model.cc

   1 #include <stdio.h>
   2 #include <algorithm>
   3 #include <new>
   4 #include <stdarg.h>
   5 #include <string.h>
   6 #include <cstdlib>
   7
   8 #include "model.h"
   9 #include "action.h"
  10 #include "schedule.h"
  11 #include "snapshot-interface.h"
  12 #include "common.h"
  13 #include "datarace.h"
  14 #include "threads-model.h"
  15 #include "output.h"
  16 #include "traceanalysis.h"
  17 #include "execution.h"
  18 #include "history.h"
  19 #include "bugmessage.h"
  20 #include "params.h"
  21
  22 ModelChecker *model = NULL;
  23
  24 /** Wrapper to run the user's main function, with appropriate arguments */
  25 void user_main_wrapper(void *)
  26 {
  27         user_main(model->params.argc, model->params.argv);
  28 }
  29
  30 /** @brief Constructor */
  31 ModelChecker::ModelChecker() :
  32         /* Initialize default scheduler */
  33         params(),
  34         restart_flag(false),
  35         scheduler(new Scheduler()),
  36         execution(new ModelExecution(this, scheduler)),
  37         history(new ModelHistory()),
  38         execution_number(1),
  39         trace_analyses(),
  40         inspect_plugin(NULL)
  41 {
  42         memset(&stats,0,sizeof(struct execution_stats));
  43         init_thread = new Thread(execution->get_next_id(), (thrd_t *) model_malloc(sizeof(thrd_t)), &user_main_wrapper, NULL, NULL);    // L: user_main_wrapper passes the user program
  44         execution->add_thread(init_thread);
  45         scheduler->set_current_thread(init_thread);
  46         execution->setParams(&params);
  47         param_defaults(&params);
  48         initRaceDetector();
  49 }
  50
  51 /** @brief Destructor */
  52 ModelChecker::~ModelChecker()
  53 {
  54         delete scheduler;
  55 }
  56
  57 /** Method to set parameters */
  58 model_params * ModelChecker::getParams() {
  59         return &params;
  60 }
  61
  62 /**
  63  * Restores user program to initial state and resets all model-checker data
  64  * structures.
  65  */
  66 void ModelChecker::reset_to_initial_state()
  67 {
  68
  69         /**
  70          * FIXME: if we utilize partial rollback, we will need to free only
  71          * those pending actions which were NOT pending before the rollback
  72          * point
  73          */
  74         for (unsigned int i = 0;i < get_num_threads();i++)
  75                 delete get_thread(int_to_id(i))->get_pending();
  76
  77         snapshot_backtrack_before(0);
  78 }
  79
  80 /** @return the number of user threads created during this execution */
  81 unsigned int ModelChecker::get_num_threads() const
  82 {
  83         return execution->get_num_threads();
  84 }
  85
  86 /**
  87  * Must be called from user-thread context (e.g., through the global
  88  * thread_current() interface)
  89  *
  90  * @return The currently executing Thread.
  91  */
  92 Thread * ModelChecker::get_current_thread() const
  93 {
  94         return scheduler->get_current_thread();
  95 }
  96
  97 /**
  98  * @brief Choose the next thread to execute.
  99  *
 100  * This function chooses the next thread that should execute. It can enforce
 101  * execution replay/backtracking or, if the model-checker has no preference
 102  * regarding the next thread (i.e., when exploring a new execution ordering),
 103  * we defer to the scheduler.
 104  *
 105  * @return The next chosen thread to run, if any exist. Or else if the current
 106  * execution should terminate, return NULL.
 107  */
 108 Thread * ModelChecker::get_next_thread()
 109 {
 110
 111         /*
 112          * Have we completed exploring the preselected path? Then let the
 113          * scheduler decide
 114          */
 115         return scheduler->select_next_thread();
 116 }
 117
 118 /**
 119  * @brief Assert a bug in the executing program.
 120  *
 121  * Use this function to assert any sort of bug in the user program. If the
 122  * current trace is feasible (actually, a prefix of some feasible execution),
 123  * then this execution will be aborted, printing the appropriate message. If
 124  * the current trace is not yet feasible, the error message will be stashed and
 125  * printed if the execution ever becomes feasible.
 126  *
 127  * @param msg Descriptive message for the bug (do not include newline char)
 128  * @return True if bug is immediately-feasible
 129  */
 130 bool ModelChecker::assert_bug(const char *msg, ...)
