snapshot.cc

   1 #include <inttypes.h>
   2 #include <sys/mman.h>
   3 #include <unistd.h>
   4 #include <signal.h>
   5 #include <stdlib.h>
   6 #include <map>
   7 #include <cstring>
   8 #include <cstdio>
   9 #include "snapshot.h"
  10 #include "snapshotimp.h"
  11 #include "mymemory.h"
  12 #include <fcntl.h>
  13 #include <assert.h>
  14 #include <pthread.h>
  15 #include <semaphore.h>
  16 #include <errno.h>
  17 #include <sys/wait.h>
  18 #include <ucontext.h>
  19
  20 #define FAILURE(mesg) { printf("failed in the API: %s with errno relative message: %s\n", mesg, strerror( errno ) ); exit(EXIT_FAILURE); }
  21
  22 #ifdef CONFIG_SSDEBUG
  23 #define SSDEBUG         printf
  24 #else
  25 #define SSDEBUG(...)    do { } while (0)
  26 #endif
  27
  28 /* extern declaration definition */
  29 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
  30 struct SnapShot * snapshotrecord = NULL;
  31 #else
  32 struct Snapshot * sTheRecord = NULL;
  33 #endif
  34
  35 #if !USE_MPROTECT_SNAPSHOT
  36 static ucontext_t savedSnapshotContext;
  37 static ucontext_t savedUserSnapshotContext;
  38 static snapshot_id snapshotid = 0;
  39 #endif
  40
  41 /** PageAlignedAdressUpdate return a page aligned address for the
  42  * address being added as a side effect the numBytes are also changed.
  43  */
  44 static void * PageAlignAddressUpward(void * addr) {
  45         return (void *)((((uintptr_t)addr)+PAGESIZE-1)&~(PAGESIZE-1));
  46 }
  47
  48 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
  49
  50 /** ReturnPageAlignedAddress returns a page aligned address for the
  51  * address being added as a side effect the numBytes are also changed.
  52  */
  53 static void * ReturnPageAlignedAddress(void * addr) {
  54         return (void *)(((uintptr_t)addr)&~(PAGESIZE-1));
  55 }
  56
  57 /** The initSnapShotRecord method initialized the snapshotting data
  58  *  structures for the mprotect based snapshot.
  59  */
  60 static void initSnapShotRecord(unsigned int numbackingpages, unsigned int numsnapshots, unsigned int nummemoryregions) {
  61         snapshotrecord=( struct SnapShot * )MYMALLOC(sizeof(struct SnapShot));
  62         snapshotrecord->regionsToSnapShot=( struct MemoryRegion * )MYMALLOC(sizeof(struct MemoryRegion)*nummemoryregions);
  63         snapshotrecord->backingStoreBasePtr= ( struct SnapShotPage * )MYMALLOC( sizeof( struct SnapShotPage ) * (numbackingpages + 1) );
  64         //Page align the backingstorepages
  65         snapshotrecord->backingStore=( struct SnapShotPage * )PageAlignAddressUpward(snapshotrecord->backingStoreBasePtr);
  66         snapshotrecord->backingRecords=( struct BackingPageRecord * )MYMALLOC(sizeof(struct BackingPageRecord)*numbackingpages);
  67         snapshotrecord->snapShots= ( struct SnapShotRecord * )MYMALLOC(sizeof(struct SnapShotRecord)*numsnapshots);
  68         snapshotrecord->lastSnapShot=0;
  69         snapshotrecord->lastBackingPage=0;
  70         snapshotrecord->lastRegion=0;
  71         snapshotrecord->maxRegions=nummemoryregions;
  72         snapshotrecord->maxBackingPages=numbackingpages;
  73         snapshotrecord->maxSnapShots=numsnapshots;
  74 }
  75
  76 /** HandlePF is the page fault handler for mprotect based snapshotting
  77  * algorithm.
