Making the implementation of updateBacktrackSetDFS closer to the paper in DPORStateRe...
[jpf-core.git] / src / main / gov / nasa / jpf / listener / DPORStateReducer.java
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17  */
18 package gov.nasa.jpf.listener;
19
20 import gov.nasa.jpf.Config;
21 import gov.nasa.jpf.JPF;
22 import gov.nasa.jpf.ListenerAdapter;
23 import gov.nasa.jpf.jvm.bytecode.INVOKEINTERFACE;
24 import gov.nasa.jpf.jvm.bytecode.JVMFieldInstruction;
25 import gov.nasa.jpf.search.Search;
26 import gov.nasa.jpf.vm.*;
27 import gov.nasa.jpf.vm.bytecode.ReadInstruction;
28 import gov.nasa.jpf.vm.bytecode.WriteInstruction;
29 import gov.nasa.jpf.vm.choice.IntChoiceFromSet;
30 import gov.nasa.jpf.vm.choice.IntIntervalGenerator;
31
32 import java.io.FileWriter;
33 import java.io.IOException;
34 import java.io.PrintWriter;
35 import java.util.*;
36 import java.util.logging.Logger;
37
38 /**
39  * This a DPOR implementation for event-driven applications with loops that create cycles of state matching
40  * In this new DPOR algorithm/implementation, each run is terminated iff:
41  * - we find a state that matches a state in a previous run, or
42  * - we have a matched state in the current run that consists of cycles that contain all choices/events.
43  */
44 public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
45
46   // Information printout fields for verbose mode
47   private boolean verboseMode;
48   private boolean stateReductionMode;
49   private final PrintWriter out;
50   private PrintWriter fileWriter;
51   private String detail;
52   private int depth;
53   private int id;
54   private Transition transition;
55
56   // DPOR-related fields
57   // Basic information
58   private Integer[] choices;
59   private Integer[] refChoices; // Second reference to a copy of choices (choices may be modified for fair scheduling)
60   private int choiceCounter;
61   private int maxEventChoice;
62   // Data structure to track the events seen by each state to track cycles (containing all events) for termination
63   private HashSet<Integer> currVisitedStates;   // States being visited in the current execution
64   private HashSet<Integer> justVisitedStates;   // States just visited in the previous choice/event
65   private HashSet<Integer> prevVisitedStates;   // States visited in the previous execution
66   private HashSet<ClassInfo> nonRelevantClasses;// Class info objects of non-relevant classes
67   private HashSet<FieldInfo> nonRelevantFields; // Field info objects of non-relevant fields
68   private HashSet<FieldInfo> relevantFields;    // Field info objects of relevant fields
69   private HashMap<Integer, HashSet<Integer>> stateToEventMap;
70   // Data structure to analyze field Read/Write accesses and conflicts
71   private HashMap<Integer, LinkedList<BacktrackExecution>> backtrackMap;  // Track created backtracking points
72   private PriorityQueue<Integer> backtrackStateQ;                 // Heap that returns the latest state
73   private Execution currentExecution;                             // Holds the information about the current execution
74   private HashMap<Integer, HashSet<Integer>> doneBacktrackMap;    // Record state ID and trace already constructed
75   private HashMap<Integer, RestorableVMState> restorableStateMap; // Maps state IDs to the restorable state object
76   private RGraph rGraph;                                          // R-Graph for past executions
77
78   // Boolean states
79   private boolean isBooleanCGFlipped;
80   private boolean isEndOfExecution;
81
82   // Statistics
83   private int numOfTransitions;
84
85   public DPORStateReducer(Config config, JPF jpf) {
86     verboseMode = config.getBoolean("printout_state_transition", false);
87     stateReductionMode = config.getBoolean("activate_state_reduction", true);
88     if (verboseMode) {
89       out = new PrintWriter(System.out, true);
90     } else {
91       out = null;
92     }
93     String outputFile = config.getString("file_output");
94     if (!outputFile.isEmpty()) {
95       try {
96         fileWriter = new PrintWriter(new FileWriter(outputFile, true), true);
97       } catch (IOException e) {
98       }
99     }
100     isBooleanCGFlipped = false;
101                 numOfTransitions = 0;
102                 nonRelevantClasses = new HashSet<>();
103                 nonRelevantFields = new HashSet<>();
104                 relevantFields = new HashSet<>();
105     restorableStateMap = new HashMap<>();
106     initializeStatesVariables();
107   }
108
109   @Override
110   public void stateRestored(Search search) {
111     if (verboseMode) {
112       id = search.getStateId();
113       depth = search.getDepth();
114       transition = search.getTransition();
115       detail = null;
116       out.println("\n==> DEBUG: The state is restored to state with id: " + id + " -- Transition: " + transition +
117               " and depth: " + depth + "\n");
118     }
119   }
120
121   @Override
122   public void searchStarted(Search search) {
123     if (verboseMode) {
124       out.println("\n==> DEBUG: ----------------------------------- search started" + "\n");
125     }
126   }
127
128   @Override
129   public void stateAdvanced(Search search) {
130     if (verboseMode) {
131       id = search.getStateId();
132       depth = search.getDepth();
133       transition = search.getTransition();
134       if (search.isNewState()) {
135         detail = "new";
136       } else {
137         detail = "visited";
138       }
139
140       if (search.isEndState()) {
141         out.println("\n==> DEBUG: This is the last state!\n");
142         detail += " end";
143       }
144       out.println("\n==> DEBUG: The state is forwarded to state with id: " + id + " with depth: " + depth +
145               " which is " + detail + " Transition: " + transition + "\n");
146     }
147     if (stateReductionMode) {
148       updateStateInfo(search);
149     }
150   }
151
152   @Override
153   public void stateBacktracked(Search search) {
154     if (verboseMode) {
155       id = search.getStateId();
156       depth = search.getDepth();
157       transition = search.getTransition();
158       detail = null;
159
160       out.println("\n==> DEBUG: The state is backtracked to state with id: " + id + " -- Transition: " + transition +
161               " and depth: " + depth + "\n");
162     }
163     if (stateReductionMode) {
164       updateStateInfo(search);
165     }
166   }
167
168   static Logger log = JPF.getLogger("report");
169
170   @Override
171   public void searchFinished(Search search) {
172     if (verboseMode) {
173       out.println("\n==> DEBUG: ----------------------------------- search finished");
