fix mutex_trylock bug
[c11tester.git] / snapshot.cc
index d1c128968049187e94e199c30ddd41383713708c..0d38edc1c1cbc7ee0b34d393aeee50baa2e05ee8 100644 (file)
 #include <string.h>
 #include <errno.h>
 #include <sys/wait.h>
-#include <ucontext.h>
 
 #include "hashtable.h"
 #include "snapshot.h"
 #include "mymemory.h"
 #include "common.h"
+#include "context.h"
+#include "model.h"
 
-#define FAILURE(mesg) { model_print("failed in the API: %s with errno relative message: %s\n", mesg, strerror(errno)); exit(EXIT_FAILURE); }
 
-/** PageAlignedAdressUpdate return a page aligned address for the
- * address being added as a side effect the numBytes are also changed.
- */
-static void * PageAlignAddressUpward(void *addr)
-{
-       return (void *)((((uintptr_t)addr) + PAGESIZE - 1) & ~(PAGESIZE - 1));
-}
-
-#if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
-
-/* Each SnapShotRecord lists the firstbackingpage that must be written to
- * revert to that snapshot */
-struct SnapShotRecord {
-       unsigned int firstBackingPage;
-};
-
-/** @brief Backing store page */
-typedef unsigned char snapshot_page_t[PAGESIZE];
+#define SHARED_MEMORY_DEFAULT  (200 * ((size_t)1 << 20))       // 100mb for the shared memory
+#define STACK_SIZE_DEFAULT      (((size_t)1 << 20) * 20)       // 20 mb out of the above 100 mb for my stack
 
-/* List the base address of the corresponding page in the backing store so we
- * know where to copy it to */
-struct BackingPageRecord {
-       void *basePtrOfPage;
-};
-
-/* Struct for each memory region */
-struct MemoryRegion {
-       void *basePtr; // base of memory region
-       int sizeInPages; // size of memory region in pages
-};
+struct fork_snapshotter {
+       /** @brief Pointer to the shared (non-snapshot) memory heap base
+        * (NOTE: this has size SHARED_MEMORY_DEFAULT - sizeof(*fork_snap)) */
+       void *mSharedMemoryBase;
 
-/** ReturnPageAlignedAddress returns a page aligned address for the
- * address being added as a side effect the numBytes are also changed.
- */
-static void * ReturnPageAlignedAddress(void *addr)
-{
-       return (void *)(((uintptr_t)addr) & ~(PAGESIZE - 1));
-}
+       /** @brief Pointer to the shared (non-snapshot) stack region */
+       void *mStackBase;
 
-/* Primary struct for snapshotting system */
-struct mprot_snapshotter {
-       mprot_snapshotter(unsigned int numbackingpages, unsigned int numsnapshots, unsigned int nummemoryregions);
+       /** @brief Size of the shared stack */
+       size_t mStackSize;
 
-       struct MemoryRegion *regionsToSnapShot; //This pointer references an array of memory regions to snapshot
-       snapshot_page_t *backingStore; //This pointer references an array of snapshotpage's that form the backing store
-       void *backingStoreBasePtr; //This pointer references an array of snapshotpage's that form the backing store
-       struct BackingPageRecord *backingRecords; //This pointer references an array of backingpagerecord's (same number of elements as backingstore
-       struct SnapShotRecord *snapShots; //This pointer references the snapshot array
+       /**
+        * @brief Stores the ID that we are attempting to roll back to
+        *
+        * Used in inter-process communication so that each process can
+        * determine whether or not to take over execution (w/ matching ID) or
+        * exit (we're rolling back even further). Dubiously marked 'volatile'
+        * to prevent compiler optimizations from messing with the
+        * inter-process behavior.
+        */
+       volatile snapshot_id mIDToRollback;
 
-       unsigned int lastSnapShot; //Stores the next snapshot record we should use
-       unsigned int lastBackingPage; //Stores the next backingpage we should use
-       unsigned int lastRegion; //Stores the next memory region to be used
 
-       unsigned int maxRegions; //Stores the max number of memory regions we support
-       unsigned int maxBackingPages; //Stores the total number of backing pages
-       unsigned int maxSnapShots; //Stores the total number of snapshots we allow
 
