src/main/gov/nasa/jpf/listener/DPORStateReducer.java

   1 /*
   2  * Copyright (C) 2014, United States Government, as represented by the
   3  * Administrator of the National Aeronautics and Space Administration.
   4  * All rights reserved.
   5  *
   6  * The Java Pathfinder core (jpf-core) platform is licensed under the
   7  * Apache License, Version 2.0 (the "License"); you may not use this file except
   8  * in compliance with the License. You may obtain a copy of the License at
   9  *
  10  *        http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0.
  11  *
  12  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
  13  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
  14  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
  15  * See the License for the specific language governing permissions and
  16  * limitations under the License.
  17  */
  18 package gov.nasa.jpf.listener;
  19
  20 import gov.nasa.jpf.Config;
  21 import gov.nasa.jpf.JPF;
  22 import gov.nasa.jpf.ListenerAdapter;
  23 import gov.nasa.jpf.search.Search;
  24 import gov.nasa.jpf.jvm.bytecode.*;
  25 import gov.nasa.jpf.vm.*;
  26 import gov.nasa.jpf.vm.bytecode.ReadInstruction;
  27 import gov.nasa.jpf.vm.bytecode.WriteInstruction;
  28 import gov.nasa.jpf.vm.choice.IntChoiceFromSet;
  29 import gov.nasa.jpf.vm.choice.IntIntervalGenerator;
  30
  31 import java.io.PrintWriter;
  32 import java.util.*;
  33
  34 // TODO: Fix for Groovy's model-checking
  35 // TODO: This is a setter to change the values of the ChoiceGenerator to implement POR
  36 /**
  37  * Simple tool to log state changes.
  38  *
  39  * This DPOR implementation is augmented by the algorithm presented in this SPIN paper:
  40  * http://spinroot.com/spin/symposia/ws08/spin2008_submission_33.pdf
  41  *
  42  * The algorithm is presented on page 11 of the paper. Basically, we have a graph G
  43  * (i.e., visible operation dependency graph).
  44  * This DPOR implementation actually fixes the algorithm in the SPIN paper that does not
  45  * consider cases where a state could be matched early. In this new algorithm/implementation,
  46  * each run is terminated iff:
  47  * - we find a state that matches a state in a previous run, or
  48  * - we have a matched state in the current run that consists of cycles that contain all choices/events.
  49  */
  50 public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
  51
  52   // Information printout fields for verbose mode
  53   private boolean verboseMode;
  54   private boolean stateReductionMode;
  55   private final PrintWriter out;
  56   private String detail;
  57   private int depth;
  58   private int id;
  59   private Transition transition;
  60
  61   // DPOR-related fields
  62   // Basic information
  63   private Integer[] choices;
  64   private Integer[] refChoices; // Second reference to a copy of choices (choices may be modified for fair scheduling)
  65   private int choiceCounter;
  66   private int maxEventChoice;
  67   // Data structure to track the events seen by each state to track cycles (containing all events) for termination
  68   private HashSet<Integer> currVisitedStates; // States being visited in the current execution
  69   private HashSet<Integer> justVisitedStates; // States just visited in the previous choice/event
  70   private HashSet<Integer> prevVisitedStates; // States visited in the previous execution
  71   private HashMap<Integer, HashSet<Integer>> stateToEventMap;
  72   // Data structure to analyze field Read/Write accesses and conflicts
  73   private HashMap<Integer, LinkedList<Integer[]>> backtrackMap;   // Track created backtracking points
  74   private PriorityQueue<Integer> backtrackStateQ;                 // Heap that returns the latest state
  75   private ArrayList<BacktrackPoint> backtrackPointList;           // Record backtrack points (CG, state Id, and choice)
  76   private HashMap<Integer, HashSet<Integer>> conflictPairMap;     // Record conflicting events
  77   private HashSet<String> doneBacktrackSet;                       // Record state ID and trace already constructed
  78   private HashMap<Integer, ReadWriteSet> readWriteFieldsMap;      // Record fields that are accessed
  79   private HashMap<Integer, RestorableVMState> restorableStateMap; // Maps state IDs to the restorable state object
  80   private HashMap<Integer, Integer> stateToChoiceCounterMap;      // Maps state IDs to the choice counter
  81
  82   // Boolean states
  83   private boolean isBooleanCGFlipped;
  84   private boolean isEndOfExecution;
  85
  86   // Statistics
  87   private int numOfConflicts;
  88   private int numOfTransitions;
  89
  90   public DPORStateReducer(Config config, JPF jpf) {
  91     verboseMode = config.getBoolean("printout_state_transition", false);
  92     stateReductionMode = config.getBoolean("activate_state_reduction", true);
  93     if (verboseMode) {
  94       out = new PrintWriter(System.out, true);
  95     } else {
  96       out = null;
  97     }
  98     isBooleanCGFlipped = false;
