README.md

   1 CDSChecker: A Model Checker for C11 and C++11 Atomics
   2 =====================================================
   3
   4 Copyright &copy; 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/) (for those without git, snapshots can be found at the
  41 Gitweb URLs below):
  42
  43       git clone git://demsky.eecs.uci.edu/model-checker.git
  44
  45 Get the benchmarks (not required; distributed separately):
  46
  47       cd model-checker
  48       git clone git://demsky.eecs.uci.edu/model-checker-benchmarks.git benchmarks
  49
  50 Compile the model checker:
  51
  52       make
  53
  54 Compile the benchmarks:
  55
  56       make benchmarks
  57
  58 Run a simple example (the `run.sh` script does some very minimal processing for
  59 you):
  60
  61       ./run.sh test/userprog.o
  62
  63 To see the help message on how to run CDSChecker, execute:
  64
  65       ./run.sh -h
  66
  67
  68 Useful Options
  69 --------------
  70
  71 `-m num`
  72
  73   > Controls the liveness of the memory system. Note that multithreaded programs
  74   > often rely on memory liveness for termination, so this parameter is
  75   > necessary for such programs.
  76   >
  77   > Liveness is controlled by `num`: the number of times a load is allowed to
  78   > see the same store when a newer store exists---one that is ordered later in
  79   > the modification order.
  80
  81 `-y`
  82
  83   > Turns on CHESS-like yield-based fairness support (requires `thrd_yield()`
  84   > instrumentation in test program).
  85
  86 `-f num`
  87
  88   > Turns on alternative fairness support (less desirable than `-y`).
  89
  90 `-v`
  91
  92   > Verbose: show all executions and not just buggy ones.
  93
  94 `-s num`
  95
  96   > Constrain how long we will run to wait for a future value past when it is
  97   > expected
  98
  99 `-u num`
 100
 101   > Value to provide to atomics loads from uninitialized memory locations. The
 102   > default is 0, but this may cause some programs to throw exceptions
 103   > (segfault) before the model checker prints a trace.
 104
 105 Suggested options:
 106
 107 >     -m 2 -y
 108
 109 or
 110
 111 >     -m 2 -f 10
 112
 113
 114 Benchmarks
 115 -------------------
 116
 117 Many simple tests are located in the `tests/` directory. You may also want to
 118 try the larger benchmarks (distributed separately), which can be placed under
 119 the `benchmarks/` directory. After building CDSChecker, you can build and run
 120 the benchmarks as follows:
 121
 122 >     make benchmarks
 123 >     cd benchmarks
 124 >
 125 >     # run barrier test with fairness/memory liveness
 126 >     ./run.sh barrier/barrier -y -m 2
 127 >
 128 >     # Linux reader/write lock test with fairness/memory liveness
 129 >     ./run.sh linuxrwlocks/linuxrwlocks -y -m 2
 130 >
 131 >     # run all benchmarks and provide timing results
 132 >     ./bench.sh
 133
 134
 135 Running your own code
 136 ---------------------
 137
 138 You likely want to test your own code, not just our simple tests. To do so, you
 139 need to perform a few steps.
 140
 141 First, because CDSChecker executes your program dozens (if not hundreds or
 142 thousands) of times, you will have the most success if your code is written as a
 143 unit test and not as a full-blown program.
 144
 145 Second, because CDSChecker must be able to manage your program for you, your
 146 program should declare its main entry point as `user_main(int, char**)` rather
 147 than `main(int, char**)`.
 148
 149 Third, test programs must use the standard C11/C++11 library headers (see below
 150 for supported APIs) and must compile against the versions provided in
 151 CDSChecker's `include/` directory. Notably, we only support C11 thread syntax
 152 (`thrd_t`, etc. from `<thread.h>`).
 153
 154 Test programs may also use our included happens-before race detector by
 155 including <librace.h> and utilizing the appropriate functions
 156 (`store_{8,16,32,64}()` and `load_{8,16,32,64}()`) for storing/loading data
 157 to/from non-atomic shared memory.