-       MEMALLOC
+       /** @brief Inter-process tracking of the next snapshot ID */
+       snapshot_id currSnapShotID;
 };
 
-static struct mprot_snapshotter *mprot_snap = NULL;
-
-mprot_snapshotter::mprot_snapshotter(unsigned int backing_pages, unsigned int snapshots, unsigned int regions) :
-       lastSnapShot(0),
-       lastBackingPage(0),
-       lastRegion(0),
-       maxRegions(regions),
-       maxBackingPages(backing_pages),
-       maxSnapShots(snapshots)
-{
-       regionsToSnapShot = (struct MemoryRegion *)model_malloc(sizeof(struct MemoryRegion) * regions);
-       backingStoreBasePtr = (void *)model_malloc(sizeof(snapshot_page_t) * (backing_pages + 1));
-       //Page align the backingstorepages
-       backingStore = (snapshot_page_t *)PageAlignAddressUpward(backingStoreBasePtr);
-       backingRecords = (struct BackingPageRecord *)model_malloc(sizeof(struct BackingPageRecord) * backing_pages);
-       snapShots = (struct SnapShotRecord *)model_malloc(sizeof(struct SnapShotRecord) * snapshots);
-}
+static struct fork_snapshotter *fork_snap = NULL;
+ucontext_t shared_ctxt;
 
-/** HandlePF is the page fault handler for mprotect based snapshotting
- * algorithm.
+/** @statics
+ *   These variables are necessary because the stack is shared region and
+ *   there exists a race between all processes executing the same function.
+ *   To avoid the problem above, we require variables allocated in 'safe' regions.
+ *   The bug was actually observed with the forkID, these variables below are
+ *   used to indicate the various contexts to which to switch to.
+ *
+ *   @private_ctxt: the context which is internal to the current process. Used
+ *   for running the internal snapshot/rollback loop.
+ *   @exit_ctxt: a special context used just for exiting from a process (so we
+ *   can use swapcontext() instead of setcontext() + hacks)
+ *   @snapshotid: it is a running counter for the various forked processes
+ *   snapshotid. it is incremented and set in a persistently shared record
  */
-static void HandlePF(int sig, siginfo_t *si, void *unused)
-{
-       if (si->si_code == SEGV_MAPERR) {
-               model_print("Real Fault at %p\n", si->si_addr);
-               print_trace();
-               model_print("For debugging, place breakpoint at: %s:%d\n",
-                               __FILE__, __LINE__);
-               exit(EXIT_FAILURE);
-       }
-       void* addr = ReturnPageAlignedAddress(si->si_addr);
-
-       unsigned int backingpage = mprot_snap->lastBackingPage++; //Could run out of pages...
-       if (backingpage == mprot_snap->maxBackingPages) {
-               model_print("Out of backing pages at %p\n", si->si_addr);
-               exit(EXIT_FAILURE);
-       }
-
-       //copy page
-       memcpy(&(mprot_snap->backingStore[backingpage]), addr, sizeof(snapshot_page_t));
-       //remember where to copy page back to
-       mprot_snap->backingRecords[backingpage].basePtrOfPage = addr;
-       //set protection to read/write
-       if (mprotect(addr, sizeof(snapshot_page_t), PROT_READ | PROT_WRITE)) {
-               perror("mprotect");
-               // Handle error by quitting?
-       }
-}
-
-static void mprot_snapshot_init(unsigned int numbackingpages,
-               unsigned int numsnapshots, unsigned int nummemoryregions,
-               unsigned int numheappages, VoidFuncPtr entryPoint)
-{
-       /* Setup a stack for our signal handler....  */
-       stack_t ss;
-       ss.ss_sp = PageAlignAddressUpward(model_malloc(SIGSTACKSIZE + PAGESIZE - 1));
-       ss.ss_size = SIGSTACKSIZE;
-       ss.ss_flags = 0;
-       sigaltstack(&ss, NULL);
-
-       struct sigaction sa;
-       sa.sa_flags = SA_SIGINFO | SA_NODEFER | SA_RESTART | SA_ONSTACK;
-       sigemptyset(&sa.sa_mask);
-       sa.sa_sigaction = HandlePF;
-#ifdef MAC
-       if (sigaction(SIGBUS, &sa, NULL) == -1) {
-               model_print("SIGACTION CANNOT BE INSTALLED\n");
-               exit(EXIT_FAILURE);
-       }
-#endif
-       if (sigaction(SIGSEGV, &sa, NULL) == -1) {
-               model_print("SIGACTION CANNOT BE INSTALLED\n");
-               exit(EXIT_FAILURE);
-       }
-
-       mprot_snap = new mprot_snapshotter(numbackingpages, numsnapshots, nummemoryregions);
-
-       // EVIL HACK: We need to make sure that calls into the HandlePF method don't cause dynamic links
-       // The problem is that we end up protecting state in the dynamic linker...
-       // Solution is to call our signal handler before we start protecting stuff...
-
-       siginfo_t si;
-       memset(&si, 0, sizeof(si));
-       si.si_addr = ss.ss_sp;
-       HandlePF(SIGSEGV, &si, NULL);
-       mprot_snap->lastBackingPage--; //remove the fake page we copied
-
-       void *basemySpace = model_malloc((numheappages + 1) * PAGESIZE);
-       void *pagealignedbase = PageAlignAddressUpward(basemySpace);
-       user_snapshot_space = create_mspace_with_base(pagealignedbase, numheappages * PAGESIZE, 1);
-       addMemoryRegionToSnapShot(pagealignedbase, numheappages);
-
-       void *base_model_snapshot_space = model_malloc((numheappages + 1) * PAGESIZE);
-       pagealignedbase = PageAlignAddressUpward(base_model_snapshot_space);
-       model_snapshot_space = create_mspace_with_base(pagealignedbase, numheappages * PAGESIZE, 1);
-       addMemoryRegionToSnapShot(pagealignedbase, numheappages);
-
-       entryPoint();
-}
-
-static void mprot_add_to_snapshot(void *addr, unsigned int numPages)
-{
-       unsigned int memoryregion = mprot_snap->lastRegion++;
-       if (memoryregion == mprot_snap->maxRegions) {
-               model_print("Exceeded supported number of memory regions!\n");
-               exit(EXIT_FAILURE);
-       }
-
-       mprot_snap->regionsToSnapShot[memoryregion].basePtr = addr;
-       mprot_snap->regionsToSnapShot[memoryregion].sizeInPages = numPages;
-}
+static ucontext_t private_ctxt;
+static snapshot_id snapshotid = 0;
 