  99                 numOfConflicts = 0;
 100                 numOfTransitions = 0;
 101     restorableStateMap = new HashMap<>();
 102     initializeStatesVariables();
 103   }
 104
 105   @Override
 106   public void stateRestored(Search search) {
 107     if (verboseMode) {
 108       id = search.getStateId();
 109       depth = search.getDepth();
 110       transition = search.getTransition();
 111       detail = null;
 112       out.println("\n==> DEBUG: The state is restored to state with id: " + id + " -- Transition: " + transition +
 113               " and depth: " + depth + "\n");
 114     }
 115   }
 116
 117   @Override
 118   public void searchStarted(Search search) {
 119     if (verboseMode) {
 120       out.println("\n==> DEBUG: ----------------------------------- search started" + "\n");
 121     }
 122   }
 123
 124   @Override
 125   public void stateAdvanced(Search search) {
 126     if (verboseMode) {
 127       id = search.getStateId();
 128       depth = search.getDepth();
 129       transition = search.getTransition();
 130       if (search.isNewState()) {
 131         detail = "new";
 132       } else {
 133         detail = "visited";
 134       }
 135
 136       if (search.isEndState()) {
 137         out.println("\n==> DEBUG: This is the last state!\n");
 138         detail += " end";
 139       }
 140       out.println("\n==> DEBUG: The state is forwarded to state with id: " + id + " with depth: " + depth +
 141               " which is " + detail + " Transition: " + transition + "\n");
 142     }
 143     if (stateReductionMode) {
 144       updateStateInfo(search);
 145     }
 146   }
 147
 148   @Override
 149   public void stateBacktracked(Search search) {
 150     if (verboseMode) {
 151       id = search.getStateId();
 152       depth = search.getDepth();
 153       transition = search.getTransition();
 154       detail = null;
 155
 156       out.println("\n==> DEBUG: The state is backtracked to state with id: " + id + " -- Transition: " + transition +
 157               " and depth: " + depth + "\n");
 158     }
 159     if (stateReductionMode) {
 160       updateStateInfo(search);
 161     }
 162   }
 163
 164   @Override
 165   public void searchFinished(Search search) {
 166     if (stateReductionMode) {
 167       // Number of conflicts = first trace + subsequent backtrack points
 168       numOfConflicts += 1 + doneBacktrackSet.size();
 169     }
 170     if (verboseMode) {
 171       out.println("\n==> DEBUG: ----------------------------------- search finished");
 172       out.println("\n==> DEBUG: State reduction mode  : " + stateReductionMode);
 173       out.println("\n==> DEBUG: Number of conflicts   : " + numOfConflicts);
 174       out.println("\n==> DEBUG: Number of transitions : " + numOfTransitions);
 175       out.println("\n==> DEBUG: ----------------------------------- search finished" + "\n");
 176     }
 177   }
 178
 179   @Override
 180   public void choiceGeneratorRegistered(VM vm, ChoiceGenerator<?> nextCG, ThreadInfo currentThread, Instruction executedInstruction) {
 181     if (stateReductionMode) {
 182       // Initialize with necessary information from the CG
 183       if (nextCG instanceof IntChoiceFromSet) {
 184         IntChoiceFromSet icsCG = (IntChoiceFromSet) nextCG;
 185         if (!isEndOfExecution) {
 186           // Check if CG has been initialized, otherwise initialize it
 187           Integer[] cgChoices = icsCG.getAllChoices();
 188           // Record the events (from choices)
 189           if (choices == null) {
 190             choices = cgChoices;
 191             // Make a copy of choices as reference
 192             refChoices = copyChoices(choices);
 193             // Record the max event choice (the last element of the choice array)
 194             maxEventChoice = choices[choices.length - 1];
 195           }
 196           icsCG.setNewValues(choices);
 197           icsCG.reset();
 198           // Use a modulo since choiceCounter is going to keep increasing
 199           int choiceIndex = choiceCounter % choices.length;
 200           icsCG.advance(choices[choiceIndex]);
 201         } else {
 202           // Set done all CGs while transitioning to a new execution
 203           icsCG.setDone();
 204         }
 205       }
 206     }
 207   }
 208
 209   @Override
 210   public void choiceGeneratorAdvanced(VM vm, ChoiceGenerator<?> currentCG) {
 211
 212     if (stateReductionMode) {
 213       // Check the boolean CG and if it is flipped, we are resetting the analysis
 214       if (currentCG instanceof BooleanChoiceGenerator) {
 215         if (!isBooleanCGFlipped) {
 216           isBooleanCGFlipped = true;
 217         } else {
 218           // Number of conflicts = first trace + subsequent backtrack points
 219           numOfConflicts = 1 + doneBacktrackSet.size();
 220           // Allocate new objects for data structure when the boolean is flipped from "false" to "true"
 221           initializeStatesVariables();
 222         }
 223       }
 224       // Check every choice generated and ensure fair scheduling!