  78  */
  79 static void HandlePF( int sig, siginfo_t *si, void * unused){
  80         if( si->si_code == SEGV_MAPERR ){
  81                 printf("Real Fault at %p\n", si->si_addr);
  82                 exit( EXIT_FAILURE );
  83         }
  84         void* addr = ReturnPageAlignedAddress(si->si_addr);
  85
  86         unsigned int backingpage=snapshotrecord->lastBackingPage++; //Could run out of pages...
  87         if (backingpage==snapshotrecord->maxBackingPages) {
  88                 printf("Out of backing pages at %p\n", si->si_addr);
  89                 exit( EXIT_FAILURE );
  90         }
  91
  92         //copy page
  93         memcpy(&(snapshotrecord->backingStore[backingpage]), addr, sizeof(struct SnapShotPage));
  94         //remember where to copy page back to
  95         snapshotrecord->backingRecords[backingpage].basePtrOfPage=addr;
  96         //set protection to read/write
  97         if (mprotect( addr, sizeof(struct SnapShotPage), PROT_READ | PROT_WRITE )) {
  98                 perror("mprotect");
  99                 // Handle error by quitting?
 100         }
 101 }
 102 #endif //nothing to handle for non snapshotting case.
 103
 104 void createSharedLibrary(){
 105 #if !USE_MPROTECT_SNAPSHOT
 106         //step 1. create shared memory.
 107         if ( sTheRecord )
 108                 return;
 109         int fd = shm_open( "/ModelChecker-Snapshotter", O_RDWR | O_CREAT, 0777 ); //universal permissions.
 110         if ( -1 == fd )
 111                 FAILURE("shm_open");
 112         if ( -1 == ftruncate( fd, SHARED_MEMORY_DEFAULT + STACK_SIZE_DEFAULT ) )
 113                 FAILURE( "ftruncate" );
 114         void * memMapBase = mmap( 0, SHARED_MEMORY_DEFAULT + STACK_SIZE_DEFAULT, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0 );
 115         if( MAP_FAILED == memMapBase )
 116                 FAILURE("mmap");
 117         sTheRecord = ( struct Snapshot * )memMapBase;
 118         sTheRecord->mSharedMemoryBase = (void *)((uintptr_t)memMapBase + sizeof(struct Snapshot));
 119         sTheRecord->mStackBase = (void *)((uintptr_t)memMapBase + SHARED_MEMORY_DEFAULT);
 120         sTheRecord->mStackSize = STACK_SIZE_DEFAULT;
 121         sTheRecord->mIDToRollback = -1;
 122         sTheRecord->currSnapShotID = 0;
 123 #endif
 124 }
 125
 126 /** The initSnapShotLibrary function initializes the Snapshot library.
 127  *  @param entryPoint the function that should run the program.
 128  */
 129 void initSnapShotLibrary(unsigned int numbackingpages,
 130                 unsigned int numsnapshots, unsigned int nummemoryregions,
 131                 unsigned int numheappages, VoidFuncPtr entryPoint) {
 132 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
 133         /* Setup a stack for our signal handler....  */
 134         stack_t ss;
 135         ss.ss_sp = MYMALLOC(SIGSTACKSIZE);
 136         ss.ss_size = SIGSTACKSIZE;
 137         ss.ss_flags = 0;
 138         sigaltstack(&ss, NULL);
 139
 140         struct sigaction sa;
 141         sa.sa_flags = SA_SIGINFO | SA_NODEFER | SA_RESTART | SA_ONSTACK;
 142         sigemptyset( &sa.sa_mask );
 143         sa.sa_sigaction = HandlePF;
 144 #ifdef MAC
 145         if( sigaction( SIGBUS, &sa, NULL ) == -1 ){
 146                 printf("SIGACTION CANNOT BE INSTALLED\n");
 147                 exit(EXIT_FAILURE);
 148         }
 149 #endif
 150         if( sigaction( SIGSEGV, &sa, NULL ) == -1 ){
 151                 printf("SIGACTION CANNOT BE INSTALLED\n");
 152                 exit(EXIT_FAILURE);
 153         }
 154
 155         initSnapShotRecord(numbackingpages, numsnapshots, nummemoryregions);
 156
 157         // EVIL HACK: We need to make sure that calls into the HandlePF method don't cause dynamic links
 158         // The problem is that we end up protecting state in the dynamic linker...
