引用

Xia C S, Zhang L. Keep the Conversation Going: Fixing 162 out of 337 bugs for $0.42 each using ChatGPT[J]. arXiv preprint arXiv:2304.00385, 2023.

論文：
https://arxiv.org/abs/2304.00385

摘要

自動程序修復(fù)（APR）旨在自動為有錯誤的程序生成補(bǔ)丁。傳統(tǒng)的 APR 技術(shù)缺乏補(bǔ)丁多樣性，因?yàn)樗鼈儑?yán)重依賴手工或挖掘的錯誤修復(fù)模式，并且不能輕易推廣到其他錯誤/修復(fù)類型。為了解決這一限制，最近的 APR 工作重點(diǎn)是利用現(xiàn)代大型語言模型 (LLM) 直接生成 APR 補(bǔ)丁。這種基于 LLM 的 APR 工具的工作原理是，首先構(gòu)建使用原始錯誤代碼構(gòu)建的輸入提示，然后查詢 LLM 以在錯誤位置填寫（完型式 APR）正確的代碼，或者生成一個全新的代碼片段作為修補(bǔ)。雖然基于 LLM 的 APR 工具能夠?qū)崿F(xiàn)最先進(jìn)的結(jié)果，但它仍然遵循經(jīng)典的生成和驗(yàn)證 (GV) 修復(fù)范例，即首先通過從相同的初始提示中采樣來生成大量補(bǔ)丁，然后驗(yàn)證每個補(bǔ)丁之后的一個。這不僅會導(dǎo)致許多不正確的重復(fù)補(bǔ)丁，而且還會錯過測試失敗以及看似合理的補(bǔ)丁中的關(guān)鍵但之前被忽略的信息。為了解決上述限制，我們提出了 ChatRepair，這是第一個完全自動化的對話驅(qū)動的 APR 方法，它將補(bǔ)丁生成與即時反饋交織在一起，以對話方式執(zhí)行 APR。 ChatRepair 首先向 LLM 提供相關(guān)測試失敗信息，然后從同一錯誤的早期修補(bǔ)嘗試的失敗和成功中學(xué)習(xí)，以獲得更強(qiáng)大的 APR。對于未能通過所有測試的早期補(bǔ)丁，我們將不正確的補(bǔ)丁與其相應(yīng)的相關(guān)測試失敗信息結(jié)合起來，構(gòu)建一個新的提示，供LLM生成下一個補(bǔ)丁。這樣，我們就可以避免犯同樣的錯誤。對于通過所有測試的早期補(bǔ)丁（即合理的補(bǔ)丁），我們進(jìn)一步要求LLM生成原始合理補(bǔ)丁的替代變體。通過這種方式，我們可以進(jìn)一步借鑒早期的成功經(jīng)驗(yàn)，生成更合理的補(bǔ)丁，從而增加獲得正確補(bǔ)丁的機(jī)會。雖然我們的方法是通用的，但我們使用最先進(jìn)的基于對話的 LLM – ChatGPT 來實(shí)現(xiàn) ChatRepair。我們對廣泛研究的 Defects4j 數(shù)據(jù)集的評估表明，ChatRepair 能夠在修復(fù)性能方面達(dá)到最先進(jìn)的水平，在 Defects4j 1.2 和 2.0 上分別實(shí)現(xiàn) 114 和 48 個正確修復(fù)。通過計(jì)算訪問 ChatGPT 的成本，我們可以修復(fù) 337 個錯誤中的 162 個，每個錯誤 0.42 美元！