 158
 159 CDSChecker can also check boolean assertions in your test programs. Just
 160 include `<model-assert.h>` and use the `MODEL_ASSERT()` macro in your test program.
 161 CDSChecker will report a bug in any possible execution in which the argument to
 162 `MODEL_ASSERT()` evaluates to false (that is, 0).
 163
 164 Test programs should be compiled against our shared library (libmodel.so) using
 165 the headers in the `include/` directory. Then the shared library must be made
 166 available to the dynamic linker, using the `LD_LIBRARY_PATH` environment
 167 variable, for instance.
 168
 169
 170 ### Supported C11/C++11 APIs ###
 171
 172 To model-check multithreaded code properly, CDSChecker needs to instrument any
 173 concurrency-related API calls made in your code. Currently, we support parts of
 174 the following thread-support libraries. The C versions can be used in either C
 175 or C++.
 176
 177 * `<atomic>`, `<cstdatomic>`, `<stdatomic.h>`
 178 * `<condition_variable>`
 179 * `<mutex>`
 180 * `<threads.h>`
 181
 182 Because we want to extend support to legacy (i.e., non-C++11) compilers, we do
 183 not support some new C++11 features that can't be implemented in C++03 (e.g.,
 184 C++ `<thread>`).
 185
 186 Reading an execution trace
 187 --------------------------
 188
 189 When CDSChecker detects a bug in your program (or when run with the `--verbose`
 190 flag), it prints the output of the program run (STDOUT) along with some summary
 191 trace information for the execution in question. The trace is given as a
 192 sequence of lines, where each line represents an operation in the execution
 193 trace. These lines are ordered by the order in which they were run by CDSChecker
 194 (i.e., the "execution order"), which does not necessarily align with the "order"
 195 of the values observed (i.e., the modification order or the reads-from
 196 relation).
 197
 198 The following list describes each of the columns in the execution trace output:
 199
 200  * \#: The sequence number within the execution. That is, sequence number "9"
 201    means the operation was the 9th operation executed by CDSChecker. Note that
 202    this represents the execution order, not necessarily any other order (e.g.,
 203    modification order or reads-from).
 204
 205  * t: The thread number
 206
 207  * Action type: The type of operation performed
 208
 209  * MO: The memory-order for this operation (i.e., `memory_order_XXX`, where `XXX` is
 210    `relaxed`, `release`, `acquire`, `rel_acq`, or `seq_cst`)
 211
 212  * Location: The memory location on which this operation is operating. This is
 213    well-defined for atomic write/read/RMW, but other operations are subject to
 214    CDSChecker implementation details.
 215
 216  * Value: For reads/writes/RMW, the value returned by the operation. Note that
 217    for RMW, this is the value that is *read*, not the value that was *written*.
 218    For other operations, 'value' may have some CDSChecker-internal meaning, or
 219    it may simply be a don't-care (such as `0xdeadbeef`).
 220
 221  * Rf: For reads, the sequence number of the operation from which it reads.
 222    [Note: If the execution is a partial, infeasible trace (labeled INFEASIBLE),
 223    as printed during `--verbose` execution, reads may not be resolved and so may
 224    have Rf=? or Rf=Px, where x is a promised future value.]
 225
 226  * CV: The clock vector, encapsulating the happens-before relation (see our
 227    paper, or the C/C++ memory model itself). We use a Lamport-style clock vector
 228    similar to [1]. The "clock" is just the sequence number (#). The clock vector
 229    can be read as follows:
 230
 231    Each entry is indexed as CV[i], where
 232
 233             i = 0, 1, 2, ..., <number of threads>
 234
 235    So for any thread i, we say CV[i] is the sequence number of the most recent
 236    operation in thread i such that operation i happens-before this operation.
 237    Notably, thread 0 is reserved as a dummy thread for certain CDSChecker
 238    operations.
