13061d8aa03d5559ba740e64bd8fb5079c561d21
[jpf-core.git] / src / main / gov / nasa / jpf / listener / DPORStateReducer.java
1 /*
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10  *        http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0.
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13  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
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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.FileWriter;
32 import java.io.PrintWriter;
33 import java.lang.reflect.Field;
34 import java.util.*;
35 import java.util.logging.Logger;
36 import java.io.IOException;
37
38 /**
39  * This a DPOR implementation for event-driven applications with loops that create cycles of state matching
40  * In this new DPOR algorithm/implementation, each run is terminated iff:
41  * - we find a state that matches a state in a previous run, or
42  * - we have a matched state in the current run that consists of cycles that contain all choices/events.
43  */
44 public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
45
46   // Information printout fields for verbose mode
47   private boolean verboseMode;
48   private boolean stateReductionMode;
49   private final PrintWriter out;
50   private PrintWriter fileWriter;
51   private String detail;
52   private int depth;
53   private int id;
54   private Transition transition;
55
56   // DPOR-related fields
57   // Basic information
58   private Integer[] choices;
59   private Integer[] refChoices; // Second reference to a copy of choices (choices may be modified for fair scheduling)
60   private int choiceCounter;
61   private int maxEventChoice;
62   // Data structure to track the events seen by each state to track cycles (containing all events) for termination
63   private HashSet<Integer> currVisitedStates;   // States being visited in the current execution
64   private HashSet<Integer> justVisitedStates;   // States just visited in the previous choice/event
65   private HashSet<Integer> prevVisitedStates;   // States visited in the previous execution
66   private HashSet<ClassInfo> nonRelevantClasses;// Class info objects of non-relevant classes
67   private HashSet<FieldInfo> nonRelevantFields; // Field info objects of non-relevant fields
68   private HashSet<FieldInfo> relevantFields;    // Field info objects of relevant fields
69   private HashMap<Integer, HashSet<Integer>> stateToEventMap;
70   // Data structure to analyze field Read/Write accesses and conflicts
71   private HashMap<Integer, LinkedList<BacktrackExecution>> backtrackMap;  // Track created backtracking points
72   private PriorityQueue<Integer> backtrackStateQ;                 // Heap that returns the latest state
73   private Execution currentExecution;                             // Holds the information about the current execution
74   private HashSet<String> doneBacktrackSet;                       // Record state ID and trace already constructed
75   private HashMap<Integer, RestorableVMState> restorableStateMap; // Maps state IDs to the restorable state object
76   private RGraph rGraph;                                          // R-Graph for past executions
77
78   // Boolean states
79   private boolean isBooleanCGFlipped;
80   private boolean isEndOfExecution;
81
82   // Statistics
83   private int numOfConflicts;
84   private int numOfTransitions;
85         
86   public DPORStateReducer(Config config, JPF jpf) {
87     verboseMode = config.getBoolean("printout_state_transition", false);
88     stateReductionMode = config.getBoolean("activate_state_reduction", true);
89     if (verboseMode) {
90       out = new PrintWriter(System.out, true);
91     } else {
92       out = null;
93     }
94     String outputFile = config.getString("file_output");
95     if (!outputFile.isEmpty()) {
96       try {
97         fileWriter = new PrintWriter(new FileWriter(outputFile, true), true);
98       } catch (IOException e) {
99       }
100     }
101     isBooleanCGFlipped = false;
102                 numOfConflicts = 0;
103                 numOfTransitions = 0;
104                 nonRelevantClasses = new HashSet<>();
105                 nonRelevantFields = new HashSet<>();
106                 relevantFields = new HashSet<>();
107     restorableStateMap = new HashMap<>();
108     initializeStatesVariables();
109   }
110
111   @Override
112   public void stateRestored(Search search) {
113     if (verboseMode) {
114       id = search.getStateId();
115       depth = search.getDepth();
116       transition = search.getTransition();
117       detail = null;
118       out.println("\n==> DEBUG: The state is restored to state with id: " + id + " -- Transition: " + transition +
119               " and depth: " + depth + "\n");
120     }
121   }
122
123   @Override
124   public void searchStarted(Search search) {
125     if (verboseMode) {
126       out.println("\n==> DEBUG: ----------------------------------- search started" + "\n");
127     }
128   }
129
130   @Override
131   public void stateAdvanced(Search search) {
132     if (verboseMode) {
133       id = search.getStateId();
134       depth = search.getDepth();
135       transition = search.getTransition();
136       if (search.isNewState()) {
137         detail = "new";
138       } else {
139         detail = "visited";
140       }
141
142       if (search.isEndState()) {
143         out.println("\n==> DEBUG: This is the last state!\n");
144         detail += " end";
145       }
146       out.println("\n==> DEBUG: The state is forwarded to state with id: " + id + " with depth: " + depth +
147               " which is " + detail + " Transition: " + transition + "\n");
148     }
149     if (stateReductionMode) {
150       updateStateInfo(search);
151     }
152   }
153
154   @Override
155   public void stateBacktracked(Search search) {
156     if (verboseMode) {
157       id = search.getStateId();
158       depth = search.getDepth();
159       transition = search.getTransition();
160       detail = null;
161
162       out.println("\n==> DEBUG: The state is backtracked to state with id: " + id + " -- Transition: " + transition +
163               " and depth: " + depth + "\n");
164     }
165     if (stateReductionMode) {
166       updateStateInfo(search);
167     }
168   }
169
170   static Logger log = JPF.getLogger("report");
171
172   @Override
173   public void searchFinished(Search search) {
174     if (stateReductionMode) {
175       // Number of conflicts = first trace + subsequent backtrack points
176       numOfConflicts += 1 + doneBacktrackSet.size();
177     }
178     if (verboseMode) {
179       out.println("\n==> DEBUG: ----------------------------------- search finished");
