Tested backtrack in a cycle (local).
[jpf-core.git] / src / main / gov / nasa / jpf / listener / DPORStateReducer.java
index a6887549006b5d412c50de15b2fe174b54f352ef..37353f3ed432ea9c7f19d3652099cacf43bee01d 100644 (file)
@@ -28,8 +28,11 @@ import gov.nasa.jpf.vm.bytecode.WriteInstruction;
 import gov.nasa.jpf.vm.choice.IntChoiceFromSet;
 import gov.nasa.jpf.vm.choice.IntIntervalGenerator;
 
+import java.io.FileWriter;
 import java.io.PrintWriter;
 import java.util.*;
+import java.util.logging.Logger;
+import java.io.IOException;
 
 // TODO: Fix for Groovy's model-checking
 // TODO: This is a setter to change the values of the ChoiceGenerator to implement POR
@@ -39,12 +42,13 @@ import java.util.*;
  * This DPOR implementation is augmented by the algorithm presented in this SPIN paper:
  * http://spinroot.com/spin/symposia/ws08/spin2008_submission_33.pdf
  *
- * The algorithm is presented on page 11 of the paper. Basically, we create a graph G
- * (i.e., visible operation dependency graph)
- * that maps inter-related threads/sub-programs that trigger state changes.
- * The key to this approach is that we evaluate graph G in every iteration/recursion to
- * only update the backtrack sets of the threads/sub-programs that are reachable in graph G
- * from the currently running thread/sub-program.
+ * The algorithm is presented on page 11 of the paper. Basically, we have a graph G
+ * (i.e., visible operation dependency graph).
+ * This DPOR implementation actually fixes the algorithm in the SPIN paper that does not
+ * consider cases where a state could be matched early. In this new algorithm/implementation,
+ * each run is terminated iff:
+ * - we find a state that matches a state in a previous run, or
+ * - we have a matched state in the current run that consists of cycles that contain all choices/events.
  */
 public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
 
@@ -52,30 +56,41 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
   private boolean verboseMode;
   private boolean stateReductionMode;
   private final PrintWriter out;
+  private PrintWriter fileWriter;
   private String detail;
   private int depth;
   private int id;
   private Transition transition;
 
   // DPOR-related fields
+  // Basic information
   private Integer[] choices;
-  private Integer[] refChoices;
+  private Integer[] refChoices; // Second reference to a copy of choices (choices may be modified for fair scheduling)
   private int choiceCounter;
   private int maxEventChoice;
-  // Record CGs for backtracking points
-  private List<IntChoiceFromSet> cgList;
   // Data structure to track the events seen by each state to track cycles (containing all events) for termination
-  private HashMap<Integer, HashSet<Integer>> stateToEventMap;
+  private HashSet<Integer> currVisitedStates; // States being visited in the current execution
   private HashSet<Integer> justVisitedStates; // States just visited in the previous choice/event
   private HashSet<Integer> prevVisitedStates; // States visited in the previous execution
-  private HashSet<Integer> currVisitedStates; // States being visited in the current execution
-  // Data structure to analyze field Read/Write accesses
-  private HashMap<Integer, ReadWriteSet> readWriteFieldsMap;
-  private HashMap<Integer, HashSet<Integer>> conflictPairMap;
+  private HashMap<Integer, HashSet<Integer>> stateToEventMap;
+  // Data structure to analyze field Read/Write accesses and conflicts
+  private HashMap<Integer, LinkedList<BacktrackExecution>> backtrackMap;  // Track created backtracking points
+  private PriorityQueue<Integer> backtrackStateQ;                 // Heap that returns the latest state
+  private Execution currentExecution;                             // Holds the information about the current execution
+  private HashSet<String> doneBacktrackSet;                       // Record state ID and trace already constructed
+  private HashMap<Integer, RestorableVMState> restorableStateMap; // Maps state IDs to the restorable state object
+  private HashMap<Integer, Integer> stateToChoiceCounterMap;      // Maps state IDs to the choice counter
+  //private HashMap<Integer, ArrayList<ReachableTrace>> rGraph;     // Create a reachability graph
+  private HashMap<Integer, ArrayList<Execution>> rGraph;          // Create a reachability graph for past executions
 
   // Boolean states
   private boolean isBooleanCGFlipped;
+  private boolean isEndOfExecution;
 
+  // Statistics
+  private int numOfConflicts;
+  private int numOfTransitions;
+       
   public DPORStateReducer(Config config, JPF jpf) {
     verboseMode = config.getBoolean("printout_state_transition", false);
     stateReductionMode = config.getBoolean("activate_state_reduction", true);
@@ -84,20 +99,18 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     } else {
       out = null;
     }
-    // DPOR-related
-    choices = null;
-    refChoices = null;
-    choiceCounter = 0;
-    maxEventChoice = 0;
-    cgList = new ArrayList<>();
-    stateToEventMap = new HashMap<>();
-    justVisitedStates = new HashSet<>();
-    prevVisitedStates = new HashSet<>();
-    currVisitedStates = new HashSet<>();
-    readWriteFieldsMap = new HashMap<>();
-    conflictPairMap = new HashMap<>();
-    // Booleans
+    String outputFile = config.getString("file_output");
+    if (!outputFile.isEmpty()) {
+      try {
+        fileWriter = new PrintWriter(new FileWriter(outputFile, true), true);
+      } catch (IOException e) {
+      }
+    }
     isBooleanCGFlipped = false;
+               numOfConflicts = 0;
+               numOfTransitions = 0;
+    restorableStateMap = new HashMap<>();
+    initializeStatesVariables();
   }
 
   @Override
@@ -159,10 +172,26 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     }
   }
 