 225       if (currentCG instanceof IntChoiceFromSet) {
 226         IntChoiceFromSet icsCG = (IntChoiceFromSet) currentCG;
 227         // If this is a new CG then we need to update data structures
 228         resetStatesForNewExecution(icsCG, vm);
 229         // If we don't see a fair scheduling of events/choices then we have to enforce it
 230         fairSchedulingAndBacktrackPoint(icsCG, vm);
 231         // Map state to event
 232         mapStateToEvent(icsCG.getNextChoice());
 233         // Explore the next backtrack point:
 234         // 1) if we have seen this state or this state contains cycles that involve all events, and
 235         // 2) after the current CG is advanced at least once
 236         if (terminateCurrentExecution() && choiceCounter > 0) {
 237           exploreNextBacktrackPoints(vm, icsCG);
 238         } else {
 239           numOfTransitions++;
 240         }
 241         justVisitedStates.clear();
 242         choiceCounter++;
 243       }
 244     } else {
 245       numOfTransitions++;
 246     }
 247   }
 248
 249   @Override
 250   public void instructionExecuted(VM vm, ThreadInfo ti, Instruction nextInsn, Instruction executedInsn) {
 251     if (stateReductionMode) {
 252       if (!isEndOfExecution) {
 253         // Has to be initialized and a integer CG
 254         ChoiceGenerator<?> cg = vm.getChoiceGenerator();
 255         if (cg instanceof IntChoiceFromSet || cg instanceof IntIntervalGenerator) {
 256           int currentChoice = choiceCounter - 1;  // Accumulative choice w.r.t the current trace
 257           if (currentChoice < 0) { // If choice is -1 then skip
 258             return;
 259           }
 260           currentChoice = checkAndAdjustChoice(currentChoice, vm);
 261           // Record accesses from executed instructions
 262           if (executedInsn instanceof JVMFieldInstruction) {
 263             // Analyze only after being initialized
 264             String fieldClass = ((JVMFieldInstruction) executedInsn).getFieldInfo().getFullName();
 265             // We don't care about libraries
 266             if (!isFieldExcluded(fieldClass)) {
 267               analyzeReadWriteAccesses(executedInsn, fieldClass, currentChoice);
 268             }
 269           } else if (executedInsn instanceof INVOKEINTERFACE) {
 270             // Handle the read/write accesses that occur through iterators
 271             analyzeReadWriteAccesses(executedInsn, ti, currentChoice);
 272           }
 273           // Analyze conflicts from next instructions
 274           if (nextInsn instanceof JVMFieldInstruction) {
 275             // Skip the constructor because it is called once and does not have shared access with other objects
 276             if (!nextInsn.getMethodInfo().getName().equals("<init>")) {
 277               String fieldClass = ((JVMFieldInstruction) nextInsn).getFieldInfo().getFullName();
 278               if (!isFieldExcluded(fieldClass)) {
 279                 // Check for conflict (go backward from current choice and get the first conflict)
 280                 for (int eventCounter = currentChoice - 1; eventCounter >= 0; eventCounter--) {
 281                   // Check for conflicts with Write fields for both Read and Write instructions
 282                   // Check and record a backtrack set for just once!
 283                   if (isConflictFound(nextInsn, eventCounter, currentChoice, fieldClass) &&
 284                       isNewConflict(currentChoice, eventCounter)) {
 285                     createBacktrackingPoint(currentChoice, eventCounter);
 286                   }
 287                 }
 288               }
 289             }
 290           }
 291         }
 292       }
 293     }
 294   }
 295
 296
 297   // == HELPERS
 298
 299   // -- INNER CLASSES
 300
 301   // This class compactly stores Read and Write field sets
 302   // We store the field name and its object ID
 303   // Sharing the same field means the same field name and object ID
 304   private class ReadWriteSet {
 305     private HashMap<String, Integer> readSet;
 306     private HashMap<String, Integer> writeSet;
 307
 308     public ReadWriteSet() {
 309       readSet = new HashMap<>();
 310       writeSet = new HashMap<>();
 311     }
 312
 313     public void addReadField(String field, int objectId) {
 314       readSet.put(field, objectId);
 315     }
 316
 317     public void addWriteField(String field, int objectId) {
 318       writeSet.put(field, objectId);
 319     }
 320
 321     public Set<String> getReadSet() {
 322       return readSet.keySet();
 323     }
 324
 325     public Set<String> getWriteSet() {
 326       return writeSet.keySet();
 327     }
 328
