model.cc

   1 #include <stdio.h>
   2 #include <algorithm>
   3 #include <new>
   4 #include <stdarg.h>
   5
   6 #include "model.h"
   7 #include "action.h"
   8 #include "nodestack.h"
   9 #include "schedule.h"
  10 #include "snapshot-interface.h"
  11 #include "common.h"
  12 #include "datarace.h"
  13 #include "threads-model.h"
  14 #include "output.h"
  15 #include "traceanalysis.h"
  16 #include "execution.h"
  17 #include "bugmessage.h"
  18
  19 ModelChecker *model;
  20
  21 /** @brief Constructor */
  22 ModelChecker::ModelChecker(struct model_params params) :
  23         /* Initialize default scheduler */
  24         params(params),
  25         scheduler(new Scheduler()),
  26         node_stack(new NodeStack()),
  27         execution(new ModelExecution(this, &this->params, scheduler, node_stack)),
  28         execution_number(1),
  29         diverge(NULL),
  30         earliest_diverge(NULL),
  31         trace_analyses()
  32 {
  33 }
  34
  35 /** @brief Destructor */
  36 ModelChecker::~ModelChecker()
  37 {
  38         delete node_stack;
  39         for (unsigned int i = 0; i < trace_analyses.size(); i++)
  40                 delete trace_analyses[i];
  41         delete scheduler;
  42 }
  43
  44 /**
  45  * Restores user program to initial state and resets all model-checker data
  46  * structures.
  47  */
  48 void ModelChecker::reset_to_initial_state()
  49 {
  50         DEBUG("+++ Resetting to initial state +++\n");
  51         node_stack->reset_execution();
  52
  53         /**
  54          * FIXME: if we utilize partial rollback, we will need to free only
  55          * those pending actions which were NOT pending before the rollback
  56          * point
  57          */
  58         for (unsigned int i = 0; i < get_num_threads(); i++)
  59                 delete get_thread(int_to_id(i))->get_pending();
  60
  61         snapshot_backtrack_before(0);
  62 }
  63
  64 /** @return the number of user threads created during this execution */
  65 unsigned int ModelChecker::get_num_threads() const
  66 {
  67         return execution->get_num_threads();
  68 }
  69
  70 /**
  71  * Must be called from user-thread context (e.g., through the global
  72  * thread_current() interface)
  73  *
  74  * @return The currently executing Thread.
  75  */
  76 Thread * ModelChecker::get_current_thread() const
  77 {
  78         return scheduler->get_current_thread();
  79 }
  80
  81 /**
  82  * @brief Choose the next thread to execute.
  83  *
  84  * This function chooses the next thread that should execute. It can enforce
  85  * execution replay/backtracking or, if the model-checker has no preference
  86  * regarding the next thread (i.e., when exploring a new execution ordering),
  87  * we defer to the scheduler.
  88  *
  89  * @return The next chosen thread to run, if any exist. Or else if the current
  90  * execution should terminate, return NULL.
  91  */
  92 Thread * ModelChecker::get_next_thread()
  93 {
  94         thread_id_t tid;
  95
  96         /*
  97          * Have we completed exploring the preselected path? Then let the
  98          * scheduler decide
  99          */
 100         if (diverge == NULL)
 101                 return scheduler->select_next_thread(node_stack->get_head());
 102
 103
 104         /* Else, we are trying to replay an execution */
 105         ModelAction *next = node_stack->get_next()->get_action();
 106
 107         if (next == diverge) {
 108                 if (earliest_diverge == NULL || *diverge < *earliest_diverge)
 109                         earliest_diverge = diverge;
 110
 111                 Node *nextnode = next->get_node();
 112                 Node *prevnode = nextnode->get_parent();
 113                 scheduler->update_sleep_set(prevnode);
 114
 115                 /* Reached divergence point */
 116                 if (nextnode->increment_behaviors()) {
 117                         /* Execute the same thread with a new behavior */
 118                         tid = next->get_tid();
 119                         node_stack->pop_restofstack(2);
 120                 } else {
 121                         ASSERT(prevnode);
 122                         /* Make a different thread execute for next step */
 123                         scheduler->add_sleep(get_thread(next->get_tid()));
 124                         tid = prevnode->get_next_backtrack();
 125                         /* Make sure the backtracked thread isn't sleeping. */
 126                         node_stack->pop_restofstack(1);
 127                         if (diverge == earliest_diverge) {
 128                                 earliest_diverge = prevnode->get_action();
 129                         }
 130                 }
 131                 /* Start the round robin scheduler from this thread id */
 132                 scheduler->set_scheduler_thread(tid);
 133                 /* The correct sleep set is in the parent node. */
 134                 execute_sleep_set();
 135
 136                 DEBUG("*** Divergence point ***\n");
 137
 138                 diverge = NULL;
 139         } else {
 140                 tid = next->get_tid();
 141         }
 142         DEBUG("*** ModelChecker chose next thread = %d ***\n", id_to_int(tid));
 143         ASSERT(tid != THREAD_ID_T_NONE);
 144         return get_thread(id_to_int(tid));
 145 }
 146
 147 /**
 148  * We need to know what the next actions of all threads in the sleep
 149  * set will be.  This method computes them and stores the actions at
 150  * the corresponding thread object's pending action.