+  static Logger log = JPF.getLogger("report");
+
   @Override
   public void searchFinished(Search search) {
+    if (stateReductionMode) {
+      // Number of conflicts = first trace + subsequent backtrack points
+      numOfConflicts += 1 + doneBacktrackSet.size();
+    }
     if (verboseMode) {
+      out.println("\n==> DEBUG: ----------------------------------- search finished");
+      out.println("\n==> DEBUG: State reduction mode  : " + stateReductionMode);
+      out.println("\n==> DEBUG: Number of conflicts   : " + numOfConflicts);
+      out.println("\n==> DEBUG: Number of transitions : " + numOfTransitions);
       out.println("\n==> DEBUG: ----------------------------------- search finished" + "\n");
+
+      fileWriter.println("==> DEBUG: State reduction mode  : " + stateReductionMode);
+      fileWriter.println("==> DEBUG: Number of conflicts   : " + numOfConflicts);
+      fileWriter.println("==> DEBUG: Number of transitions : " + numOfTransitions);
+      fileWriter.println();
+      fileWriter.close();
     }
   }
 
@@ -172,21 +201,26 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
       // Initialize with necessary information from the CG
       if (nextCG instanceof IntChoiceFromSet) {
         IntChoiceFromSet icsCG = (IntChoiceFromSet) nextCG;
-        // Check if CG has been initialized, otherwise initialize it
-        Integer[] cgChoices = icsCG.getAllChoices();
-        // Record the events (from choices)
-        if (choices == null) {
-          choices = cgChoices;
-          // Make a copy of choices as reference
-          refChoices = copyChoices(choices);
-          // Record the max event choice (the last element of the choice array)
-          maxEventChoice = choices[choices.length - 1];
+        if (!isEndOfExecution) {
+          // Check if CG has been initialized, otherwise initialize it
+          Integer[] cgChoices = icsCG.getAllChoices();
+          // Record the events (from choices)
+          if (choices == null) {
+            choices = cgChoices;
+            // Make a copy of choices as reference
+            refChoices = copyChoices(choices);
+            // Record the max event choice (the last element of the choice array)
+            maxEventChoice = choices[choices.length - 1];
+          }
+          icsCG.setNewValues(choices);
+          icsCG.reset();
+          // Use a modulo since choiceCounter is going to keep increasing
+          int choiceIndex = choiceCounter % choices.length;
+          icsCG.advance(choices[choiceIndex]);
+        } else {
+          // Set done all CGs while transitioning to a new execution
+          icsCG.setDone();
         }
-        // Use a modulo since choiceCounter is going to keep increasing
-        int choiceIndex = choiceCounter % choices.length;
-        icsCG.advance(choices[choiceIndex]);
-        // Index the ChoiceGenerator to set backtracking points
-        cgList.add(icsCG);
       }
     }
   }
@@ -196,79 +230,72 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
 
     if (stateReductionMode) {
       // Check the boolean CG and if it is flipped, we are resetting the analysis
-//      if (currentCG instanceof BooleanChoiceGenerator) {
-//        if (!isBooleanCGFlipped) {
-//          isBooleanCGFlipped = true;
-//        } else {
-//          initializeStateReduction();
-//        }
-//      }
+      if (currentCG instanceof BooleanChoiceGenerator) {
+        if (!isBooleanCGFlipped) {
+          isBooleanCGFlipped = true;
+        } else {
+          // Number of conflicts = first trace + subsequent backtrack points
+          numOfConflicts = 1 + doneBacktrackSet.size();
+          // Allocate new objects for data structure when the boolean is flipped from "false" to "true"
+          initializeStatesVariables();
+        }
+      }
       // Check every choice generated and ensure fair scheduling!
       if (currentCG instanceof IntChoiceFromSet) {
         IntChoiceFromSet icsCG = (IntChoiceFromSet) currentCG;
+        // If this is a new CG then we need to update data structures
+        resetStatesForNewExecution(icsCG, vm);
         // If we don't see a fair scheduling of events/choices then we have to enforce it
-        checkAndEnforceFairScheduling(icsCG);
+        fairSchedulingAndBacktrackPoint(icsCG, vm);
+        // Explore the next backtrack point: 
+        // 1) if we have seen this state or this state contains cycles that involve all events, and
+        // 2) after the current CG is advanced at least once
+        if (terminateCurrentExecution() && choiceCounter > 0) {
+          exploreNextBacktrackPoints(vm, icsCG);
+        } else {
+          numOfTransitions++;
+        }
         // Map state to event
         mapStateToEvent(icsCG.getNextChoice());
-        // Check if we have seen this state or this state contains cycles that involve all events
-        if (terminateCurrentExecution()) {
-          exploreNextBacktrackSets(icsCG);
-        }
         justVisitedStates.clear();
         choiceCounter++;
       }
+    } else {
+      numOfTransitions++;
     }
   }
 