180       out.println("\n==> DEBUG: State reduction mode  : " + stateReductionMode);
181       out.println("\n==> DEBUG: Number of conflicts   : " + numOfConflicts);
182       out.println("\n==> DEBUG: Number of transitions : " + numOfTransitions);
183       out.println("\n==> DEBUG: ----------------------------------- search finished" + "\n");
184
185       fileWriter.println("==> DEBUG: State reduction mode  : " + stateReductionMode);
186       fileWriter.println("==> DEBUG: Number of conflicts   : " + numOfConflicts);
187       fileWriter.println("==> DEBUG: Number of transitions : " + numOfTransitions);
188       fileWriter.println();
189       fileWriter.close();
190     }
191   }
192
193   @Override
194   public void choiceGeneratorRegistered(VM vm, ChoiceGenerator<?> nextCG, ThreadInfo currentThread, Instruction executedInstruction) {
195     if (stateReductionMode) {
196       // Initialize with necessary information from the CG
197       if (nextCG instanceof IntChoiceFromSet) {
198         IntChoiceFromSet icsCG = (IntChoiceFromSet) nextCG;
199         if (!isEndOfExecution) {
200           // Check if CG has been initialized, otherwise initialize it
201           Integer[] cgChoices = icsCG.getAllChoices();
202           // Record the events (from choices)
203           if (choices == null) {
204             choices = cgChoices;
205             // Make a copy of choices as reference
206             refChoices = copyChoices(choices);
207             // Record the max event choice (the last element of the choice array)
208             maxEventChoice = choices[choices.length - 1];
209           }
210           icsCG.setNewValues(choices);
211           icsCG.reset();
212           // Use a modulo since choiceCounter is going to keep increasing
213           int choiceIndex = choiceCounter % choices.length;
214           icsCG.advance(choices[choiceIndex]);
215         } else {
216           // Set done all CGs while transitioning to a new execution
217           icsCG.setDone();
218         }
219       }
220     }
221   }
222
223   @Override
224   public void choiceGeneratorAdvanced(VM vm, ChoiceGenerator<?> currentCG) {
225     if (stateReductionMode) {
226       // Check the boolean CG and if it is flipped, we are resetting the analysis
227       if (currentCG instanceof BooleanChoiceGenerator) {
228         if (!isBooleanCGFlipped) {
229           isBooleanCGFlipped = true;
230         } else {
231           // Number of conflicts = first trace + subsequent backtrack points
232           numOfConflicts = 1 + doneBacktrackSet.size();
233           // Allocate new objects for data structure when the boolean is flipped from "false" to "true"
234           initializeStatesVariables();
235         }
236       }
237       // Check every choice generated and ensure fair scheduling!
238       if (currentCG instanceof IntChoiceFromSet) {
239         IntChoiceFromSet icsCG = (IntChoiceFromSet) currentCG;
240         // If this is a new CG then we need to update data structures
241         resetStatesForNewExecution(icsCG, vm);
242         // If we don't see a fair scheduling of events/choices then we have to enforce it
243         ensureFairSchedulingAndSetupTransition(icsCG, vm);
244         // Update backtrack set of an executed event (transition): one transition before this one
245         updateBacktrackSet(currentExecution, choiceCounter - 1);
246         // Explore the next backtrack point:
247         // 1) if we have seen this state or this state contains cycles that involve all events, and
248         // 2) after the current CG is advanced at least once
249         if (terminateCurrentExecution() && choiceCounter > 0) {
250           exploreNextBacktrackPoints(vm, icsCG);
251         } else {
252           numOfTransitions++;
253         }
254         // Map state to event
255         mapStateToEvent(icsCG.getNextChoice());
256         justVisitedStates.clear();
257         choiceCounter++;
258       }
259     } else {
260       numOfTransitions++;
261     }
262   }
263
264   @Override
265   public void instructionExecuted(VM vm, ThreadInfo ti, Instruction nextInsn, Instruction executedInsn) {
266     if (stateReductionMode) {
267       if (!isEndOfExecution) {
268         // Has to be initialized and a integer CG
269         ChoiceGenerator<?> cg = vm.getChoiceGenerator();
270         if (cg instanceof IntChoiceFromSet || cg instanceof IntIntervalGenerator) {
271           int currentChoice = choiceCounter - 1;  // Accumulative choice w.r.t the current trace
272           if (currentChoice < 0) { // If choice is -1 then skip
273             return;
274           }
275           currentChoice = checkAndAdjustChoice(currentChoice, vm);
276           // Record accesses from executed instructions
277           if (executedInsn instanceof JVMFieldInstruction) {
278             // We don't care about libraries
279             if (!isFieldExcluded(executedInsn)) {
280               analyzeReadWriteAccesses(executedInsn, currentChoice);
281             }
282           } else if (executedInsn instanceof INVOKEINTERFACE) {
283             // Handle the read/write accesses that occur through iterators
284             analyzeReadWriteAccesses(executedInsn, ti, currentChoice);
285           }
286         }
287       }
288     }
289   }
290
291
292   // == HELPERS
293
294   // -- INNER CLASSES
295
296   // This class compactly stores backtrack execution:
297   // 1) backtrack choice list, and
298   // 2) first backtrack point (linking with predecessor execution)
299   private class BacktrackExecution {
300     private Integer[] choiceList;
301     private TransitionEvent firstTransition;
302
303     public BacktrackExecution(Integer[] choList, TransitionEvent fTransition) {
304       choiceList = choList;
305       firstTransition = fTransition;
306     }
307
308     public Integer[] getChoiceList() {
309       return choiceList;
310     }
311
312     public TransitionEvent getFirstTransition() {
313       return firstTransition;
314     }
315   }
316
317   // This class stores a representation of an execution
318   // TODO: We can modify this class to implement some optimization (e.g., clock-vector)
319   // TODO: We basically need to keep track of:
320   // TODO:    (1) last read/write access to each memory location
321   // TODO:    (2) last state with two or more incoming events/transitions
322   private class Execution {
323     private HashMap<IntChoiceFromSet, Integer> cgToChoiceMap;   // Map between CG to choice numbers for O(1) access
324     private ArrayList<TransitionEvent> executionTrace;          // The BacktrackPoint objects of this execution
325     private boolean isNew;                                      // Track if this is the first time it is accessed