1 引言

自動程序修復(fù) (APR) 是一種自動生成軟件錯誤補(bǔ)丁的有前途的方法。傳統(tǒng)的 APR 工具通常使用生成和驗(yàn)證 (GV)范例，首先生成大量候選補(bǔ)丁，然后根據(jù)原始測試套件驗(yàn)證每個補(bǔ)丁，以發(fā)現(xiàn)一組合理的補(bǔ)丁（通過所有測試）。然后將這些看似合理的補(bǔ)丁提供給開發(fā)人員，以找到正確修復(fù)潛在錯誤的正確補(bǔ)丁。傳統(tǒng)的APR技術(shù)可以分為基于模板的，基于啟發(fā)式的和基于約束的APR工具。在這些傳統(tǒng)技術(shù)中，基于模板的 APR 工具，使用手工制作或挖掘的修復(fù)模板來匹配和修復(fù)有缺陷的代碼模式，被認(rèn)為是最先進(jìn)的。然而，基于模板的工具缺乏補(bǔ)丁多樣性，因?yàn)樗鼈儫o法輕松泛化到預(yù)定義模板列表之外的錯誤和模式。為了解決傳統(tǒng) APR 技術(shù)的局限性，研究人員提出了利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)步的基于學(xué)習(xí)的 APR 方法。基于學(xué)習(xí)的方法主要基于神經(jīng)機(jī)器翻譯（NMT）或大型語言模型（LLM）。基于 NMT 的 APR 工具將修復(fù)視為一項(xiàng)翻譯任務(wù)，通過使用歷史錯誤修復(fù)數(shù)據(jù)集訓(xùn)練 NMT 模型將有錯誤的代碼轉(zhuǎn)換為正確的代碼。然而，這種基于 NMT 的 APR 工具嚴(yán)重依賴于其訓(xùn)練數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是通過抓取開源存儲庫來進(jìn)行錯誤修復(fù)提交而獲得的。這意味著不僅訓(xùn)練數(shù)據(jù)集可能有噪音（即包含不相關(guān)的提交/更改），而且這些基于 NMT 的方法可能無法推廣到在有限的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中未見的錯誤修復(fù)類型。

最近，研究人員開始直接利用高級LLM進(jìn)行 APR。現(xiàn)代LLM接受了數(shù)十億個開源代碼片段的訓(xùn)練，在許多與代碼相關(guān)的任務(wù)上展示了令人印象深刻的性能，并且可以學(xué)習(xí)在給定周圍上下文的情況下直接生成代碼（由于代碼自然性）。 AlphaRepair提出了第一個完形填空式（或填充式）APR 方法，其中有錯誤的代碼被刪除，并且 LLM 在給定前綴和后綴上下文的情況下直接預(yù)測正確的代碼。最近的工作還應(yīng)用基于 LLM 的 APR 來自動完成單個正確行或生成完整的固定函數(shù)。一項(xiàng)更廣泛的研究研究了將更大的 LLM 和不同的 LLM 架構(gòu)（即生成式和填充式）應(yīng)用于 APR，并證明基于 LLM 的 APR 工具可以在許多 APR 任務(wù)上實(shí)現(xiàn)新的最先進(jìn)的性能。同時，現(xiàn)有的基于LLM的APR渠道仍然存在以下局限性：

1）缺少測試失敗信息。當(dāng)前基于 LLM 的工具沒有考慮原始 bug 暴露測試中的豐富信息。這些信息不僅可以幫助LLM理解被測源代碼的含義，還可以通過具體的代碼片段提供幫助和提示。圖 1 顯示了錯誤修復(fù)示例以及原始測試失敗信息。我們看到解決方法是將附加字符串交換為“\\000”。對于基于 LLM 的方法來說，這可能是一個極其困難的修復(fù)，因?yàn)檫@個獨(dú)特的字符串是這不是預(yù)訓(xùn)練期間常用的字符串，并且當(dāng)前函數(shù)上下文中也沒有其他三重字符串（“\\XXX”）的示例。然而，從測試中的失敗行和相應(yīng)的錯誤消息中，我們看到測試期望輸出包含三個零，甚至包含直接在補(bǔ)丁中使用的代碼片段（“\\000”）！LLM在處理/利用測試失敗日志等非結(jié)構(gòu)化/復(fù)雜信息方面表現(xiàn)出了強(qiáng)大的能力。如果不考慮它們，基于 LLM 的工具可能會浪費(fèi)大量時間來生成不相關(guān)的補(bǔ)丁。

2）重復(fù)采樣。當(dāng)前基于 LLM 的方法首先使用原始有缺陷的代碼構(gòu)建輸入提示，然后要求 LLM 填寫正確的代碼（即完型填空式 APR）或生成全新的固定函數(shù)。使用初始提示，基于 LLM 的技術(shù)將對 LLM 進(jìn)行多次采樣以生成許多補(bǔ)丁，類似于傳統(tǒng)的程序修復(fù) GV 范例。然而，由于每個樣本都是完全獨(dú)立的，LLM 不知道任何先前生成的補(bǔ)丁。因此，基于 LLM 的工具可能會生成許多重復(fù)或類似的補(bǔ)丁，這些補(bǔ)丁已被確定為不正確，從而浪費(fèi) API 訪問的成本或 GPU 執(zhí)行的時間。此外，這種重復(fù)采樣過程也與人類開發(fā)人員修復(fù)錯誤的方式截然不同，人類開發(fā)人員在知識的基礎(chǔ)上迭代構(gòu)建，并嘗試從之前失敗的嘗試中提出下一個可能的補(bǔ)丁。

