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静态代码扫描 (一)——PMD 自定义规则入门

AITest · · 阅读 2874

本帖已被设为精华帖！,

阅读该文章前，最好已经对PMD有了初步的认识和了解，可参考静态分析工具PMD使用说明

准备工作

首先在PMD官网下载最新版本的文件，目前最新版本是5.4.1。
下载pmd-bin-5.4.1.zip和pmd-src-5.4.1.zip之后解压备用。
pmd-src-5.4.1是PMD源码包，是无法直接执行的。
pmd-bin-5.4.1是PMD的可执行包。

目录简介

  • pmd-bin-5.4.1【PMD可执行版本】
    • bin
      • designer.bat【界面工具，能将java源代码转化为AST（抽象语法树），个人推荐使用】
      • bgastviewer.bat【界面工具，与designer.bat功能相似】
      • cpd.bat【用来查找重复代码的工具，命令行版】
      • cpdgui.bat【用来查找重复代码的工具，GUI版】
      • pmd.bat【Window平台下运行PMD需要使用的文件】
      • run.sh【Linux平台下运行PMD需要使用的文件】
    • lib【该目录存放PMD运行依赖的jar包，包括第三方jar包和各种语言的模块jar包】
  • pmd-src-5.4.1【PMD源代码版本】
    • pmd-core【PMD的核心执行调度模块】
    • pmd-java 【针对java语言的检测模块】
      • src ->main
        • java -> net -> sourceforge -> pmd -> lang->java【目录太深，在此处聚合】
        • rule 【该目录下存放已经编写好的java规则文件】
          • basic【基础类规则】
          • AvoidBranchingStatementAsLastInLoopRule.java【避免在循环的最后使用分支语句】
          • AvoidMultipleUnaryOperatorsRule.java【避免一元运算符的多重使用】
          • …【其他基础类的规则文件】
          • codesize【代码体积类规则】
          • …【各种规则类别的目录，包含该类别的java编写的规则文件】
      • resources
        • rulesets【java规则对应的xml文件】
          • java
          • android.xml【PMD运行时使用该文件会调用安卓类规则进行扫描】
          • basic.xml【PMD运行时使用该文件会调用基础类规则进行扫描】
          • …【其他类别的规则xml文件】
      • etc
        • grammar
          • Java.jjt【AST抽象语法树生成所需的语法文件】
    • pmd-java8 【新增对java1.8版本的支持模块】
    • pmd-javascript 【针对javascript语言的检测模块】
    • pmd-jsp 【针对jsp语言的检测模块】
    • …【其余的主要是针对不同语言实现的独立的检测模块】

自定义规则实现思路

  1. 明确想要自定义的规则。
  2. 列举会触犯这种规则的所有不同的写法。
  3. 使用designer.bat分析所有写法的抽象语法树的特点。
  4. 编写规则代码捕捉这种特点。
  5. 创建自己的xml规则文件，内容包括规则的相关信息。
  6. 运行PMD扫描错误代码，验证是否能触发自定义规则。

下面以一个比较简单的规则举例，详细的阐述一下实现这个规则的具体步骤，帮助大家快速上手。
目前PMD支持两种编写规则的方法：

  1. 使用Java进行编写
  2. 使用XPath表达式 我首先选择第一种Java编写方式进行讲解。 ****

1. 明确想要自定义的规则

需要自定义的规则：While循环必须使用括号，While循环没有括号很容易困惑代码结构。所以下面以“While循环必须使用括号”这条规则为例。

2. 列举会触犯这种规则的所有不同的写法

写出问题样例的代码写法。

class Example {
 void bar() {
  while (baz)
   buz.doSomething();
 }
}

弄清楚样例代码是什么样子的，就成功了一半。

3. 使用designer.bat分析所有写法的抽象语法树的特点

PMD扫描时并不是直接使用源码；它使用JavaCC生成解析器来解析源代码并生成AST(抽象语法树)。你可以使用PMD自带的designer工具进行解析代码。
该工具所在目录：pmd-bin-5.4.1/bin/designer.bat
双击designer.bat后出现一个界面，在Source code中填入源代码，点击Go按钮：
这里写图片描述