326     private HashMap<Integer, ReadWriteSet> readWriteFieldsMap;  // Record fields that are accessed
327
328     public Execution() {
329       cgToChoiceMap = new HashMap<>();
330       executionTrace = new ArrayList<>();
331       isNew = true;
332       readWriteFieldsMap = new HashMap<>();
333     }
334
335     public void addTransition(TransitionEvent newBacktrackPoint) {
336       executionTrace.add(newBacktrackPoint);
337     }
338
339     public void clearCGToChoiceMap() {
340       cgToChoiceMap = null;
341     }
342
343     public int getChoiceFromCG(IntChoiceFromSet icsCG) {
344       return cgToChoiceMap.get(icsCG);
345     }
346
347     public ArrayList<TransitionEvent> getExecutionTrace() {
348       return executionTrace;
349     }
350
351     public TransitionEvent getFirstTransition() {
352       return executionTrace.get(0);
353     }
354
355     public TransitionEvent getLastTransition() {
356       return executionTrace.get(executionTrace.size() - 1);
357     }
358
359     public HashMap<Integer, ReadWriteSet> getReadWriteFieldsMap() {
360       return readWriteFieldsMap;
361     }
362
363     public boolean isNew() {
364       if (isNew) {
365         // Right after this is accessed, it is no longer new
366         isNew = false;
367         return true;
368       }
369       return false;
370     }
371
372     public void mapCGToChoice(IntChoiceFromSet icsCG, int choice) {
373       cgToChoiceMap.put(icsCG, choice);
374     }
375   }
376
377   // This class compactly stores a predecessor
378   // 1) a predecessor execution
379   // 2) the predecessor choice in that predecessor execution
380   private class Predecessor {
381     private int choice;           // Predecessor choice
382     private Execution execution;  // Predecessor execution
383
384     public Predecessor(int predChoice, Execution predExec) {
385       choice = predChoice;
386       execution = predExec;
387     }
388
389     public int getChoice() {
390       return choice;
391     }
392
393     public Execution getExecution() {
394       return execution;
395     }
396   }
397
398   // This class represents a R-Graph (in the paper it is a state transition graph R)
399   // This implementation stores reachable transitions from and connects with past executions
400   private class RGraph {
401     private int hiStateId;                                     // Maximum state Id
402     private HashMap<Integer, HashSet<TransitionEvent>> graph;  // Reachable transitions from past executions
403
404     public RGraph() {
405       hiStateId = 0;
406       graph = new HashMap<>();
407     }
408
409     public void addReachableTransition(int stateId, TransitionEvent transition) {
410       HashSet<TransitionEvent> transitionSet;
411       if (graph.containsKey(stateId)) {
412         transitionSet = graph.get(stateId);
413       } else {
414         transitionSet = new HashSet<>();
415         graph.put(stateId, transitionSet);
416       }
417       // Insert into the set if it does not contain it yet
418       if (!transitionSet.contains(transition)) {
419         transitionSet.add(transition);
420       }
421       // Update highest state ID
422       if (hiStateId < stateId) {
423         hiStateId = stateId;
424       }
425     }
426
427     public HashSet<TransitionEvent> getReachableTransitionsAtState(int stateId) {
428       if (!graph.containsKey(stateId)) {
429         // This is a loop from a transition to itself, so just return the current transition
430         HashSet<TransitionEvent> transitionSet = new HashSet<>();
431         transitionSet.add(currentExecution.getLastTransition());
432         return transitionSet;
433       }
434       return graph.get(stateId);
435     }
436
437     public HashSet<TransitionEvent> getReachableTransitions(int stateId) {
438       HashSet<TransitionEvent> reachableTransitions = new HashSet<>();
439       // All transitions from states higher than the given state ID (until the highest state ID) are reachable
440       for(int stId = stateId; stId <= hiStateId; stId++) {
441         reachableTransitions.addAll(graph.get(stId));
442       }
443       return reachableTransitions;
444     }
445   }
446
447   // This class compactly stores Read and Write field sets
448   // We store the field name and its object ID
449   // Sharing the same field means the same field name and object ID
450   private class ReadWriteSet {
451     private HashMap<String, Integer> readMap;
452     private HashMap<String, Integer> writeMap;
453
454     public ReadWriteSet() {
455       readMap = new HashMap<>();
456       writeMap = new HashMap<>();
457     }
458
459     public void addReadField(String field, int objectId) {
460       readMap.put(field, objectId);
461     }
462
463     public void addWriteField(String field, int objectId) {
464       writeMap.put(field, objectId);
465     }
466
467     public void removeReadField(String field) {
468       readMap.remove(field);
469     }
470
471     public void removeWriteField(String field) {
472       writeMap.remove(field);
473     }
474
475     public boolean isEmpty() {
476       return readMap.isEmpty() && writeMap.isEmpty();
477     }
478
479     public ReadWriteSet getCopy() {
480       ReadWriteSet copyRWSet = new ReadWriteSet();
481       // Copy the maps in the set into the new object copy
482       copyRWSet.setReadMap(new HashMap<>(this.getReadMap()));
483       copyRWSet.setWriteMap(new HashMap<>(this.getWriteMap()));
484       return copyRWSet;
485     }
486
487     public Set<String> getReadSet() {
488       return readMap.keySet();
489     }
490
491     public Set<String> getWriteSet() {
492       return writeMap.keySet();
493     }
494
495     public boolean readFieldExists(String field) {
496       return readMap.containsKey(field);
497     }
498
499     public boolean writeFieldExists(String field) {
500       return writeMap.containsKey(field);
501     }
502
503     public int readFieldObjectId(String field) {
504       return readMap.get(field);
505     }
506
507     public int writeFieldObjectId(String field) {
508       return writeMap.get(field);
509     }
510
511     private HashMap<String, Integer> getReadMap() {
512       return readMap;
513     }
514
515     private HashMap<String, Integer> getWriteMap() {
516       return writeMap;
517     }
518
519     private void setReadMap(HashMap<String, Integer> rMap) {
520       readMap = rMap;
521     }
522
523     private void setWriteMap(HashMap<String, Integer> wMap) {
524       writeMap = wMap;
525     }
526   }
527
528   // This class compactly stores transitions:
529   // 1) CG,
530   // 2) state ID,
531   // 3) choice,
532   // 4) predecessors (for backward DFS).
