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[cdsspec-compiler.git] / README.md
1 CDSChecker Readme
2 =================
3
4 Copyright © 2013 Regents of the University of California. All rights reserved.
5
6 CDSChecker is distributed under the GPL v2. See the LICENSE file for details.
7
8
9 Overview
10 --------
11
12 CDSChecker is a model checker for C11/C++11 which exhaustively explores the
13 behaviors of code under the C/C++ memory model. It uses partial order reduction
14 as well as a few other novel techniques to eliminate time spent on redundant
15 execution behaviors and to significantly shrink the state space. The model
16 checking algorithm is described in more detail in this paper (published in
17 OOPSLA '13):
18
19 >   <http://demsky.eecs.uci.edu/publications/c11modelcheck.pdf>
20
21 It is designed to support unit tests on concurrent data structure written using
22 C/C++ atomics.
23
24 CDSChecker is constructed as a dynamically-linked shared library which
25 implements the C and C++ atomic types and portions of the other thread-support
26 libraries of C/C++ (e.g., std::atomic, std::mutex, etc.). Notably, we only
27 support the C version of threads (i.e., `thrd_t` and similar, from `<threads.h>`),
28 because C++ threads require features which are only available to a C++11
29 compiler (and we want to support others, at least for now).
30
31 CDSChecker should compile on Linux and Mac OSX with no dependencies and has been
32 tested with LLVM (clang/clang++) and GCC. It likely can be ported to other \*NIX
33 flavors. We have not attempted to port to Windows.
34
35
36 Getting Started
37 ---------------
38
39 If you haven't done so already, you may download CDSChecker using
40 [git](http://git-scm.com/):
41
42       git clone git://demsky.eecs.uci.edu/model-checker.git
43
44 Get the benchmarks (not required; distributed separately):
45
46       cd model-checker
47       git clone git://demsky.eecs.uci.edu/model-checker-benchmarks.git benchmarks
48
49 Compile the model checker:
50
51       make
52
53 Compile the benchmarks:
54
55       make benchmarks
56
57 Run a simple example (the `run.sh` script does some very minimal processing for
58 you):
59
60       ./run.sh test/userprog.o
61
62 To see the help message on how to run CDSChecker, execute:
63
64       ./run.sh -h
65
66
67 Useful Options
68 --------------
69
70 `-m num`
71
72   > Controls the liveness of the memory system. Note that multithreaded programs
73   > often rely on memory liveness for termination, so this parameter is
74   > necessary for such programs.
75   >
76   > Liveness is controlled by `num`: the number of times a load is allowed to
77   > see the same store when a newer store exists---one that is ordered later in
78   > the modification order.
79
80 `-y`
81
82   > Turns on CHESS-like yield-based fairness support (requires `thrd_yield()`
83   > instrumentation in test program).
84
85 `-f num`
86
87   > Turns on alternative fairness support (less desirable than `-y`).
88
89 `-v`
90
91   > Verbose: show all executions and not just buggy ones.
92
93 `-s num`
94
95   > Constrain how long we will run to wait for a future value past when it is
96   > expected
97
98 `-u num`
99
100   > Value to provide to atomics loads from uninitialized memory locations. The
101   > default is 0, but this may cause some programs to throw exceptions
102   > (segfault) before the model checker prints a trace.
103
104 Suggested options:
105
106 >     -m 2 -y
107
108 or
109
110 >     -m 2 -f 10
111
112
113 Benchmarks
114 -------------------
115
116 Many simple tests are located in the `tests/` directory. You may also want to
117 try the larger benchmarks (distributed separately), which can be placed under
118 the `benchmarks/` directory. After building CDSChecker, you can build and run
119 the benchmarks as follows:
120
121 >     make benchmarks
122 >     cd benchmarks
123 >     ./run.sh barrier/barrier -y -m 2     # runs barrier test with fairness/memory liveness
124 >     ./bench.sh                           # run all benchmarks and provide timing results
125
126
127 Running your own code
128 ---------------------
129
130 You likely want to test your own code, not just our simple tests. To do so, you
131 need to perform a few steps.