3）對有價值的合理補(bǔ)丁的無知。除了無法使用過去的錯誤補(bǔ)丁之外，當(dāng)前基于 LLM 的 APR 工具也無法有效利用之前生成的合理補(bǔ)丁。合理的補(bǔ)丁已被證明是有價值的，因?yàn)樗鼈兺ǔＥc實(shí)際正確的補(bǔ)丁共享相似的位置。此外，我們進(jìn)一步假設(shè)合理的補(bǔ)丁可能還包括通過所有測試的關(guān)鍵代碼成分，并且還可以幫助LLM更好地學(xué)習(xí)如何通過所有測試以生成更合理的補(bǔ)丁（從而增加生成正確補(bǔ)丁的機(jī)會）。通過忽略這些有價值的合理補(bǔ)丁信息并在生成合理補(bǔ)丁后從頭開始，現(xiàn)有的基于 LLM 的 APR 可能會錯過正確修復(fù)更多錯誤的機(jī)會。

我們的工作。我們推出 ChatRepair – 一種完全自動化的對話驅(qū)動的 APR 方法，它將補(bǔ)丁生成與即時反饋交織在一起，以對話方式執(zhí)行補(bǔ)丁生成。雖然我們的想法很籠統(tǒng)，但為了構(gòu)建 ChatRepair，我們使用最近開發(fā)的、當(dāng)前最先進(jìn)的基于對話的 LLM – ChatGPT，它不僅經(jīng)過數(shù)十億代碼片段的訓(xùn)練，而且還經(jīng)過設(shè)計(jì)以對話方式使用，以更好地理解說明。 ChatRepair 首先提取相關(guān)測試失敗信息作為初始提示，為 ChatGPT 提供更多 APR 上下文信息。此外，ChatRepair 進(jìn)一步從早期修補(bǔ)的失敗和成功中學(xué)習(xí)嘗試相同的錯誤以獲得更強(qiáng)大的 APR。對于未能通過所有測試的早期補(bǔ)丁，我們將不正確的補(bǔ)丁與其相應(yīng)的測試失敗信息結(jié)合起來，構(gòu)建一個新的提示，供 LLM 生成下一個補(bǔ)丁。這樣，我們就可以避免犯同樣的錯誤。對于通過所有測試的早期補(bǔ)丁（即合理的補(bǔ)丁），我們進(jìn)一步要求LLM生成原始合理補(bǔ)丁的替代變體。通過這種方式，我們可以進(jìn)一步借鑒早期的成功經(jīng)驗(yàn)，生成更合理的補(bǔ)丁，從而增加獲得正確補(bǔ)丁的機(jī)會。由于我們的方法使用 ChatGPT 模型，因此我們還計(jì)算用于修復(fù)錯誤的 ChatGPT API 查詢的美元成本。令人驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)通過使用 ChatRepair，我們可以修復(fù) 337 個錯誤中的 162 個，每個錯誤 0.42 美元。

本文做出以下貢獻(xiàn)：

維度。我們?yōu)槿詣映绦蛐迯?fù)開辟了對話驅(qū)動范例的新維度。我們的工作首次證明，我們可以有效地利用以前被忽略的測試失敗信息，以及以對話方式進(jìn)行的早期補(bǔ)丁嘗試，以提示LLM生成更正確的補(bǔ)丁。此外，我們展示了利用基于對話的LLM進(jìn)行 APR 的廣闊前景。
技術(shù)。我們使用最新的ChatGPT 模型開發(fā)了ChatRepair，這是一種完全自動化的對話驅(qū)動的APR 工具。更具體地說，我們自動提取有關(guān)初始測試失敗以及早期補(bǔ)丁嘗試的簡潔相關(guān)信息，以提示 ChatGPT 進(jìn)行有效的 APR。
評估。我們在廣泛研究的 Defects4j 1.2、2.0和 QuixBugs數(shù)據(jù)集上針對當(dāng)前最先進(jìn)的基于學(xué)習(xí)的傳統(tǒng) APR 工具評估 ChatRepair。 ChatRepair 在 Defects4j 1.2 和 2.0 上分別獲得了 114 個和 48 個正確錯誤修復(fù)（比之前的最佳基線多 15 個和 17 個）的新的最先進(jìn)修復(fù)結(jié)果。此外，我們進(jìn)行了廣泛的消融研究，以證明利用豐富的語義測試失敗信息和 ChatRepair 的對話范例進(jìn)行修復(fù)所獲得的改進(jìn)。
2 技術(shù)介紹