533   private class TransitionEvent {
534     private int choice;                        // Choice chosen at this transition
535     private int choiceCounter;                 // Choice counter at this transition
536     private Execution execution;               // The execution where this transition belongs
537     private HashSet<Predecessor> predecessors; // Maps incoming events/transitions (execution and choice)
538     private int stateId;                       // State at this transition
539     private IntChoiceFromSet transitionCG;     // CG at this transition
540
541     public TransitionEvent() {
542       choice = 0;
543       choiceCounter = 0;
544       execution = null;
545       predecessors = new HashSet<>();
546       stateId = 0;
547       transitionCG = null;
548     }
549
550     public int getChoice() {
551       return choice;
552     }
553
554     public int getChoiceCounter() {
555       return choiceCounter;
556     }
557
558     public Execution getExecution() {
559       return execution;
560     }
561
562     public HashSet<Predecessor> getPredecessors() {
563       return predecessors;
564     }
565
566     public int getStateId() {
567       return stateId;
568     }
569
570     public IntChoiceFromSet getTransitionCG() { return transitionCG; }
571
572     public void recordPredecessor(Execution execution, int choice) {
573       predecessors.add(new Predecessor(choice, execution));
574     }
575
576     public void setChoice(int cho) {
577       choice = cho;
578     }
579
580     public void setChoiceCounter(int choCounter) {
581       choiceCounter = choCounter;
582     }
583
584     public void setExecution(Execution exec) {
585       execution = exec;
586     }
587
588     public void setPredecessors(HashSet<Predecessor> preds) {
589       predecessors = new HashSet<>(preds);
590     }
591
592     public void setStateId(int stId) {
593       stateId = stId;
594     }
595
596     public void setTransitionCG(IntChoiceFromSet cg) {
597       transitionCG = cg;
598     }
599   }
600
601   // -- CONSTANTS
602   private final static String DO_CALL_METHOD = "doCall";
603   // We exclude fields that come from libraries (Java and Groovy), and also the infrastructure
604   private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_CONTAINS_LIST = {"_closure"};
605   private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_ENDS_WITH_LIST =
606           // Groovy library created fields
607           {"stMC", "callSiteArray", "metaClass", "staticClassInfo", "__constructor__",
608           // Infrastructure
609           "sendEvent", "Object", "reference", "location", "app", "state", "log", "functionList", "objectList",
610           "eventList", "valueList", "settings", "printToConsole", "app1", "app2"};
611   private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_STARTS_WITH_LIST =
612           // Java and Groovy libraries
613           { "java", "org", "sun", "com", "gov", "groovy"};
614   private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_READ_WRITE_INSTRUCTIONS_STARTS_WITH_LIST = {"Event"};
615   private final static String GET_PROPERTY_METHOD =
616           "invokeinterface org.codehaus.groovy.runtime.callsite.CallSite.callGetProperty";
617   private final static String GROOVY_CALLSITE_LIB = "org.codehaus.groovy.runtime.callsite";
618   private final static String JAVA_INTEGER = "int";
619   private final static String JAVA_STRING_LIB = "java.lang.String";
620
621   // -- FUNCTIONS
622   private Integer[] copyChoices(Integer[] choicesToCopy) {
623
624     Integer[] copyOfChoices = new Integer[choicesToCopy.length];
625     System.arraycopy(choicesToCopy, 0, copyOfChoices, 0, choicesToCopy.length);
626     return copyOfChoices;
627   }
628
629   private void ensureFairSchedulingAndSetupTransition(IntChoiceFromSet icsCG, VM vm) {
630     // Check the next choice and if the value is not the same as the expected then force the expected value
631     int choiceIndex = choiceCounter % refChoices.length;
632     int nextChoice = icsCG.getNextChoice();
633     if (refChoices[choiceIndex] != nextChoice) {
634       int expectedChoice = refChoices[choiceIndex];
635       int currCGIndex = icsCG.getNextChoiceIndex();
636       if ((currCGIndex >= 0) && (currCGIndex < refChoices.length)) {
637         icsCG.setChoice(currCGIndex, expectedChoice);
638       }
639     }
640     // Get state ID and associate it with this transition
641     int stateId = vm.getStateId();
642     TransitionEvent transition = setupTransition(icsCG, stateId, choiceIndex);
643     // Add new transition to the current execution and map it in R-Graph
644     for (Integer stId : justVisitedStates) {  // Map this transition to all the previously passed states
645       rGraph.addReachableTransition(stId, transition);
646     }
647     currentExecution.mapCGToChoice(icsCG, choiceCounter);
648     // Store restorable state object for this state (always store the latest)
649     RestorableVMState restorableState = vm.getRestorableState();
650     restorableStateMap.put(stateId, restorableState);
651   }
652
653   private TransitionEvent setupTransition(IntChoiceFromSet icsCG, int stateId, int choiceIndex) {
654     // Get a new transition
655     TransitionEvent transition;
656     if (currentExecution.isNew()) {
657       // We need to handle the first transition differently because this has a predecessor execution
658       transition = currentExecution.getFirstTransition();
659     } else {
660       transition = new TransitionEvent();
661       currentExecution.addTransition(transition);
662       transition.recordPredecessor(currentExecution, choiceCounter - 1);
663     }
664     transition.setExecution(currentExecution);
665     transition.setTransitionCG(icsCG);
666     transition.setStateId(stateId);
667     transition.setChoice(refChoices[choiceIndex]);
668     transition.setChoiceCounter(choiceCounter);
669
670     return transition;
671   }
672
673   // --- Functions related to cycle detection and reachability graph
674
675   // Detect cycles in the current execution/trace
676   // We terminate the execution iff:
677   // (1) the state has been visited in the current execution
678   // (2) the state has one or more cycles that involve all the events
679   // With simple approach we only need to check for a re-visited state.
680   // Basically, we have to check that we have executed all events between two occurrences of such state.