 329     public boolean readFieldExists(String field) {
 330       return readSet.containsKey(field);
 331     }
 332
 333     public boolean writeFieldExists(String field) {
 334       return writeSet.containsKey(field);
 335     }
 336
 337     public int readFieldObjectId(String field) {
 338       return readSet.get(field);
 339     }
 340
 341     public int writeFieldObjectId(String field) {
 342       return writeSet.get(field);
 343     }
 344   }
 345
 346   // This class compactly stores backtrack points: 1) backtrack state ID, and 2) backtracking choices
 347   private class BacktrackPoint {
 348     private IntChoiceFromSet backtrackCG; // CG at this backtrack point
 349     private int stateId;                  // State at this backtrack point
 350     private int choice;                   // Choice chosen at this backtrack point
 351
 352     public BacktrackPoint(IntChoiceFromSet cg, int stId, int cho) {
 353       backtrackCG = cg;
 354       stateId = stId;
 355       choice = cho;
 356     }
 357
 358     public IntChoiceFromSet getBacktrackCG() { return backtrackCG; }
 359
 360     public int getStateId() {
 361       return stateId;
 362     }
 363
 364     public int getChoice() {
 365       return choice;
 366     }
 367   }
 368
 369   // -- CONSTANTS
 370   private final static String DO_CALL_METHOD = "doCall";
 371   // We exclude fields that come from libraries (Java and Groovy), and also the infrastructure
 372   private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_CONTAINS_LIST = {"_closure"};
 373   private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_ENDS_WITH_LIST =
 374           // Groovy library created fields
 375           {"stMC", "callSiteArray", "metaClass", "staticClassInfo", "__constructor__",
 376           // Infrastructure
 377           "sendEvent", "Object", "reference", "location", "app", "state", "log", "functionList", "objectList",
 378           "eventList", "valueList", "settings", "printToConsole", "app1", "app2"};
 379   private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_STARTS_WITH_LIST =
 380           // Java and Groovy libraries
 381           { "java", "org", "sun", "com", "gov", "groovy"};
 382   private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_READ_WRITE_INSTRUCTIONS_STARTS_WITH_LIST = {"Event"};
 383   private final static String GET_PROPERTY_METHOD =
 384           "invokeinterface org.codehaus.groovy.runtime.callsite.CallSite.callGetProperty";
 385   private final static String GROOVY_CALLSITE_LIB = "org.codehaus.groovy.runtime.callsite";
 386   private final static String JAVA_INTEGER = "int";
 387   private final static String JAVA_STRING_LIB = "java.lang.String";
 388
 389   // -- FUNCTIONS
 390   private void fairSchedulingAndBacktrackPoint(IntChoiceFromSet icsCG, VM vm) {
 391     // Check the next choice and if the value is not the same as the expected then force the expected value
 392     int choiceIndex = choiceCounter % refChoices.length;
 393     int nextChoice = icsCG.getNextChoice();
 394     if (refChoices[choiceIndex] != nextChoice) {
 395       int expectedChoice = refChoices[choiceIndex];
 396       int currCGIndex = icsCG.getNextChoiceIndex();
 397       if ((currCGIndex >= 0) && (currCGIndex < refChoices.length)) {
 398         icsCG.setChoice(currCGIndex, expectedChoice);
 399       }
 400     }
 401     // Record state ID and choice/event as backtrack point
 402     int stateId = vm.getStateId();
 403     backtrackPointList.add(new BacktrackPoint(icsCG, stateId, refChoices[choiceIndex]));
 404     // Store restorable state object for this state (always store the latest)
 405     RestorableVMState restorableState = vm.getRestorableState();
 406     restorableStateMap.put(stateId, restorableState);
 407     // Map multiple state IDs to a choice counter
 408     for (Integer stId : justVisitedStates) {
 409       stateToChoiceCounterMap.put(stId, choiceCounter);
 410     }
 411   }
 412
 413   private Integer[] copyChoices(Integer[] choicesToCopy) {
 414
 415     Integer[] copyOfChoices = new Integer[choicesToCopy.length];
 416     System.arraycopy(choicesToCopy, 0, copyOfChoices, 0, choicesToCopy.length);
 417     return copyOfChoices;
 418   }
 419
 420   // --- Functions related to cycle detection
 421
 422   // Detect cycles in the current execution/trace
 423   // We terminate the execution iff:
 424   // (1) the state has been visited in the current execution
 425   // (2) the state has one or more cycles that involve all the events
 426   // With simple approach we only need to check for a re-visited state.
 427   // Basically, we have to check that we have executed all events between two occurrences of such state.
