model: only backtrack fences when acquire is before release

Because there are up to 4 actions involved in this search for a
"conflict" (load, fence-acquire, fence-release, store), I overlooked the
fact that we only need to backtrack when the release comes after acquire
in the execution order. This fix skips past the 'release' action before
we begin searching for the 'acquire'.

model: document get_last{,_fence}_conflict()

model: schedule appropriate fence backtracking points

This patch calculates the most recent backtracking point which may be a
fence. We require a separate function for computing this because a fence
"conflict" is much different than other conflicts; fences do not have a
memory location, but instead, they trigger release/acquire backtracking
in the presence of other stores/loads.

Left out of this patch:
(1) Sleep-set waking: even if we backtrack, we don't yet wake up our
    thread properly, yielding a "redundant" trace instead of a
    productive one
(2) memory_order_seq_cst: I have yet to determine how (if at all) we
    need to add additional backtracking in the presence of seq_cst
    fences
(3) documentation: need to describe get_last_fence_conflict() better

model: convert while-loops to for-loops

Make the loop-termination condition more clear.

model: add 'const'

include: fixup header inclusion

don't include action.h from model.h

model/action: move action_list_t to model.h

action_list_t is only used by the ModelChecker class

promise: move constructor out of header

scheduler: refactor round-robin loop

This is the same computation, represented more clearly as a for loop
which, if it reaches the completion condition, means that it did not
find an enabled thread.

model: end-of-execution print

For readability of a "verbose" execution log (and even for the shorter,
non-verbose log), it helps to visually separate the final statistics
from any previously-printed statistics. For instance, in the following
verbose snippet from the end of an execution history, it's confusing why
there are two identical copies of the statistics:

... <other execution history> ...
Number of complete, bug-free executions: 4
Number of redundant executions: 0
Number of buggy executions: 0
Number of infeasible executions: 5
Total executions: 9
Total nodes created: 48

Execution 9:
---------------------------------------------------------------------
... <snipped trace info> ...
---------------------------------------------------------------------

Number of complete, bug-free executions: 4
Number of redundant executions: 0
Number of buggy executions: 0
Number of infeasible executions: 5
Total executions: 9
Total nodes created: 48

model: improve get_next_thread() comments

It's curious that get_next_thread() needs the current ModelAction as a
parameter. It helps to clarify that this argument is somwhat "optional."

schedule: simplify Scheduler::select_next_thread()

Now that the "select next thread" vs. "set_current_thread" is clear, we
don't actually need to set the value of 'current' in
select_next_thread().

model: pull scheduler's thread selection into get_next_thread()

The code makes more logical sense if ModelChecker::get_next_thread()
handles all of the thread selection decisions.

schedule: split Scheduler::next_thread() into separate functions

next_thread() is basically overloaded to perform two different
functions, depending on the parameters. In one case, a caller might pass
a NULL thread, which meant that Scheduler is free to select its own next
thread. In another case, a caller will pass a non-NULL thread, which
meant that the caller is simply informing the Scheduler of the next
thread to execute (i.e., which one is "currently running").

These separate functionalities are now separate functions:

  Scheduler::select_next_thread()
  Scheduler::set_current_thread(Thread *)

model: factor out a 'switch_from_master()' function

This snippet of code is important and somewhat subtle. Although we only
use it once, let's make it a function to give it a higher-level
abstraction.

model: rework the release sequence fixups

It makes more sense to pull the release sequence fixups out of the main
execution loop and only perform them after all other actions are
complete.

There's still some more cleanup to be done here, but it appears that
end-of-execution release sequence fixups are functional again.

model: simple refactoring

This condition is useless. We can just return next_thrd directly.

model/threads: add documentation comments

Document {get,set}_pending(), has_asserted()/set_assert(), etc.

model: fix leaking "pending actions"

ModelActions that are "pending" for each thread are not automatically
freed when we rollback; we keep most of the active ModelActions on the
NodeStack, then we free them from there when we explore a new branch of
the state space.

This fix causes all the pending actions to be freed on any rollback.
This is safe for now, since we always roll back to the beginning of the
execution. If we roll back to an intermediate point, though, we need to
retain those pending actions which were also pending before the rollback
point. Hence the FIXME notice included in reset_to_initial_state().

model: add 'pending' assertion

We don't want to clobber a pending action.

model: stash all pending actions immediately

model: pull 'has_asserted()' check out of take_step()

Checks for mid-execution assertions should occur before take_step().
This can catch a mid-step bug (e.g., data race or user-assertion) that
happens between ModelAction steps.

threads: bugfix - do not call thread_current() from model-checker

thread_current() was designed for use in the user context. It is not
guaranteed to provide a reliable result in the model-checker context,
since we may perform context switches as needed, such that the "last
executed user thread" may not be the thread that we are checking at the
time.

This change is made to clear up future changes that will modify the
scheduling patterns.

model: stash actions in each thread

We don't want a global 'current_action' for saving the next action to
run; we want to stash the 'current action' for each thread. So just use
the 'pending' action in each Thread.

