，有可能您可以在相对较短的时间内使用JPF，而不是使用通常针对速度进行优化且几乎不关心可扩展性或可观察性的本机生产VM。
第二个答案是 - 我们写这篇文章时 - 有一些缺陷只有JPF能够找到（在事前），而且有越来越多的Java应用程序不能承受在事后了解这些缺陷的代价。JPF是用于使命关键应用程序的工具，在这些应用程序中，失败不是一个选项。难怪它是由NASA发起的。
Testing vs. Model Checking
那么，JPF的作用是测试我们的程序是否存在缺陷吗？不，它通常会做得更多，至少在作为模型检查器时是这样。测试与模型检查有何不同呢？
软件测试是一组经验性技术，您通过使用多个输入来执行程序，以找出它是否表现正确。
这包含两个涉及正确选择的部分：测试输入和测试预测。
测试技术在选择输入方式（随机选择、选择“有趣”的问题域值，如极端情况等）上存在差异，并且在我们对SUT及其执行环境的了解程度上（黑盒/灰盒/白盒）存在差异，这特别影响了我们如何定义和检查正确的行为。
这涉及许多经验性的猜测，或者如Edsger Dijkstra所说：“程序测试最多只能显示错误的存在，而不能证明其不存在”。
通常，我们通过执行“足够多”的测试来弥补这一点 - 这将是下一个猜测。
测试复杂系统很容易变成在大海捞针。如果您是一位优秀的测试人员，您将做出正确的猜测并找到不可避免存在的缺陷。
如果不是，请不要担心 - 您的用户将在以后找到它。
作为一种形式化方法的模型检查并不依赖于猜测。至少在理论上，如果存在给定规范的违规行为，模型检查将能够找到它。模型检查被认为是一种严密的方法，它详尽地探索了SUT的所有可能行为。
为了说明这一点，可以看一下随机值示例，它展示了在具有使用一系列随机值的程序中，测试与模型检查之间的区别：测试总是一次只处理一组值，而我们对其中的值几乎没有控制。模型检查不会停止，直到检查完所有数据组合或发现错误为止。
对于随机示例，我们至少可以看到程序中的选择。
考虑一个并发程序，例如数据竞争示例 - 您知道操作系统何时在线程之间切换吗？我们只知道不同的调度序列可能导致不同的程序行为（例如，如果存在数据竞争），但在测试中我们几乎无法做任何事情来强制进行调度变化。有一些程序/测试规范组合是“不可测试”的。
作为一个虚拟机，我们的软件模型检查器不会遭受同样的命运 - 它对程序的所有线程拥有完全的控制，并且可以执行所有调度组合。
这就是理论。在现实中，“所有可能”的数量可能相当大 - 大到超出现有计算资源或我们的耐心。
只需假设由 N 个线程 P1，.. P,,N,, 组成的程序，每个线程具有 n,,i,, 个原子指令序列。
对于具有 2 个线程和每个线程 2 个原子部分的情况，这给我们提供了 6 种不同的调度组合。
对于 8 个部分，结果是 12870，16 个部分产生 601080390 - 这就是为什么称之为状态爆炸的原因。软件模型检查存在可伸缩性问题，甚至比硬件的模型检查问题更加突出，因为程序通常具有更多的状态。
我们可以采取几种方法。首先，我们可以优化模型检查器，这只是一种工程技术。
接下来，我们可以找到在我们检查的属性方面等效的程序状态，可以使用不同程度的抽象和值表示来完成。
最后，我们可以尝试在时间或内存不足之前先找到缺陷。但这就是测试和模型检查之间界限变得模糊的地方，因为它涉及有关有趣的输入值或系统行为的启发式方法，这些启发式方法往往会丢弃可达的程序状态。
JPF执行上述所有操作以抑制状态空间的爆炸，并且大多数内容都是配置而不是硬编码的，因此您不依赖内置的启发式方法。
但无论我们将状态空间缩小多少，JPF仍然可以观察程序执行的许多方面，而正常测试（即我们可以更精确地使用我们的预测）仍然了解在找到缺陷时的执行历史，这仅仅是第一部分 - 我们还需要理解它，以便最终可以修复。
Random Example
示例：java.util.Random
我们从一个使用 java.util.Random 的简单例子开始。考虑以下程序，该程序在（2）和（3）中获取两个随机值，然后对它们进行一些计算（4）。
import java.util.Random;
public class Rand {
public static void main (String[] args) {
Random random = new Random(42); // (1)
int a = random.nextInt(2); // (2)
System.out.println("a=" + a);
//... 这里有很多代码
int b = random.nextInt(3); // (3)
System.out.println(" b=" + b);
int c = a/(b+a -2); // (4)
System.out.println(" c=" + c);
}
}测试
使用正常的Java虚拟机执行此程序会产生类似以下输出。
如果我们在（1）中创建Random对象时不提供显式种子，结果将在运行之间有所不同，但每次运行将仅选择单个a和b值（即仅打印单个“a=..”和“b=..”行）。
> java Rand
a=1
b=0
c=-1
>让我们看一下我们的程序可能被执行的所有方式的图形表示，以及在我们的测试运行中它实际上是如何执行的。图的节点表示程序状态，边表示执行可能从某个状态转移到的状态。
模型检查
进入JPF - 如果我们将JPF作为纯粹的'java'替代品启动，结果几乎没有太大差异。
唯一的区别是它（a）需要更长时间才能完成，（b）告诉我们关于“搜索”的一些信息，这暗示了比我们的测试运行中更多的事情正在发生。