-static snapshot_id mprot_take_snapshot()
+/**
+ * @brief Create a new context, with a given stack and entry function
+ * @param ctxt The context structure to fill
+ * @param stack The stack to run the new context in
+ * @param stacksize The size of the stack
+ * @param func The entry point function for the context
+ */
+static void create_context(ucontext_t *ctxt, void *stack, size_t stacksize,
+                                                                                                        void (*func)(void))
 {
-       for (unsigned int region = 0; region < mprot_snap->lastRegion; region++) {
-               if (mprotect(mprot_snap->regionsToSnapShot[region].basePtr, mprot_snap->regionsToSnapShot[region].sizeInPages * sizeof(snapshot_page_t), PROT_READ) == -1) {
-                       perror("mprotect");
-                       model_print("Failed to mprotect inside of takeSnapShot\n");
-                       exit(EXIT_FAILURE);
-               }
-       }
-       unsigned int snapshot = mprot_snap->lastSnapShot++;
-       if (snapshot == mprot_snap->maxSnapShots) {
-               model_print("Out of snapshots\n");
-               exit(EXIT_FAILURE);
-       }
-       mprot_snap->snapShots[snapshot].firstBackingPage = mprot_snap->lastBackingPage;
-
-       return snapshot;
+       getcontext(ctxt);
+       ctxt->uc_stack.ss_sp = stack;
+       ctxt->uc_stack.ss_size = stacksize;
+       ctxt->uc_link = NULL;
+       makecontext(ctxt, func, 0);
 }
 