 131 {
 132         char str[800];
 133
 134         va_list ap;
 135         va_start(ap, msg);
 136         vsnprintf(str, sizeof(str), msg, ap);
 137         va_end(ap);
 138
 139         return execution->assert_bug(str);
 140 }
 141
 142 /**
 143  * @brief Assert a data race in the executing program.
 144  *
 145  * Different from assert_bug, the program will not be aborted immediately
 146  * upon calling this function, unless the number of data races exceeds
 147  * a threshold.
 148  *
 149  * @param msg Descriptive message for the bug (do not include newline char)
 150  * @return True if bug is immediately-feasible
 151  */
 152 bool ModelChecker::assert_race(const char *msg, ...)
 153 {
 154         char str[800];
 155
 156         va_list ap;
 157         va_start(ap, msg);
 158         vsnprintf(str, sizeof(str), msg, ap);
 159         va_end(ap);
 160
 161         return execution->assert_race(str);
 162 }
 163
 164 /**
 165  * @brief Assert a bug in the executing program, asserted by a user thread
 166  * @see ModelChecker::assert_bug
 167  * @param msg Descriptive message for the bug (do not include newline char)
 168  */
 169 void ModelChecker::assert_user_bug(const char *msg)
 170 {
 171         /* If feasible bug, bail out now */
 172         if (assert_bug(msg))
 173                 switch_to_master(NULL);
 174 }
 175
 176 /** @brief Print bug report listing for this execution (if any bugs exist) */
 177 void ModelChecker::print_bugs() const
 178 {
 179         SnapVector<bug_message *> *bugs = execution->get_bugs();
 180
 181         model_print("Bug report: %zu bug%s detected\n",
 182                                                         bugs->size(),
 183                                                         bugs->size() > 1 ? "s" : "");
 184         for (unsigned int i = 0;i < bugs->size();i++)
 185                 (*bugs)[i]->print();
 186 }
 187
 188 /**
 189  * @brief Record end-of-execution stats
 190  *
 191  * Must be run when exiting an execution. Records various stats.
 192  * @see struct execution_stats
 193  */
 194 void ModelChecker::record_stats()
 195 {
 196         stats.num_total++;
 197         if (!execution->isfeasibleprefix())
 198                 stats.num_infeasible++;
 199         else if (execution->have_bug_reports())
 200                 stats.num_buggy_executions++;
 201         else if (execution->is_complete_execution())
 202                 stats.num_complete++;
 203         else {
 204                 stats.num_redundant++;
 205
 206                 /**
 207                  * @todo We can violate this ASSERT() when fairness/sleep sets
 208                  * conflict to cause an execution to terminate, e.g. with:
 209                  * Scheduler: [0: disabled][1: disabled][2: sleep][3: current, enabled]
 210                  */
 211                 //ASSERT(scheduler->all_threads_sleeping());
 212         }
 213 }
 214
 215 /** @brief Print execution stats */
 216 void ModelChecker::print_stats() const
 217 {
 218         model_print("Number of complete, bug-free executions: %d\n", stats.num_complete);
 219         model_print("Number of redundant executions: %d\n", stats.num_redundant);
 220         model_print("Number of buggy executions: %d\n", stats.num_buggy_executions);
 221         model_print("Number of infeasible executions: %d\n", stats.num_infeasible);
 222         model_print("Total executions: %d\n", stats.num_total);
 223 }
 224
 225 /**
 226  * @brief End-of-exeuction print
 227  * @param printbugs Should any existing bugs be printed?
 228  */
 229 void ModelChecker::print_execution(bool printbugs) const
 230 {
 231         model_print("Program output from execution %d:\n",
 232                                                         get_execution_number());
 233         print_program_output();
 234
 235         if (params.verbose >= 3) {
 236                 print_stats();
 237         }
 238
 239         /* Don't print invalid bugs */
 240         if (printbugs && execution->have_bug_reports()) {
 241                 model_print("\n");
 242                 print_bugs();
 243         }
 244
 245         model_print("\n");
 246         execution->print_summary();
 247 }
 248
 249 /**
 250  * Queries the model-checker for more executions to explore and, if one
 251  * exists, resets the model-checker state to execute a new execution.
 252  *
 253  * @return If there are more executions to explore, return true. Otherwise,
 254  * return false.