132
133 First, because CDSChecker executes your program dozens (if not hundreds or
134 thousands) of times, you will have the most success if your code is written as a
135 unit test and not as a full-blown program.
136
137 Second, because CDSChecker must be able to manage your program for you, your
138 program should declare its main entry point as `user_main(int, char**)` rather
139 than `main(int, char**)`.
140
141 Third, test programs should use the standard C11/C++11 library headers
142 (`<atomic>`/`<stdatomic.h>`, `<mutex>`, `<condition_variable>`, `<thread.h>`).
143 As of now, we only support C11 thread syntax (`thrd_t`, etc. from
144 `<thread.h>`).
145
146 Test programs may also use our included happens-before race detector by
147 including <librace.h> and utilizing the appropriate functions
148 (`store_{8,16,32,64}()` and `load_{8,16,32,64}()`) for loading/storing data from/to
149 non-atomic shared memory.
150
151 CDSChecker can also check boolean assertions in your test programs. Just
152 include `<model-assert.h>` and use the `MODEL_ASSERT()` macro in your test program.
153 CDSChecker will report a bug in any possible execution in which the argument to
154 `MODEL_ASSERT()` evaluates to false (that is, 0).
155
156 Test programs should be compiled against our shared library (libmodel.so) using
157 the headers in the `include/` directory. Then the shared library must be made
158 available to the dynamic linker, using the `LD_LIBRARY_PATH` environment
159 variable, for instance.
160
161
162 Reading an execution trace
163 --------------------------
164
165 When CDSChecker detects a bug in your program (or when run with the `--verbose`
166 flag), it prints the output of the program run (STDOUT) along with some summary
167 trace information for the execution in question. The trace is given as a
168 sequence of lines, where each line represents an operation in the execution
169 trace. These lines are ordered by the order in which they were run by CDSChecker
170 (i.e., the "execution order"), which does not necessarily align with the "order"
171 of the values observed (i.e., the modification order or the reads-from
172 relation).
173
174 The following list describes each of the columns in the execution trace output:
175
176  * \#: The sequence number within the execution. That is, sequence number "9"
177    means the operation was the 9th operation executed by CDSChecker. Note that
178    this represents the execution order, not necessarily any other order (e.g.,
179    modification order or reads-from).
180
181  * t: The thread number
182
183  * Action type: The type of operation performed
184
185  * MO: The memory-order for this operation (i.e., `memory_order_XXX`, where `XXX` is
186    `relaxed`, `release`, `acquire`, `rel_acq`, or `seq_cst`)
187
188  * Location: The memory location on which this operation is operating. This is
189    well-defined for atomic write/read/RMW, but other operations are subject to
190    CDSChecker implementation details.
191
192  * Value: For reads/writes/RMW, the value returned by the operation. Note that
193    for RMW, this is the value that is *read*, not the value that was *written*.
194    For other operations, 'value' may have some CDSChecker-internal meaning, or
195    it may simply be a don't-care (such as `0xdeadbeef`).
196
197  * Rf: For reads, the sequence number of the operation from which it reads.
198    [Note: If the execution is a partial, infeasible trace (labeled INFEASIBLE),
199    as printed during `--verbose` execution, reads may not be resolved and so may
200    have Rf=? or Rf=Px, where x is a promised future value.]
201
202  * CV: The clock vector, encapsulating the happens-before relation (see our
203    paper, or the C/C++ memory model itself). We use a Lamport-style clock vector
204    similar to [1]. The "clock" is just the sequence number (#). The clock vector
205    can be read as follows:
206
207    Each entry is indexed as CV[i], where
208
209             i = 0, 1, 2, ..., <number of threads>
210
211    So for any thread i, we say CV[i] is the sequence number of the most recent
212    operation in thread i such that operation i happens-before this operation.
213    Notably, thread 0 is reserved as a dummy thread for certain CDSChecker
214    operations.