-static void mprot_roll_back(snapshot_id theID)
+/** @brief An empty function, used for an "empty" context which just exits a
+ *  process */
+static void fork_exit()
 {
-#if USE_MPROTECT_SNAPSHOT == 2
-       if (mprot_snap->lastSnapShot == (theID + 1)) {
-               for (unsigned int page = mprot_snap->snapShots[theID].firstBackingPage; page < mprot_snap->lastBackingPage; page++) {
-                       memcpy(mprot_snap->backingRecords[page].basePtrOfPage, &mprot_snap->backingStore[page], sizeof(snapshot_page_t));
-               }
-               return;
-       }
-#endif
-
-       HashTable< void *, bool, uintptr_t, 4, model_malloc, model_calloc, model_free> duplicateMap;
-       for (unsigned int region = 0; region < mprot_snap->lastRegion; region++) {
-               if (mprotect(mprot_snap->regionsToSnapShot[region].basePtr, mprot_snap->regionsToSnapShot[region].sizeInPages * sizeof(snapshot_page_t), PROT_READ | PROT_WRITE) == -1) {
-                       perror("mprotect");
-                       model_print("Failed to mprotect inside of takeSnapShot\n");
-                       exit(EXIT_FAILURE);
-               }
-       }
-       for (unsigned int page = mprot_snap->snapShots[theID].firstBackingPage; page < mprot_snap->lastBackingPage; page++) {
-               if (!duplicateMap.contains(mprot_snap->backingRecords[page].basePtrOfPage)) {
-                       duplicateMap.put(mprot_snap->backingRecords[page].basePtrOfPage, true);
-                       memcpy(mprot_snap->backingRecords[page].basePtrOfPage, &mprot_snap->backingStore[page], sizeof(snapshot_page_t));
-               }
-       }
-       mprot_snap->lastSnapShot = theID;
-       mprot_snap->lastBackingPage = mprot_snap->snapShots[theID].firstBackingPage;
-       mprot_take_snapshot(); //Make sure current snapshot is still good...All later ones are cleared
+       _Exit(EXIT_SUCCESS);
 }
 
-#else /* !USE_MPROTECT_SNAPSHOT */
-
-#include <ucontext.h>
-
-#define SHARED_MEMORY_DEFAULT  (100 * ((size_t)1 << 20)) // 100mb for the shared memory
-#define STACK_SIZE_DEFAULT      (((size_t)1 << 20) * 20)  // 20 mb out of the above 100 mb for my stack
-
-struct fork_snapshotter {
-       void *mSharedMemoryBase;
-       void *mStackBase;
-       size_t mStackSize;
-       volatile snapshot_id mIDToRollback;
-       ucontext_t mContextToRollback;
-       snapshot_id currSnapShotID;
-};
-
-static struct fork_snapshotter *fork_snap = NULL;
-
-/** @statics
-*   These variables are necessary because the stack is shared region and
-*   there exists a race between all processes executing the same function.
-*   To avoid the problem above, we require variables allocated in 'safe' regions.
-*   The bug was actually observed with the forkID, these variables below are
-*   used to indicate the various contexts to which to switch to.
-*
-*   @savedSnapshotContext: contains the point to which takesnapshot() call should switch to.
-*   @savedUserSnapshotContext: contains the point to which the process whose snapshotid is equal to the rollbackid should switch to
-*   @snapshotid: it is a running counter for the various forked processes snapshotid. it is incremented and set in a persistently shared record
-*/
-static ucontext_t savedSnapshotContext;
-static ucontext_t savedUserSnapshotContext;
-static snapshot_id snapshotid = 0;
-
 static void createSharedMemory()
 {
        //step 1. create shared memory.
        void *memMapBase = mmap(0, SHARED_MEMORY_DEFAULT + STACK_SIZE_DEFAULT, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANON, -1, 0);
-       if (MAP_FAILED == memMapBase)
-               FAILURE("mmap");
+       if (memMapBase == MAP_FAILED) {
+               perror("mmap");
+               exit(EXIT_FAILURE);
+       }
 