 428   private boolean containsCyclesWithAllEvents(int stId) {
 429
 430     // False if the state ID hasn't been recorded
 431     if (!stateToEventMap.containsKey(stId)) {
 432       return false;
 433     }
 434     HashSet<Integer> visitedEvents = stateToEventMap.get(stId);
 435     // Check if this set contains all the event choices
 436     // If not then this is not the terminating condition
 437     for(int i=0; i<=maxEventChoice; i++) {
 438       if (!visitedEvents.contains(i)) {
 439         return false;
 440       }
 441     }
 442     return true;
 443   }
 444
 445   private void initializeStatesVariables() {
 446     // DPOR-related
 447     choices = null;
 448     refChoices = null;
 449     choiceCounter = 0;
 450     maxEventChoice = 0;
 451     // Cycle tracking
 452     currVisitedStates = new HashSet<>();
 453     justVisitedStates = new HashSet<>();
 454     prevVisitedStates = new HashSet<>();
 455     stateToEventMap = new HashMap<>();
 456     // Backtracking
 457     backtrackMap = new HashMap<>();
 458     backtrackStateQ = new PriorityQueue<>(Collections.reverseOrder());
 459     backtrackPointList = new ArrayList<>();
 460     conflictPairMap = new HashMap<>();
 461     doneBacktrackSet = new HashSet<>();
 462     readWriteFieldsMap = new HashMap<>();
 463     stateToChoiceCounterMap = new HashMap<>();
 464     // Booleans
 465     isEndOfExecution = false;
 466   }
 467
 468   private void mapStateToEvent(int nextChoiceValue) {
 469     // Update all states with this event/choice
 470     // This means that all past states now see this transition
 471     Set<Integer> stateSet = stateToEventMap.keySet();
 472     for(Integer stateId : stateSet) {
 473       HashSet<Integer> eventSet = stateToEventMap.get(stateId);
 474       eventSet.add(nextChoiceValue);
 475     }
 476   }
 477
 478   private boolean terminateCurrentExecution() {
 479     // We need to check all the states that have just been visited
 480     // Often a transition (choice/event) can result into forwarding/backtracking to a number of states
 481     for(Integer stateId : justVisitedStates) {
 482       if (prevVisitedStates.contains(stateId) || containsCyclesWithAllEvents(stateId)) {
 483         return true;
 484       }
 485     }
 486     return false;
 487   }
 488
 489   private void updateStateInfo(Search search) {
 490     // Update the state variables
 491     // Line 19 in the paper page 11 (see the heading note above)
 492     int stateId = search.getStateId();
 493     // Insert state ID into the map if it is new
 494     if (!stateToEventMap.containsKey(stateId)) {
 495       HashSet<Integer> eventSet = new HashSet<>();
 496       stateToEventMap.put(stateId, eventSet);
 497     }
 498     analyzeReachabilityAndCreateBacktrackPoints(search.getVM(), stateId);
 499     justVisitedStates.add(stateId);
 500     currVisitedStates.add(stateId);
 501   }
 502
 503   // --- Functions related to Read/Write access analysis on shared fields
 504
 505   private void addNewBacktrackPoint(int stateId, Integer[] newChoiceList) {
 506     // Insert backtrack point to the right state ID
 507     LinkedList<Integer[]> backtrackList;
 508     if (backtrackMap.containsKey(stateId)) {
 509       backtrackList = backtrackMap.get(stateId);
 510     } else {
 511       backtrackList = new LinkedList<>();
 512       backtrackMap.put(stateId, backtrackList);
 513     }
 514     backtrackList.addFirst(newChoiceList);
 515     // Add to priority queue
 516     if (!backtrackStateQ.contains(stateId)) {
 517       backtrackStateQ.add(stateId);
 518     }
 519   }
 520
 521   // Analyze Read/Write accesses that are directly invoked on fields
 522   private void analyzeReadWriteAccesses(Instruction executedInsn, String fieldClass, int currentChoice) {
 523     // Do the analysis to get Read and Write accesses to fields
 524     ReadWriteSet rwSet = getReadWriteSet(currentChoice);
 525     int objectId = ((JVMFieldInstruction) executedInsn).getFieldInfo().getClassInfo().getClassObjectRef();
 526     // Record the field in the map
 527     if (executedInsn instanceof WriteInstruction) {
 528       // Exclude certain field writes because of infrastructure needs, e.g., Event class field writes
 529       for (String str : EXCLUDED_FIELDS_READ_WRITE_INSTRUCTIONS_STARTS_WITH_LIST) {
 530         if (fieldClass.startsWith(str)) {
 531           return;
 532         }
 533       }
 534       rwSet.addWriteField(fieldClass, objectId);
 535     } else if (executedInsn instanceof ReadInstruction) {
 536       rwSet.addReadField(fieldClass, objectId);
 537     }
 538   }
 539
 540   // Analyze Read accesses that are indirect (performed through iterators)
 541   // These accesses are marked by certain bytecode instructions, e.g., INVOKEINTERFACE
 542   private void analyzeReadWriteAccesses(Instruction instruction, ThreadInfo ti, int currentChoice) {
 543     // Get method name
 544     INVOKEINTERFACE insn = (INVOKEINTERFACE) instruction;
 545     if (insn.toString().startsWith(GET_PROPERTY_METHOD) &&
 546             insn.getMethodInfo().getName().equals(DO_CALL_METHOD)) {
 547       // Extract info from the stack frame
 548       StackFrame frame = ti.getTopFrame();
 549       int[] frameSlots = frame.getSlots();
 550       // Get the Groovy callsite library at index 0
 551       ElementInfo eiCallsite = VM.getVM().getHeap().get(frameSlots[0]);
 552       if (!eiCallsite.getClassInfo().getName().startsWith(GROOVY_CALLSITE_LIB)) {
 553         return;
 554       }
 555       // Get the iterated object whose property is accessed
 556       ElementInfo eiAccessObj = VM.getVM().getHeap().get(frameSlots[1]);
 557       if (eiAccessObj == null) {
 558         return;