174       out.println("\n==> DEBUG: State reduction mode  : " + stateReductionMode);
175       out.println("\n==> DEBUG: Number of transitions : " + numOfTransitions);
176       out.println("\n==> DEBUG: ----------------------------------- search finished" + "\n");
177
178       fileWriter.println("==> DEBUG: State reduction mode  : " + stateReductionMode);
179       fileWriter.println("==> DEBUG: Number of transitions : " + numOfTransitions);
180       fileWriter.println();
181       fileWriter.close();
182     }
183   }
184
185   @Override
186   public void choiceGeneratorRegistered(VM vm, ChoiceGenerator<?> nextCG, ThreadInfo currentThread, Instruction executedInstruction) {
187     if (stateReductionMode) {
188       // Initialize with necessary information from the CG
189       if (nextCG instanceof IntChoiceFromSet) {
190         IntChoiceFromSet icsCG = (IntChoiceFromSet) nextCG;
191         // Tell JPF that we are performing DPOR
192         icsCG.setDpor();
193         if (!isEndOfExecution) {
194           // Check if CG has been initialized, otherwise initialize it
195           Integer[] cgChoices = icsCG.getAllChoices();
196           // Record the events (from choices)
197           if (choices == null) {
198             choices = cgChoices;
199             // Make a copy of choices as reference
200             refChoices = copyChoices(choices);
201             // Record the max event choice (the last element of the choice array)
202             maxEventChoice = choices[choices.length - 1];
203           }
204           icsCG.setNewValues(choices);
205           icsCG.reset();
206           // Use a modulo since choiceCounter is going to keep increasing
207           int choiceIndex = choiceCounter % choices.length;
208           icsCG.advance(choices[choiceIndex]);
209         } else {
210           // Set done all CGs while transitioning to a new execution
211           icsCG.setDone();
212         }
213       }
214     }
215   }
216
217   @Override
218   public void choiceGeneratorAdvanced(VM vm, ChoiceGenerator<?> currentCG) {
219     if (stateReductionMode) {
220       // Check the boolean CG and if it is flipped, we are resetting the analysis
221       if (currentCG instanceof BooleanChoiceGenerator) {
222         if (!isBooleanCGFlipped) {
223           isBooleanCGFlipped = true;
224         } else {
225           // Allocate new objects for data structure when the boolean is flipped from "false" to "true"
226           initializeStatesVariables();
227         }
228       }
229       // Check every choice generated and ensure fair scheduling!
230       if (currentCG instanceof IntChoiceFromSet) {
231         IntChoiceFromSet icsCG = (IntChoiceFromSet) currentCG;
232         // If this is a new CG then we need to update data structures
233         resetStatesForNewExecution(icsCG, vm);
234         // If we don't see a fair scheduling of events/choices then we have to enforce it
235         ensureFairSchedulingAndSetupTransition(icsCG, vm);
236         // Update backtrack set of an executed event (transition): one transition before this one
237         updateBacktrackSet(currentExecution, choiceCounter - 1);
238         // Explore the next backtrack point:
239         // 1) if we have seen this state or this state contains cycles that involve all events, and
240         // 2) after the current CG is advanced at least once
241         if (terminateCurrentExecution() && choiceCounter > 0) {
242           exploreNextBacktrackPoints(vm, icsCG);
243         } else {
244           numOfTransitions++;
245         }
246         // Map state to event
247         mapStateToEvent(icsCG.getNextChoice());
248         justVisitedStates.clear();
249         choiceCounter++;
250       }
251     } else {
252       numOfTransitions++;
253     }
254   }
255
256   @Override
257   public void instructionExecuted(VM vm, ThreadInfo ti, Instruction nextInsn, Instruction executedInsn) {
258     if (stateReductionMode) {
259       if (!isEndOfExecution) {
260         // Has to be initialized and a integer CG
261         ChoiceGenerator<?> cg = vm.getChoiceGenerator();
262         if (cg instanceof IntChoiceFromSet || cg instanceof IntIntervalGenerator) {
263           int currentChoice = choiceCounter - 1;  // Accumulative choice w.r.t the current trace
264           if (currentChoice < 0) { // If choice is -1 then skip
265             return;
266           }
267           currentChoice = checkAndAdjustChoice(currentChoice, vm);
268           // Record accesses from executed instructions
269           if (executedInsn instanceof JVMFieldInstruction) {
270             // We don't care about libraries
271             if (!isFieldExcluded(executedInsn)) {
272               analyzeReadWriteAccesses(executedInsn, currentChoice);
273             }
274           } else if (executedInsn instanceof INVOKEINTERFACE) {
275             // Handle the read/write accesses that occur through iterators
276             analyzeReadWriteAccesses(executedInsn, ti, currentChoice);
277           }
278         }
279       }
280     }
281   }
282
283
284   // == HELPERS
285
286   // -- INNER CLASSES
287
288   // This class compactly stores backtrack execution:
289   // 1) backtrack choice list, and
290   // 2) first backtrack point (linking with predecessor execution)
291   private class BacktrackExecution {
292     private Integer[] choiceList;
293     private TransitionEvent firstTransition;
294
295     public BacktrackExecution(Integer[] choList, TransitionEvent fTransition) {
296       choiceList = choList;
297       firstTransition = fTransition;
298     }
299
300     public Integer[] getChoiceList() {
301       return choiceList;
302     }
303
304     public TransitionEvent getFirstTransition() {
305       return firstTransition;
306     }
307   }
308
309   // This class stores a representation of an execution
310   // TODO: We can modify this class to implement some optimization (e.g., clock-vector)
311   // TODO: We basically need to keep track of:
312   // TODO:    (1) last read/write access to each memory location
313   // TODO:    (2) last state with two or more incoming events/transitions
314   private class Execution {
315     private HashMap<IntChoiceFromSet, Integer> cgToChoiceMap;   // Map between CG to choice numbers for O(1) access
316     private ArrayList<TransitionEvent> executionTrace;          // The BacktrackPoint objects of this execution
317     private boolean isNew;                                      // Track if this is the first time it is accessed
318     private HashMap<Integer, ReadWriteSet> readWriteFieldsMap;  // Record fields that are accessed
319
320     public Execution() {
321       cgToChoiceMap = new HashMap<>();