681   private boolean completeFullCycle(int stId) {
682     // False if the state ID hasn't been recorded
683     if (!stateToEventMap.containsKey(stId)) {
684       return false;
685     }
686     HashSet<Integer> visitedEvents = stateToEventMap.get(stId);
687     // Check if this set contains all the event choices
688     // If not then this is not the terminating condition
689     for(int i=0; i<=maxEventChoice; i++) {
690       if (!visitedEvents.contains(i)) {
691         return false;
692       }
693     }
694     return true;
695   }
696
697   private void initializeStatesVariables() {
698     // DPOR-related
699     choices = null;
700     refChoices = null;
701     choiceCounter = 0;
702     maxEventChoice = 0;
703     // Cycle tracking
704     currVisitedStates = new HashSet<>();
705     justVisitedStates = new HashSet<>();
706     prevVisitedStates = new HashSet<>();
707     stateToEventMap = new HashMap<>();
708     // Backtracking
709     backtrackMap = new HashMap<>();
710     backtrackStateQ = new PriorityQueue<>(Collections.reverseOrder());
711     currentExecution = new Execution();
712     currentExecution.addTransition(new TransitionEvent()); // Always start with 1 backtrack point
713     doneBacktrackSet = new HashSet<>();
714     rGraph = new RGraph();
715     // Booleans
716     isEndOfExecution = false;
717   }
718
719   private void mapStateToEvent(int nextChoiceValue) {
720     // Update all states with this event/choice
721     // This means that all past states now see this transition
722     Set<Integer> stateSet = stateToEventMap.keySet();
723     for(Integer stateId : stateSet) {
724       HashSet<Integer> eventSet = stateToEventMap.get(stateId);
725       eventSet.add(nextChoiceValue);
726     }
727   }
728
729   private boolean terminateCurrentExecution() {
730     // We need to check all the states that have just been visited
731     // Often a transition (choice/event) can result into forwarding/backtracking to a number of states
732     for(Integer stateId : justVisitedStates) {
733       if (prevVisitedStates.contains(stateId) || completeFullCycle(stateId)) {
734         return true;
735       }
736     }
737     return false;
738   }
739
740   private void updateStateInfo(Search search) {
741     // Update the state variables
742     int stateId = search.getStateId();
743     // Insert state ID into the map if it is new
744     if (!stateToEventMap.containsKey(stateId)) {
745       HashSet<Integer> eventSet = new HashSet<>();
746       stateToEventMap.put(stateId, eventSet);
747     }
748     analyzeReachabilityAndCreateBacktrackPoints(search.getVM(), stateId);
749     justVisitedStates.add(stateId);
750     if (!prevVisitedStates.contains(stateId)) {
751       // It is a currently visited states if the state has not been seen in previous executions
752       currVisitedStates.add(stateId);
753     }
754   }
755
756   // --- Functions related to Read/Write access analysis on shared fields
757
758   private void addNewBacktrackPoint(int stateId, Integer[] newChoiceList, TransitionEvent conflictTransition) {
759     // Insert backtrack point to the right state ID
760     LinkedList<BacktrackExecution> backtrackExecList;
761     if (backtrackMap.containsKey(stateId)) {
762       backtrackExecList = backtrackMap.get(stateId);
763     } else {
764       backtrackExecList = new LinkedList<>();
765       backtrackMap.put(stateId, backtrackExecList);
766     }
767     // Add the new backtrack execution object
768     TransitionEvent backtrackTransition = new TransitionEvent();
769     backtrackTransition.setPredecessors(conflictTransition.getPredecessors());
770     backtrackExecList.addFirst(new BacktrackExecution(newChoiceList, backtrackTransition));
771     // Add to priority queue
772     if (!backtrackStateQ.contains(stateId)) {
773       backtrackStateQ.add(stateId);
774     }
775   }
776
777   // Analyze Read/Write accesses that are directly invoked on fields
778   private void analyzeReadWriteAccesses(Instruction executedInsn, int currentChoice) {
779     // Get the field info
780     FieldInfo fieldInfo = ((JVMFieldInstruction) executedInsn).getFieldInfo();
781     // Analyze only after being initialized
782     String fieldClass = fieldInfo.getFullName();
783     // Do the analysis to get Read and Write accesses to fields
784     ReadWriteSet rwSet = getReadWriteSet(currentChoice);
785     int objectId = fieldInfo.getClassInfo().getClassObjectRef();
786     // Record the field in the map
787     if (executedInsn instanceof WriteInstruction) {
788       // We first check the non-relevant fields set
789       if (!nonRelevantFields.contains(fieldInfo)) {
790         // Exclude certain field writes because of infrastructure needs, e.g., Event class field writes
791         for (String str : EXCLUDED_FIELDS_READ_WRITE_INSTRUCTIONS_STARTS_WITH_LIST) {
792           if (fieldClass.startsWith(str)) {
793             nonRelevantFields.add(fieldInfo);
794             return;
795           }
796         }
797       } else {
798         // If we have this field in the non-relevant fields set then we return right away
799         return;
800       }
801       rwSet.addWriteField(fieldClass, objectId);
802     } else if (executedInsn instanceof ReadInstruction) {
803       rwSet.addReadField(fieldClass, objectId);
804     }
805   }
806
807   // Analyze Read accesses that are indirect (performed through iterators)
808   // These accesses are marked by certain bytecode instructions, e.g., INVOKEINTERFACE
809   private void analyzeReadWriteAccesses(Instruction instruction, ThreadInfo ti, int currentChoice) {
810     // Get method name
811     INVOKEINTERFACE insn = (INVOKEINTERFACE) instruction;
812     if (insn.toString().startsWith(GET_PROPERTY_METHOD) &&
813             insn.getMethodInfo().getName().equals(DO_CALL_METHOD)) {
814       // Extract info from the stack frame
815       StackFrame frame = ti.getTopFrame();
816       int[] frameSlots = frame.getSlots();
817       // Get the Groovy callsite library at index 0
818       ElementInfo eiCallsite = VM.getVM().getHeap().get(frameSlots[0]);
819       if (!eiCallsite.getClassInfo().getName().startsWith(GROOVY_CALLSITE_LIB)) {
820         return;
821       }
822       // Get the iterated object whose property is accessed
823       ElementInfo eiAccessObj = VM.getVM().getHeap().get(frameSlots[1]);
824       if (eiAccessObj == null) {
825         return;
826       }
827       // We exclude library classes (they start with java, org, etc.) and some more