   @Override
   public void instructionExecuted(VM vm, ThreadInfo ti, Instruction nextInsn, Instruction executedInsn) {
     if (stateReductionMode) {
-      // Has to be initialized and a integer CG
-      ChoiceGenerator<?> cg = vm.getChoiceGenerator();
-      if (cg instanceof IntChoiceFromSet || cg instanceof IntIntervalGenerator) {
-        int currentChoice = choiceCounter - 1;  // Accumulative choice w.r.t the current trace
-        //if (getCurrentChoice(vm) < 0) { // If choice is -1 then skip
-        if (currentChoice < 0) { // If choice is -1 then skip
-          return;
-        }
-        // Record accesses from executed instructions
-        if (executedInsn instanceof JVMFieldInstruction) {
-          // Analyze only after being initialized
-          String fieldClass = ((JVMFieldInstruction) executedInsn).getFieldInfo().getFullName();
-          // We don't care about libraries
-          if (!isFieldExcluded(fieldClass)) {
-            analyzeReadWriteAccesses(executedInsn, fieldClass, currentChoice);
+      if (!isEndOfExecution) {
+        // Has to be initialized and a integer CG
+        ChoiceGenerator<?> cg = vm.getChoiceGenerator();
+        if (cg instanceof IntChoiceFromSet || cg instanceof IntIntervalGenerator) {
+          int currentChoice = choiceCounter - 1;  // Accumulative choice w.r.t the current trace
+          if (currentChoice < 0) { // If choice is -1 then skip
+            return;
           }
-        } else if (executedInsn instanceof INVOKEINTERFACE) {
-          // Handle the read/write accesses that occur through iterators
-          analyzeReadWriteAccesses(executedInsn, ti, currentChoice);
-        }
-        // Analyze conflicts from next instructions
-        if (nextInsn instanceof JVMFieldInstruction) {
-          // Skip the constructor because it is called once and does not have shared access with other objects
-          if (!nextInsn.getMethodInfo().getName().equals("<init>")) {
-            String fieldClass = ((JVMFieldInstruction) nextInsn).getFieldInfo().getFullName();
+          currentChoice = checkAndAdjustChoice(currentChoice, vm);
+          // Record accesses from executed instructions
+          if (executedInsn instanceof JVMFieldInstruction) {
+            // Analyze only after being initialized
+            String fieldClass = ((JVMFieldInstruction) executedInsn).getFieldInfo().getFullName();
+            // We don't care about libraries
             if (!isFieldExcluded(fieldClass)) {
-              // Check for conflict (go backward from current choice and get the first conflict)
-              for (int evtCntr = currentChoice - 1; evtCntr >= 0; evtCntr--) {
-                if (!readWriteFieldsMap.containsKey(evtCntr)) { // Skip if this event does not have any Read/Write set
-                  continue;
-                }
-                ReadWriteSet rwSet = readWriteFieldsMap.get(evtCntr);
-                int currObjId = ((JVMFieldInstruction) nextInsn).getFieldInfo().getClassInfo().getClassObjectRef();
-                // Check for conflicts with Write fields for both Read and Write instructions
-                if (((nextInsn instanceof WriteInstruction || nextInsn instanceof ReadInstruction) &&
-                      rwSet.writeFieldExists(fieldClass) && rwSet.writeFieldObjectId(fieldClass) == currObjId) ||
-                     (nextInsn instanceof WriteInstruction && rwSet.readFieldExists(fieldClass) &&
-                      rwSet.readFieldObjectId(fieldClass) == currObjId)) {
-                  // Check and record a backtrack set for just once!
-                  if (successfullyRecordConflictPair(currentChoice, evtCntr)) {
-                    // Lines 4-8 of the algorithm in the paper page 11 (see the heading note above)
-//                    if (vm.isNewState() || isReachableInVODGraph(refChoices[currentChoice], refChoices[currentChoice-1])) {
-//                      createBacktrackChoiceList(currentChoice, eventNumber);
-//                    }
-                  }
-                }
+              analyzeReadWriteAccesses(executedInsn, fieldClass, currentChoice);
+            }
+          } else if (executedInsn instanceof INVOKEINTERFACE) {
+            // Handle the read/write accesses that occur through iterators
+            analyzeReadWriteAccesses(executedInsn, ti, currentChoice);
+          }
+          // Analyze conflicts from next instructions
+          if (nextInsn instanceof JVMFieldInstruction) {
+            // Skip the constructor because it is called once and does not have shared access with other objects
+            if (!nextInsn.getMethodInfo().getName().equals("<init>")) {
+              String fieldClass = ((JVMFieldInstruction) nextInsn).getFieldInfo().getFullName();
+              if (!isFieldExcluded(fieldClass)) {
+                findFirstConflictAndCreateBacktrackPoint(currentChoice, nextInsn, fieldClass);
               }
             }
           }
@@ -279,7 +306,98 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
 
 
   // == HELPERS
-  // -- INNER CLASS
+
+  // -- INNER CLASSES
+
+  // This class compactly stores backtrack execution:
+  // 1) backtrack choice list, and
+  // 2) backtrack execution
+  private class BacktrackExecution {
+    private Integer[] choiceList;
+    private Execution execution;
+
+    public BacktrackExecution(Integer[] choList, Execution exec) {
+      choiceList = choList;
+      execution = exec;
+    }
+
+    public Integer[] getChoiceList() {
+      return choiceList;
+    }
+
+    public Execution getExecution() {
+      return execution;
+    }
+  }
+
+  // This class compactly stores backtrack points:
+  // 1) backtrack state ID, and
+  // 2) backtracking choices
+  private class BacktrackPoint {
+    private IntChoiceFromSet backtrackCG; // CG at this backtrack point
+    private int stateId;                  // State at this backtrack point
+    private int choice;                   // Choice chosen at this backtrack point
+
+    public BacktrackPoint(IntChoiceFromSet cg, int stId, int cho) {
+      backtrackCG = cg;
+      stateId = stId;
+      choice = cho;
+    }
+
+    public IntChoiceFromSet getBacktrackCG() { return backtrackCG; }
+
+    public int getStateId() {
+      return stateId;
+    }
+
+    public int getChoice() {
+      return choice;
+    }
+  }
+
+  // This class stores a representation of the execution graph node
+  private class Execution {
+    private ArrayList<BacktrackPoint> executionTrace;            // The BacktrackPoint objects of this execution
+    private int parentChoice;                                   // The parent's choice that leads to this execution
+    private Execution parent;                                   // Store the parent for backward DFS to find conflicts
+    private HashMap<Integer, ReadWriteSet> readWriteFieldsMap;  // Record fields that are accessed
+
+    public Execution() {
+      executionTrace = new ArrayList<>();
+      parentChoice = -1;
+      parent = null;
+      readWriteFieldsMap = new HashMap<>();
+    }
+
+    public void addBacktrackPoint(BacktrackPoint newBacktrackPoint) {
+      executionTrace.add(newBacktrackPoint);
+    }
+
+    public ArrayList<BacktrackPoint> getExecutionTrace() {
+      return executionTrace;
+    }
+
+    public int getParentChoice() {
+      return parentChoice;
+    }
+
+    public Execution getParent() {
+      return parent;
+    }
+
+    public HashMap<Integer, ReadWriteSet> getReadWriteFieldsMap() {
+      return readWriteFieldsMap;
+    }
+
+    public void setParentChoice(int parChoice) {
+      parentChoice = parChoice;
+    }
+
+    public void setParent(Execution par) {
+      parent = par;
+    }
+  }
+
   // This class compactly stores Read and Write field sets
   // We store the field name and its object ID
   // Sharing the same field means the same field name and object ID
@@ -300,6 +418,14 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
       writeSet.put(field, objectId);
     }
 