322       executionTrace = new ArrayList<>();
323       isNew = true;
324       readWriteFieldsMap = new HashMap<>();
325     }
326
327     public void addTransition(TransitionEvent newBacktrackPoint) {
328       executionTrace.add(newBacktrackPoint);
329     }
330
331     public void clearCGToChoiceMap() {
332       cgToChoiceMap = null;
333     }
334
335     public int getChoiceFromCG(IntChoiceFromSet icsCG) {
336       return cgToChoiceMap.get(icsCG);
337     }
338
339     public ArrayList<TransitionEvent> getExecutionTrace() {
340       return executionTrace;
341     }
342
343     public TransitionEvent getFirstTransition() {
344       return executionTrace.get(0);
345     }
346
347     public TransitionEvent getLastTransition() {
348       return executionTrace.get(executionTrace.size() - 1);
349     }
350
351     public HashMap<Integer, ReadWriteSet> getReadWriteFieldsMap() {
352       return readWriteFieldsMap;
353     }
354
355     public boolean isNew() {
356       if (isNew) {
357         // Right after this is accessed, it is no longer new
358         isNew = false;
359         return true;
360       }
361       return false;
362     }
363
364     public void mapCGToChoice(IntChoiceFromSet icsCG, int choice) {
365       cgToChoiceMap.put(icsCG, choice);
366     }
367   }
368
369   // This class compactly stores a predecessor
370   // 1) a predecessor execution
371   // 2) the predecessor choice in that predecessor execution
372   private class Predecessor {
373     private int choice;           // Predecessor choice
374     private Execution execution;  // Predecessor execution
375
376     public Predecessor(int predChoice, Execution predExec) {
377       choice = predChoice;
378       execution = predExec;
379     }
380
381     public int getChoice() {
382       return choice;
383     }
384
385     public Execution getExecution() {
386       return execution;
387     }
388   }
389
390   // This class represents a R-Graph (in the paper it is a state transition graph R)
391   // This implementation stores reachable transitions from and connects with past executions
392   private class RGraph {
393     private int hiStateId;                                     // Maximum state Id
394     private HashMap<Integer, HashSet<TransitionEvent>> graph;  // Reachable transitions from past executions
395
396     public RGraph() {
397       hiStateId = 0;
398       graph = new HashMap<>();
399     }
400
401     public void addReachableTransition(int stateId, TransitionEvent transition) {
402       HashSet<TransitionEvent> transitionSet;
403       if (graph.containsKey(stateId)) {
404         transitionSet = graph.get(stateId);
405       } else {
406         transitionSet = new HashSet<>();
407         graph.put(stateId, transitionSet);
408       }
409       // Insert into the set if it does not contain it yet
410       if (!transitionSet.contains(transition)) {
411         transitionSet.add(transition);
412       }
413       // Update highest state ID
414       if (hiStateId < stateId) {
415         hiStateId = stateId;
416       }
417     }
418
419     public HashSet<TransitionEvent> getReachableTransitionsAtState(int stateId) {
420       if (!graph.containsKey(stateId)) {
421         // This is a loop from a transition to itself, so just return the current transition
422         HashSet<TransitionEvent> transitionSet = new HashSet<>();
423         transitionSet.add(currentExecution.getLastTransition());
424         return transitionSet;
425       }
426       return graph.get(stateId);
427     }
428
429     public HashSet<TransitionEvent> getReachableTransitions(int stateId) {
430       HashSet<TransitionEvent> reachableTransitions = new HashSet<>();
431       // All transitions from states higher than the given state ID (until the highest state ID) are reachable
432       for(int stId = stateId; stId <= hiStateId; stId++) {
433         // We might encounter state IDs from the first round of Boolean CG
434         // The second round of Boolean CG should consider these new states
435         if (graph.containsKey(stId)) {
436           reachableTransitions.addAll(graph.get(stId));
437         }
438       }
439       return reachableTransitions;
440     }
441   }
442
443   // This class compactly stores Read and Write field sets
444   // We store the field name and its object ID
445   // Sharing the same field means the same field name and object ID
446   private class ReadWriteSet {
447     private HashMap<String, Integer> readMap;
448     private HashMap<String, Integer> writeMap;
449
450     public ReadWriteSet() {
451       readMap = new HashMap<>();
452       writeMap = new HashMap<>();
453     }
454
455     public void addReadField(String field, int objectId) {
456       readMap.put(field, objectId);
457     }
458
459     public void addWriteField(String field, int objectId) {
460       writeMap.put(field, objectId);
461     }
462
463     public void removeReadField(String field) {
464       readMap.remove(field);
465     }
466
467     public void removeWriteField(String field) {
468       writeMap.remove(field);
469     }
470
471     public boolean isEmpty() {
472       return readMap.isEmpty() && writeMap.isEmpty();
473     }
474
475     public ReadWriteSet getCopy() {
476       ReadWriteSet copyRWSet = new ReadWriteSet();
477       // Copy the maps in the set into the new object copy
478       copyRWSet.setReadMap(new HashMap<>(this.getReadMap()));
479       copyRWSet.setWriteMap(new HashMap<>(this.getWriteMap()));
480       return copyRWSet;
481     }
482
483     public Set<String> getReadSet() {
484       return readMap.keySet();
485     }
486
487     public Set<String> getWriteSet() {
488       return writeMap.keySet();
489     }
490
491     public boolean readFieldExists(String field) {
492       return readMap.containsKey(field);
493     }
494
495     public boolean writeFieldExists(String field) {
496       return writeMap.containsKey(field);
497     }
498
499     public int readFieldObjectId(String field) {
500       return readMap.get(field);
501     }
502
503     public int writeFieldObjectId(String field) {
504       return writeMap.get(field);
505     }
506
507     private HashMap<String, Integer> getReadMap() {
508       return readMap;
509     }
510
511     private HashMap<String, Integer> getWriteMap() {
512       return writeMap;
513     }
514
515     private void setReadMap(HashMap<String, Integer> rMap) {
516       readMap = rMap;
517     }
518
519     private void setWriteMap(HashMap<String, Integer> wMap) {
520       writeMap = wMap;
521     }
522   }
523
524   // This class compactly stores transitions:
525   // 1) CG,
526   // 2) state ID,
527   // 3) choice,
528   // 4) predecessors (for backward DFS).