 559       }
 560       // We exclude library classes (they start with java, org, etc.) and some more
 561       String objClassName = eiAccessObj.getClassInfo().getName();
 562       if (excludeThisForItStartsWith(EXCLUDED_FIELDS_STARTS_WITH_LIST, objClassName) ||
 563           excludeThisForItStartsWith(EXCLUDED_FIELDS_READ_WRITE_INSTRUCTIONS_STARTS_WITH_LIST, objClassName)) {
 564         return;
 565       }
 566       // Extract fields from this object and put them into the read write
 567       int numOfFields = eiAccessObj.getNumberOfFields();
 568       for(int i=0; i<numOfFields; i++) {
 569         FieldInfo fieldInfo = eiAccessObj.getFieldInfo(i);
 570         if (fieldInfo.getType().equals(JAVA_STRING_LIB) || fieldInfo.getType().equals(JAVA_INTEGER)) {
 571           String fieldClass = fieldInfo.getFullName();
 572           ReadWriteSet rwSet = getReadWriteSet(currentChoice);
 573           int objectId = fieldInfo.getClassInfo().getClassObjectRef();
 574           // Record the field in the map
 575           rwSet.addReadField(fieldClass, objectId);
 576         }
 577       }
 578     }
 579   }
 580
 581   private int checkAndAdjustChoice(int currentChoice, VM vm) {
 582     // If current choice is not the same, then this is caused by the firing of IntIntervalGenerator
 583     // for certain method calls in the infrastructure, e.g., eventSince()
 584     int currChoiceInd = currentChoice % refChoices.length;
 585     int currChoiceFromCG = currChoiceInd;
 586     ChoiceGenerator<?> currentCG = vm.getChoiceGenerator();
 587     // This is the main event CG
 588     if (currentCG instanceof IntIntervalGenerator) {
 589       // This is the interval CG used in device handlers
 590       ChoiceGenerator<?> parentCG = ((IntIntervalGenerator) currentCG).getPreviousChoiceGenerator();
 591       int actualEvtNum = ((IntChoiceFromSet) parentCG).getNextChoice();
 592       // Find the index of the event/choice in refChoices
 593       for (int i = 0; i<refChoices.length; i++) {
 594         if (actualEvtNum == refChoices[i]) {
 595           currChoiceFromCG = i;
 596           break;
 597         }
 598       }
 599     }
 600     if (currChoiceInd != currChoiceFromCG) {
 601       currentChoice = (currentChoice - currChoiceInd) + currChoiceFromCG;
 602     }
 603     return currentChoice;
 604   }
 605
 606   private void createBacktrackingPoint(int currentChoice, int confEvtNum) {
 607
 608     // Create a new list of choices for backtrack based on the current choice and conflicting event number
 609     // E.g. if we have a conflict between 1 and 3, then we create the list {3, 1, 0, 2}
 610     // for the original set {0, 1, 2, 3}
 611     Integer[] newChoiceList = new Integer[refChoices.length];
 612     // Put the conflicting event numbers first and reverse the order
 613     int actualCurrCho = currentChoice % refChoices.length;
 614     // We use the actual choices here in case they have been modified/adjusted by the fair scheduling method
 615     newChoiceList[0] = choices[actualCurrCho];
 616     newChoiceList[1] = backtrackPointList.get(confEvtNum).getChoice();
 617     // Put the rest of the event numbers into the array starting from the minimum to the upper bound
 618     for (int i = 0, j = 2; i < refChoices.length; i++) {
 619       if (refChoices[i] != newChoiceList[0] && refChoices[i] != newChoiceList[1]) {
 620         newChoiceList[j] = refChoices[i];
 621         j++;
 622       }
 623     }
 624     // Get the backtrack CG for this backtrack point
 625     int stateId = backtrackPointList.get(confEvtNum).getStateId();
 626     // Check if this trace has been done starting from this state
 627     if (isTraceAlreadyConstructed(newChoiceList, stateId)) {
 628       return;
 629     }
 630     addNewBacktrackPoint(stateId, newChoiceList);
 631   }
 632
 633   private boolean excludeThisForItContains(String[] excludedStrings, String className) {
 634     for (String excludedField : excludedStrings) {
 635       if (className.contains(excludedField)) {
 636         return true;
 637       }
 638     }
 639     return false;
 640   }
 641
 642   private boolean excludeThisForItEndsWith(String[] excludedStrings, String className) {
 643     for (String excludedField : excludedStrings) {
 644       if (className.endsWith(excludedField)) {
 645         return true;
 646       }
 647     }
 648     return false;
 649   }
 650
 651   private boolean excludeThisForItStartsWith(String[] excludedStrings, String className) {
 652     for (String excludedField : excludedStrings) {
 653       if (className.startsWith(excludedField)) {
 654         return true;
 655       }
 656     }
 657     return false;
 658   }
 659
 660   private void exploreNextBacktrackPoints(VM vm, IntChoiceFromSet icsCG) {
 661
 662                 // Check if we are reaching the end of our execution: no more backtracking points to explore
 663                 // cgMap, backtrackMap, backtrackStateQ are updated simultaneously (checking backtrackStateQ is enough)
 664                 if (!backtrackStateQ.isEmpty()) {
 665                         // Set done all the other backtrack points
 666                         for (BacktrackPoint backtrackPoint : backtrackPointList) {
 667                                 backtrackPoint.getBacktrackCG().setDone();
 668                         }
 669                         // Reset the next backtrack point with the latest state
 670                         int hiStateId = backtrackStateQ.peek();
 671                         // Restore the state first if necessary
 672                         if (vm.getStateId() != hiStateId) {
 673                                 RestorableVMState restorableState = restorableStateMap.get(hiStateId);