 159         // Solution is to call our signal handler before we start protecting stuff...
 160
 161         siginfo_t si;
 162         memset(&si, 0, sizeof(si));
 163         si.si_addr=ss.ss_sp;
 164         HandlePF(SIGSEGV, &si, NULL);
 165         snapshotrecord->lastBackingPage--; //remove the fake page we copied
 166
 167         basemySpace=MYMALLOC((numheappages+1)*PAGESIZE);
 168         void * pagealignedbase=PageAlignAddressUpward(basemySpace);
 169         mySpace = create_mspace_with_base(pagealignedbase,  numheappages*PAGESIZE, 1 );
 170         addMemoryRegionToSnapShot(pagealignedbase, numheappages);
 171         entryPoint();
 172 #else
 173
 174         basemySpace=system_malloc((numheappages+1)*PAGESIZE);
 175         void * pagealignedbase=PageAlignAddressUpward(basemySpace);
 176         mySpace = create_mspace_with_base(pagealignedbase,  numheappages*PAGESIZE, 1 );
 177         createSharedLibrary();
 178
 179         //step 2 setup the stack context.
 180         ucontext_t newContext;
 181         getcontext( &newContext );
 182         newContext.uc_stack.ss_sp = sTheRecord->mStackBase;
 183         newContext.uc_stack.ss_size = STACK_SIZE_DEFAULT;
 184         makecontext( &newContext, entryPoint, 0 );
 185         /* switch to a new entryPoint context, on a new stack */
 186         swapcontext(&savedSnapshotContext, &newContext);
 187
 188         //add the code to take a snapshot here...
 189         //to return to user process, do a second swapcontext...
 190         pid_t forkedID = 0;
 191         snapshotid = sTheRecord->currSnapShotID;
 192         bool swapContext = false;
 193         while( true ){
 194                 sTheRecord->currSnapShotID=snapshotid+1;
 195                 forkedID = fork();
 196                 if( 0 == forkedID ){
 197                         ucontext_t currentContext;
 198 #if 0
 199                         int dbg = 0;
 200                         while( !dbg );
 201 #endif
 202                         if( swapContext )
 203                                 swapcontext( &currentContext, &( sTheRecord->mContextToRollback ) );
 204                         else{
 205                                 swapcontext( &currentContext, &savedUserSnapshotContext );
 206                         }
 207                 } else {
 208                         int status;
 209                         int retVal;
 210
 211                         SSDEBUG("The process id of child is %d and the process id of this process is %d and snapshot id is %d",
 212                                 forkedID, getpid(), snapshotid );
 213
 214                         do {
 215                                 retVal=waitpid( forkedID, &status, 0 );
 216                         } while( -1 == retVal && errno == EINTR );
 217
 218                         if( sTheRecord->mIDToRollback != snapshotid )
 219                                 exit(EXIT_SUCCESS);
 220                         else{
 221                                 swapContext = true;
 222                         }
 223                 }
 224         }
 225
 226 #endif
 227 }
 228
 229 /** The addMemoryRegionToSnapShot function assumes that addr is page aligned.
 230  */
 231 void addMemoryRegionToSnapShot( void * addr, unsigned int numPages) {
 232 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
 233         unsigned int memoryregion=snapshotrecord->lastRegion++;
 234         if (memoryregion==snapshotrecord->maxRegions) {
 235                 printf("Exceeded supported number of memory regions!\n");
 236                 exit(EXIT_FAILURE);
 237         }
 238
 239         snapshotrecord->regionsToSnapShot[ memoryregion ].basePtr=addr;
 240         snapshotrecord->regionsToSnapShot[ memoryregion ].sizeInPages=numPages;
 241 #endif //NOT REQUIRED IN THE CASE OF FORK BASED SNAPSHOTS.