828       ClassInfo classInfo = eiAccessObj.getClassInfo();
829       String objClassName = classInfo.getName();
830       // Check if this class info is part of the non-relevant classes set already
831       if (!nonRelevantClasses.contains(classInfo)) {
832         if (excludeThisForItStartsWith(EXCLUDED_FIELDS_READ_WRITE_INSTRUCTIONS_STARTS_WITH_LIST, objClassName) ||
833                 excludeThisForItStartsWith(EXCLUDED_FIELDS_STARTS_WITH_LIST, objClassName)) {
834           nonRelevantClasses.add(classInfo);
835           return;
836         }
837       } else {
838         // If it is part of the non-relevant classes set then return immediately
839         return;
840       }
841       // Extract fields from this object and put them into the read write
842       int numOfFields = eiAccessObj.getNumberOfFields();
843       for(int i=0; i<numOfFields; i++) {
844         FieldInfo fieldInfo = eiAccessObj.getFieldInfo(i);
845         if (fieldInfo.getType().equals(JAVA_STRING_LIB) || fieldInfo.getType().equals(JAVA_INTEGER)) {
846           String fieldClass = fieldInfo.getFullName();
847           ReadWriteSet rwSet = getReadWriteSet(currentChoice);
848           int objectId = fieldInfo.getClassInfo().getClassObjectRef();
849           // Record the field in the map
850           rwSet.addReadField(fieldClass, objectId);
851         }
852       }
853     }
854   }
855
856   private int checkAndAdjustChoice(int currentChoice, VM vm) {
857     // If current choice is not the same, then this is caused by the firing of IntIntervalGenerator
858     // for certain method calls in the infrastructure, e.g., eventSince()
859     ChoiceGenerator<?> currentCG = vm.getChoiceGenerator();
860     // This is the main event CG
861     if (currentCG instanceof IntIntervalGenerator) {
862       // This is the interval CG used in device handlers
863       ChoiceGenerator<?> parentCG = ((IntIntervalGenerator) currentCG).getPreviousChoiceGenerator();
864       // Iterate until we find the IntChoiceFromSet CG
865       while (!(parentCG instanceof IntChoiceFromSet)) {
866         parentCG = ((IntIntervalGenerator) parentCG).getPreviousChoiceGenerator();
867       }
868       // Find the choice related to the IntIntervalGenerator CG from the map
869       currentChoice = currentExecution.getChoiceFromCG((IntChoiceFromSet) parentCG);
870     }
871     return currentChoice;
872   }
873
874   private void createBacktrackingPoint(Execution execution, int currentChoice,
875                                        Execution conflictExecution, int conflictChoice) {
876     // Create a new list of choices for backtrack based on the current choice and conflicting event number
877     // E.g. if we have a conflict between 1 and 3, then we create the list {3, 1, 0, 2}
878     // for the original set {0, 1, 2, 3}
879     Integer[] newChoiceList = new Integer[refChoices.length];
880     ArrayList<TransitionEvent> currentTrace = execution.getExecutionTrace();
881     ArrayList<TransitionEvent> conflictTrace = conflictExecution.getExecutionTrace();
882     int currChoice = currentTrace.get(currentChoice).getChoice();
883     int stateId = conflictTrace.get(conflictChoice).getStateId();
884     // Check if this trace has been done from this state
885     if (isTraceAlreadyConstructed(currChoice, stateId)) {
886       return;
887     }
888     // Put the conflicting event numbers first and reverse the order
889     newChoiceList[0] = currChoice;
890     // Put the rest of the event numbers into the array starting from the minimum to the upper bound
891     for (int i = 0, j = 1; i < refChoices.length; i++) {
892       if (refChoices[i] != newChoiceList[0]) {
893         newChoiceList[j] = refChoices[i];
894         j++;
895       }
896     }
897     // Predecessor of the new backtrack point is the same as the conflict point's
898     addNewBacktrackPoint(stateId, newChoiceList, conflictTrace.get(conflictChoice));
899   }
900
901   private boolean excludeThisForItContains(String[] excludedStrings, String className) {
902     for (String excludedField : excludedStrings) {
903       if (className.contains(excludedField)) {
904         return true;
905       }
906     }
907     return false;
908   }
909
910   private boolean excludeThisForItEndsWith(String[] excludedStrings, String className) {
911     for (String excludedField : excludedStrings) {
912       if (className.endsWith(excludedField)) {
913         return true;
914       }
915     }
916     return false;
917   }
918
919   private boolean excludeThisForItStartsWith(String[] excludedStrings, String className) {
920     for (String excludedField : excludedStrings) {
921       if (className.startsWith(excludedField)) {
922         return true;
923       }
924     }
925     return false;
926   }
927
928   private void exploreNextBacktrackPoints(VM vm, IntChoiceFromSet icsCG) {
929                 // Check if we are reaching the end of our execution: no more backtracking points to explore
930                 // cgMap, backtrackMap, backtrackStateQ are updated simultaneously (checking backtrackStateQ is enough)
931                 if (!backtrackStateQ.isEmpty()) {
932                         // Set done all the other backtrack points
933                         for (TransitionEvent backtrackTransition : currentExecution.getExecutionTrace()) {
934         backtrackTransition.getTransitionCG().setDone();
935                         }
936                         // Reset the next backtrack point with the latest state
937                         int hiStateId = backtrackStateQ.peek();
938                         // Restore the state first if necessary
939                         if (vm.getStateId() != hiStateId) {
940                                 RestorableVMState restorableState = restorableStateMap.get(hiStateId);
941                                 vm.restoreState(restorableState);
942                         }
943                         // Set the backtrack CG
944                         IntChoiceFromSet backtrackCG = (IntChoiceFromSet) vm.getChoiceGenerator();
945                         setBacktrackCG(hiStateId, backtrackCG);
946                 } else {
947                         // Set done this last CG (we save a few rounds)
948                         icsCG.setDone();
949                 }
950                 // Save all the visited states when starting a new execution of trace
951                 prevVisitedStates.addAll(currVisitedStates);
952                 // This marks a transitional period to the new CG
953                 isEndOfExecution = true;