 255  */
 256 bool ModelChecker::next_execution()
 257 {
 258         DBG();
 259         /* Is this execution a feasible execution that's worth bug-checking? */
 260         bool complete = execution->isfeasibleprefix() &&
 261                                                                         (execution->is_complete_execution() ||
 262                                                                          execution->have_bug_reports());
 263
 264         /* End-of-execution bug checks */
 265         if (complete) {
 266                 if (execution->is_deadlocked())
 267                         assert_bug("Deadlock detected");
 268
 269                 checkDataRaces();
 270                 run_trace_analyses();
 271         }
 272
 273         record_stats();
 274         /* Output */
 275         if ( (complete && params.verbose) || params.verbose>1 || (complete && execution->have_bug_reports()))
 276                 print_execution(complete);
 277         else
 278                 clear_program_output();
 279
 280         if (restart_flag) {
 281                 do_restart();
 282                 return true;
 283         }
 284 // test code
 285         execution_number++;
 286         reset_to_initial_state();
 287         return false;
 288 }
 289
 290 /** @brief Run trace analyses on complete trace */
 291 void ModelChecker::run_trace_analyses() {
 292         for (unsigned int i = 0;i < trace_analyses.size();i++)
 293                 trace_analyses[i]->analyze(execution->get_action_trace());
 294 }
 295
 296 /**
 297  * @brief Get a Thread reference by its ID
 298  * @param tid The Thread's ID
 299  * @return A Thread reference
 300  */
 301 Thread * ModelChecker::get_thread(thread_id_t tid) const
 302 {
 303         return execution->get_thread(tid);
 304 }
 305
 306 /**
 307  * @brief Get a reference to the Thread in which a ModelAction was executed
 308  * @param act The ModelAction
 309  * @return A Thread reference
 310  */
 311 Thread * ModelChecker::get_thread(const ModelAction *act) const
 312 {
 313         return execution->get_thread(act);
 314 }
 315
 316 /**
 317  * Switch from a model-checker context to a user-thread context. This is the
 318  * complement of ModelChecker::switch_to_master and must be called from the
 319  * model-checker context
 320  *
 321  * @param thread The user-thread to switch to
 322  */
 323 void ModelChecker::switch_from_master(Thread *thread)
 324 {
 325         scheduler->set_current_thread(thread);
 326         Thread::swap(&system_context, thread);
 327 }
 328
 329 /**
 330  * Switch from a user-context to the "master thread" context (a.k.a. system
 331  * context). This switch is made with the intention of exploring a particular
 332  * model-checking action (described by a ModelAction object). Must be called
 333  * from a user-thread context.
 334  *
 335  * @param act The current action that will be explored. May be NULL only if
 336  * trace is exiting via an assertion (see ModelExecution::set_assert and
 337  * ModelExecution::has_asserted).
 338  * @return Return the value returned by the current action
 339  */
 340 uint64_t ModelChecker::switch_to_master(ModelAction *act)
 341 {
 342         if (forklock) {
 343                 static bool fork_message_printed = false;
 344
 345                 if (!fork_message_printed) {
 346                         model_print("Fork handler trying to call into model checker...\n");
 347                         fork_message_printed = true;
 348                 }
 349                 delete act;
 350                 return 0;
 351         }
 352         DBG();
 353         Thread *old = thread_current();
 354         scheduler->set_current_thread(NULL);
 355         ASSERT(!old->get_pending());
 356
 357         if (inspect_plugin != NULL) {
 358                 inspect_plugin->inspectModelAction(act);
 359         }
 360
 361         old->set_pending(act);
 362         if (Thread::swap(old, &system_context) < 0) {
 363                 perror("swap threads");
 364                 exit(EXIT_FAILURE);
 365         }
 366         return old->get_return_value();
 367 }
 368
 369 static void runChecker() {
 370         model->run();
 371         delete model;
 372 }
 373
 374 void ModelChecker::startChecker() {
 375         startExecution(get_system_context(), runChecker);
 376 }
 377
 378 bool ModelChecker::should_terminate_execution()
 379 {
 380         /* Infeasible -> don't take any more steps */
 381         if (execution->is_infeasible())
 382                 return true;
 383         else if (execution->isfeasibleprefix() && execution->have_fatal_bug_reports()) {
 384                 execution->set_assert();
 385                 return true;
 386         }
 387         return false;
 388 }
 389
 390 /** @brief Restart ModelChecker upon returning to the run loop of the
 391  *      model checker. */
 392 void ModelChecker::restart()
 393 {
 394         restart_flag = true;
 395 }
 396
 397 void ModelChecker::do_restart()
 398 {
 399         restart_flag = false;
 400         reset_to_initial_state();
 401         memset(&stats,0,sizeof(struct execution_stats));
 402         execution_number = 1;
 403 }
 404
 405 void ModelChecker::startMainThread() {
 406         init_thread->set_state(THREAD_RUNNING);
 407         scheduler->set_current_thread(init_thread);
 408         thread_startup();
 409 }
 410
 411 static bool is_nonsc_write(const ModelAction *act) {