+    public Set<String> getReadSet() {
+      return readSet.keySet();
+    }
+
+    public Set<String> getWriteSet() {
+      return writeSet.keySet();
+    }
+
     public boolean readFieldExists(String field) {
       return readSet.containsKey(field);
     }
@@ -317,6 +443,26 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     }
   }
 
+  // This class stores a compact representation of a reachability graph for past executions
+//  private class ReachableTrace {
+//    private ArrayList<BacktrackPoint> pastBacktrackPointList;
+//    private HashMap<Integer, ReadWriteSet> pastReadWriteFieldsMap;
+//
+//    public ReachableTrace(ArrayList<BacktrackPoint> btrackPointList,
+//                             HashMap<Integer, ReadWriteSet> rwFieldsMap) {
+//      pastBacktrackPointList = btrackPointList;
+//      pastReadWriteFieldsMap = rwFieldsMap;
+//    }
+//
+//    public ArrayList<BacktrackPoint> getPastBacktrackPointList() {
+//      return pastBacktrackPointList;
+//    }
+//
+//    public HashMap<Integer, ReadWriteSet> getPastReadWriteFieldsMap() {
+//      return pastReadWriteFieldsMap;
+//    }
+//  }
+
   // -- CONSTANTS
   private final static String DO_CALL_METHOD = "doCall";
   // We exclude fields that come from libraries (Java and Groovy), and also the infrastructure
@@ -338,7 +484,7 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
   private final static String JAVA_STRING_LIB = "java.lang.String";
 
   // -- FUNCTIONS
-  private void checkAndEnforceFairScheduling(IntChoiceFromSet icsCG) {
+  private void fairSchedulingAndBacktrackPoint(IntChoiceFromSet icsCG, VM vm) {
     // Check the next choice and if the value is not the same as the expected then force the expected value
     int choiceIndex = choiceCounter % refChoices.length;
     int nextChoice = icsCG.getNextChoice();
@@ -349,6 +495,12 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
         icsCG.setChoice(currCGIndex, expectedChoice);
       }
     }
+    // Record state ID and choice/event as backtrack point
+    int stateId = vm.getStateId();
+    currentExecution.addBacktrackPoint(new BacktrackPoint(icsCG, stateId, refChoices[choiceIndex]));
+    // Store restorable state object for this state (always store the latest)
+    RestorableVMState restorableState = vm.getRestorableState();
+    restorableStateMap.put(stateId, restorableState);
   }
 
   private Integer[] copyChoices(Integer[] choicesToCopy) {
@@ -358,7 +510,7 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     return copyOfChoices;
   }
 
-  // --- Functions related to cycle detection
+  // --- Functions related to cycle detection and reachability graph
 
   // Detect cycles in the current execution/trace
   // We terminate the execution iff:
@@ -383,6 +535,28 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     return true;
   }
 
+  private void initializeStatesVariables() {
+    // DPOR-related
+    choices = null;
+    refChoices = null;
+    choiceCounter = 0;
+    maxEventChoice = 0;
+    // Cycle tracking
+    currVisitedStates = new HashSet<>();
+    justVisitedStates = new HashSet<>();
+    prevVisitedStates = new HashSet<>();
+    stateToEventMap = new HashMap<>();
+    // Backtracking
+    backtrackMap = new HashMap<>();
+    backtrackStateQ = new PriorityQueue<>(Collections.reverseOrder());
+    currentExecution = new Execution();
+    doneBacktrackSet = new HashSet<>();
+    stateToChoiceCounterMap = new HashMap<>();
+    rGraph = new HashMap<>();
+    // Booleans
+    isEndOfExecution = false;
+  }
+
   private void mapStateToEvent(int nextChoiceValue) {
     // Update all states with this event/choice
     // This means that all past states now see this transition
@@ -393,6 +567,23 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     }
   }
 
+  private void saveExecutionToRGraph(int stateId) {
+    // Save execution state into the reachability graph only if
+    // (1) It is not a revisited state from a past execution, or
+    // (2) It is just a new backtracking point
+    if (!prevVisitedStates.contains(stateId) ||
+            choiceCounter <= 1) {
+      ArrayList<Execution> reachableExecutions;
+      if (!prevVisitedStates.contains(stateId)) {
+        reachableExecutions = new ArrayList<>();
+        rGraph.put(stateId, reachableExecutions);
+      } else {
+        reachableExecutions = rGraph.get(stateId);
+      }
+      reachableExecutions.add(currentExecution);
+    }
+  }
+
   private boolean terminateCurrentExecution() {
     // We need to check all the states that have just been visited
     // Often a transition (choice/event) can result into forwarding/backtracking to a number of states
@@ -408,17 +599,40 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     // Update the state variables
     // Line 19 in the paper page 11 (see the heading note above)
     int stateId = search.getStateId();
-    currVisitedStates.add(stateId);
     // Insert state ID into the map if it is new
     if (!stateToEventMap.containsKey(stateId)) {
       HashSet<Integer> eventSet = new HashSet<>();
       stateToEventMap.put(stateId, eventSet);
     }
+    saveExecutionToRGraph(stateId);
+    analyzeReachabilityAndCreateBacktrackPoints(search.getVM(), stateId);
+    stateToChoiceCounterMap.put(stateId, choiceCounter);
     justVisitedStates.add(stateId);
+    currVisitedStates.add(stateId);
   }
 