 151  */
 152 void ModelChecker::execute_sleep_set()
 153 {
 154         for (unsigned int i = 0; i < get_num_threads(); i++) {
 155                 thread_id_t tid = int_to_id(i);
 156                 Thread *thr = get_thread(tid);
 157                 if (scheduler->is_sleep_set(thr) && thr->get_pending()) {
 158                         thr->get_pending()->set_sleep_flag();
 159                 }
 160         }
 161 }
 162
 163 /**
 164  * @brief Assert a bug in the executing program.
 165  *
 166  * Use this function to assert any sort of bug in the user program. If the
 167  * current trace is feasible (actually, a prefix of some feasible execution),
 168  * then this execution will be aborted, printing the appropriate message. If
 169  * the current trace is not yet feasible, the error message will be stashed and
 170  * printed if the execution ever becomes feasible.
 171  *
 172  * @param msg Descriptive message for the bug (do not include newline char)
 173  * @return True if bug is immediately-feasible
 174  */
 175 bool ModelChecker::assert_bug(const char *msg, ...)
 176 {
 177         char str[800];
 178
 179         va_list ap;
 180         va_start(ap, msg);
 181         vsnprintf(str, sizeof(str), msg, ap);
 182         va_end(ap);
 183
 184         return execution->assert_bug(str);
 185 }
 186
 187 /**
 188  * @brief Assert a bug in the executing program, asserted by a user thread
 189  * @see ModelChecker::assert_bug
 190  * @param msg Descriptive message for the bug (do not include newline char)
 191  */
 192 void ModelChecker::assert_user_bug(const char *msg)
 193 {
 194         /* If feasible bug, bail out now */
 195         if (assert_bug(msg))
 196                 switch_to_master(NULL);
 197 }
 198
 199 /** @brief Print bug report listing for this execution (if any bugs exist) */
 200 void ModelChecker::print_bugs() const
 201 {
 202         if (execution->have_bug_reports()) {
 203                 SnapVector<bug_message *> *bugs = execution->get_bugs();
 204
 205                 model_print("Bug report: %zu bug%s detected\n",
 206                                 bugs->size(),
 207                                 bugs->size() > 1 ? "s" : "");
 208                 for (unsigned int i = 0; i < bugs->size(); i++)
 209                         (*bugs)[i]->print();
 210         }
 211 }
 212
 213 /**
 214  * @brief Record end-of-execution stats
 215  *
 216  * Must be run when exiting an execution. Records various stats.
 217  * @see struct execution_stats
 218  */
 219 void ModelChecker::record_stats()
 220 {
 221         stats.num_total++;
 222         if (!execution->isfeasibleprefix())
 223                 stats.num_infeasible++;
 224         else if (execution->have_bug_reports())
 225                 stats.num_buggy_executions++;
 226         else if (execution->is_complete_execution())
 227                 stats.num_complete++;
 228         else {
 229                 stats.num_redundant++;
 230
 231                 /**
 232                  * @todo We can violate this ASSERT() when fairness/sleep sets
 233                  * conflict to cause an execution to terminate, e.g. with:
 234                  * Scheduler: [0: disabled][1: disabled][2: sleep][3: current, enabled]
 235                  */
 236                 //ASSERT(scheduler->all_threads_sleeping());
 237         }
 238 }
 239
 240 /** @brief Print execution stats */
 241 void ModelChecker::print_stats() const
 242 {
 243         model_print("Number of complete, bug-free executions: %d\n", stats.num_complete);
 244         model_print("Number of redundant executions: %d\n", stats.num_redundant);
 245         model_print("Number of buggy executions: %d\n", stats.num_buggy_executions);
 246         model_print("Number of infeasible executions: %d\n", stats.num_infeasible);
 247         model_print("Total executions: %d\n", stats.num_total);
 248         model_print("Total nodes created: %d\n", node_stack->get_total_nodes());
 249 }
 250
 251 /**
 252  * @brief End-of-exeuction print
 253  * @param printbugs Should any existing bugs be printed?