 674                                 vm.restoreState(restorableState);
 675                         }
 676                         // Set the backtrack CG
 677                         IntChoiceFromSet backtrackCG = (IntChoiceFromSet) vm.getChoiceGenerator();
 678                         setBacktrackCG(hiStateId, backtrackCG);
 679                 } else {
 680                         // Set done this last CG (we save a few rounds)
 681                         icsCG.setDone();
 682                 }
 683                 // Save all the visited states when starting a new execution of trace
 684                 prevVisitedStates.addAll(currVisitedStates);
 685                 currVisitedStates.clear();
 686                 // This marks a transitional period to the new CG
 687                 isEndOfExecution = true;
 688   }
 689
 690   private ReadWriteSet getReadWriteSet(int currentChoice) {
 691     // Do the analysis to get Read and Write accesses to fields
 692     ReadWriteSet rwSet;
 693     // We already have an entry
 694     if (readWriteFieldsMap.containsKey(currentChoice)) {
 695       rwSet = readWriteFieldsMap.get(currentChoice);
 696     } else { // We need to create a new entry
 697       rwSet = new ReadWriteSet();
 698       readWriteFieldsMap.put(currentChoice, rwSet);
 699     }
 700     return rwSet;
 701   }
 702
 703   private boolean isConflictFound(int eventCounter, int currentChoice) {
 704
 705     int actualCurrCho = currentChoice % refChoices.length;
 706     // Skip if this event does not have any Read/Write set or the two events are basically the same event (number)
 707     if (!readWriteFieldsMap.containsKey(eventCounter) ||
 708             choices[actualCurrCho] == backtrackPointList.get(eventCounter).getChoice()) {
 709       return false;
 710     }
 711     // Current R/W set
 712     ReadWriteSet currRWSet = readWriteFieldsMap.get(currentChoice);
 713     // R/W set of choice/event that may have a potential conflict
 714     ReadWriteSet evtRWSet = readWriteFieldsMap.get(eventCounter);
 715     // Check for conflicts with Read and Write fields for Write instructions
 716     Set<String> currWriteSet = currRWSet.getWriteSet();
 717     for(String writeField : currWriteSet) {
 718       int currObjId = currRWSet.writeFieldObjectId(writeField);
 719       if ((evtRWSet.readFieldExists(writeField) && evtRWSet.readFieldObjectId(writeField) == currObjId) ||
 720           (evtRWSet.writeFieldExists(writeField) && evtRWSet.writeFieldObjectId(writeField) == currObjId)) {
 721         return true;
 722       }
 723     }
 724     // Check for conflicts with Write fields for Read instructions
 725     Set<String> currReadSet = currRWSet.getReadSet();
 726     for(String readField : currReadSet) {
 727       int currObjId = currRWSet.readFieldObjectId(readField);
 728       if (evtRWSet.writeFieldExists(readField) && evtRWSet.writeFieldObjectId(readField) == currObjId) {
 729         return true;
 730       }
 731     }
 732     // Return false if no conflict is found
 733     return false;
 734   }
 735
 736   private boolean isConflictFound(Instruction nextInsn, int eventCounter, int currentChoice, String fieldClass) {
 737
 738     int actualCurrCho = currentChoice % refChoices.length;
 739     // Skip if this event does not have any Read/Write set or the two events are basically the same event (number)
 740     if (!readWriteFieldsMap.containsKey(eventCounter) ||
 741          choices[actualCurrCho] == backtrackPointList.get(eventCounter).getChoice()) {
 742       return false;
 743     }
 744     ReadWriteSet rwSet = readWriteFieldsMap.get(eventCounter);
 745     int currObjId = ((JVMFieldInstruction) nextInsn).getFieldInfo().getClassInfo().getClassObjectRef();
 746     // Check for conflicts with Write fields for both Read and Write instructions
 747     if (((nextInsn instanceof WriteInstruction || nextInsn instanceof ReadInstruction) &&
 748           rwSet.writeFieldExists(fieldClass) && rwSet.writeFieldObjectId(fieldClass) == currObjId) ||
 749          (nextInsn instanceof WriteInstruction && rwSet.readFieldExists(fieldClass) &&
 750           rwSet.readFieldObjectId(fieldClass) == currObjId)) {
 751       return true;
 752     }
 753     return false;
 754   }
 755
 756   private boolean isFieldExcluded(String field) {
 757     // Check against "starts-with", "ends-with", and "contains" list
 758     if (excludeThisForItStartsWith(EXCLUDED_FIELDS_STARTS_WITH_LIST, field) ||
 759             excludeThisForItEndsWith(EXCLUDED_FIELDS_ENDS_WITH_LIST, field) ||
 760             excludeThisForItContains(EXCLUDED_FIELDS_CONTAINS_LIST, field)) {
 761       return true;
 762     }
 763
 764     return false;
 765   }
 766
 767   private boolean isNewConflict(int currentEvent, int eventNumber) {
 768     HashSet<Integer> conflictSet;
 769     if (!conflictPairMap.containsKey(currentEvent)) {
 770       conflictSet = new HashSet<>();
 771       conflictPairMap.put(currentEvent, conflictSet);
 772     } else {
 773       conflictSet = conflictPairMap.get(currentEvent);
 774     }
 775     // If this conflict has been recorded before, we return false because
 776     // we don't want to save this backtrack point twice
 777     if (conflictSet.contains(eventNumber)) {
 778       return false;
 779     }
 780     // If it hasn't been recorded, then do otherwise
 781     conflictSet.add(eventNumber);
 782     return true;
 783   }
 784
 785   private boolean isTraceAlreadyConstructed(Integer[] choiceList, int stateId) {
 786     // Concatenate state ID and only the first event in the string, e.g., "1:1 for the trace 10234 at state 1"
 787     // TODO: THIS IS AN OPTIMIZATION!