> bin/jpf Rand
JavaPathfinder v4.1 - (C) 1999-2007 RIACS/NASA Ames Research Center
====================================================== system under test
application: /Users/pcmehlitz/tmp/Rand.java
====================================================== search started: 5/23/07 11:48 PM
a=1
b=0
c=-1
====================================================== results
no errors detected
====================================================== search finished: 5/23/07 11:48 PM
>这个“search”是什么意思？查看源代码的第（4）行，我们意识到存在潜在问题：对于某些a和b的值，这个表达式可能会导致除零ArithmeticException。
根据（1）中使用的随机种子，如果我们使用普通的JVM运行（即测试）程序，很可能永远不会遇到这种情况。
重新进入JPF - 但这次我们告诉它不仅考虑a和b的单个值，而且要查看所有可能的选择：
> bin/jpf +cg.enumerate_random=true Rand
JavaPathfinder v4.1 - (C) 1999-2007 RIACS/NASA Ames Research Center
====================================================== system under test
application: /Users/pcmehlitz/tmp/Rand.java
====================================================== search started: 5/23/07 11:49 PM
a=0
b=0
c=0
b=1
c=0
b=2
====================================================== error #1
gov.nasa.jpf.jvm.NoUncaughtExceptionsProperty
java.lang.ArithmeticException: division by zero
at Rand.main(Rand.java:15)
....
>发生了什么？
通过指定“+vm.enumerate_random=true”，我们告诉JPF考虑表达式（2）和（3）的所有可能值。JPF从“a=0”开始，然后选择“b=0”，得到一个有效的“c=0”值。但是，与正常的虚拟机不同，JPF认识到还有更多的选择，因此它回溯到（3）并选择“b=1”。同样，在计算“c=0”时没有问题。回到（3），JPF现在尝试“b=2”，当执行（4）时，这当然会导致我们的小程序出现问题，如下所示的错误报告。
这是这个搜索过程的图形表示。值得注意的是，默认情况下，JPF只运行到发现错误的地方，或者没有更多的选择要探索。
但是，如果我们以某种方式修复“a=0，b=2”的情况，JPF仍然会在下一次运行中找到“a=1，b=1”的情况，因为它系统地尝试所有选择。
无论它发现什么错误，JPF都保留了完整的跟踪（执行路径），说明它是如何达到这个错误的（由红色箭头表示），这意味着我们不必调试程序就能找出原因。
Race Example
例子：数据竞争
这很好，但当然，我们在随机值示例中也可以通过使用显式循环而不是Random.nextInt()调用来引发错误，即通过在程序中明确列举所有可能的a和b值。这通常在一个专门的测试驱动程序中完成，这个过程被称为系统测试。但是，我们要验证的程序可能不是一个测试驱动程序，而且我们甚至可能没有源代码，以便相应地修改它。
但是系统测试的真正难以逾越的障碍在于表示选择的指令：在应用程序级别，我们可能既不知道存在选择，选择的值是什么，也无法明确选择它们。
为了证明这一点，让我们看一个使用两个执行线程的小并发示例。很明显，该程序根据是首先执行行（2）还是（4）而产生不同的结果。但是假设我们不能控制（1）和（2）中发生的情况，这次我们无法明确列举选择——它们由系统调度程序进行，即在我们的应用程序之外。
public class Racer implements Runnable {
int d = 42;
public void run () {
doSomething(1000); // (1)
d = 0; // (2)
}
public static void main (String[] args){
Racer racer = new Racer();
Thread t = new Thread(racer);
t.start();
doSomething(1000); // (3)
int c = 420 / racer.d; // (4)
System.out.println(c);
}
static void doSomething (int n) {
// not very interesting..