以上样例代码解析成抽象语法树后如下：

CompilationUnit
 TypeDeclaration
  ClassDeclaration:(package private)
   UnmodifiedClassDeclaration(Example)
    ClassBody
     ClassBodyDeclaration
      MethodDeclaration:(package private)
       ResultType
       MethodDeclarator(bar)
        FormalParameters
       Block
        BlockStatement
         Statement
          WhileStatement
           Expression
            PrimaryExpression
             PrimaryPrefix
              Name:baz
           Statement
            StatementExpression:null
             PrimaryExpression
              PrimaryPrefix
               Name:buz.doSomething
              PrimarySuffix
               Arguments

图片中Abstract Syntax Tree/XPath/Symbol Table的位置就是抽象后的树形结构，这个树形结构和源代码是有对应关系的。
其中我们需要重点关注的WhileStatement的抽象树结构如下：

WhileStatement
 Expression
 Statement
  StatementExpression

这个是错误的代码示例的抽象树结构，如果While循环加上了括号，抽象树的结构就会变成：

WhileStatement
 Expression
 Statement
  Block
   BlockStatement
    Statement
     StatementExpression

这下能明显的看到了比之前多处了Block和BlockStatement这两个节点。
这样我们只需要写一个规则检查WhileStatement下有没有Block节点，如果没有Block节点，那就说明While语句后面没有大括号，就可以报警告知这里是有问题的。
顺便提一句，所有的结构信息，比如一个Statement节点后面可能跟着一个Block节点，这些都是在EBNF grammar中定义的。比如在这个语法定义中，一个Statement的定义是这样的：

void Statement() :
{}
{
  LOOKAHEAD( { isNextTokenAnAssert() } ) AssertStatement()
| LOOKAHEAD(2) LabeledStatement()
| Block()
| EmptyStatement()
| StatementExpression() ";"
| SwitchStatement()
| IfStatement()
| WhileStatement()
| DoStatement()
| ForStatement()
| BreakStatement()
| ContinueStatement()
| ReturnStatement()
| ThrowStatement()
| SynchronizedStatement()
| TryStatement()
}

以上代码列出了一个Statement节点后面所有的可能的节点类型。

4. 编写规则代码捕捉这种特点

我们需要新建一个规则文件，也就是一个Java类，名称为WhileLoopsMustUseBracesRule.java。
新建的位置也是有要求的，以我在上文中介绍的目录结构为例：
新的规则类位置：pmd-src-5.4.1\pmd-java\src\main\java\net\sourceforge\pmd\lang\java\rule\这个目录下即可。
截图如下，标红处就是汇聚了所有规则文件的rule目录：
静态代码扫描 (一)——PMD 自定义规则入门
该类必须继承net.sourceforge.pmd.lang.java.rule.AbstractJavaRule。

import net.sourceforge.pmd.lang.java.rule.*;
public class WhileLoopsMustUseBracesRule extends AbstractJavaRule {
}

PMD工作原理就是在生成的抽象语法树中递归的遍历，直到找出要找的目标，然后返回结果。
接下来我们的目标就是在抽象语法树中找出WhileStatement节点下不存在Statement/Block这种结构的情况。

import net.sourceforge.pmd.lang.ast.*;
import net.sourceforge.pmd.lang.java.ast.*;
import net.sourceforge.pmd.lang.java.rule.*;

public class WhileLoopsMustUseBracesRule extends AbstractJavaRule {
    public Object visit(ASTWhileStatement node, Object data) {
        Node firstStmt = node.jjtGetChild(1);
        if (!hasBlockAsFirstChild(firstStmt)) {
            addViolation(data, node);
        }
        return super.visit(node,data);
    }
    private boolean hasBlockAsFirstChild(Node node) {
        return (node.jjtGetNumChildren() != 0 && (node.jjtGetChild(0) instanceof ASTBlock));
    }
}

这段代码的主要意思：

  1. 访问文件中的ASTWhileStatement节点
  2. 获取ASTWhileStatement节点下第二个子节点
  3. 判断第二个子节点的第一个子节点是不是ASTBlock节点
  4. 如果不是ASTBlock节点，说明我们的目标实现，触犯规则
  5. 使用addViolation(data, node);语句记录触犯该规则的节点相关数据