 412         if (act->get_type() == ATOMIC_WRITE) {
 413                 std::memory_order order = act->get_mo();
 414                 switch(order) {
 415                 case std::memory_order_relaxed:
 416                 case std::memory_order_release:
 417                         return true;
 418                 default:
 419                         return false;
 420                 }
 421         }
 422         return false;
 423 }
 424
 425 /** @brief Run ModelChecker for the user program */
 426 void ModelChecker::run()
 427 {
 428         //Need to initial random number generator state to avoid resets on rollback
 429         char random_state[256];
 430         initstate(423121, random_state, sizeof(random_state));
 431
 432         for(int exec = 0;exec < params.maxexecutions;exec++) {
 433                 Thread * t = init_thread;
 434
 435                 do {
 436                         /*
 437                          * Stash next pending action(s) for thread(s). There
 438                          * should only need to stash one thread's action--the
 439                          * thread which just took a step--plus the first step
 440                          * for any newly-created thread
 441                          */
 442                         ModelAction * pending;
 443                         for (unsigned int i = 0;i < get_num_threads();i++) {
 444                                 thread_id_t tid = int_to_id(i);
 445                                 Thread *thr = get_thread(tid);
 446                                 if (!thr->is_model_thread() && !thr->is_complete() && ((!(pending=thr->get_pending())) || is_nonsc_write(pending)) ) {
 447                                         switch_from_master(thr);        // L: context swapped, and action type of thr changed.
 448                                         if (thr->is_waiting_on(thr))
 449                                                 assert_bug("Deadlock detected (thread %u)", i);
 450                                 }
 451                         }
 452
 453                         /* Don't schedule threads which should be disabled */
 454                         for (unsigned int i = 0;i < get_num_threads();i++) {
 455                                 Thread *th = get_thread(int_to_id(i));
 456                                 ModelAction *act = th->get_pending();
 457                                 if (act && execution->is_enabled(th) && !execution->check_action_enabled(act)) {
 458                                         scheduler->sleep(th);
 459                                 }
 460                         }
 461
 462                         for (unsigned int i = 1;i < get_num_threads();i++) {
 463                                 Thread *th = get_thread(int_to_id(i));
 464                                 ModelAction *act = th->get_pending();
 465                                 if (act && execution->is_enabled(th) && (th->get_state() != THREAD_BLOCKED) ) {
 466                                         if (act->is_write()) {
 467                                                 std::memory_order order = act->get_mo();
 468                                                 if (order == std::memory_order_relaxed || \
 469                                                                 order == std::memory_order_release) {
 470                                                         t = th;
 471                                                         break;
 472                                                 }
 473                                         } else if (act->get_type() == THREAD_CREATE || \
 474                                                                                  act->get_type() == PTHREAD_CREATE || \
 475                                                                                  act->get_type() == THREAD_START || \
 476                                                                                  act->get_type() == THREAD_FINISH) {
 477                                                 t = th;
 478                                                 break;
 479                                         }
 480                                 }
 481                         }
 482
 483                         /* Catch assertions from prior take_step or from
 484                         * between-ModelAction bugs (e.g., data races) */
 485
 486                         if (execution->has_asserted())
 487                                 break;
 488                         if (!t)
 489                                 t = get_next_thread();
 490                         if (!t || t->is_model_thread())
 491                                 break;
 492
 493                         /* Consume the next action for a Thread */
 494                         ModelAction *curr = t->get_pending();
 495                         t->set_pending(NULL);
 496                         t = execution->take_step(curr);
 497                 } while (!should_terminate_execution());
 498                 next_execution();
 499                 //restore random number generator state after rollback
 500                 setstate(random_state);
 501         }
 502
 503         model_print("******* Model-checking complete: *******\n");
 504         print_stats();
 505
 506         /* Have the trace analyses dump their output. */
 507         for (unsigned int i = 0;i < trace_analyses.size();i++)
 508                 trace_analyses[i]->finish();
 509 }