        //Setup snapshot record at top of free region
        fork_snap = (struct fork_snapshotter *)memMapBase;
-       fork_snap->mSharedMemoryBase = (void *)((uintptr_t)memMapBase + sizeof(struct fork_snapshotter));
+       fork_snap->mSharedMemoryBase = (void *)((uintptr_t)memMapBase + sizeof(*fork_snap));
        fork_snap->mStackBase = (void *)((uintptr_t)memMapBase + SHARED_MEMORY_DEFAULT);
        fork_snap->mStackSize = STACK_SIZE_DEFAULT;
        fork_snap->mIDToRollback = -1;
@@ -295,144 +118,103 @@ mspace create_shared_mspace()
 {
        if (!fork_snap)
                createSharedMemory();
-       return create_mspace_with_base((void *)(fork_snap->mSharedMemoryBase), SHARED_MEMORY_DEFAULT - sizeof(struct fork_snapshotter), 1);
+       return create_mspace_with_base((void *)(fork_snap->mSharedMemoryBase), SHARED_MEMORY_DEFAULT - sizeof(*fork_snap), 1);
 }
 
 static void fork_snapshot_init(unsigned int numbackingpages,
-               unsigned int numsnapshots, unsigned int nummemoryregions,
-               unsigned int numheappages, VoidFuncPtr entryPoint)
+                                                                                                                        unsigned int numsnapshots, unsigned int nummemoryregions,
+                                                                                                                        unsigned int numheappages)
 {
        if (!fork_snap)
                createSharedMemory();
 
-       void *base_model_snapshot_space = malloc((numheappages + 1) * PAGESIZE);
-       void *pagealignedbase = PageAlignAddressUpward(base_model_snapshot_space);
-       model_snapshot_space = create_mspace_with_base(pagealignedbase, numheappages * PAGESIZE, 1);
+       model_snapshot_space = create_mspace(numheappages * PAGESIZE, 1);
+}
 
-       //step 2 setup the stack context.
-       ucontext_t newContext;
-       getcontext(&newContext);
-       newContext.uc_stack.ss_sp = fork_snap->mStackBase;
-       newContext.uc_stack.ss_size = STACK_SIZE_DEFAULT;
-       makecontext(&newContext, entryPoint, 0);
-       /* switch to a new entryPoint context, on a new stack */
-       swapcontext(&savedSnapshotContext, &newContext);
+volatile int modellock = 0;
 
+static void fork_loop() {
        /* switch back here when takesnapshot is called */
-       pid_t forkedID = 0;
        snapshotid = fork_snap->currSnapShotID;
-       /* This bool indicates that the current process's snapshotid is same
-                as the id to which the rollback needs to occur */
+       if (model->params.nofork) {
+               setcontext(&shared_ctxt);
+               _Exit(EXIT_SUCCESS);
+       }
 
-       bool rollback = false;
        while (true) {
+               pid_t forkedID;
                fork_snap->currSnapShotID = snapshotid + 1;
+
+               modellock = 1;
                forkedID = fork();
+               modellock = 0;
 
                if (0 == forkedID) {
-                       /* If the rollback bool is set, switch to the context we need to
-                                return to during a rollback. */
-                       if (rollback) {
-                               setcontext(&(fork_snap->mContextToRollback));
-                       } else {
-                               /*Child process which is forked as a result of takesnapshot
-                                       call should switch back to the takesnapshot context*/
-                               setcontext(&savedUserSnapshotContext);
-                       }
+                       setcontext(&shared_ctxt);
                } else {
-                       int status;
-                       int retVal;
-
-                       DEBUG("The process id of child is %d and the process id of this process is %d and snapshot id is %d\n",
-                               forkedID, getpid(), snapshotid);
-
-                       do {
-                               retVal = waitpid(forkedID, &status, 0);
-                       } while (-1 == retVal && errno == EINTR);
-
-                       if (fork_snap->mIDToRollback != snapshotid) {
-                               exit(EXIT_SUCCESS);
+                       DEBUG("parent PID: %d, child PID: %d, snapshot ID: %d\n",
+                                               getpid(), forkedID, snapshotid);
+
+                       while (waitpid(forkedID, NULL, 0) < 0) {
+                               /* waitpid() may be interrupted */
+                               if (errno != EINTR) {
+                                       perror("waitpid");
+                                       exit(EXIT_FAILURE);
+                               }
                        }
-                       rollback = true;
+
+                       if (fork_snap->mIDToRollback != snapshotid)
+                               _Exit(EXIT_SUCCESS);
                }
        }
 }
 