Note that this kinda breaks sleep sets for now. We'll have to redo this.

model: return next thread from take_step()

Note that this intentionally breaks release sequence fixups for now.

threads/model: allocate Thread from w/in ModelChecker

It adds scheduling difficulties if we allocate/schedule a Thread from
the user-context (i.e., directly from the thrd_create() interface)
because then it is not necessarily atomic. For example, if we run a
thread up to its context switch for a THREAD_CREATE then switch to
another thread before the THREAD_CREATE is processed, then we will
already have constructed a Thread from the first thread (and prepared it
for scheduling) without processing it in the ModelChecker appropriately.
For instance, the following schedule might appear, causing problems:

 TID    ACTION
 ---    ------
    ...
  1     ATOMIC_READ         <--- Next action is THREAD_CREATE
 (1)    (construct Thread 3)
 (1)    (prepare new Thread for Scheduling)
  2     ATOMIC_READ
  3     THREAD_START        <--- Before its CREATE event??
  1     THREAD_CREATE

Note that this scheduling does not yet happen, as we always execute
the "lead-in" to THREAD_CREATE atomically. This may change, though.

schedule: assert that model-checker thread doesn't enter scheduler

model: set thread state during 'swap' calls

Rather than setting thread-state from subtle places within ModelChecker,
it makes more logical sense to set it from withing the Thread::swap
functions.

Merge branch 'fences'

promise: use id_to_int()

model: prune may-read-from set early

It helps to prune the may-read-from set (according to modification order
constraints) as we build it. This prevents unnecessary backtracking and
provides a significant (linear) speedup in model-checking speed.

Note that this now allows us to assume that at any point in an
execution, any selection from the may-read-from set is feasible.

action: bugfix - initialize member

model: rewrite mo_check_promises

Rather than use some special logic that was devised when we didn't
include promises in the mo-graph, we can simplify our mo_check_promises
code by querying the mo-graph for reachability. This *should* be at
least as good of a 'check' as the previous code, and much less cryptic.

model: remove argument from mo_check_promises

cyclegraph: possible optimization

model: rename according to the comments

The documentation mentions 'pread' and 'pwrite'. Those names aren't
actually used in the code, though, so change that.

model: add read-write coherence for promise nodes

Promises must be ordered after any other loads from the same thread.

promise: update comments/names to reflect usage

is_compatible() and is_compatible_exclusive() do not require a store as
an argument; they can just as well use a load

cyclegraph: expand template usage

checkReachable() and addEdge() will be used in more forms. Add template
instantiations.

model: refactor to use a helper function

cyclegraph: don't delete promise nodes

Merging can fail partway, leaving a somewhat inconsistent graph. This is
safe, since an inconsistent graph must be discarded as infeasible. But
this is a problem when dumping the modification order graph, since we
may dereference freed nodes. So for now, just don't free them.

cyclegraph: fixup support for dumping the modification order graph

We need to include promises in the modification order graph if we plan
on dumping it to a .dot file. This hacks it together so that it works
for now.

cyclegraph: mergeNodes(): return early if we violate RMW

To be consistent, and to prevent unecessary merging work, we should
simply return from the mergeNodes() function as soon as we know it has
failed.

cyclegraph: refactor for indentation

Makefile / git: cleanup generated .dot and .pdf files

cyclegraph: add wrappers for some common functionality

model: fully utilize Promise nodes in CycleGraph

We can eliminate the post-promise-resolution computations now that
mo_graph is built up to include Promise nodes.

model: cosmetic improvements to resolve_promises()

Rename 'resolved' to 'haveResolved', since we will use the 'resolved'
name for something else.

cyclegraph: move function definitions out of header

I found out how to instantiate these functions from within the
implementation file (rather than the header). I can specifically list
those implementations that I want available.

cyclegraph: template-ize addRMWEdge()

cyclegraph: bugfix - pop edges properly

Now that CycleNode's have back-edges, we need to properly remove *both*
the forward and back edges when doing roll-back.

model: add write-to-promise edges

Assume that any time a promise exists, is compatible with a store, and
is exclusive to the same thread as the store, that it is mod-ordered
after that store. This should never produce cycles, until we decide to
begin satisfying promises. At that point, if there's a cycle, then we
must either merge nodes (i.e., the store must satisfy that promise) or
else we discard the execution for the moment and perform the
satisfaction at a later point in the search space.

promise: add is_compatible_exclusive()

Check if a Promise is both compatible *and* exclusive to a particular
thread. This allows ordering optimizations when we can guarantee that a
particular thread must fulfill the promise.

promise: add const

model: utilize CycleGraph 'addEdge()' status

The mo_graph is only modified if addEdge() returns true. Utilize this
information.

cyclegraph: return 'added' status for addEdge()

The ModelChecker would like to know if it's adding a new edge, or just
and existing edge. If the edge is not new, then there are fewer
resulting update checks needed.

cyclegraph: add documentation

cyclegraph: bugfix - only use concrete writes to eliminate threads

cyclegraph: edit template for checkReachable

cyclegraph: edit template for addEdge

cyclegraph: add overloaded getNode_noCreate()

