Ein umfassender Leitfaden zu Kodierungsstandards für Qualität und Compliance

Codierungsstandards machen den Unterschied. Sie legen den Grundstein für konsistenten, wartungsfreundlichen und qualitativ hochwertigen Code in allen Softwareprojekten.

So wie Fachdisziplinen wie Medizin und Recht auf präzise Protokolle angewiesen sind, ist auch die Softwareentwicklung erfolgreich, wenn klare Richtlinien regeln, wie Code geschrieben, strukturiert und implementiert wird.

Durch die Einhaltung von Standards können Arbeitsabläufe optimiert, Codeüberprüfungen vereinfacht und die Einhaltung von Branchenvorschriften sichergestellt werden.

In diesem Leitfaden werden wir die Grundlagen der Kodierungsstandards insbesondere in C, C++, Java, C# und VB.NET. Sie erhalten auch Einblicke, wie diese Praktiken die Softwarequalität und -konformität verbessern.

Dabei handelt es sich um eine Reihe von Richtlinien und Best Practices, die Programmierer befolgen, um Konsistenz, Lesbarkeit und Qualität in der Codebasis im gesamten Lebenszyklus der Softwareentwicklung (SDLC). Anders ausgedrückt: Codierungsstandards sind Blaupausen für das Schreiben von sicherem, zuverlässigem, wartbarem und effizientem Code. Sie können verschiedene Aspekte abdecken, wie Programmierkonventionen, Codeorganisation, Einrückung, Kommentierung, Fehlerbehandlung usw.

Abhängig von Ihrem Werdegang als Entwickler können die Best Practices für Codierungsstandards spezifisch für eine Programmiersprache, die Branche, zu der Sie gehören, oder sogar ein Projekt sein.

Unabhängig von den von Ihnen verwendeten Codierungsregeln muss der Standard die Codequalität sicherstellen, die Folgendes umfasst:

• Sicherheit verhindert gefährliches Verhalten.
• Sicherheitsvorkehrungen gegen Schwachstellen.
• Zuverlässigkeit gewährleistet vorhersehbare Ergebnisse.
• Durch Codekonsistenz werden einheitliche Vorgehensweisen erzwungen.
• Leistung optimiert die Ressourceneffizienz.
• Wartbarkeit und Debugging vereinfachen die Problemlösung.
• Skalierbarkeit unterstützt wachsende Systemanforderungen.
• Durch Tests und Konformität wird die Einhaltung der Standards bestätigt.

Low-Level-Sprachen wie C und C++ bieten Entwicklern Flexibilität, diese Freiheit ist jedoch mit erheblichen Risiken verbunden.

Ohne geeignete Richtlinien können Programmierer leicht Fehler einbauen, die zu unvorhersehbarem Systemverhalten, Sicherheitslücken und möglicherweise katastrophalen Softwarefehlern führen.

In risikoreichen Branchen wie der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Medizinbranche summieren sich die Folgen von Codierfehlern schnell. Ein einziger Fehler kann finanzielle Verluste verursachen, sicherheitskritische Systeme gefährden und den Ruf eines Unternehmens schädigen.

Die Software-Engineering-Community entwickelte Kodierungsstandards wie MISRA (Verband der Automobilindustrie für Softwarezuverlässigkeit), AUTOSAR C ++ 14und der CERT Codierungsframework, um diese Herausforderungen zu bewältigen, insbesondere für sicherheitskritische Infrastrukturbranchen.

Lassen Sie uns einige dieser Standards kurz durchgehen.

MISRA C und C++

MISRA ist ein Richtliniensatz, der ursprünglich für die Automobilindustrie entwickelt wurde, um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Wartbarkeit von Software zu verbessern. MISRA-Richtlinien werden hauptsächlich für Projekte in den Programmiersprachen C und C++ verwendet. Dazu gehören die Standards MISRA C 2004, MISRA C++ 2008, MISRA C 2012, MISRA C 2023 und MISRA C++ 2023.

Obwohl MISRA ursprünglich für die Automobilbranche entwickelt wurde, wird der Codierungsstandard mittlerweile auch in anderen Branchen eingesetzt, darunter im Schienenverkehr, in der Medizintechnik, in der Luft- und Raumfahrt und im Finanzsektor.

Die MISRA-Konformität geht über bloße Kodierungsrichtlinien hinaus, da sie auch die Kriterien für die Softwarequalität beim Übergang von einem Lieferanten zu einem Erwerber definiert.