 788     // This is the optimized version because after we execute, e.g., the trace 1:10234, we don't need to try
 789     // another trace that starts with event 1 at state 1, e.g., the trace 1:13024
 790     // The second time this event 1 is explored, it will generate the same state as the first one
 791     StringBuilder sb = new StringBuilder();
 792     sb.append(stateId);
 793     sb.append(':');
 794     sb.append(choiceList[0]);
 795     // Check if the trace has been constructed as a backtrack point for this state
 796     if (doneBacktrackSet.contains(sb.toString())) {
 797       return true;
 798     }
 799     doneBacktrackSet.add(sb.toString());
 800     return false;
 801   }
 802
 803   private void resetStatesForNewExecution(IntChoiceFromSet icsCG, VM vm) {
 804     if (choices == null || choices != icsCG.getAllChoices()) {
 805       // Reset state variables
 806       choiceCounter = 0;
 807       choices = icsCG.getAllChoices();
 808       refChoices = copyChoices(choices);
 809       // Clearing data structures
 810       conflictPairMap.clear();
 811       readWriteFieldsMap.clear();
 812       stateToEventMap.clear();
 813       isEndOfExecution = false;
 814       backtrackPointList.clear();
 815     }
 816   }
 817
 818   private void setBacktrackCG(int stateId, IntChoiceFromSet backtrackCG) {
 819     // Set a backtrack CG based on a state ID
 820     LinkedList<Integer[]> backtrackChoices = backtrackMap.get(stateId);
 821     backtrackCG.setNewValues(backtrackChoices.removeLast());  // Get the last from the queue
 822     backtrackCG.setStateId(stateId);
 823     backtrackCG.reset();
 824     // Remove from the queue if we don't have more backtrack points for that state
 825     if (backtrackChoices.isEmpty()) {
 826       backtrackMap.remove(stateId);
 827       backtrackStateQ.remove(stateId);
 828     }
 829   }
 830
 831   // --- Functions related to the reachability analysis when there is a state match
 832
 833   // We use backtrackPointsList to analyze the reachable states/events when there is a state match:
 834   // 1) Whenever there is state match, there is a cycle of events
 835   // 2) We need to analyze and find conflicts for the reachable choices/events in the cycle
 836   // 3) Then we create a new backtrack point for every new conflict
 837   private void analyzeReachabilityAndCreateBacktrackPoints(VM vm, int stateId) {
 838     // Perform this analysis only when:
 839     // 1) there is a state match,
 840     // 2) this is not during a switch to a new execution,
 841     // 3) at least 2 choices/events have been explored (choiceCounter > 1),
 842     // 4) the matched state has been encountered in the current execution, and
 843     // 5) state > 0 (state 0 is for boolean CG)
 844     if (!vm.isNewState() && !isEndOfExecution && choiceCounter > 1 &&
 845             currVisitedStates.contains(stateId) && (stateId > 0)) {
 846       // Find the choice/event that marks the start of this cycle: first choice we explore for conflicts
 847       int conflictChoice = stateToChoiceCounterMap.get(stateId);
 848       int currentChoice = choiceCounter - 1;
 849       // Find conflicts between choices/events in this cycle (we scan forward in the cycle, not backward)
 850       while (conflictChoice < currentChoice) {
 851         for (int eventCounter = conflictChoice + 1; eventCounter <= currentChoice; eventCounter++) {
 852           if (isConflictFound(eventCounter, conflictChoice) && isNewConflict(conflictChoice, eventCounter)) {
 853             createBacktrackingPoint(conflictChoice, eventCounter);
 854           }
 855         }
 856         conflictChoice++;
 857       }
 858     }
 859   }
 860 }