5. 创建自己的xml规则文件，内容包括规则的相关信息

现在规则已经写完了，我们需要告诉PMD运行时执行这条规则，就得将这个规则文件的相关信息放在XML规则集文件中。例如：pmd-java/src/main/resources/rulesets/java/basic.xml；这里面有很多规则的定义，复制粘贴一下，改成一个新的规则集文件，名字自己随便取：mycustomrules.xml，自己填充一下元素和属性。
name – WhileLoopsMustUseBracesRule
message – Use braces for while loops
class – 放哪都行. 注意，没有必要放在net.sourceforge.pmd目录下，可以放在com.yourcompany.util.pmd
description – Use braces for while loops
example – 通过代码片段展示违反的规则样例

<?xml version="1.0"?>
<ruleset name="My custom rules"
    xmlns="http://pmd.sourceforge.net/ruleset/2.0.0"
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
    xsi:schemaLocation="http://pmd.sourceforge.net/ruleset/2.0.0 http://pmd.sourceforge.net/ruleset_2_0_0.xsd">
    <rule name="WhileLoopsMustUseBracesRule"
          message="Avoid using 'while' statements without curly braces"
          class="WhileLoopsMustUseBracesRule">
      <description>
      Avoid using 'while' statements without using curly braces
      </description>
        <priority>3</priority>

      <example>
<![CDATA[
    public void doSomething() {
      while (true)
          x++;
    }
]]>
      </example>
    </rule>
</ruleset>

6. 运行PMD扫描错误代码，验证是否能触发自定义规则

在执行前需要把你修改后的pmd-java重新打包：
在命令行中进入pmd-src-5.4.1\pmd-java目录中，执行mvn clean package。
打包成功后，将pmd-src-5.4.1\pmd-java\target中的pmd-java-5.4.1.jar替换pmd-bin-5.4.1\lib目录中对应的jar包。
最后在pmd-bin-5.4.1\bin目录中执行
pmd.bat -d c:\path\to\my\src -f xml -R c:\path\to\mycustomrules.xml
可在命令行界面中查看结果。
这里写图片描述
成功！使用Java编写的自定义规则完成！

使用XPath表达式编写该规则

PMD是支持XPath引擎的，这条“While循环必须使用括号”也可以使用XPath表达式实现。
//WhileStatement[not(Statement/Block)]
意思是匹配查找整个抽象语法树中WhileStatement节点下不存在Statement/Block这种结构的情况。
XPath表达式完成后，不需要写java代码，只写一个xml规则文件就行了。

<?xml version="1.0"?>
<ruleset name="My XPathRule rules"
    xmlns="http://pmd.sourceforge.net/ruleset/2.0.0"
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
    xsi:schemaLocation="http://pmd.sourceforge.net/ruleset/2.0.0 http://pmd.sourceforge.net/ruleset_2_0_0.xsd">
    <rule  name="WhileLoopsMustUseBracesRule"
    language="java"
  message="Avoid using 'while' statements without curly braces"
  class="net.sourceforge.pmd.lang.rule.XPathRule">
 <description>
 Avoid using 'while' statements without using curly braces
 </description>
 <properties>
 <property name="xpath">
    <value>
<![CDATA[
//WhileStatement[not(Statement/Block)]
]]>
    </value>
    </property>
  </properties>
  <priority>3</priority>
  <example>
<![CDATA[
class Example {
 void bar() {
  while (baz)
   buz.doSomething();
 }
}
]]>
  </example>
</rule>
</ruleset>

运行时指向这个新编写的xml，查看结果：
这里写图片描述
成功！
小技巧：PMD自带的designer.bat工具可以快速生成一个xpath rule xml。

  1. 打开designer界面工具，输入源代码，输入XPath表达式，点击Go按钮，确认右下方的结果输出正确。
  2. 点击左上方Actions->Create rule XML
  3. 在新的页面输入Rule name,Rule msg,Rule desc后，点击Create rule XML按钮，查看输出的结果。 注意：目前版本的designer有一个小BUG，需要自己在XML中的rule标签中指定被测代码的属性language=”java”

这篇文章只是教大家快速的上手自定义PMD规则，下一篇文章将重点分析复杂规则如何编写，敬请期待。

参考文献

PMD site. How to write a PMD rule
ONJava.com.Custom PMD Rules
CSDN.静态分析工具PMD使用说明

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静态代码扫描 (一)——PMD 自定义规则入门

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