Da der C++-Standard typischerweise nicht alle Aspekte der Programmiersprache definiert, bleiben bestimmte Verhaltensweisen undefiniert, unspezifiziert oder implementierungsdefiniert. Programme, die auf diesen Verhaltensweisen basieren, sind möglicherweise nicht vorhersehbar und portierbar.

Daher helfen die MISRA-Richtlinien dabei, diese Situationen zu erkennen und zu beheben, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Software zu fördern.

Beispielsweise kann die neueste C++-Ausgabe des MISRA-Standards, MISRA C++ 2023, Entwickler dabei unterstützen, die in funktionalen Sicherheitsstandards wie IEC 61058 oder ISO 26262 festgelegten Anforderungen an die statische Analyse zu erfüllen, indem sie die MISRA-Konformität für ihre Softwareanwendungen sicherstellt und dokumentiert.

Hauptvorteile von MISRA:

• Konzentriert sich auf die Vermeidung undefinierten oder nicht angegebenen Verhaltens in C/C++.
• Fördert die Einhaltung bewährter Methoden für die Low-Level-Programmierung.
• Bietet über 270 Regeln und Richtlinien zur Durchsetzung sicherer Codierungspraktiken.

Die Einhaltung der MISRA-Richtlinien verbessert zwar die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Software, indem sie das Potenzial für Codefehler reduziert, beseitigt Qualitäts- oder Sicherheitsprobleme jedoch nicht vollständig.

CERT C und CERT C++

CERT C und CERT C++ sind sichere Programmierstandards, die von der CERT-Abteilung des Software Engineering Institute (SEI) entwickelt wurden. Die beiden Standards können Entwicklern helfen, Schwachstellen, undefiniertes Verhalten und andere Probleme in C- und C++-Programmen während der Programmierung zu vermeiden.

CERT C, erstmals veröffentlicht im Jahr 2008, konzentriert sich auf sichere Programmierpraktiken für die Programmiersprache C. Es bietet eine Reihe von Regeln und Empfehlungen zur Minderung von Sicherheitslücken wie Pufferüberläufen, Ganzzahlüberläufen und Race Conditions, die in C aufgrund der Low-Level-Speichermanipulationsfunktionen häufig auftreten.

Das 2017 veröffentlichte CERT C++ ist auf die Programmiersprache C++ zugeschnitten. CERT C++ behebt Schwachstellen, die nur in C++-Funktionen auftreten, wie z. B. objektorientierte Programmierung, Ausnahmebehandlung und Vorlagen, und deckt gleichzeitig Probleme ab, die auch in C auftreten.

Die Einhaltung der MISRA- und CERT-Softwareentwicklungsstandards trägt effektiv zur Sicherstellung der Codequalität bei. Automatisierte Tools wie der Parasoft C/C++test vereinfachen diesen Prozess, indem sie Entwicklern Folgendes ermöglichen:

• Einhaltung von Kodierungsstandards
• Umfassende Unit-Tests
• 100 % strukturelle Codeabdeckung
• Automatisierung der Anforderungsrückverfolgbarkeit
• Laufzeitanalyse zur Optimierung
• Sicherheitstests für sichere Anwendungen
• Einhaltung der Standards für funktionale Sicherheit
• Berichte und Analysen für Erkenntnisse

Codierungsstandards sind mehr als nur ein Regelwerk. Sie unterstützen Sie bei der Erstellung sauberen, konsistenten und zuverlässigen Codes.

In Java helfen Ihnen beispielsweise wichtige Standards wie CERT und CWE (Common Weakness Enumeration), Struktur in Ihren Code zu bringen und gleichzeitig das Fehlerrisiko zu verringern.

Im Einzelnen erfahren Sie hier, warum Codierungsstandards von entscheidender Bedeutung sind.

Verschiedene Branchen haben Standards entwickelt, die Unternehmen bei der Bereitstellung hochwertiger Software unterstützen. Statische Analysen können zwar Code identifizieren, der gegen die unten aufgeführten Standards verstößt, doch diese Standards sind nicht alle gleich. Hier ist eine vereinfachte Übersicht.

Um Kodierungsstandards von theoretischen Richtlinien in unternehmensweite Praxis umzusetzen, ist mehr als nur Dokumentation erforderlich.