529   private class TransitionEvent {
530     private int choice;                        // Choice chosen at this transition
531     private int choiceCounter;                 // Choice counter at this transition
532     private Execution execution;               // The execution where this transition belongs
533     private HashSet<Predecessor> predecessors; // Maps incoming events/transitions (execution and choice)
534     private int stateId;                       // State at this transition
535     private IntChoiceFromSet transitionCG;     // CG at this transition
536
537     public TransitionEvent() {
538       choice = 0;
539       choiceCounter = 0;
540       execution = null;
541       predecessors = new HashSet<>();
542       stateId = 0;
543       transitionCG = null;
544     }
545
546     public int getChoice() {
547       return choice;
548     }
549
550     public int getChoiceCounter() {
551       return choiceCounter;
552     }
553
554     public Execution getExecution() {
555       return execution;
556     }
557
558     public HashSet<Predecessor> getPredecessors() {
559       return predecessors;
560     }
561
562     public int getStateId() {
563       return stateId;
564     }
565
566     public IntChoiceFromSet getTransitionCG() { return transitionCG; }
567
568     public void recordPredecessor(Execution execution, int choice) {
569       predecessors.add(new Predecessor(choice, execution));
570     }
571
572     public void setChoice(int cho) {
573       choice = cho;
574     }
575
576     public void setChoiceCounter(int choCounter) {
577       choiceCounter = choCounter;
578     }
579
580     public void setExecution(Execution exec) {
581       execution = exec;
582     }
583
584     public void setPredecessors(HashSet<Predecessor> preds) {
585       predecessors = new HashSet<>(preds);
586     }
587
588     public void setStateId(int stId) {
589       stateId = stId;
590     }
591
592     public void setTransitionCG(IntChoiceFromSet cg) {
593       transitionCG = cg;
594     }
595   }
596
597   // -- CONSTANTS
598   private final static String DO_CALL_METHOD = "doCall";
599   // We exclude fields that come from libraries (Java and Groovy), and also the infrastructure
600   private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_CONTAINS_LIST = {"_closure"};
601   private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_ENDS_WITH_LIST =
602           // Groovy library created fields
603           {"stMC", "callSiteArray", "metaClass", "staticClassInfo", "__constructor__",
604           // Infrastructure
605           "sendEvent", "Object", "reference", "location", "app", "state", "log", "functionList", "objectList",
606           "eventList", "valueList", "settings", "printToConsole", "app1", "app2"};
607   private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_STARTS_WITH_LIST =
608           // Java and Groovy libraries
609           { "java", "org", "sun", "com", "gov", "groovy"};
610   private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_READ_WRITE_INSTRUCTIONS_STARTS_WITH_LIST = {"Event"};
611   private final static String GET_PROPERTY_METHOD =
612           "invokeinterface org.codehaus.groovy.runtime.callsite.CallSite.callGetProperty";
613   private final static String GROOVY_CALLSITE_LIB = "org.codehaus.groovy.runtime.callsite";
614   private final static String JAVA_INTEGER = "int";
615   private final static String JAVA_STRING_LIB = "java.lang.String";
616
617   // -- FUNCTIONS
618   private Integer[] copyChoices(Integer[] choicesToCopy) {
619
620     Integer[] copyOfChoices = new Integer[choicesToCopy.length];
621     System.arraycopy(choicesToCopy, 0, copyOfChoices, 0, choicesToCopy.length);
622     return copyOfChoices;
623   }
624
625   private void ensureFairSchedulingAndSetupTransition(IntChoiceFromSet icsCG, VM vm) {
626     // Check the next choice and if the value is not the same as the expected then force the expected value
627     int choiceIndex = choiceCounter % refChoices.length;
628     int nextChoice = icsCG.getNextChoice();
629     if (refChoices[choiceIndex] != nextChoice) {
630       int expectedChoice = refChoices[choiceIndex];
631       int currCGIndex = icsCG.getNextChoiceIndex();
632       if ((currCGIndex >= 0) && (currCGIndex < refChoices.length)) {
633         icsCG.setChoice(currCGIndex, expectedChoice);
634       }
635     }
636     // Get state ID and associate it with this transition
637     int stateId = vm.getStateId();
638     TransitionEvent transition = setupTransition(icsCG, stateId, choiceIndex);
639     // Add new transition to the current execution and map it in R-Graph
640     for (Integer stId : justVisitedStates) {  // Map this transition to all the previously passed states
641       rGraph.addReachableTransition(stId, transition);
642     }
643     currentExecution.mapCGToChoice(icsCG, choiceCounter);
644     // Store restorable state object for this state (always store the latest)
645     if (!restorableStateMap.containsKey(stateId)) {
646       RestorableVMState restorableState = vm.getRestorableState();
647       restorableStateMap.put(stateId, restorableState);
648     }
649   }
650
651   private TransitionEvent setupTransition(IntChoiceFromSet icsCG, int stateId, int choiceIndex) {
652     // Get a new transition
653     TransitionEvent transition;
654     if (currentExecution.isNew()) {
655       // We need to handle the first transition differently because this has a predecessor execution
656       transition = currentExecution.getFirstTransition();
657     } else {
658       transition = new TransitionEvent();
659       currentExecution.addTransition(transition);
660       transition.recordPredecessor(currentExecution, choiceCounter - 1);
661     }
662     transition.setExecution(currentExecution);
663     transition.setTransitionCG(icsCG);
664     transition.setStateId(stateId);
665     transition.setChoice(refChoices[choiceIndex]);
666     transition.setChoiceCounter(choiceCounter);
667
668     return transition;
669   }
670
671   // --- Functions related to cycle detection and reachability graph
672
673   // Detect cycles in the current execution/trace
674   // We terminate the execution iff:
675   // (1) the state has been visited in the current execution
676   // (2) the state has one or more cycles that involve all the events
677   // With simple approach we only need to check for a re-visited state.
678   // Basically, we have to check that we have executed all events between two occurrences of such state.