   // --- Functions related to Read/Write access analysis on shared fields
 
+  private void addNewBacktrackPoint(int stateId, Integer[] newChoiceList, Execution parentExecution, int parentChoice) {
+    // Insert backtrack point to the right state ID
+    LinkedList<BacktrackExecution> backtrackExecList;
+    if (backtrackMap.containsKey(stateId)) {
+      backtrackExecList = backtrackMap.get(stateId);
+    } else {
+      backtrackExecList = new LinkedList<>();
+      backtrackMap.put(stateId, backtrackExecList);
+    }
+    // Add the new backtrack execution object
+    Execution newExecution = new Execution();
+    newExecution.setParent(parentExecution);
+    newExecution.setParentChoice(parentChoice);
+    backtrackExecList.addFirst(new BacktrackExecution(newChoiceList, newExecution));
+    // Add to priority queue
+    if (!backtrackStateQ.contains(stateId)) {
+      backtrackStateQ.add(stateId);
+    }
+  }
+
   // Analyze Read/Write accesses that are directly invoked on fields
   private void analyzeReadWriteAccesses(Instruction executedInsn, String fieldClass, int currentChoice) {
     // Do the analysis to get Read and Write accesses to fields
@@ -455,6 +669,9 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
       }
       // Get the iterated object whose property is accessed
       ElementInfo eiAccessObj = VM.getVM().getHeap().get(frameSlots[1]);
+      if (eiAccessObj == null) {
+        return;
+      }
       // We exclude library classes (they start with java, org, etc.) and some more
       String objClassName = eiAccessObj.getClassInfo().getName();
       if (excludeThisForItStartsWith(EXCLUDED_FIELDS_STARTS_WITH_LIST, objClassName) ||
@@ -476,6 +693,64 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     }
   }
 
+  private int checkAndAdjustChoice(int currentChoice, VM vm) {
+    // If current choice is not the same, then this is caused by the firing of IntIntervalGenerator
+    // for certain method calls in the infrastructure, e.g., eventSince()
+    int currChoiceInd = currentChoice % refChoices.length;
+    int currChoiceFromCG = currChoiceInd;
+    ChoiceGenerator<?> currentCG = vm.getChoiceGenerator();
+    // This is the main event CG
+    if (currentCG instanceof IntIntervalGenerator) {
+      // This is the interval CG used in device handlers
+      ChoiceGenerator<?> parentCG = ((IntIntervalGenerator) currentCG).getPreviousChoiceGenerator();
+      // Iterate until we find the IntChoiceFromSet CG
+      while (!(parentCG instanceof IntChoiceFromSet)) {
+        parentCG = ((IntIntervalGenerator) parentCG).getPreviousChoiceGenerator();
+      }
+      int actualEvtNum = ((IntChoiceFromSet) parentCG).getNextChoice();
+      // Find the index of the event/choice in refChoices
+      for (int i = 0; i<refChoices.length; i++) {
+        if (actualEvtNum == refChoices[i]) {
+          currChoiceFromCG = i;
+          break;
+        }
+      }
+    }
+    if (currChoiceInd != currChoiceFromCG) {
+      currentChoice = (currentChoice - currChoiceInd) + currChoiceFromCG;
+    }
+    return currentChoice;
+  }
+
+  private void createBacktrackingPoint(int backtrackChoice, int conflictChoice, Execution execution) {
+
+    // Create a new list of choices for backtrack based on the current choice and conflicting event number
+    // E.g. if we have a conflict between 1 and 3, then we create the list {3, 1, 0, 2}
+    // for the original set {0, 1, 2, 3}
+    Integer[] newChoiceList = new Integer[refChoices.length];
+    //int firstChoice = choices[actualChoice];
+    ArrayList<BacktrackPoint> pastTrace = execution.getExecutionTrace();
+    ArrayList<BacktrackPoint> currTrace = currentExecution.getExecutionTrace();
+    int btrackChoice = currTrace.get(backtrackChoice).getChoice();
+    int stateId = pastTrace.get(conflictChoice).getStateId();
+    // Check if this trace has been done from this state
+    if (isTraceAlreadyConstructed(btrackChoice, stateId)) {
+      return;
+    }
+    // Put the conflicting event numbers first and reverse the order
+    newChoiceList[0] = btrackChoice;
+    newChoiceList[1] = pastTrace.get(conflictChoice).getChoice();
+    // Put the rest of the event numbers into the array starting from the minimum to the upper bound
+    for (int i = 0, j = 2; i < refChoices.length; i++) {
+      if (refChoices[i] != newChoiceList[0] && refChoices[i] != newChoiceList[1]) {
+        newChoiceList[j] = refChoices[i];
+        j++;
+      }
+    }
+    // Parent choice is conflict choice - 1
+    addNewBacktrackPoint(stateId, newChoiceList, execution, conflictChoice - 1);
+  }
+
   private boolean excludeThisForItContains(String[] excludedStrings, String className) {
     for (String excludedField : excludedStrings) {
       if (className.contains(excludedField)) {
@@ -503,34 +778,137 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     return false;
   }
 
-  private void exploreNextBacktrackSets(IntChoiceFromSet icsCG) {
-    // Save all the visited states when starting a new execution of trace
-    prevVisitedStates.addAll(currVisitedStates);
-    currVisitedStates.clear();
+  private void exploreNextBacktrackPoints(VM vm, IntChoiceFromSet icsCG) {
 