Tatsächlich müssen Sie einen strategischen Ansatz verfolgen, der strukturierte Richtlinien, automatisierte Tools und eine konsistente Entwicklungskultur kombiniert, die sich auf Codequalität und Zuverlässigkeit konzentriert, um die Dinge in Bewegung zu setzen.

Schritte zur Durchsetzung und Implementierung von Codierungsstandards

1. Umfassende Richtlinien entwickeln
   Beziehen Sie wichtige Stakeholder wie erfahrene Entwickler und QA-Spezialisten in die Entwicklung von Standards ein. Verdeutlichen Sie anhand von Beispielen Best Practices, einschließlich zu vermeidender Anti-Patterns. Stellen Sie sicher, dass die Richtlinien Fallstricke wie unbehandelte Ausnahmen, unsichere API-Aufrufe und Thread-Sicherheitsverletzungen abdecken.
2. Teams schulen und trainieren
   Führen Sie Workshops und praktische Schulungen durch, um Ihre Teams mit den Standards vertraut zu machen. Stellen Sie neuen Mitarbeitern leicht verständliche Dokumentation und Einarbeitungsmaterial zur Verfügung. Nutzen Sie Fallstudien aus der Praxis, um die Auswirkungen der Einhaltung oder Nichteinhaltung von Standards aufzuzeigen.
3. Integrieren Sie Automatisierungstools
   Tools wie Parasoft C/C++test, Jtest oder dotTEST können zur Automatisierung der Erkennung von Verstößen eingesetzt werden. Diese Tools helfen dabei, die Codequalität zu prüfen, durchzusetzen, zu korrigieren und zu verbessern sowie Bugs, Fehler, Code-Smells und Schwachstellen automatisch zu erkennen und zu beheben.
4. Implementieren Sie einen Code-Überprüfungsprozess
   Erstellen Sie Peer-Review-Protokolle, um übersehene Verstöße zu erkennen. Nutzen Sie Checklisten basierend auf Ihren Kodierungsstandards als Leitfaden für die Überprüfungen. Fördern Sie außerdem konstruktives Feedback, um Entwickler während der Überprüfungen zu schulen.
5. Regelmäßige Überwachung der Compliance
   Nutzen Sie Dashboards und automatisch generierte Berichte von Parasoft DTP zusätzlich zu C/C++-Test, C/C++-Test-CT, Jtest und dotTEST, um den Fortschritt zu überwachen und die Einhaltung von Compliance-Kennzahlen während Sprint-Retrospektiven oder monatlichen Meetings zu verfolgen. Es ist außerdem wichtig, Teams oder Einzelpersonen für die konsequente Einhaltung dieser Codierungsstandards und Best Practices zu belohnen.

Codierungsstandards spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung von Qualität, Leistung und Wartbarkeit in Programmiersprachen wie C, C++, Java, C# und VB.NET. Obwohl sich Syntax und Funktionen dieser Sprachen unterscheiden, ist die Einhaltung von Codierungsstandards insgesamt gleich.

Schutz vor Bedrohungen

Codierungsstandards stellen sicher, dass Software Best Practices einhält und gefährliches Verhalten verhindert, insbesondere in sicherheitskritischen Systemen wie der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie und dem Gesundheitswesen. Codierungsstandards setzen Regeln durch, die undefiniertes Verhalten reduzieren, unsichere Konstrukte eliminieren und die Fehlererkennung fördern. Dadurch mindern sie Risiken, die zu Unfällen oder Schäden führen können.

Beispielsweise werden MISRA-Standards häufig übernommen, um die sichere Verwendung von C und C++ in eingebetteten Systemen zu gewährleisten.

Sicherheit

Durch die Durchsetzung sicherer Programmierpraktiken beheben Programmierstandards häufige Sicherheitslücken wie Pufferüberläufe, Injektionsfehler und undefiniertes Verhalten. Sie gewährleisten die Widerstandsfähigkeit von Software gegen potenzielle Exploits und Sicherheitsverletzungen, indem sie unsichere Konstrukte eliminieren und potenzielle Schwachstellen frühzeitig in der Entwicklung identifizieren.

Standards wie CERT C und CWE bieten spezifische Richtlinien zum Schutz von Code vor externen Bedrohungen und böswilligen Akteuren.

Zuverlässigkeit

Zuverlässigkeit konzentriert sich auf die Entwicklung vorhersehbarer, stabiler Software, die unter verschiedenen Bedingungen wie vorgesehen funktioniert. Codierungsstandards setzen Praktiken durch, die Fehler minimieren, ein ordnungsgemäßes Ressourcenmanagement gewährleisten und Laufzeitfehler verhindern.