679   private boolean completeFullCycle(int stId) {
680     // False if the state ID hasn't been recorded
681     if (!stateToEventMap.containsKey(stId)) {
682       return false;
683     }
684     HashSet<Integer> visitedEvents = stateToEventMap.get(stId);
685     // Check if this set contains all the event choices
686     // If not then this is not the terminating condition
687     for(int i=0; i<=maxEventChoice; i++) {
688       if (!visitedEvents.contains(i)) {
689         return false;
690       }
691     }
692     return true;
693   }
694
695   private void initializeStatesVariables() {
696     // DPOR-related
697     choices = null;
698     refChoices = null;
699     choiceCounter = 0;
700     maxEventChoice = 0;
701     // Cycle tracking
702     currVisitedStates = new HashSet<>();
703     justVisitedStates = new HashSet<>();
704     prevVisitedStates = new HashSet<>();
705     stateToEventMap = new HashMap<>();
706     // Backtracking
707     backtrackMap = new HashMap<>();
708     backtrackStateQ = new PriorityQueue<>(Collections.reverseOrder());
709     currentExecution = new Execution();
710     currentExecution.addTransition(new TransitionEvent()); // Always start with 1 backtrack point
711     doneBacktrackMap = new HashMap<>();
712     rGraph = new RGraph();
713     // Booleans
714     isEndOfExecution = false;
715   }
716
717   private void mapStateToEvent(int nextChoiceValue) {
718     // Update all states with this event/choice
719     // This means that all past states now see this transition
720     Set<Integer> stateSet = stateToEventMap.keySet();
721     for(Integer stateId : stateSet) {
722       HashSet<Integer> eventSet = stateToEventMap.get(stateId);
723       eventSet.add(nextChoiceValue);
724     }
725   }
726
727   private boolean terminateCurrentExecution() {
728     // We need to check all the states that have just been visited
729     // Often a transition (choice/event) can result into forwarding/backtracking to a number of states
730     for(Integer stateId : justVisitedStates) {
731       if (prevVisitedStates.contains(stateId) || completeFullCycle(stateId)) {
732         return true;
733       }
734     }
735     return false;
736   }
737
738   private void updateStateInfo(Search search) {
739     // Update the state variables
740     int stateId = search.getStateId();
741     // Insert state ID into the map if it is new
742     if (!stateToEventMap.containsKey(stateId)) {
743       HashSet<Integer> eventSet = new HashSet<>();
744       stateToEventMap.put(stateId, eventSet);
745     }
746     analyzeReachabilityAndCreateBacktrackPoints(search.getVM(), stateId);
747     justVisitedStates.add(stateId);
748     if (!prevVisitedStates.contains(stateId)) {
749       // It is a currently visited states if the state has not been seen in previous executions
750       currVisitedStates.add(stateId);
751     }
752   }
753
754   // --- Functions related to Read/Write access analysis on shared fields
755
756   private void addNewBacktrackPoint(int stateId, Integer[] newChoiceList, TransitionEvent conflictTransition) {
757     // Insert backtrack point to the right state ID
758     LinkedList<BacktrackExecution> backtrackExecList;
759     if (backtrackMap.containsKey(stateId)) {
760       backtrackExecList = backtrackMap.get(stateId);
761     } else {
762       backtrackExecList = new LinkedList<>();
763       backtrackMap.put(stateId, backtrackExecList);
764     }
765     // Add the new backtrack execution object
766     TransitionEvent backtrackTransition = new TransitionEvent();
767     backtrackTransition.setPredecessors(conflictTransition.getPredecessors());
768     backtrackExecList.addFirst(new BacktrackExecution(newChoiceList, backtrackTransition));
769     // Add to priority queue
770     if (!backtrackStateQ.contains(stateId)) {
771       backtrackStateQ.add(stateId);
772     }
773   }
774
775   // Analyze Read/Write accesses that are directly invoked on fields
776   private void analyzeReadWriteAccesses(Instruction executedInsn, int currentChoice) {
777     // Get the field info
778     FieldInfo fieldInfo = ((JVMFieldInstruction) executedInsn).getFieldInfo();
779     // Analyze only after being initialized
780     String fieldClass = fieldInfo.getFullName();
781     // Do the analysis to get Read and Write accesses to fields
782     ReadWriteSet rwSet = getReadWriteSet(currentChoice);
783     int objectId = fieldInfo.getClassInfo().getClassObjectRef();
784     // Record the field in the map
785     if (executedInsn instanceof WriteInstruction) {
786       // We first check the non-relevant fields set
787       if (!nonRelevantFields.contains(fieldInfo)) {
788         // Exclude certain field writes because of infrastructure needs, e.g., Event class field writes
789         for (String str : EXCLUDED_FIELDS_READ_WRITE_INSTRUCTIONS_STARTS_WITH_LIST) {
790           if (fieldClass.startsWith(str)) {
791             nonRelevantFields.add(fieldInfo);
792             return;
793           }
794         }
795       } else {
796         // If we have this field in the non-relevant fields set then we return right away
797         return;
798       }
799       rwSet.addWriteField(fieldClass, objectId);
800     } else if (executedInsn instanceof ReadInstruction) {
801       rwSet.addReadField(fieldClass, objectId);
802     }
803   }
804
805   // Analyze Read accesses that are indirect (performed through iterators)
806   // These accesses are marked by certain bytecode instructions, e.g., INVOKEINTERFACE
807   private void analyzeReadWriteAccesses(Instruction instruction, ThreadInfo ti, int currentChoice) {
808     // Get method name
809     INVOKEINTERFACE insn = (INVOKEINTERFACE) instruction;
810     if (insn.toString().startsWith(GET_PROPERTY_METHOD) &&
811             insn.getMethodInfo().getName().equals(DO_CALL_METHOD)) {
812       // Extract info from the stack frame
813       StackFrame frame = ti.getTopFrame();
814       int[] frameSlots = frame.getSlots();
815       // Get the Groovy callsite library at index 0
816       ElementInfo eiCallsite = VM.getVM().getHeap().get(frameSlots[0]);
817       if (!eiCallsite.getClassInfo().getName().startsWith(GROOVY_CALLSITE_LIB)) {
818         return;
819       }
820       // Get the iterated object whose property is accessed
821       ElementInfo eiAccessObj = VM.getVM().getHeap().get(frameSlots[1]);
822       if (eiAccessObj == null) {
823         return;
824       }
825       // We exclude library classes (they start with java, org, etc.) and some more
826       ClassInfo classInfo = eiAccessObj.getClassInfo();