我們提出了 ChatRepair，一種完全自動化的對話驅(qū)動的 APR 技術(shù)，它結(jié)合了多個維度的反饋信息來迭代查詢模型以生成補(bǔ)丁。 ChatRepair 不像現(xiàn)有基于 LLM 的 APR 技術(shù)那樣直接根據(jù)有缺陷的代碼生成補(bǔ)丁，而是另外提供有價值的測試失敗信息，以進(jìn)一步幫助 LLM 生成補(bǔ)丁。此外，ChatRepair 并沒有像之前基于 LLM 的 APR 技術(shù)那樣從相同的提示中連續(xù)采樣，而是跟蹤對話歷史記錄，并通過提示從先前失敗和成功的同一錯誤修補(bǔ)嘗試中進(jìn)一步學(xué)習(xí)。通過這種方式，ChatRepair 既可以避免以前的失敗，又可以在早期的成功（例如合理的補(bǔ)丁）的基礎(chǔ)上構(gòu)建更有效的 APR。因此，ChatRepair 最大限度地提高了獲得正確修復(fù)潛在錯誤的真正正確補(bǔ)丁的能力。雖然我們的方法是通用的，可以使用不同的 LLM 并應(yīng)用于各種不同的修復(fù)場景，但在這項(xiàng)工作中，我們使用專為對話交互設(shè)計(jì)的最先進(jìn)的 ChatGPT 模型，如圖1所示。

圖1：ChatRepair整體工作流程

2.1 初始輸入

首先，我們使用原始的bug項(xiàng)目和bug來構(gòu)建ChatGPT的初始提示，以啟動修復(fù)過程。我們遵循先前基于學(xué)習(xí)的APR工具，并主要關(guān)注線級修復(fù)(特別是填充或封閉型APR，因?yàn)樗驯蛔C明是最先進(jìn)的[58])。同時，ChatRepair通常也可以用于各種不同的修復(fù)場景，我們將在后面的部分中更詳細(xì)地對其進(jìn)行評估。

ChatRepair使用來自失敗測試的各種信息，包括1)它的名稱，2)觸發(fā)測試失敗的相關(guān)代碼行，以及3)產(chǎn)生的錯誤消息。失敗測試的名稱可以作為被測函數(shù)的簡短摘要。在圖2的例子中，失敗的測試是
testGreatestSubtypeUnionTypes5()，它告訴我們，我們正在測試一個與從聯(lián)合類型中確定最大子類型相關(guān)的功能。相關(guān)的測試代碼和錯誤消息給出了關(guān)于測試失敗原因的具體信息。在示例中，相關(guān)的測試代碼和錯誤消息告訴模型，我們正在比較No_OBJECT_TYPE，但源代碼函數(shù)錯誤地返回了一個None對象。這樣失敗的測試信息不僅在源代碼的功能方面為模型提供了更多的解釋，而且在預(yù)期輸出和函數(shù)使用方面提供了具體的信息，以幫助模型生成正確的修復(fù)。注意，如果有多個失敗的測試，ChatRepair只提供其中一個的信息，以保持簡潔的初始提示。最后，我們通過給model生成正確的行來替換填充位置的有bug的代碼來結(jié)束我們的初始提示。設(shè)C為輸出生成序列概率的ChatGPT，preandsufas為刪除錯誤行后的錯誤代碼的前綴和后綴，Ifillas為替換錯誤行的填充令牌，f0為構(gòu)造的失敗測試信息，Ifillas為填充指令提示符。補(bǔ)丁pgenerated可以形式化的條件概率:C(p|pre,infill,suf,f0,Ifill)

據(jù)我們所知，ChatRepair是第一個通過結(jié)合故障信息的自然語言描述(例如，代碼在此測試中失敗:{failure_test})作為輸入到強(qiáng)大的ChatGPT模型中，以純提示方法應(yīng)用這些測試失敗和錯誤消息的工作。與之前使用的修復(fù)測試執(zhí)行信息不同[61]，它依賴于自定義編碼或手工制作的啟發(fā)式，通過使用ChatGPT通過提示進(jìn)行ChatRepair不僅是跨越不同編程語言但也不受測試信息類型的限制。

2.2 會話修補(bǔ)