 242 }
 243
 244 /** The takeSnapshot function takes a snapshot.
 245  * @return The snapshot identifier.
 246  */
 247 snapshot_id takeSnapshot( ){
 248 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
 249         for(unsigned int region=0; region<snapshotrecord->lastRegion;region++) {
 250                 if( mprotect(snapshotrecord->regionsToSnapShot[region].basePtr, snapshotrecord->regionsToSnapShot[region].sizeInPages*sizeof(struct SnapShotPage), PROT_READ ) == -1 ){
 251                         perror("mprotect");
 252                         printf("Failed to mprotect inside of takeSnapShot\n");
 253                         exit(EXIT_FAILURE);
 254                 }
 255         }
 256         unsigned int snapshot=snapshotrecord->lastSnapShot++;
 257         if (snapshot==snapshotrecord->maxSnapShots) {
 258                 printf("Out of snapshots\n");
 259                 exit(EXIT_FAILURE);
 260         }
 261         snapshotrecord->snapShots[snapshot].firstBackingPage=snapshotrecord->lastBackingPage;
 262
 263         return snapshot;
 264 #else
 265         swapcontext( &savedUserSnapshotContext, &savedSnapshotContext );
 266         return snapshotid;
 267 #endif
 268 }
 269
 270 /** The rollBack function rollback to the given snapshot identifier.
 271  *  @param theID is the snapshot identifier to rollback to.
 272  */
 273 void rollBack( snapshot_id theID ){
 274 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
 275         std::map< void *, bool, std::less< void * >, MyAlloc< std::pair< const void *, bool > > > duplicateMap;
 276         for(unsigned int region=0; region<snapshotrecord->lastRegion;region++) {
 277                 if( mprotect(snapshotrecord->regionsToSnapShot[region].basePtr, snapshotrecord->regionsToSnapShot[region].sizeInPages*sizeof(struct SnapShotPage), PROT_READ | PROT_WRITE ) == -1 ){
 278                         perror("mprotect");
 279                         printf("Failed to mprotect inside of takeSnapShot\n");
 280                         exit(EXIT_FAILURE);
 281                 }
 282         }
 283         for(unsigned int page=snapshotrecord->snapShots[theID].firstBackingPage; page<snapshotrecord->lastBackingPage; page++) {
 284                 bool oldVal = false;
 285                 if( duplicateMap.find( snapshotrecord->backingRecords[page].basePtrOfPage ) != duplicateMap.end() ){
 286                         oldVal = true;
 287                 }
 288                 else{
 289                         duplicateMap[ snapshotrecord->backingRecords[page].basePtrOfPage ] = true;
 290                 }
 291                 if(  !oldVal ){
 292                         memcpy(snapshotrecord->backingRecords[page].basePtrOfPage, &snapshotrecord->backingStore[page], sizeof(struct SnapShotPage));
 293                 }
 294         }
 295         snapshotrecord->lastSnapShot=theID;
 296         snapshotrecord->lastBackingPage=snapshotrecord->snapShots[theID].firstBackingPage;
 297         takeSnapshot(); //Make sure current snapshot is still good...All later ones are cleared
 298 #else
 299         sTheRecord->mIDToRollback = theID;
 300         int sTemp = 0;
 301         getcontext( &sTheRecord->mContextToRollback );
 302         if( !sTemp ){
 303                 sTemp = 1;
 304                 SSDEBUG("Invoked rollback");
 305                 exit(EXIT_SUCCESS);
 306         }
 307         sTheRecord->mIDToRollback = -1;
 308 #endif
 309 }
 310