827       String objClassName = classInfo.getName();
828       // Check if this class info is part of the non-relevant classes set already
829       if (!nonRelevantClasses.contains(classInfo)) {
830         if (excludeThisForItStartsWith(EXCLUDED_FIELDS_READ_WRITE_INSTRUCTIONS_STARTS_WITH_LIST, objClassName) ||
831                 excludeThisForItStartsWith(EXCLUDED_FIELDS_STARTS_WITH_LIST, objClassName)) {
832           nonRelevantClasses.add(classInfo);
833           return;
834         }
835       } else {
836         // If it is part of the non-relevant classes set then return immediately
837         return;
838       }
839       // Extract fields from this object and put them into the read write
840       int numOfFields = eiAccessObj.getNumberOfFields();
841       for(int i=0; i<numOfFields; i++) {
842         FieldInfo fieldInfo = eiAccessObj.getFieldInfo(i);
843         if (fieldInfo.getType().equals(JAVA_STRING_LIB) || fieldInfo.getType().equals(JAVA_INTEGER)) {
844           String fieldClass = fieldInfo.getFullName();
845           ReadWriteSet rwSet = getReadWriteSet(currentChoice);
846           int objectId = fieldInfo.getClassInfo().getClassObjectRef();
847           // Record the field in the map
848           rwSet.addReadField(fieldClass, objectId);
849         }
850       }
851     }
852   }
853
854   private int checkAndAdjustChoice(int currentChoice, VM vm) {
855     // If current choice is not the same, then this is caused by the firing of IntIntervalGenerator
856     // for certain method calls in the infrastructure, e.g., eventSince()
857     ChoiceGenerator<?> currentCG = vm.getChoiceGenerator();
858     // This is the main event CG
859     if (currentCG instanceof IntIntervalGenerator) {
860       // This is the interval CG used in device handlers
861       ChoiceGenerator<?> parentCG = ((IntIntervalGenerator) currentCG).getPreviousChoiceGenerator();
862       // Iterate until we find the IntChoiceFromSet CG
863       while (!(parentCG instanceof IntChoiceFromSet)) {
864         parentCG = ((IntIntervalGenerator) parentCG).getPreviousChoiceGenerator();
865       }
866       // Find the choice related to the IntIntervalGenerator CG from the map
867       currentChoice = currentExecution.getChoiceFromCG((IntChoiceFromSet) parentCG);
868     }
869     return currentChoice;
870   }
871
872   private void createBacktrackingPoint(Execution execution, int currentChoice,
873                                        Execution conflictExecution, int conflictChoice) {
874     // Create a new list of choices for backtrack based on the current choice and conflicting event number
875     // E.g. if we have a conflict between 1 and 3, then we create the list {3, 1, 0, 2}
876     // for the original set {0, 1, 2, 3}
877     
878     // execution/currentChoice represent the event/transaction that will be put into the backtracking set of
879     // conflictExecution/conflictChoice
880     Integer[] newChoiceList = new Integer[refChoices.length];
881     ArrayList<TransitionEvent> currentTrace = execution.getExecutionTrace();
882     ArrayList<TransitionEvent> conflictTrace = conflictExecution.getExecutionTrace();
883     int currChoice = currentTrace.get(currentChoice).getChoice();
884     int stateId = conflictTrace.get(conflictChoice).getStateId();
885     // Check if this trace has been done from this state
886     if (isTraceAlreadyConstructed(currChoice, stateId)) {
887       return;
888     }
889     // Put the conflicting event numbers first and reverse the order
890     newChoiceList[0] = currChoice;
891     // Put the rest of the event numbers into the array starting from the minimum to the upper bound
892     for (int i = 0, j = 1; i < refChoices.length; i++) {
893       if (refChoices[i] != newChoiceList[0]) {
894         newChoiceList[j] = refChoices[i];
895         j++;
896       }
897     }
898     // Predecessor of the new backtrack point is the same as the conflict point's
899     addNewBacktrackPoint(stateId, newChoiceList, conflictTrace.get(conflictChoice));
900   }
901
902   private boolean excludeThisForItContains(String[] excludedStrings, String className) {
903     for (String excludedField : excludedStrings) {
904       if (className.contains(excludedField)) {
905         return true;
906       }
907     }
908     return false;
909   }
910
911   private boolean excludeThisForItEndsWith(String[] excludedStrings, String className) {
912     for (String excludedField : excludedStrings) {
913       if (className.endsWith(excludedField)) {
914         return true;
915       }
916     }
917     return false;
918   }
919
920   private boolean excludeThisForItStartsWith(String[] excludedStrings, String className) {
921     for (String excludedField : excludedStrings) {
922       if (className.startsWith(excludedField)) {
923         return true;
924       }
925     }
926     return false;
927   }
928
929   private void exploreNextBacktrackPoints(VM vm, IntChoiceFromSet icsCG) {
930                 // Check if we are reaching the end of our execution: no more backtracking points to explore
931                 // cgMap, backtrackMap, backtrackStateQ are updated simultaneously (checking backtrackStateQ is enough)
932                 if (!backtrackStateQ.isEmpty()) {
933                         // Set done all the other backtrack points
934                         for (TransitionEvent backtrackTransition : currentExecution.getExecutionTrace()) {
935         backtrackTransition.getTransitionCG().setDone();
936                         }
937                         // Reset the next backtrack point with the latest state
938                         int hiStateId = backtrackStateQ.peek();
939                         // Restore the state first if necessary
940                         if (vm.getStateId() != hiStateId) {
941                                 RestorableVMState restorableState = restorableStateMap.get(hiStateId);
942                                 vm.restoreState(restorableState);
943                         }
944                         // Set the backtrack CG
945                         IntChoiceFromSet backtrackCG = (IntChoiceFromSet) vm.getChoiceGenerator();
946                         setBacktrackCG(hiStateId, backtrackCG);
947                 } else {
948                         // Set done this last CG (we save a few rounds)
949                         icsCG.setDone();
950                 }
951                 // Save all the visited states when starting a new execution of trace
952                 prevVisitedStates.addAll(currVisitedStates);