+               // Check if we are reaching the end of our execution: no more backtracking points to explore
+               // cgMap, backtrackMap, backtrackStateQ are updated simultaneously (checking backtrackStateQ is enough)
+               if (!backtrackStateQ.isEmpty()) {
+                       // Set done all the other backtrack points
+                       for (BacktrackPoint backtrackPoint : currentExecution.getExecutionTrace()) {
+                               backtrackPoint.getBacktrackCG().setDone();
+                       }
+                       // Reset the next backtrack point with the latest state
+                       int hiStateId = backtrackStateQ.peek();
+                       // Restore the state first if necessary
+                       if (vm.getStateId() != hiStateId) {
+                               RestorableVMState restorableState = restorableStateMap.get(hiStateId);
+                               vm.restoreState(restorableState);
+                       }
+                       // Set the backtrack CG
+                       IntChoiceFromSet backtrackCG = (IntChoiceFromSet) vm.getChoiceGenerator();
+                       setBacktrackCG(hiStateId, backtrackCG);
+               } else {
+                       // Set done this last CG (we save a few rounds)
+                       icsCG.setDone();
+               }
+               // Save all the visited states when starting a new execution of trace
+               prevVisitedStates.addAll(currVisitedStates);
+               // This marks a transitional period to the new CG
+               isEndOfExecution = true;
   }
 
-  private int getCurrentChoice(VM vm) {
-    ChoiceGenerator<?> currentCG = vm.getChoiceGenerator();
-    // This is the main event CG
-    if (currentCG instanceof IntChoiceFromSet) {
-      return ((IntChoiceFromSet) currentCG).getNextChoiceIndex();
-    } else {
-      // This is the interval CG used in device handlers
-      ChoiceGenerator<?> parentCG = ((IntIntervalGenerator) currentCG).getPreviousChoiceGenerator();
-      return ((IntChoiceFromSet) parentCG).getNextChoiceIndex();
+  private void findFirstConflictAndCreateBacktrackPoint(int currentChoice, Instruction nextInsn, String fieldClass) {
+    // Check for conflict (go backward from current choice and get the first conflict)
+    Execution execution = currentExecution;
+    // Actual choice of the current execution trace
+    //int actualChoice = currentChoice % refChoices.length;
+    // Choice/event we want to check for conflict against (start from actual choice)
+    int pastChoice = currentChoice;
+    // Perform backward DFS through the execution graph
+    while (true) {
+      // Get the next conflict choice
+      if (pastChoice > 0) {
+        // Case #1: check against a previous choice in the same execution for conflict
+        pastChoice = pastChoice - 1;
+      } else { // pastChoice == 0 means we are at the first BacktrackPoint of this execution path
+        // Case #2: check against a previous choice in a parent execution
+        int parentChoice = execution.getParentChoice();
+        if (parentChoice > -1) {
+          // Get the parent execution
+          execution = execution.getParent();
+          pastChoice = execution.getParentChoice();
+        } else {
+          // If parent is -1 then this is the first execution (it has no parent) and we stop here
+          break;
+        }
+      }
+      // Check if a conflict is found
+      if (isConflictFound(nextInsn, fieldClass, currentChoice, pastChoice, execution)) {
+        createBacktrackingPoint(currentChoice, pastChoice, execution);
+        break;  // Stop at the first found conflict
+      }
+    }
+  }
+
+  private boolean isConflictFound(Instruction nextInsn, String fieldClass, int currentChoice,
+                                  int pastChoice, Execution pastExecution) {
+
+    HashMap<Integer, ReadWriteSet> pastRWFieldsMap = pastExecution.getReadWriteFieldsMap();
+    ArrayList<BacktrackPoint> pastTrace = pastExecution.getExecutionTrace();
+    ArrayList<BacktrackPoint> currTrace = currentExecution.getExecutionTrace();
+    // Skip if this event does not have any Read/Write set or the two events are basically the same event (number)
+    if (!pastRWFieldsMap.containsKey(pastChoice) ||
+            //choices[actualChoice] == pastTrace.get(pastChoice).getChoice()) {
+            currTrace.get(currentChoice).getChoice() == pastTrace.get(pastChoice).getChoice()) {
+      return false;
+    }
+    HashMap<Integer, ReadWriteSet> currRWFieldsMap = pastExecution.getReadWriteFieldsMap();
+    ReadWriteSet rwSet = currRWFieldsMap.get(pastChoice);
+    int currObjId = ((JVMFieldInstruction) nextInsn).getFieldInfo().getClassInfo().getClassObjectRef();
+    // Check for conflicts with Write fields for both Read and Write instructions
+    if (((nextInsn instanceof WriteInstruction || nextInsn instanceof ReadInstruction) &&
+            rwSet.writeFieldExists(fieldClass) && rwSet.writeFieldObjectId(fieldClass) == currObjId) ||
+            (nextInsn instanceof WriteInstruction && rwSet.readFieldExists(fieldClass) &&
+                    rwSet.readFieldObjectId(fieldClass) == currObjId)) {
+      return true;
+    }
+    return false;
+  }
+
+  private boolean isConflictFound(int reachableChoice, int conflictChoice, Execution execution) {
+
+    ArrayList<BacktrackPoint> executionTrace = execution.getExecutionTrace();
+    HashMap<Integer, ReadWriteSet> execRWFieldsMap = execution.getReadWriteFieldsMap();
+    // Skip if this event does not have any Read/Write set or the two events are basically the same event (number)
+    if (!execRWFieldsMap.containsKey(conflictChoice) ||
+            executionTrace.get(reachableChoice).getChoice() == executionTrace.get(conflictChoice).getChoice()) {
+      return false;
+    }
+    // Current R/W set
+    ReadWriteSet currRWSet = execRWFieldsMap.get(reachableChoice);
+    // R/W set of choice/event that may have a potential conflict
+    ReadWriteSet evtRWSet = execRWFieldsMap.get(conflictChoice);
+    // Check for conflicts with Read and Write fields for Write instructions
+    Set<String> currWriteSet = currRWSet.getWriteSet();
+    for(String writeField : currWriteSet) {
+      int currObjId = currRWSet.writeFieldObjectId(writeField);
+      if ((evtRWSet.readFieldExists(writeField) && evtRWSet.readFieldObjectId(writeField) == currObjId) ||
+              (evtRWSet.writeFieldExists(writeField) && evtRWSet.writeFieldObjectId(writeField) == currObjId)) {
+        return true;
+      }
     }
+    // Check for conflicts with Write fields for Read instructions
+    Set<String> currReadSet = currRWSet.getReadSet();
+    for(String readField : currReadSet) {
+      int currObjId = currRWSet.readFieldObjectId(readField);
+      if (evtRWSet.writeFieldExists(readField) && evtRWSet.writeFieldObjectId(readField) == currObjId) {
+        return true;
+      }
+    }
+    // Return false if no conflict is found
+    return false;
   }
 