Beispielsweise erhöht die Einhaltung von Regeln zur Vermeidung von Race Conditions oder Speicherlecks die Systemzuverlässigkeit. Dies gilt insbesondere in Umgebungen, die einen Dauerbetrieb erfordern, wie z. B. industrielle Steuerungssysteme oder Telekommunikationsnetzwerke.

Codekonsistenz

Codierungsstandards erleichtern die Änderung und Fehlerbehebung klarer und strukturierter Codes. Standardisierte Kommentare verbessern beispielsweise die Lesbarkeit und das Verständnis und erleichtern Ihnen oder anderen Entwicklern später das Debuggen oder Ändern des Programms.

Einheitlichkeit im Stil

Codierungsstandards legen einen einheitlichen Stil für das Schreiben von Code fest, einschließlich Namenskonventionen, Einrückungen, Kommentaren und der Strukturierung von Klassen und Methoden. Diese Konsistenz ist entscheidend für:

Für Unternehmen, die Anwendungen nach Sicherheitsstandards wie ISO 21434 und IEC 62443 oder nach Schutznormen wie ISO 26262, DO-178C, IEC 62304, IEC 61508 und EN 50716 erstellen, ist die statische Analyse nur eine der empfohlenen oder vorgeschriebenen Softwaretestmethoden, um Codefehler frühzeitig im Entwicklungszyklus zu erkennen.

Um die Anforderungen an die funktionale Sicherheit zu erfüllen, sind jedoch unterstützende Testmethoden wie Unit-Tests, strukturelle Codeabdeckung, Anforderungsrückverfolgbarkeit und mehr erforderlich. Diese zusätzlichen Testmethoden sind unerlässlich und ergänzen die statische Analyse, um qualitativ hochwertigen Code sicherzustellen.

Unit Tests

Beim Unit-Test werden einzelne Codeeinheiten oder -funktionen einer Anwendung isoliert und ihre Funktionalität anhand von Testfällen überprüft, um sicherzustellen, dass sie wie erwartet funktionieren. Dieser Ansatz hilft Entwicklern, Fehler frühzeitig im Entwicklungsprozess zu erkennen.

Code-Abdeckung

Die Codeabdeckung misst, wie viel Code einer Anwendung während des Tests ausgeführt wird, und bietet Einblicke in ungetestete Bereiche. Dies gewährleistet eine umfassende Validierung der Software und hilft, Lücken in Testfällen zu identifizieren.

Rückverfolgbarkeit der Anforderungen

Die Rückverfolgbarkeit von Anforderungen ordnet Softwareanforderungen den entsprechenden Testfällen zu und stellt so sicher, dass jede Anforderung einer Anwendung getestet und verifiziert wird. Dieser Ansatz trägt dazu bei, die Abstimmung zwischen Entwicklungs- und Projektzielen sicherzustellen. Dies ist unerlässlich für die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und die Qualitätssicherung.

So wählen und implementieren Sie einen Codierungsstandards

Heutzutage gibt es zahlreiche Sicherheitsnormen. Es kann schwierig sein, die für Ihr Produkt in der Entwicklungsphase relevanten Normen zu bestimmen. Oftmals bestimmt der Verwendungszweck des Produkts, welche Normen zu befolgen sind.

Schritte zur Auswahl eines Codierungsstandards

1. Verstehen Sie den Projektumfang.
   Der Zweck und die Zielgruppe des Produkts bestimmen den erforderlichen Codierstandard. Beispielsweise benötigt Automobilsoftware möglicherweise die AUTOSAR C++ 14-Standards, während IoT-Geräte möglicherweise die UL 2900-Zertifizierung benötigen. Wenn Ihr Projekt eher auf die Entwicklung auf Unternehmensebene ausgerichtet ist, eignen sich Standards für Java oder VB.NET wie OWASP or CWE möglicherweise besser geeignet. Der wichtigste Punkt hierbei ist, sich ein klares Bild vom Kontext Ihres Projekts zu machen, um den am besten geeigneten Standard auszuwählen.
2. Prävention ist wichtiger als Erkennung.
   Wählen Sie Programmierstandards, die die Vermeidung von Sicherheitsproblemen priorisieren, anstatt sie nur zu erkennen. Nachfolgend einige Beispiele. CERT legt Wert auf sicheres Code-Schreiben. MISRA konzentriert sich auf Sicherheit. CWE zeigt häufige Sicherheitslücken auf, um Probleme frühzeitig in der Entwicklung zu beheben.
3. Halten Sie die Branchenvorschriften ein.
   Identifizieren Sie verbindliche Standards je nach Domäne. Beispielsweise müssen Entwickler, die an Softwarekomponenten für die Automobilindustrie arbeiten, möglicherweise MISRA einhalten. Finanzanwendungen erfordern möglicherweise die Einhaltung von PCI DSS. Dies erleichtert die Konformitätsprüfung bei Audits.