Need a generic way to map a ModelAction/Promise to a CycleNode.

model: add promise-node edges for 'read' actions

cyclegraph: template-ize checkReachable()

ModelChecker will need to query the mo_graph regarding the modification
order of promised future writes.

model: template-ize 'r_modification_order'

We will need to add "read modification order" edges when 'rf' is either
a ModelAction or a Promise. This function works nicely with a template.

action: fixup printing for RMW/RMWR

Some read actions didn't really have a correct 'value' saved in the
ModelAction. Now that we have the 'promise' recorded, always retrieve
the value from reads_from or reads_from_promise.

action: store Promise in ModelAction

cyclegraph: add full promise resolution, node merging

We now support the interfaces needed for tracking Promise constraints in
CycleGraph.

cyclegraph: add CycleNode::resolvePromise(), CycleNode::getPromise()

promise: add is_compatible()

cyclegraph: map Promises to Promise nodes

cyclegraph: template for addEdge()

This function will be identical for all combinations of ModelAction /
Promise. So just make it a template.

cyclegraph: rename addEdge() to addNodeEdge()

This is a "low-level" internal function, where the other addEdge()
implementations will be high-level, external interfaces. Differentiate
the names, then.

cyclegraph: add removeEdge(), removeBackEdge()

For popping edges of a node that's about to be merged with another one.

Note that if using these functions, a user has to manage the
'CycleGraph::hasCycles' state. This only handles the inter-Node edge
lists.

cyclegraph: add Promise CycleNode

A very bare-bones constructor.

cyclegraph: trivial shortening

Makfile: add 'make pdfs' target to build PDF from .dot graph

model: don't print scheduler randomly

action: fix incorrect comment

Doxyfile: don't recurse into all directories

cyclegraph: use vector empty() and clear()

nodestack/model: spacing

promise: update names/comments

Make it more clear what 'act' is (it's a 'read' action).

cyclegraph: RMW atomicity violation must flag a cycle

Because we've removed some of the special-casing for RMW atomicity
violations, we don't need the separate 'hasRMWViolation' condition;
instead, we should explicitly flag atomicity violations as a cycle.
Previously, there was a subtle bug related to this issue, where cycles
were flagged only as RMW violations and did not show up to the
model-checker at the appropriate points.

cyclegraph: reformat, improve 'addRMWEdge' comments

Make it slightly clearer what this function's intent is. (It's only used
for the introduction of the first edge between 'from' and 'rmw' s.t.:

  from->is_write() && rmw->is_rmw() && from --rf-> rmw

cyclegraph: separate an 'addEdge(CycleNode *, CycleNode *) function

We need to represent edge addition as a low-level operation on
CycleNodes, not just on ModelActions.

model: remove ModelChecker::is_infeasible_ignoreRMW()

We don't make any special exceptions for this condition anymore, so drop
the function.

model: add immediate future value for RMW reordering

When RMW atomicity would otherwise rule an execution infeasible, we may
need to pass a future value back 'immediately,' to allow the
model-checker to effectively reorder the RMW's. For such cases, we don't
wait for all current promises to be resolved.

cyclegraph: detect cycles immediately

Previously, we have used a special case in CycleGraph to delay detection
of a mo-cycle (actually, an RMW atomicity violation) long enough so that
a RMW can "reorder" across another RMW by passing its future value.
Unfortunately, this only works some of the time, as the execution
*may or may not* be a feasible prefix which allows the sending of the
future value.

Instead, we need to pull this special case out of CycleGraph and (in
subsequent commits) will add a more proper solution in model.cc.

promise: bugfix - a disabled thread should not be eliminated

Because we now only consider a subset of threads for satisfying
promises, we can have a disabled thread that still may satisfy a
promise; it could simply synchronize with another unrelated thread, then
continue to generate a write that can resolve the promise.

As a side effect, this change makes "has_failed()" much simpler.

model: modify promises on THREAD_{CREATE,FINISH}

When a thread is created it *must* pass its promise satisfiability to
its children.

When a thread finishes, we should remove it from all promises. This can
help prune a search early, if some read was depending only on the
finishing thread: we can then declare an unresolved promise.

promise: associate Promises with a set of threads

A Promise can be associated with a set of threads, so that we can
perform elimination more efficiently and precisely.

action: record future value

Future values don't currently show up in ModelAction (e.g., when
printing). We should set the value when we choose to read from a future
value.

future_value: add thread ID parameter

This just records the parameter for now, and makes it a distinction
between future values. Shouldn't affect model-checker behavior, except
for the introduction of extra future values: one for each thread which
writes the same value.

We calculate whether the writing thread exists at the time of the future
value and if not, find an ancestor thread which does.

nodestack: pass 'struct future_value' to add_future_value()

This makes more sense than passing individual parameters. This way, we
construct our future_value in ModelChecker, then simply pass it to the
NodeStack.

model: add const to get_thread(ModelAction *act)

model: fixup indentation, spelling in comment

model: style

model: remove local variable

promise: SnapshotAlloc for vector

We must ensure that any new memory allocated by the model-checker uses
our private snapshotting heap, not the user program's heap.