我們首先使用創(chuàng)建的初始提示來查詢ChatGPT以獲得模型輸出并提取候選補(bǔ)丁。然后，我們轉(zhuǎn)移到方法的對話部分，我們將patch生成與測試驗(yàn)證反饋交織在一起，以對話的方式提示未來的生成。每個由模型生成的補(bǔ)丁之后，都立即有一個補(bǔ)丁驗(yàn)證步驟，以在測試套件上編譯和運(yùn)行補(bǔ)丁。如果補(bǔ)丁未能通過測試，我們將使用不正確的補(bǔ)丁和失敗的測試構(gòu)建詳細(xì)的反饋信息，作為下一個補(bǔ)丁生成提示的一部分。與初始提示類似，測試失敗信息可以幫助模型了解失敗原因，并為生成正確修復(fù)提供指導(dǎo)。在對話步驟中，我們進(jìn)一步將測試失敗信息與之前不正確的補(bǔ)丁結(jié)合起來，不僅可以避免生成更多類似的不正確補(bǔ)丁，還可以從前幾代的錯誤中學(xué)習(xí)。我們重復(fù)這個過程，直到生成一個通過整個測試套件的可信補(bǔ)丁。

2.3 貌似合理的補(bǔ)丁生成

在前一步之后，ChatRepair應(yīng)該獲得一個可以通過整個測試套件的貌似合理的補(bǔ)丁。然而，一個似是而非的補(bǔ)丁可能并不總是能夠正確地修復(fù)底層bug，因?yàn)闇y試套件可能是不完整的，因此無法覆蓋底層代碼的所有可能的預(yù)期用法。因此，開發(fā)人員必須手動檢查合理的補(bǔ)丁以確定正確的補(bǔ)丁。合理的補(bǔ)丁和最終正確的補(bǔ)丁都有一個相似的特點(diǎn):它們都可以通過整個測試套件。因此，ChatRepair不是從頭開始)，而是直接利用現(xiàn)有的可信補(bǔ)丁來創(chuàng)建更可信的補(bǔ)丁。簡而言之，為了增加我們能夠生成正確補(bǔ)丁的概率，ChatRepair采用之前生成的可信補(bǔ)丁，并要求模型生成替代變體并產(chǎn)生額外的候選補(bǔ)丁。

首先，我們采用最初使用的提示符，其中包含原始的有bug的代碼功能以及有用的測試失敗信息。然后，我們在提示符后面添加生成的合理補(bǔ)丁列表。在開始時，該列表將只包含上一步中單個合理的補(bǔ)丁，但是隨著我們繼續(xù)生成額外的合理補(bǔ)丁，它會增長。接下來，我們在提示符中指出我們想要解決的任務(wù)-請生成一個替代修復(fù)行。然后，我們使用這個提示符作為ChatGPT的輸入，并獲得一個候選補(bǔ)丁，我們將再次編譯并運(yùn)行測試套件，以檢查它是否確實(shí)是另一個合理的補(bǔ)丁。我們不斷地查詢ChatGPT并更新提示符，以包含生成的新的可信補(bǔ)丁，以避免再次重復(fù)生成相同的可信補(bǔ)丁，并進(jìn)一步構(gòu)建早期的可信補(bǔ)丁。再次設(shè)C為輸出生成序列概率的ChatGPT模型，Ibe為初始提示符，Iplas為任務(wù)指令，PL<n={pl1，…，pln−1}是之前生成的可信補(bǔ)丁。生成的下一個似是而非的補(bǔ)丁可以形式化為條件概率:C(pli|I，PL<i，IPL)。

最后，我們得到一個似是而非的補(bǔ)丁列表，這些補(bǔ)丁可以交給開發(fā)人員進(jìn)行人工檢查。與之前的APR工具(僅對原始錯誤代碼進(jìn)行操作以生成補(bǔ)丁)不同，ChatRepair利用每個可能的補(bǔ)丁中額外的有用信息來獲得更多可能的補(bǔ)丁。一個合理的補(bǔ)丁通常包含有用的成分/模式，允許它通過原始測試套件;因此，ChatGPT不是從頭開始(即再次修復(fù)錯誤)，而是在現(xiàn)有的可信補(bǔ)丁的基礎(chǔ)上構(gòu)建，通過其強(qiáng)大的理解指令的能力，可以獲得額外的可信補(bǔ)丁，以增加我們的最終補(bǔ)丁列表中包含修復(fù)錯誤的正確補(bǔ)丁的可能性。