try { Thread.sleep(n); } catch (InterruptedException ix) {}
}
}机会是，我们在正常测试中根本不会遇到这个缺陷：
> java Racer
10
>但对于 JPF 不是这样。作为一个真正的虚拟机，没有什么是我们不能控制的。并且作为一种不同类型的 Java 虚拟机，JPF 认识到 'racer' 是在两个线程之间共享的对象，因此执行了所有可能的语句序列/调度组合，在其中可以访问这个对象。
这一次，我们提供完整的输出，其中还显示了导致 JPF 发现的缺陷的跟踪（执行历史记录）：
> bin/jpf Racer
JavaPathfinder v4.1 - (C) 1999-2007 RIACS/NASA Ames Research Center
====================================================== system under test
application: /Users/pcmehlitz/tmp/Racer.java
====================================================== search started: 5/24/07 12:32 AM
10
10
====================================================== error #1
gov.nasa.jpf.jvm.NoUncaughtExceptionsProperty
java.lang.ArithmeticException: division by zero
at Racer.main(Racer.java:20)
====================================================== trace #1
------------------------------------------------------ transition #0 thread: 0
gov.nasa.jpf.jvm.choice.ThreadChoiceFromSet {>main}
[insn w/o sources](282)
Racer.java:15 : Racer racer = new Racer();
Racer.java:1 : public class Racer implements Runnable {
[insn w/o sources](1)
Racer.java:3 : int d = 42;
Racer.java:15 : Racer racer = new Racer();
Racer.java:16 : Thread t = new Thread(racer);
[insn w/o sources](51)
Racer.java:16 : Thread t = new Thread(racer);
Racer.java:17 : t.start();
------------------------------------------------------ transition #1 thread: 0
gov.nasa.jpf.jvm.choice.ThreadChoiceFromSet {>main,Thread-0}
Racer.java:17 : t.start();
Racer.java:19 : doSomething(1000); // (3)
Racer.java:6 : try { Thread.sleep(n); } catch (InterruptedException ix) {}
[insn w/o sources](2)
Racer.java:6 : try { Thread.sleep(n); } catch (InterruptedException ix) {}
Racer.java:7 : }
Racer.java:20 : int c = 420 / racer.d; // (4)
------------------------------------------------------ transition #2 thread: 1
gov.nasa.jpf.jvm.choice.ThreadChoiceFromSet {main,>Thread-0}
Racer.java:10 : doSomething(1000); // (1)
Racer.java:6 : try { Thread.sleep(n); } catch (InterruptedException ix) {}
[insn w/o sources](2)
Racer.java:6 : try { Thread.sleep(n); } catch (InterruptedException ix) {}
Racer.java:7 : }
Racer.java:11 : d = 0; // (2)
------------------------------------------------------ transition #3 thread: 1
gov.nasa.jpf.jvm.choice.ThreadChoiceFromSet {main,>Thread-0}
Racer.java:11 : d = 0; // (2)
Racer.java:12 : }
------------------------------------------------------ transition #4 thread: 0
gov.nasa.jpf.jvm.choice.ThreadChoiceFromSet {>main}
Racer.java:20 : int c = 420 / racer.d; // (4)
====================================================== search finished: 5/24/07 12:32 AM
>查看我们的测试程序生成的输出，我们看到结果 "10" 被打印两次，但这不再使我们困惑。
从我们的第一个示例中，我们知道这只是意味着 JPF 首先尝试了两个通常在不引发缺陷的情况下终止程序的调度序列，最后选择引发错误的调度序列。
可能还有点令人困扰的是打印的跟踪包含了一些源代码行两次。