   private ReadWriteSet getReadWriteSet(int currentChoice) {
     // Do the analysis to get Read and Write accesses to fields
     ReadWriteSet rwSet;
     // We already have an entry
-    if (readWriteFieldsMap.containsKey(currentChoice)) {
-      rwSet = readWriteFieldsMap.get(currentChoice);
+    HashMap<Integer, ReadWriteSet> currReadWriteFieldsMap = currentExecution.getReadWriteFieldsMap();
+    if (currReadWriteFieldsMap.containsKey(currentChoice)) {
+      rwSet = currReadWriteFieldsMap.get(currentChoice);
     } else { // We need to create a new entry
       rwSet = new ReadWriteSet();
-      readWriteFieldsMap.put(currentChoice, rwSet);
+      currReadWriteFieldsMap.put(currentChoice, rwSet);
     }
     return rwSet;
   }
@@ -546,21 +924,195 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     return false;
   }
 
-  private boolean successfullyRecordConflictPair(int currentEvent, int eventNumber) {
-    HashSet<Integer> conflictSet;
-    if (!conflictPairMap.containsKey(currentEvent)) {
-      conflictSet = new HashSet<>();
-      conflictPairMap.put(currentEvent, conflictSet);
-    } else {
-      conflictSet = conflictPairMap.get(currentEvent);
+  private boolean isTraceAlreadyConstructed(int firstChoice, int stateId) {
+    // Concatenate state ID and only the first event in the string, e.g., "1:1 for the trace 10234 at state 1"
+    // TODO: THIS IS AN OPTIMIZATION!
+    // This is the optimized version because after we execute, e.g., the trace 1:10234, we don't need to try
+    // another trace that starts with event 1 at state 1, e.g., the trace 1:13024
+    // The second time this event 1 is explored, it will generate the same state as the first one
+    StringBuilder sb = new StringBuilder();
+    sb.append(stateId);
+    sb.append(':');
+    sb.append(firstChoice);
+    // Check if the trace has been constructed as a backtrack point for this state
+    if (doneBacktrackSet.contains(sb.toString())) {
+      return true;
     }
-    // If this conflict has been recorded before, we return false because
-    // we don't want to service this backtrack point twice
-    if (conflictSet.contains(eventNumber)) {
-      return false;
+    doneBacktrackSet.add(sb.toString());
+    return false;
+  }
+
+  private void resetStatesForNewExecution(IntChoiceFromSet icsCG, VM vm) {
+    if (choices == null || choices != icsCG.getAllChoices()) {
+      // Reset state variables
+      choiceCounter = 0;
+      choices = icsCG.getAllChoices();
+      refChoices = copyChoices(choices);
+      // Clear data structures
+      currVisitedStates = new HashSet<>();
+      stateToChoiceCounterMap = new HashMap<>();
+      stateToEventMap = new HashMap<>();
+      isEndOfExecution = false;
+    }
+  }
+
+  private void setBacktrackCG(int stateId, IntChoiceFromSet backtrackCG) {
+    // Set a backtrack CG based on a state ID
+    LinkedList<BacktrackExecution> backtrackExecutions = backtrackMap.get(stateId);
+    BacktrackExecution backtrackExecution = backtrackExecutions.removeLast();
+    backtrackCG.setNewValues(backtrackExecution.getChoiceList());  // Get the last from the queue
+    backtrackCG.setStateId(stateId);
+    backtrackCG.reset();
+    // Update current execution with this new execution
+    Execution newExecution = backtrackExecution.getExecution();
+    if (newExecution.getParentChoice() == -1) {
+      // If it is -1 then that means we should start from the end of the parent trace for backward DFS
+      ArrayList<BacktrackPoint> parentTrace = newExecution.getParent().getExecutionTrace();
+      newExecution.setParentChoice(parentTrace.size() - 1);
+    }
+    currentExecution = newExecution;
+    // Remove from the queue if we don't have more backtrack points for that state
+    if (backtrackExecutions.isEmpty()) {
+      backtrackMap.remove(stateId);
+      backtrackStateQ.remove(stateId);
+    }
+  }
+
+  // --- Functions related to the reachability analysis when there is a state match
+
+  // We use backtrackPointsList to analyze the reachable states/events when there is a state match:
+  // 1) Whenever there is state match, there is a cycle of events
+  // 2) We need to analyze and find conflicts for the reachable choices/events in the cycle
+  // 3) Then we create a new backtrack point for every new conflict
+  private void analyzeReachabilityAndCreateBacktrackPoints(VM vm, int stateId) {
+    // Perform this analysis only when:
+    // 1) there is a state match,
+    // 2) this is not during a switch to a new execution,
+    // 3) at least 2 choices/events have been explored (choiceCounter > 1),
+    // 4) the matched state has been encountered in the current execution, and
+    // 5) state > 0 (state 0 is for boolean CG)
+    if (!vm.isNewState() && !isEndOfExecution && choiceCounter > 1 && (stateId > 0)) {
+      if (currVisitedStates.contains(stateId)) {
+        // Update the backtrack sets in the cycle
+        updateBacktrackSetsInCycle(stateId);
+      } /* else if (prevVisitedStates.contains(stateId)) { // We visit a state in a previous execution
+        // Update the backtrack sets in a previous execution
+        updateBacktrackSetsInPreviousExecution(stateId);
+      }*/
     }
-    // If it hasn't been recorded, then do otherwise
-    conflictSet.add(eventNumber);
+  }
+
+  // Get the start event for the past execution trace when there is a state matched from a past execution