215
216 See the following example trace:
217
218 <pre>
219 ------------------------------------------------------------------------------------
220 #    t    Action type     MO       Location         Value               Rf  CV
221 ------------------------------------------------------------------------------------
222 1    1    thread start    seq_cst  0x7f68ff11e7c0   0xdeadbeef              ( 0,  1)
223 2    1    init atomic     relaxed        0x601068   0                       ( 0,  2)
224 3    1    init atomic     relaxed        0x60106c   0                       ( 0,  3)
225 4    1    thread create   seq_cst  0x7f68fe51c710   0x7f68fe51c6e0          ( 0,  4)
226 5    2    thread start    seq_cst  0x7f68ff11ebc0   0xdeadbeef              ( 0,  4,  5)
227 6    2    atomic read     relaxed        0x60106c   0                   3   ( 0,  4,  6)
228 7    1    thread create   seq_cst  0x7f68fe51c720   0x7f68fe51c6e0          ( 0,  7)
229 8    3    thread start    seq_cst  0x7f68ff11efc0   0xdeadbeef              ( 0,  7,  0,  8)
230 9    2    atomic write    relaxed        0x601068   0                       ( 0,  4,  9)
231 10   3    atomic read     relaxed        0x601068   0                   2   ( 0,  7,  0, 10)
232 11   2    thread finish   seq_cst  0x7f68ff11ebc0   0xdeadbeef              ( 0,  4, 11)
233 12   3    atomic write    relaxed        0x60106c   0x2a                    ( 0,  7,  0, 12)
234 13   1    thread join     seq_cst  0x7f68ff11ebc0   0x2                     ( 0, 13, 11)
235 14   3    thread finish   seq_cst  0x7f68ff11efc0   0xdeadbeef              ( 0,  7,  0, 14)
236 15   1    thread join     seq_cst  0x7f68ff11efc0   0x3                     ( 0, 15, 11, 14)
237 16   1    thread finish   seq_cst  0x7f68ff11e7c0   0xdeadbeef              ( 0, 16, 11, 14)
238 HASH 4073708854
239 ------------------------------------------------------------------------------------
240 </pre>
241
242 Now consider, for example, operation 10:
243
244 This is the 10th operation in the execution order. It is an atomic read-relaxed
245 operation performed by thread 3 at memory address `0x601068`. It reads the value
246 "0", which was written by the 2nd operation in the execution order. Its clock
247 vector consists of the following values:
248
249         CV[0] = 0, CV[1] = 7, CV[2] = 0, CV[3] = 10
250
251
252 Other Notes
253 -----------
254
255 * Deadlock detection: CDSChecker can detect deadlocks. For instance, try the
256   following test program.
257
258   >     ./run.sh test/deadlock.o
259
260   Deadlock detection currently detects when a thread is about to step into a
261   deadlock, without actually including the final step in the trace. But you can
262   examine the program to see the next step.
263
264 * CDSChecker has to speculatively explore many execution behaviors due to the
265   relaxed memory model, and many of these turn out to be infeasible (that is,
266   they cannot be legally produced by the memory model). CDSChecker discards
267   these executions as soon as it identifies them (see the "Number of infeasible
268   executions" statistic); however, the speculation can occasionally cause
269   CDSChecker to hit unexpected parts of the unit test program (causing a
270   division by 0, for instance). In such programs, you might consider running
271   CDSChecker with the `-u num` option.
272
273
274 See Also
275 --------
276
277 The CDSChecker project page:
278
279 >   <http://demsky.eecs.uci.edu/c11modelchecker.php>
280
281 The CDSChecker source and accompanying benchmarks on Gitweb:
282
283 >   <http://demsky.eecs.uci.edu/git/?p=model-checker.git>
284 >
285 >   <http://demsky.eecs.uci.edu/git/?p=model-checker-benchmarks.git>
286
287
288 Contact
289 -------
290
291 Please feel free to contact us for more information. Bug reports are welcome,
292 and we are happy to hear from our users. We are also very interested to know if
293 CDSChecker catches bugs in your programs.
294
295 Contact Brian Norris at <banorris@uci.edu> or Brian Demsky at <bdemsky@uci.edu>.
296
297
298 References
299 ----------
300
301 [1] L. Lamport. Time, clocks, and the ordering of events in a distributed
302     system. CACM, 21(7):558-565, July 1978.