Schritte zur Implementierung von Codierungsstandards

1. Gehen Sie pragmatisch vor. Beginnen Sie mit kritischen Teilen des Standards und erweitern Sie die Abdeckung schrittweise. Eine Überlastung des Teams durch strikte Durchsetzung kann zu Frustration und Ineffizienz führen. Implementieren Sie den Codestandard schrittweise und konzentrieren Sie sich zunächst auf neuen Code und risikoreiche Bereiche.
2. Automatisieren Sie mit statischen Analysetools. Statische Analysetools können große Codebasen anhand ausgewählter Richtlinien bewerten. Verwenden Sie Tools, die sich gut in die Entwicklungsumgebung des Teams integrieren lassen, wie z. B. IDEs und CI/CD-Pipelines.
3. Passen Sie die Konfiguration an. Konfigurieren Sie die statische Analyse-Engine so, dass sie sich auf projektspezifische Risiken konzentriert. Entwickler sollten Prüffunktionen aktivieren, um schwerwiegende Sicherheitsprobleme wie Nullzeiger oder SQL-Injection-Schwachstellen zu erkennen. Sie sollten außerdem projektrelevante Regeln deaktivieren oder herabstufen und präventive Prüffunktionen einsetzen, um Schwachstellen zu beseitigen, bevor sie entstehen.

Parasoft bietet das umfassendste Set an Code-Checkern mit statischer Analyse für Codierungsstandards wie MISRA, CERT, AUTOSAR C++ 14, CWE und OWASP. Teams können den Compliance-Fortschritt verfolgen, identifizierte Probleme effektiv verwalten und die erforderlichen Berichte für Audits und Compliance-Nachweise mit speziellen Berichtsfunktionen erstellen.

Die durch KI/ML verbesserte statische Analyse optimiert die Problempriorisierung. Durch die Analyse historischer Projektdaten und Benutzerinteraktionen ordnen die Sprachtools von Parasoft identifizierte Probleme intelligent nach ihrer Wahrscheinlichkeit, kritisch zu sein. Dies reduziert den Aufwand und hilft Teams, sich auf schwerwiegende Schwachstellen zu konzentrieren. Dieser Ansatz beschleunigt den Behebungsprozess. Darüber hinaus unterstützt er die kontinuierliche Verbesserung, indem er die Priorisierung an sich entwickelnde Projektanforderungen und Team-Workflows anpasst.

Statische Analyse mit generativer KI (GenAI) automatisiert die Behebung identifizierter Codeverstöße. Mithilfe fortschrittlicher KI-Modelle generiert Parasoft kontextsensitive Korrekturen, die den Codestandards entsprechen. So wird die Einhaltung von Vorschriften sichergestellt und der manuelle Aufwand reduziert. Diese Automatisierung beschleunigt Entwicklungsabläufe bei gleichbleibender Codequalität. Teams können sich auf Innovationen statt auf wiederkehrende Aufgaben konzentrieren.

Codierungsstandards spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Softwarequalität, Wartbarkeit und Sicherheit in Programmiersprachen wie C, C++, C#, Java und VB.NET.

Grundlegende Codierungsstandards für C und C++

C und C++ sind bekannt für ihre Flexibilität und hohe Leistung und daher die bevorzugten Sprachen für eingebettete Systeme und hocheffiziente Anwendungen. Ihre Leistungsfähigkeit geht jedoch mit Komplexität einher, insbesondere bei C++, einer Sprache mit einem breiteren Funktionsumfang als C. Um in beiden Sprachen eine zuverlässige und überschaubare Codebasis zu gewährleisten, ist die Einhaltung klar definierter Programmierregeln entscheidend.

Standards für die eingebettete C- und C++-Entwicklung

Viele etablierte Codierungsstandards erfüllen die spezifischen Anforderungen eingebetteter Branchen und sicherheitskritischer Anwendungen.