953                 // This marks a transitional period to the new CG
954                 isEndOfExecution = true;
955   }
956
957   private boolean isConflictFound(Execution execution, int reachableChoice, Execution conflictExecution, int conflictChoice,
958                                   ReadWriteSet currRWSet) {
959     // conflictExecution/conflictChoice represent a predecessor event/transaction that can potentially have a conflict
960     ArrayList<TransitionEvent> executionTrace = execution.getExecutionTrace();
961     ArrayList<TransitionEvent> conflictTrace = conflictExecution.getExecutionTrace();
962     HashMap<Integer, ReadWriteSet> confRWFieldsMap = conflictExecution.getReadWriteFieldsMap();
963     // Skip if this event does not have any Read/Write set or the two events are basically the same event (number)
964     if (!confRWFieldsMap.containsKey(conflictChoice) ||
965             executionTrace.get(reachableChoice).getChoice() == conflictTrace.get(conflictChoice).getChoice()) {
966       return false;
967     }
968     // R/W set of choice/event that may have a potential conflict
969     ReadWriteSet confRWSet = confRWFieldsMap.get(conflictChoice);
970     // Check for conflicts with Read and Write fields for Write instructions
971     Set<String> currWriteSet = currRWSet.getWriteSet();
972     for(String writeField : currWriteSet) {
973       int currObjId = currRWSet.writeFieldObjectId(writeField);
974       if ((confRWSet.readFieldExists(writeField) && confRWSet.readFieldObjectId(writeField) == currObjId) ||
975           (confRWSet.writeFieldExists(writeField) && confRWSet.writeFieldObjectId(writeField) == currObjId)) {
976         // Remove this from the write set as we are tracking per memory location
977         currRWSet.removeWriteField(writeField);
978         return true;
979       }
980     }
981     // Check for conflicts with Write fields for Read instructions
982     Set<String> currReadSet = currRWSet.getReadSet();
983     for(String readField : currReadSet) {
984       int currObjId = currRWSet.readFieldObjectId(readField);
985       if (confRWSet.writeFieldExists(readField) && confRWSet.writeFieldObjectId(readField) == currObjId) {
986         // Remove this from the read set as we are tracking per memory location
987         currRWSet.removeReadField(readField);
988         return true;
989       }
990     }
991     // Return false if no conflict is found
992     return false;
993   }
994
995   private ReadWriteSet getReadWriteSet(int currentChoice) {
996     // Do the analysis to get Read and Write accesses to fields
997     ReadWriteSet rwSet;
998     // We already have an entry
999     HashMap<Integer, ReadWriteSet> currReadWriteFieldsMap = currentExecution.getReadWriteFieldsMap();
1000     if (currReadWriteFieldsMap.containsKey(currentChoice)) {
1001       rwSet = currReadWriteFieldsMap.get(currentChoice);
1002     } else { // We need to create a new entry
1003       rwSet = new ReadWriteSet();
1004       currReadWriteFieldsMap.put(currentChoice, rwSet);
1005     }
1006     return rwSet;
1007   }
1008
1009   private boolean isFieldExcluded(Instruction executedInsn) {
1010     // Get the field info
1011     FieldInfo fieldInfo = ((JVMFieldInstruction) executedInsn).getFieldInfo();
1012     // Check if the non-relevant fields set already has it
1013     if (nonRelevantFields.contains(fieldInfo)) {
1014       return true;
1015     }
1016     // Check if the relevant fields set already has it
1017     if (relevantFields.contains(fieldInfo)) {
1018       return false;
1019     }
1020     // Analyze only after being initialized
1021     String field = fieldInfo.getFullName();
1022     // Check against "starts-with", "ends-with", and "contains" list
1023     if (excludeThisForItStartsWith(EXCLUDED_FIELDS_STARTS_WITH_LIST, field) ||
1024             excludeThisForItEndsWith(EXCLUDED_FIELDS_ENDS_WITH_LIST, field) ||
1025             excludeThisForItContains(EXCLUDED_FIELDS_CONTAINS_LIST, field)) {
1026       nonRelevantFields.add(fieldInfo);
1027       return true;
1028     }
1029     relevantFields.add(fieldInfo);
1030     return false;
1031   }
1032
1033   // Check if this trace is already constructed
1034   private boolean isTraceAlreadyConstructed(int firstChoice, int stateId) {
1035     // Concatenate state ID and only the first event in the string, e.g., "1:1 for the trace 10234 at state 1"
1036     // Check if the trace has been constructed as a backtrack point for this state
1037     // TODO: THIS IS AN OPTIMIZATION!
1038     HashSet<Integer> choiceSet;
1039     if (doneBacktrackMap.containsKey(stateId)) {
1040       choiceSet = doneBacktrackMap.get(stateId);
1041       if (choiceSet.contains(firstChoice)) {
1042         return true;
1043       }
1044     } else {
1045       choiceSet = new HashSet<>();
1046       doneBacktrackMap.put(stateId, choiceSet);
1047     }
1048     choiceSet.add(firstChoice);
1049
1050     return false;
1051   }
1052
1053   // Reset data structure for each new execution
1054   private void resetStatesForNewExecution(IntChoiceFromSet icsCG, VM vm) {
1055     if (choices == null || choices != icsCG.getAllChoices()) {
1056       // Reset state variables
1057       choiceCounter = 0;
1058       choices = icsCG.getAllChoices();
1059       refChoices = copyChoices(choices);
1060       // Clear data structures
1061       currVisitedStates = new HashSet<>();
1062       stateToEventMap = new HashMap<>();
1063       isEndOfExecution = false;
1064     }
1065   }
1066
1067   // Set a backtrack point for a particular state
1068   private void setBacktrackCG(int stateId, IntChoiceFromSet backtrackCG) {
1069     // Set a backtrack CG based on a state ID
1070     LinkedList<BacktrackExecution> backtrackExecutions = backtrackMap.get(stateId);
1071     BacktrackExecution backtrackExecution = backtrackExecutions.removeLast();
1072     backtrackCG.setNewValues(backtrackExecution.getChoiceList());  // Get the last from the queue
1073     backtrackCG.setStateId(stateId);
1074     backtrackCG.reset();
1075     // Update current execution with this new execution
1076     Execution newExecution = new Execution();
1077     TransitionEvent firstTransition = backtrackExecution.getFirstTransition();
1078     newExecution.addTransition(firstTransition);
1079     // Try to free some memory since this map is only used for the current execution
1080     currentExecution.clearCGToChoiceMap();
1081     currentExecution = newExecution;
1082     // Remove from the queue if we don't have more backtrack points for that state