954   }
955
956   private boolean isConflictFound(Execution execution, int reachableChoice, Execution conflictExecution, int conflictChoice,
957                                   ReadWriteSet currRWSet) {
958     ArrayList<TransitionEvent> executionTrace = execution.getExecutionTrace();
959     ArrayList<TransitionEvent> conflictTrace = conflictExecution.getExecutionTrace();
960     HashMap<Integer, ReadWriteSet> confRWFieldsMap = conflictExecution.getReadWriteFieldsMap();
961     // Skip if this event does not have any Read/Write set or the two events are basically the same event (number)
962     if (!confRWFieldsMap.containsKey(conflictChoice) ||
963             executionTrace.get(reachableChoice).getChoice() == conflictTrace.get(conflictChoice).getChoice()) {
964       return false;
965     }
966     // R/W set of choice/event that may have a potential conflict
967     ReadWriteSet confRWSet = confRWFieldsMap.get(conflictChoice);
968     // Check for conflicts with Read and Write fields for Write instructions
969     Set<String> currWriteSet = currRWSet.getWriteSet();
970     for(String writeField : currWriteSet) {
971       int currObjId = currRWSet.writeFieldObjectId(writeField);
972       if ((confRWSet.readFieldExists(writeField) && confRWSet.readFieldObjectId(writeField) == currObjId) ||
973           (confRWSet.writeFieldExists(writeField) && confRWSet.writeFieldObjectId(writeField) == currObjId)) {
974         // Remove this from the write set as we are tracking per memory location
975         currRWSet.removeWriteField(writeField);
976         return true;
977       }
978     }
979     // Check for conflicts with Write fields for Read instructions
980     Set<String> currReadSet = currRWSet.getReadSet();
981     for(String readField : currReadSet) {
982       int currObjId = currRWSet.readFieldObjectId(readField);
983       if (confRWSet.writeFieldExists(readField) && confRWSet.writeFieldObjectId(readField) == currObjId) {
984         // Remove this from the read set as we are tracking per memory location
985         currRWSet.removeReadField(readField);
986         return true;
987       }
988     }
989     // Return false if no conflict is found
990     return false;
991   }
992
993   private ReadWriteSet getReadWriteSet(int currentChoice) {
994     // Do the analysis to get Read and Write accesses to fields
995     ReadWriteSet rwSet;
996     // We already have an entry
997     HashMap<Integer, ReadWriteSet> currReadWriteFieldsMap = currentExecution.getReadWriteFieldsMap();
998     if (currReadWriteFieldsMap.containsKey(currentChoice)) {
999       rwSet = currReadWriteFieldsMap.get(currentChoice);
1000     } else { // We need to create a new entry
1001       rwSet = new ReadWriteSet();
1002       currReadWriteFieldsMap.put(currentChoice, rwSet);
1003     }
1004     return rwSet;
1005   }
1006
1007   private boolean isFieldExcluded(Instruction executedInsn) {
1008     // Get the field info
1009     FieldInfo fieldInfo = ((JVMFieldInstruction) executedInsn).getFieldInfo();
1010     // Check if the non-relevant fields set already has it
1011     if (nonRelevantFields.contains(fieldInfo)) {
1012       return true;
1013     }
1014     // Check if the relevant fields set already has it
1015     if (relevantFields.contains(fieldInfo)) {
1016       return false;
1017     }
1018     // Analyze only after being initialized
1019     String field = fieldInfo.getFullName();
1020     // Check against "starts-with", "ends-with", and "contains" list
1021     if (excludeThisForItStartsWith(EXCLUDED_FIELDS_STARTS_WITH_LIST, field) ||
1022             excludeThisForItEndsWith(EXCLUDED_FIELDS_ENDS_WITH_LIST, field) ||
1023             excludeThisForItContains(EXCLUDED_FIELDS_CONTAINS_LIST, field)) {
1024       nonRelevantFields.add(fieldInfo);
1025       return true;
1026     }
1027     relevantFields.add(fieldInfo);
1028     return false;
1029   }
1030
1031   // Check if this trace is already constructed
1032   private boolean isTraceAlreadyConstructed(int firstChoice, int stateId) {
1033     // Concatenate state ID and only the first event in the string, e.g., "1:1 for the trace 10234 at state 1"
1034     // TODO: THIS IS AN OPTIMIZATION!
1035     // This is the optimized version because after we execute, e.g., the trace 1:10234, we don't need to try
1036     // another trace that starts with event 1 at state 1, e.g., the trace 1:13024
1037     // The second time this event 1 is explored, it will generate the same state as the first one
1038     StringBuilder sb = new StringBuilder();
1039     sb.append(stateId);
1040     sb.append(':');
1041     sb.append(firstChoice);
1042     // Check if the trace has been constructed as a backtrack point for this state
1043     if (doneBacktrackSet.contains(sb.toString())) {
1044       return true;
1045     }
1046     doneBacktrackSet.add(sb.toString());
1047     return false;
1048   }
1049
1050   // Reset data structure for each new execution
1051   private void resetStatesForNewExecution(IntChoiceFromSet icsCG, VM vm) {
1052     if (choices == null || choices != icsCG.getAllChoices()) {
1053       // Reset state variables
1054       choiceCounter = 0;
1055       choices = icsCG.getAllChoices();
1056       refChoices = copyChoices(choices);
1057       // Clear data structures
1058       currVisitedStates = new HashSet<>();
1059       stateToEventMap = new HashMap<>();
1060       isEndOfExecution = false;
1061     }
1062   }
1063
1064   // Set a backtrack point for a particular state
1065   private void setBacktrackCG(int stateId, IntChoiceFromSet backtrackCG) {
1066     // Set a backtrack CG based on a state ID
1067     LinkedList<BacktrackExecution> backtrackExecutions = backtrackMap.get(stateId);
1068     BacktrackExecution backtrackExecution = backtrackExecutions.removeLast();
1069     backtrackCG.setNewValues(backtrackExecution.getChoiceList());  // Get the last from the queue
1070     backtrackCG.setStateId(stateId);
1071     backtrackCG.reset();
1072     // Update current execution with this new execution
1073     Execution newExecution = new Execution();
1074     TransitionEvent firstTransition = backtrackExecution.getFirstTransition();
1075     newExecution.addTransition(firstTransition);
1076     // Try to free some memory since this map is only used for the current execution
1077     currentExecution.clearCGToChoiceMap();
1078     currentExecution = newExecution;
1079     // Remove from the queue if we don't have more backtrack points for that state
1080     if (backtrackExecutions.isEmpty()) {