 254  */
 255 void ModelChecker::print_execution(bool printbugs) const
 256 {
 257         print_program_output();
 258
 259         if (params.verbose) {
 260                 model_print("Earliest divergence point since last feasible execution:\n");
 261                 if (earliest_diverge)
 262                         earliest_diverge->print();
 263                 else
 264                         model_print("(Not set)\n");
 265
 266                 model_print("\n");
 267                 print_stats();
 268         }
 269
 270         /* Don't print invalid bugs */
 271         if (printbugs)
 272                 print_bugs();
 273
 274         model_print("\n");
 275         execution->print_summary();
 276 }
 277
 278 /**
 279  * Queries the model-checker for more executions to explore and, if one
 280  * exists, resets the model-checker state to execute a new execution.
 281  *
 282  * @return If there are more executions to explore, return true. Otherwise,
 283  * return false.
 284  */
 285 bool ModelChecker::next_execution()
 286 {
 287         DBG();
 288         /* Is this execution a feasible execution that's worth bug-checking? */
 289         bool complete = execution->isfeasibleprefix() &&
 290                 (execution->is_complete_execution() ||
 291                  execution->have_bug_reports());
 292
 293         /* End-of-execution bug checks */
 294         if (complete) {
 295                 if (execution->is_deadlocked())
 296                         assert_bug("Deadlock detected");
 297
 298                 checkDataRaces();
 299                 run_trace_analyses();
 300         }
 301
 302         record_stats();
 303
 304         /* Output */
 305         if (params.verbose || (complete && execution->have_bug_reports()))
 306                 print_execution(complete);
 307         else
 308                 clear_program_output();
 309
 310         if (complete)
 311                 earliest_diverge = NULL;
 312
 313         if ((diverge = execution->get_next_backtrack()) == NULL)
 314                 return false;
 315
 316         if (DBG_ENABLED()) {
 317                 model_print("Next execution will diverge at:\n");
 318                 diverge->print();
 319         }
 320
 321         execution_number++;
 322
 323         reset_to_initial_state();
 324         return true;
 325 }
 326
 327 /** @brief Run trace analyses on complete trace */
 328 void ModelChecker::run_trace_analyses() {
 329         for (unsigned int i = 0; i < trace_analyses.size(); i++)
 330                 trace_analyses[i]->analyze(execution->get_action_trace());
 331 }
 332
 333 /**
 334  * @brief Get a Thread reference by its ID
 335  * @param tid The Thread's ID
 336  * @return A Thread reference
 337  */
 338 Thread * ModelChecker::get_thread(thread_id_t tid) const
 339 {
 340         return execution->get_thread(tid);
 341 }
 342
 343 /**
 344  * @brief Get a reference to the Thread in which a ModelAction was executed
 345  * @param act The ModelAction
 346  * @return A Thread reference
 347  */
 348 Thread * ModelChecker::get_thread(const ModelAction *act) const
 349 {
 350         return execution->get_thread(act);
 351 }
 352
 353 /**
 354  * @brief Check if a Thread is currently enabled
 355  * @param t The Thread to check
 356  * @return True if the Thread is currently enabled
 357  */
 358 bool ModelChecker::is_enabled(Thread *t) const
 359 {
 360         return scheduler->is_enabled(t);
 361 }
 362
 363 /**
 364  * @brief Check if a Thread is currently enabled
 365  * @param tid The ID of the Thread to check
 366  * @return True if the Thread is currently enabled
 367  */
 368 bool ModelChecker::is_enabled(thread_id_t tid) const
 369 {
 370         return scheduler->is_enabled(tid);
 371 }
 372
 373 /**
 374  * Switch from a model-checker context to a user-thread context. This is the
 375  * complement of ModelChecker::switch_to_master and must be called from the
 376  * model-checker context
 377  *
 378  * @param thread The user-thread to switch to
 379  */
 380 void ModelChecker::switch_from_master(Thread *thread)
 381 {
 382         scheduler->set_current_thread(thread);
 383         Thread::swap(&system_context, thread);
 384 }
 385
 386 /**
 387  * Switch from a user-context to the "master thread" context (a.k.a. system
 388  * context). This switch is made with the intention of exploring a particular
 389  * model-checking action (described by a ModelAction object). Must be called
 390  * from a user-thread context.