+  private int getPastConflictChoice(int stateId, ArrayList<BacktrackPoint> pastBacktrackPointList) {
+    // Iterate and find the first occurrence of the state ID
+    // It is guaranteed that a choice should be found because the state ID is in the list
+    int pastConfChoice = 0;
+    for(int i = 0; i<pastBacktrackPointList.size(); i++) {
+      BacktrackPoint backtrackPoint = pastBacktrackPointList.get(i);
+      int stId = backtrackPoint.getStateId();
+      if (stId == stateId) {
+        pastConfChoice = i;
+        break;
+      }
+    }
+    return pastConfChoice;
+  }
+
+  // Get a sorted list of reachable state IDs starting from the input stateId
+  private ArrayList<Integer> getReachableStateIds(Set<Integer> stateIds, int stateId) {
+    // Only include state IDs equal or greater than the input stateId: these are reachable states
+    ArrayList<Integer> sortedStateIds = new ArrayList<>();
+    for(Integer stId : stateIds) {
+      if (stId >= stateId) {
+        sortedStateIds.add(stId);
+      }
+    }
+    Collections.sort(sortedStateIds);
+    return sortedStateIds;
+  }
+
+  // Update the backtrack sets in the cycle
+  private void updateBacktrackSetsInCycle(int stateId) {
+    // Find the choice/event that marks the start of this cycle: first choice we explore for conflicts
+    int reachableChoice = stateToChoiceCounterMap.get(stateId);
+    int cycleEndChoice = choiceCounter - 1;
+    // Find conflicts between choices/events in this cycle (we scan forward in the cycle, not backward)
+    while (reachableChoice < cycleEndChoice) {
+      for (int conflictChoice = reachableChoice + 1; conflictChoice <= cycleEndChoice; conflictChoice++) {
+        if (isConflictFound(reachableChoice, conflictChoice, currentExecution)) {
+          createBacktrackingPoint(reachableChoice, conflictChoice, currentExecution);
+        }
+      }
+      reachableChoice++;
+    }
+  }
+
+  // TODO: OPTIMIZATION!
+  // Check and make sure that state ID and choice haven't been explored for this trace
+  private boolean isNotChecked(HashMap<Integer, HashSet<Integer>> checkedStateIdAndChoice,
+                               BacktrackPoint backtrackPoint) {
+    int stateId = backtrackPoint.getStateId();
+    int choice = backtrackPoint.getChoice();
+    HashSet<Integer> choiceSet;
+    if (checkedStateIdAndChoice.containsKey(stateId)) {
+      choiceSet = checkedStateIdAndChoice.get(stateId);
+      if (choiceSet.contains(choice)) {
+        // State ID and choice found. It has been checked!
+        return false;
+      }
+    } else {
+      choiceSet = new HashSet<>();
+      checkedStateIdAndChoice.put(stateId, choiceSet);
+    }
+    choiceSet.add(choice);
+
     return true;
   }
+
+  // Update the backtrack sets in a previous execution
+  private void updateBacktrackSetsInPreviousExecution(int stateId) {
+    // Don't check a past trace twice!
+    HashSet<Execution> checkedTrace = new HashSet<>();
+    // Don't check the same event twice for a revisited state
+    HashMap<Integer, HashSet<Integer>> checkedStateIdAndChoice = new HashMap<>();
+    // Get sorted reachable state IDs
+    ArrayList<Integer> reachableStateIds = getReachableStateIds(rGraph.keySet(), stateId);
+    // Iterate from this state ID until the biggest state ID
+    for(Integer stId : reachableStateIds) {
+      // Find the right reachability graph object that contains the stateId
+      ArrayList<Execution> rExecutions = rGraph.get(stId);
+      for (Execution rExecution : rExecutions) {
+        if (!checkedTrace.contains(rExecution)) {
+          // Find the choice/event that marks the start of the subtrace from the previous execution
+          ArrayList<BacktrackPoint> pastExecutionTrace = rExecution.getExecutionTrace();
+          HashMap<Integer, ReadWriteSet> pastReadWriteFieldsMap = rExecution.getReadWriteFieldsMap();
+          int pastConfChoice = getPastConflictChoice(stId, pastExecutionTrace);
+          int conflictChoice = choiceCounter;
+          // Iterate from the starting point until the end of the past execution trace
+          while (pastConfChoice < pastExecutionTrace.size() - 1) {  // BacktrackPoint list always has a surplus of 1
+            // Get the info of the event from the past execution trace
+            BacktrackPoint confBtrackPoint = pastExecutionTrace.get(pastConfChoice);
+            if (isNotChecked(checkedStateIdAndChoice, confBtrackPoint)) {
+              ReadWriteSet rwSet = pastReadWriteFieldsMap.get(pastConfChoice);
+              // Append this event to the current list and map
+              ArrayList<BacktrackPoint> currentTrace = currentExecution.getExecutionTrace();
+              HashMap<Integer, ReadWriteSet> currRWFieldsMap = currentExecution.getReadWriteFieldsMap();
+              currentTrace.add(confBtrackPoint);
+              currRWFieldsMap.put(choiceCounter, rwSet);
+              for (int pastChoice = conflictChoice - 1; pastChoice >= 0; pastChoice--) {
+                if (isConflictFound(conflictChoice, pastChoice, rExecution)) {
+                  createBacktrackingPoint(conflictChoice, pastChoice, rExecution);
+                }
+              }
+              // Remove this event to replace it with a new one
+              currentTrace.remove(currentTrace.size() - 1);
+              currRWFieldsMap.remove(choiceCounter);
+            }
+            pastConfChoice++;
+          }
+          checkedTrace.add(rExecution);
+        }
+      }
+    }
+  }
 }