1081       backtrackMap.remove(stateId);
1082       backtrackStateQ.remove(stateId);
1083     }
1084   }
1085
1086   // Update backtrack sets
1087   // 1) recursively, and
1088   // 2) track accesses per memory location (per shared variable/field)
1089   private void updateBacktrackSet(Execution execution, int currentChoice) {
1090     // Copy ReadWriteSet object
1091     HashMap<Integer, ReadWriteSet> currRWFieldsMap = execution.getReadWriteFieldsMap();
1092     ReadWriteSet currRWSet = currRWFieldsMap.get(currentChoice);
1093     if (currRWSet == null) {
1094       return;
1095     }
1096     currRWSet = currRWSet.getCopy();
1097     // Memorize visited TransitionEvent object while performing backward DFS to avoid getting caught up in a cycle
1098     HashSet<TransitionEvent> visited = new HashSet<>();
1099     // Update backtrack set recursively
1100     // TODO: The following is the call to the original version of the method
1101 //    updateBacktrackSetRecursive(execution, currentChoice, execution, currentChoice, currRWSet, visited);
1102     // TODO: The following is the call to the version of the method with pushing up happens-before transitions
1103     updateBacktrackSetRecursive(execution, currentChoice, execution, currentChoice, execution, currentChoice, currRWSet, visited);
1104   }
1105
1106 //  TODO: This is the original version of the recursive method
1107 //  private void updateBacktrackSetRecursive(Execution execution, int currentChoice,
1108 //                                           Execution conflictExecution, int conflictChoice,
1109 //                                           ReadWriteSet currRWSet, HashSet<TransitionEvent> visited) {
1110 //    // Halt when we have found the first read/write conflicts for all memory locations
1111 //    if (currRWSet.isEmpty()) {
1112 //      return;
1113 //    }
1114 //    TransitionEvent confTrans = conflictExecution.getExecutionTrace().get(conflictChoice);
1115 //    // Halt when we have visited this transition (in a cycle)
1116 //    if (visited.contains(confTrans)) {
1117 //      return;
1118 //    }
1119 //    visited.add(confTrans);
1120 //    // Explore all predecessors
1121 //    for (Predecessor predecessor : confTrans.getPredecessors()) {
1122 //      // Get the predecessor (previous conflict choice)
1123 //      conflictChoice = predecessor.getChoice();
1124 //      conflictExecution = predecessor.getExecution();
1125 //      // Check if a conflict is found
1126 //      if (isConflictFound(execution, currentChoice, conflictExecution, conflictChoice, currRWSet)) {
1127 //        createBacktrackingPoint(execution, currentChoice, conflictExecution, conflictChoice);
1128 //      }
1129 //      // Continue performing DFS if conflict is not found
1130 //      updateBacktrackSetRecursive(execution, currentChoice, conflictExecution, conflictChoice, currRWSet, visited);
1131 //    }
1132 //  }
1133
1134   // TODO: This is the version of the method with pushing up happens-before transitions
1135   private void updateBacktrackSetRecursive(Execution execution, int currentChoice,
1136                                            Execution conflictExecution, int conflictChoice,
1137                                            Execution hbExecution, int hbChoice,
1138                                            ReadWriteSet currRWSet, HashSet<TransitionEvent> visited) {
1139     // Halt when we have found the first read/write conflicts for all memory locations
1140     if (currRWSet.isEmpty()) {
1141       return;
1142     }
1143     TransitionEvent confTrans = conflictExecution.getExecutionTrace().get(conflictChoice);
1144     // Halt when we have visited this transition (in a cycle)
1145     if (visited.contains(confTrans)) {
1146       return;
1147     }
1148     visited.add(confTrans);
1149     // Explore all predecessors
1150     for (Predecessor predecessor : confTrans.getPredecessors()) {
1151       // Get the predecessor (previous conflict choice)
1152       conflictChoice = predecessor.getChoice();
1153       conflictExecution = predecessor.getExecution();
1154       // Push up one happens-before transition
1155       int pushedChoice = hbChoice;
1156       Execution pushedExecution = hbExecution;
1157       // Check if a conflict is found
1158       if (isConflictFound(execution, currentChoice, conflictExecution, conflictChoice, currRWSet)) {
1159         createBacktrackingPoint(pushedExecution, pushedChoice, conflictExecution, conflictChoice);
1160         pushedChoice = conflictChoice;
1161         pushedExecution = conflictExecution;
1162       }
1163       // Continue performing DFS if conflict is not found
1164       updateBacktrackSetRecursive(execution, currentChoice, conflictExecution, conflictChoice,
1165               pushedExecution, pushedChoice, currRWSet, visited);
1166     }
1167     // Remove the transition after being explored
1168     visited.remove(confTrans);
1169   }
1170
1171   // --- Functions related to the reachability analysis when there is a state match
1172
1173   private void analyzeReachabilityAndCreateBacktrackPoints(VM vm, int stateId) {
1174     // Perform this analysis only when:
1175     // 1) this is not during a switch to a new execution,
1176     // 2) at least 2 choices/events have been explored (choiceCounter > 1),
1177     // 3) state > 0 (state 0 is for boolean CG)
1178     if (!isEndOfExecution && choiceCounter > 1 && stateId > 0) {
1179       if (currVisitedStates.contains(stateId) || prevVisitedStates.contains(stateId)) {
1180         // Update reachable transitions in the graph with a predecessor
1181         HashSet<TransitionEvent> reachableTransitions = rGraph.getReachableTransitionsAtState(stateId);
1182         for(TransitionEvent transition : reachableTransitions) {
1183           transition.recordPredecessor(currentExecution, choiceCounter - 1);
1184         }
1185         updateBacktrackSetsFromPreviousExecution(stateId);
1186       }
1187     }
1188   }
1189
1190   // Update the backtrack sets from previous executions
1191   private void updateBacktrackSetsFromPreviousExecution(int stateId) {
1192     // Collect all the reachable transitions from R-Graph
1193     HashSet<TransitionEvent> reachableTransitions = rGraph.getReachableTransitions(stateId);
1194     for(TransitionEvent transition : reachableTransitions) {
1195       Execution execution = transition.getExecution();
1196       int currentChoice = transition.getChoiceCounter();
1197       updateBacktrackSet(execution, currentChoice);
1198     }
1199   }
1200 }