 239
 240 See the following example trace:
 241
 242 <pre>
 243 ------------------------------------------------------------------------------------
 244 #    t    Action type     MO       Location         Value               Rf  CV
 245 ------------------------------------------------------------------------------------
 246 1    1    thread start    seq_cst  0x7f68ff11e7c0   0xdeadbeef              ( 0,  1)
 247 2    1    init atomic     relaxed        0x601068   0                       ( 0,  2)
 248 3    1    init atomic     relaxed        0x60106c   0                       ( 0,  3)
 249 4    1    thread create   seq_cst  0x7f68fe51c710   0x7f68fe51c6e0          ( 0,  4)
 250 5    2    thread start    seq_cst  0x7f68ff11ebc0   0xdeadbeef              ( 0,  4,  5)
 251 6    2    atomic read     relaxed        0x60106c   0                   3   ( 0,  4,  6)
 252 7    1    thread create   seq_cst  0x7f68fe51c720   0x7f68fe51c6e0          ( 0,  7)
 253 8    3    thread start    seq_cst  0x7f68ff11efc0   0xdeadbeef              ( 0,  7,  0,  8)
 254 9    2    atomic write    relaxed        0x601068   0                       ( 0,  4,  9)
 255 10   3    atomic read     relaxed        0x601068   0                   2   ( 0,  7,  0, 10)
 256 11   2    thread finish   seq_cst  0x7f68ff11ebc0   0xdeadbeef              ( 0,  4, 11)
 257 12   3    atomic write    relaxed        0x60106c   0x2a                    ( 0,  7,  0, 12)
 258 13   1    thread join     seq_cst  0x7f68ff11ebc0   0x2                     ( 0, 13, 11)
 259 14   3    thread finish   seq_cst  0x7f68ff11efc0   0xdeadbeef              ( 0,  7,  0, 14)
 260 15   1    thread join     seq_cst  0x7f68ff11efc0   0x3                     ( 0, 15, 11, 14)
 261 16   1    thread finish   seq_cst  0x7f68ff11e7c0   0xdeadbeef              ( 0, 16, 11, 14)
 262 HASH 4073708854
 263 ------------------------------------------------------------------------------------
 264 </pre>
 265
 266 Now consider, for example, operation 10:
 267
 268 This is the 10th operation in the execution order. It is an atomic read-relaxed
 269 operation performed by thread 3 at memory address `0x601068`. It reads the value
 270 "0", which was written by the 2nd operation in the execution order. Its clock
 271 vector consists of the following values:
 272
 273         CV[0] = 0, CV[1] = 7, CV[2] = 0, CV[3] = 10
 274
 275 End of Execution Summary
 276 ------------------------
 277
 278 CDSChecker prints summary statistics at the end of each execution. These
 279 summaries are based off of a few different properties of an execution, which we
 280 will break down here:
 281
 282 * An _infeasible_ execution is an execution which is not consistent with the
 283   memory model. Such an execution can be considered overhead for the
 284   model-checker, since it should never appear in practice.
 285
 286 * A _buggy_ execution is an execution in which CDSChecker has found a real
 287   bug: a data race, a deadlock, failure of a user-provided assertion, or an
 288   uninitialized load, for instance. CDSChecker will only report bugs in feasible
 289   executions.
 290
 291 * A _redundant_ execution is a feasible execution that is exploring the same
 292   state space explored by a previous feasible execution. Such exploration is
 293   another instance of overhead, so CDSChecker terminates these executions as
 294   soon as they are detected. CDSChecker is mostly able to avoid such executions
 295   but may encounter them if a fairness option is enabled.
 296
 297 Now, we can examine the end-of-execution summary of one test program:
 298
 299     $ ./run.sh test/rmwprog.o
 300     + test/rmwprog.o
 301     ******* Model-checking complete: *******
 302     Number of complete, bug-free executions: 6
 303     Number of redundant executions: 0
 304     Number of buggy executions: 0
 305     Number of infeasible executions: 29
 306     Total executions: 35
 307
 308 * _Number of complete, bug-free executions:_ these are feasible, non-buggy, and
 309   non-redundant executions. They each represent different, legal behaviors you
 310   can expect to see in practice.