-static snapshot_id fork_take_snapshot()
-{
-       swapcontext(&savedUserSnapshotContext, &savedSnapshotContext);
+static void fork_startExecution() {
+       /* switch to a new entryPoint context, on a new stack */
+       create_context(&private_ctxt, snapshot_calloc(STACK_SIZE_DEFAULT, 1), STACK_SIZE_DEFAULT, fork_loop);
+}
+
+static snapshot_id fork_take_snapshot() {
+       model_swapcontext(&shared_ctxt, &private_ctxt);
        DEBUG("TAKESNAPSHOT RETURN\n");
+       fork_snap->mIDToRollback = -1;
        return snapshotid;
 }
 
 static void fork_roll_back(snapshot_id theID)
 {
+       DEBUG("Rollback\n");
        fork_snap->mIDToRollback = theID;
-       volatile int sTemp = 0;
-       getcontext(&fork_snap->mContextToRollback);
-       /*
-        * This is used to quit the process on rollback, so that the process
-        * which needs to rollback can quit allowing the process whose
-        * snapshotid matches the rollbackid to switch to this context and
-        * continue....
-        */
-       if (!sTemp) {
-               sTemp = 1;
-               DEBUG("Invoked rollback\n");
-               exit(EXIT_SUCCESS);
-       }
-       /*
-        * This fix obviates the need for a finalize call. hence less dependences for model-checker....
-        */
-       fork_snap->mIDToRollback = -1;
+       fork_exit();
 }
 
-#endif /* !USE_MPROTECT_SNAPSHOT */
-
-/** The initSnapshotLibrary function initializes the snapshot library.
- *  @param entryPoint the function that should run the program.
+/**
+ * @brief Initializes the snapshot system
+ * @param entryPoint the function that should run the program.
  */
-void initSnapshotLibrary(unsigned int numbackingpages,
-               unsigned int numsnapshots, unsigned int nummemoryregions,
-               unsigned int numheappages, VoidFuncPtr entryPoint)
+void snapshot_system_init(unsigned int numbackingpages,
+                                                                                                       unsigned int numsnapshots, unsigned int nummemoryregions,
+                                                                                                       unsigned int numheappages)
 {
-#if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
-       mprot_snapshot_init(numbackingpages, numsnapshots, nummemoryregions, numheappages, entryPoint);
-#else
-       fork_snapshot_init(numbackingpages, numsnapshots, nummemoryregions, numheappages, entryPoint);
-#endif
+       fork_snapshot_init(numbackingpages, numsnapshots, nummemoryregions, numheappages);
 }
 
-/** The addMemoryRegionToSnapShot function assumes that addr is page aligned. */
-void addMemoryRegionToSnapShot(void *addr, unsigned int numPages)
-{
-#if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
-       mprot_add_to_snapshot(addr, numPages);
-#else
-       /* not needed for fork-based snapshotting */
-#endif
+void startExecution() {
+       fork_startExecution();
 }
 
-/** The takeSnapshot function takes a snapshot.
+/** Takes a snapshot of memory.
  * @return The snapshot identifier.
  */
-snapshot_id takeSnapshot()
+snapshot_id take_snapshot()
 {
-#if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
-       return mprot_take_snapshot();
-#else
        return fork_take_snapshot();
-#endif
 }
 
-/** The rollBack function rollback to the given snapshot identifier.
+/** Rolls the memory state back to the given snapshot identifier.
  *  @param theID is the snapshot identifier to rollback to.
  */
-void rollBack(snapshot_id theID)
+void snapshot_roll_back(snapshot_id theID)
 {
-#if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
-       mprot_roll_back(theID);
-#else
        fork_roll_back(theID);
-#endif
 }