1083     if (backtrackExecutions.isEmpty()) {
1084       backtrackMap.remove(stateId);
1085       backtrackStateQ.remove(stateId);
1086     }
1087   }
1088
1089   // Update backtrack sets
1090   // 1) recursively, and
1091   // 2) track accesses per memory location (per shared variable/field)
1092   private void updateBacktrackSet(Execution execution, int currentChoice) {
1093     // Copy ReadWriteSet object
1094     HashMap<Integer, ReadWriteSet> currRWFieldsMap = execution.getReadWriteFieldsMap();
1095     ReadWriteSet currRWSet = currRWFieldsMap.get(currentChoice);
1096     if (currRWSet == null) {
1097       return;
1098     }
1099     currRWSet = currRWSet.getCopy();
1100     // Memorize visited TransitionEvent object while performing backward DFS to avoid getting caught up in a cycle
1101     HashSet<TransitionEvent> visited = new HashSet<>();
1102     // Update backtrack set recursively
1103     // TODO: The following is the call to the original version of the method
1104 //    updateBacktrackSetRecursive(execution, currentChoice, execution, currentChoice, currRWSet, visited);
1105     // TODO: The following is the call to the version of the method with pushing up happens-before transitions
1106     updateBacktrackSetRecursive(execution, currentChoice, execution, currentChoice, currRWSet, visited);
1107   }
1108
1109 //  TODO: This is the original version of the recursive method
1110 //  private void updateBacktrackSetRecursive(Execution execution, int currentChoice,
1111 //                                           Execution conflictExecution, int conflictChoice,
1112 //                                           ReadWriteSet currRWSet, HashSet<TransitionEvent> visited) {
1113 //    // Halt when we have found the first read/write conflicts for all memory locations
1114 //    if (currRWSet.isEmpty()) {
1115 //      return;
1116 //    }
1117 //    TransitionEvent confTrans = conflictExecution.getExecutionTrace().get(conflictChoice);
1118 //    // Halt when we have visited this transition (in a cycle)
1119 //    if (visited.contains(confTrans)) {
1120 //      return;
1121 //    }
1122 //    visited.add(confTrans);
1123 //    // Explore all predecessors
1124 //    for (Predecessor predecessor : confTrans.getPredecessors()) {
1125 //      // Get the predecessor (previous conflict choice)
1126 //      conflictChoice = predecessor.getChoice();
1127 //      conflictExecution = predecessor.getExecution();
1128 //      // Check if a conflict is found
1129 //      if (isConflictFound(execution, currentChoice, conflictExecution, conflictChoice, currRWSet)) {
1130 //        createBacktrackingPoint(execution, currentChoice, conflictExecution, conflictChoice);
1131 //      }
1132 //      // Continue performing DFS if conflict is not found
1133 //      updateBacktrackSetRecursive(execution, currentChoice, conflictExecution, conflictChoice, currRWSet, visited);
1134 //    }
1135 //  }
1136
1137   // TODO: This is the version of the method with pushing up happens-before transitions
1138   private void updateBacktrackSetRecursive(Execution execution, int currentChoice,
1139                                            Execution conflictExecution, int conflictChoice,
1140                                            ReadWriteSet currRWSet, HashSet<TransitionEvent> visited) {
1141     // Halt when we have found the first read/write conflicts for all memory locations
1142     if (currRWSet.isEmpty()) {
1143       return;
1144     }
1145     TransitionEvent currTrans = execution.getExecutionTrace().get(currentChoice);
1146     // Halt when we have visited this transition (in a cycle)
1147     if (visited.contains(currTrans)) {
1148       return;
1149     }
1150     visited.add(currTrans);
1151     // Explore all predecessors
1152     for (Predecessor predecessor : currTrans.getPredecessors()) {
1153       // Get the predecessor (previous conflict choice)
1154       int predecessorChoice = predecessor.getChoice();
1155       Execution predecessorExecution = predecessor.getExecution();
1156       // Push up one happens-before transition
1157       int newConflictChoice = conflictChoice;
1158       Execution newConflictExecution = conflictExecution;
1159       // Check if a conflict is found
1160       if (isConflictFound(conflictExecution, conflictChoice, predecessorExecution, predecessorChoice, currRWSet)) {
1161         createBacktrackingPoint(conflictExecution, conflictChoice, predecessorExecution, predecessorChoice);
1162         newConflictChoice = conflictChoice;
1163         newConflictExecution = conflictExecution;
1164       }
1165       // Continue performing DFS if conflict is not found
1166       updateBacktrackSetRecursive(predecessorExecution, predecessorChoice, newConflictExecution, newConflictChoice,
1167               currRWSet, visited);
1168     }
1169     // Remove the transition after being explored
1170     // TODO: Seems to cause a lot of loops---commented out for now
1171     //visited.remove(confTrans);
1172   }
1173
1174   // --- Functions related to the reachability analysis when there is a state match
1175
1176   private void analyzeReachabilityAndCreateBacktrackPoints(VM vm, int stateId) {
1177     // Perform this analysis only when:
1178     // 1) this is not during a switch to a new execution,
1179     // 2) at least 2 choices/events have been explored (choiceCounter > 1),
1180     // 3) state > 0 (state 0 is for boolean CG)
1181     if (!isEndOfExecution && choiceCounter > 1 && stateId > 0) {
1182       if (currVisitedStates.contains(stateId) || prevVisitedStates.contains(stateId)) {
1183         // Update reachable transitions in the graph with a predecessor
1184         HashSet<TransitionEvent> reachableTransitions = rGraph.getReachableTransitionsAtState(stateId);
1185         for(TransitionEvent transition : reachableTransitions) {
1186           transition.recordPredecessor(currentExecution, choiceCounter - 1);
1187         }
1188         updateBacktrackSetsFromPreviousExecution(stateId);
1189       }
1190     }
1191   }
1192
1193   // Update the backtrack sets from previous executions
1194   private void updateBacktrackSetsFromPreviousExecution(int stateId) {
1195     // Collect all the reachable transitions from R-Graph
1196     HashSet<TransitionEvent> reachableTransitions = rGraph.getReachableTransitions(stateId);
1197     for(TransitionEvent transition : reachableTransitions) {
1198       Execution execution = transition.getExecution();
1199       int currentChoice = transition.getChoiceCounter();
1200       updateBacktrackSet(execution, currentChoice);
1201     }
1202   }
1203 }