 311
 312 * _Number of redundant executions:_ these are feasible but redundant executions
 313   that were terminated as soon as CDSChecker noticed the redundancy.
 314
 315 * _Number of buggy executions:_ these are feasible, buggy executions. These are
 316   the trouble spots where your program is triggering a bug or assertion.
 317   Ideally, this number should be 0.
 318
 319 * _Number of infeasible executions:_ these are infeasible executions,
 320   representing some of the overhead of model-checking.
 321
 322 * _Total executions:_ the total number of executions explored by CDSChecker.
 323   Should be the sum of the above categories, since they are mutually exclusive.
 324
 325
 326 Other Notes and Pitfalls
 327 ------------------------
 328
 329 * Deadlock detection: CDSChecker can detect deadlocks. For instance, try the
 330   following test program.
 331
 332   >     ./run.sh test/deadlock.o
 333
 334   Deadlock detection currently detects when a thread is about to step into a
 335   deadlock, without actually including the final step in the trace. But you can
 336   examine the program to see the next step.
 337
 338 * CDSChecker has to speculatively explore many execution behaviors due to the
 339   relaxed memory model, and many of these turn out to be infeasible (that is,
 340   they cannot be legally produced by the memory model). CDSChecker discards
 341   these executions as soon as it identifies them (see the "Number of infeasible
 342   executions" statistic); however, the speculation can occasionally cause
 343   CDSChecker to hit unexpected parts of the unit test program (causing a
 344   division by 0, for instance). In such programs, you might consider running
 345   CDSChecker with the `-u num` option.
 346
 347 * Related to the previous point, CDSChecker may report more than one bug for a
 348   particular candidate execution. This is because some bugs may not be
 349   reportable until CDSChecker has explored more of the program, and in the
 350   time between initial discovery and final assessment of the bug, CDSChecker may
 351   discover another bug.
 352
 353 * Data races may be reported as multiple bugs, one for each byte-address of the
 354   data race in question. See, for example, this run:
 355
 356         $ ./run.sh test/releaseseq.o
 357         ...
 358         Bug report: 4 bugs detected
 359           [BUG] Data race detected @ address 0x601078:
 360             Access 1: write in thread  2 @ clock   4
 361             Access 2:  read in thread  3 @ clock   9
 362           [BUG] Data race detected @ address 0x601079:
 363             Access 1: write in thread  2 @ clock   4
 364             Access 2:  read in thread  3 @ clock   9
 365           [BUG] Data race detected @ address 0x60107a:
 366             Access 1: write in thread  2 @ clock   4
 367             Access 2:  read in thread  3 @ clock   9
 368           [BUG] Data race detected @ address 0x60107b:
 369             Access 1: write in thread  2 @ clock   4
 370             Access 2:  read in thread  3 @ clock   9
 371
 372
 373 See Also
 374 --------
 375
 376 The CDSChecker project page:
 377
 378 >   <http://demsky.eecs.uci.edu/c11modelchecker.php>
 379
 380 The CDSChecker source and accompanying benchmarks on Gitweb:
 381
 382 >   <http://demsky.eecs.uci.edu/git/?p=model-checker.git>
 383 >
 384 >   <http://demsky.eecs.uci.edu/git/?p=model-checker-benchmarks.git>
 385
 386
 387 Contact
 388 -------
 389
 390 Please feel free to contact us for more information. Bug reports are welcome,
 391 and we are happy to hear from our users. We are also very interested to know if
 392 CDSChecker catches bugs in your programs.
 393
 394 Contact Brian Norris at <banorris@uci.edu> or Brian Demsky at <bdemsky@uci.edu>.
 395
 396
 397 References
 398 ----------
 399
 400 [1] L. Lamport. Time, clocks, and the ordering of events in a distributed
 401     system. CACM, 21(7):558-565, July 1978.