忽略其选择生成机制的细节，这是由于 JPF 执行的是字节码指令而不是源代码行，而一个源代码行可以轻松地被翻译成多个字节码指令。
如果我们配置 JPF 以报告执行的字节码，这种情况将消失，但代价是更大且难以阅读的跟踪。
更有趣的是，JPF 告诉我们在每个转换中它所做的线程选择（以 gov.nasa.jpf.jvm.ThreadChoice.. 开头的行）。
chat
详细介绍一下 Java PathFinder
Java PathFinder（JPF）是一个可扩展的用于Java字节码程序的软件分析框架。
它最初是一个软件模型检查器，但现在已经发展成为一个具有多种执行模式和扩展的运行时系统，超越了模型检查的范畴。
JPF的基础组件是jpf-core，它构成了JPF所有项目的基础，因此你始终需要安装它。以下是关于Java PathFinder的详细介绍：
1. 基本信息：
模型检查： JPF最初是一个软件模型检查器，通过执行Java程序的所有可能路径来查找缺陷。它可以检测并解释一些常见的并发缺陷，如死锁，以及未处理的异常，如NullPointerExceptions和AssertionErrors。
执行模式： JPF不仅仅是一个模型检查器，还有多种执行模式，包括检查代码覆盖率、推断测试向量等。
基础组件： jpf-core是JPF的核心组件，它包含了虚拟机和模型检查的基础设施。
2. 构建和安装：
构建指南： 如果在构建和运行JPF时遇到问题，可以参考构建指南来解决。
文档： JPF的文档在Wiki页面上不断更新，包括安装问题的常见解决方案。
3. 使用和贡献：
文档贡献： JPF的文档是不断更新的，如果想为文档贡献内容，可以通过java-pathfinder@googlegroups.com联系。
贡献和支持： JPF鼓励用户贡献和参与社区，可以通过GitHub提出贡献请求。
4. 特性和扩展：
多种执行模式： JPF支持多种执行模式，包括模型检查、代码覆盖率等。
可扩展性： JPF是一个可扩展的框架，用户可以通过添加监听器（listeners）等方式自定义检查和操作。
Java 9支持： JPF支持Java 9模块，可以进行模块路径的解析等。
5. 使用Java 9的特性：
模块支持： JPF可以通过设置模块路径来加载Java 9模块。
使用源代码： 通过配置JPF的选项，可以加载模块，并从中加载类。
以上是对Java PathFinder的简要介绍，JPF的强大之处在于其模型检查能力以及对Java程序各种执行路径的深入分析。
给一个 Java PathFinder 具体的 java 入门例子
以下是一个简单的Java PathFinder（JPF）入门例子。假设你已经安装了JPF并配置好了环境变量。
考虑以下的Java类，该类包含了一个简单的方法，该方法接受两个整数作为参数，然后判断它们的和是否大于10：
public class SimpleExample {
public static void main(String[] args) {
int a = Integer.parseInt(args[0]);
int b = Integer.parseInt(args[1]);
boolean result = isSumGreaterThan10(a, b);
if (result) {
System.out.println("Sum is greater than 10");
} else {
System.out.println("Sum is not greater than 10");
}
}
public static boolean isSumGreaterThan10(int x, int y) {
int sum = x + y;
return sum > 10;
}
}在这个例子中，我们有一个包含主方法 main 和一个辅助方法 isSumGreaterThan10 的类。主方法接受两个整数作为命令行参数，并调用 isSumGreaterThan10 方法来检查它们的和是否大于10。
接下来，我们将通过JPF来分析这个程序。首先，确保你的类路径中包含JPF的所有必需库。你可以通过Maven或手动下载JPF库并添加到类路径中。然后，使用以下命令执行JPF：
java -jar jpf-core/build/RunJPF.jar SimpleExample.java这个命令告诉JPF运行 SimpleExample.java。JPF将使用模型检查器执行代码，并生成报告，显示程序的不同执行路径。
请注意，这只是一个简单的入门示例，JPF的真正强大之处在于它可以处理更复杂的Java程序，进行深度模型检查，并找到潜在的错误或问题。在实际使用中，你可能需要更详细的配置和分析以充分利用JPF的功能。
让你深入学习 Java PathFinder，你会问哪10个问题？为什么？
深入学习Java PathFinder（JPF）是一个复杂的任务，涉及到许多方面。以下是可能会帮助你更好理解JPF并有效地使用它的10个问题：
JPF的基本工作原理是什么？
- 理解JPF是如何作为一个虚拟机来模拟Java字节码的执行，以及它是如何使用状态空间搜索来检查程序行为的。
JPF是如何处理并发性的？
- 了解JPF如何处理Java程序中的并发性问题，包括数据竞争、死锁等。
JPF如何生成执行路径？
- 了解JPF是如何生成可能的执行路径，并且如何通过状态空间搜索来探索这些路径。
JPF的配置和扩展机制是什么？
- 学习如何配置JPF以适应不同的需求，以及如何使用扩展机制自定义JPF的行为。
JPF如何处理复杂的Java库和外部调用？
- 了解JPF如何处理Java程序中的库调用和对外部代码的调用，以及如何进行模型化。
JPF的可视化工具有哪些？
- 掌握JPF提供的可视化工具，以更好地理解程序执行路径和状态。
JPF与测试的关系是什么？
- 理解JPF与传统测试方法的区别，以及如何在测试和模型检查之间进行权衡。
JPF的性能特性和最佳实践是什么？
- 了解使用JPF的最佳实践，以及如何优化性能，特别是在处理大型程序时。
JPF在实际项目中的应用案例有哪些？
- 研究JPF在实际项目中的应用案例，以获取在实际工程中使用JPF的洞察力。
JPF社区的活跃程度如何？
- 了解JPF社区的活跃程度、文档和支持情况，以便在学习和使用过程中获取帮助。
通过回答这些问题，你将能够建立一个全面的认识，并更加熟悉使用Java PathFinder进行模型检查的各个方面。