 391  *
 392  * @param act The current action that will be explored. May be NULL only if
 393  * trace is exiting via an assertion (see ModelExecution::set_assert and
 394  * ModelExecution::has_asserted).
 395  * @return Return the value returned by the current action
 396  */
 397 uint64_t ModelChecker::switch_to_master(ModelAction *act)
 398 {
 399         DBG();
 400         Thread *old = thread_current();
 401         scheduler->set_current_thread(NULL);
 402         ASSERT(!old->get_pending());
 403         old->set_pending(act);
 404         if (Thread::swap(old, &system_context) < 0) {
 405                 perror("swap threads");
 406                 exit(EXIT_FAILURE);
 407         }
 408         return old->get_return_value();
 409 }
 410
 411 /** Wrapper to run the user's main function, with appropriate arguments */
 412 void user_main_wrapper(void *)
 413 {
 414         user_main(model->params.argc, model->params.argv);
 415 }
 416
 417 bool ModelChecker::should_terminate_execution()
 418 {
 419         /* Infeasible -> don't take any more steps */
 420         if (execution->is_infeasible())
 421                 return true;
 422         else if (execution->isfeasibleprefix() && execution->have_bug_reports()) {
 423                 execution->set_assert();
 424                 return true;
 425         }
 426
 427         if (execution->too_many_steps())
 428                 return true;
 429         return false;
 430 }
 431
 432 /** @brief Run ModelChecker for the user program */
 433 void ModelChecker::run()
 434 {
 435         do {
 436                 thrd_t user_thread;
 437                 Thread *t = new Thread(execution->get_next_id(), &user_thread, &user_main_wrapper, NULL, NULL);
 438                 execution->add_thread(t);
 439
 440                 do {
 441                         /*
 442                          * Stash next pending action(s) for thread(s). There
 443                          * should only need to stash one thread's action--the
 444                          * thread which just took a step--plus the first step
 445                          * for any newly-created thread
 446                          */
 447                         for (unsigned int i = 0; i < get_num_threads(); i++) {
 448                                 thread_id_t tid = int_to_id(i);
 449                                 Thread *thr = get_thread(tid);
 450                                 if (!thr->is_model_thread() && !thr->is_complete() && !thr->get_pending()) {
 451                                         switch_from_master(thr);
 452                                         if (thr->is_waiting_on(thr))
 453                                                 assert_bug("Deadlock detected (thread %u)", i);
 454                                 }
 455                         }
 456
 457                         /* Don't schedule threads which should be disabled */
 458                         for (unsigned int i = 0; i < get_num_threads(); i++) {
 459                                 Thread *th = get_thread(int_to_id(i));
 460                                 ModelAction *act = th->get_pending();
 461                                 if (act && is_enabled(th) && !execution->check_action_enabled(act)) {
 462                                         scheduler->sleep(th);
 463                                 }
 464                         }
 465
 466                         /* Catch assertions from prior take_step or from
 467                          * between-ModelAction bugs (e.g., data races) */
 468                         if (execution->has_asserted())
 469                                 break;
 470
 471                         if (!t)
 472                                 t = get_next_thread();
 473                         if (!t || t->is_model_thread())
 474                                 break;
 475
 476                         /* Consume the next action for a Thread */
 477                         ModelAction *curr = t->get_pending();
 478                         t->set_pending(NULL);
 479                         t = execution->take_step(curr);
 480                 } while (!should_terminate_execution());
 481
 482         } while (next_execution());
 483
 484         execution->fixup_release_sequences();
 485
 486         model_print("******* Model-checking complete: *******\n");
 487         print_stats();
 488 }