Fixing a bug: completing reachability graph with missing past traces.
[jpf-core.git] / src / main / gov / nasa / jpf / listener / DPORStateReducer.java
index 746adfeb2ece84d88ba72a6ee0bfa988db0ba33e..885add3e489bf49126c388171fc51811bad1d4af 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
@@ -39,24 +42,56 @@ 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 {
 
-  // Debug info fields
+  // Information printout fields for verbose mode
   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; // Second reference to a copy of choices (choices may be modified for fair scheduling)
+  private int choiceCounter;
+  private int maxEventChoice;
+  // Data structure to track the events seen by each state to track cycles (containing all events) for termination
+  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 HashMap<Integer, HashSet<Integer>> stateToEventMap;
+  // Data structure to analyze field Read/Write accesses and conflicts
+  private HashMap<Integer, LinkedList<Integer[]>> backtrackMap;   // Track created backtracking points
+  private PriorityQueue<Integer> backtrackStateQ;                 // Heap that returns the latest state
+  private ArrayList<BacktrackPoint> backtrackPointList;           // Record backtrack points (CG, state Id, and choice)
+  private HashMap<Integer, HashSet<Integer>> conflictPairMap;     // Record conflicting events
+  private HashSet<String> doneBacktrackSet;                       // Record state ID and trace already constructed
+  private HashMap<Integer, ReadWriteSet> readWriteFieldsMap;      // Record fields that are accessed
+  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
+
+  // 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);
@@ -65,6 +100,18 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     } else {
       out = null;
     }
+    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
@@ -105,6 +152,9 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
       out.println("\n==> DEBUG: The state is forwarded to state with id: " + id + " with depth: " + depth +
               " which is " + detail + " Transition: " + transition + "\n");
     }
+    if (stateReductionMode) {
+      updateStateInfo(search);
+    }
   }
 
   @Override
@@ -118,12 +168,869 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
       out.println("\n==> DEBUG: The state is backtracked to state with id: " + id + " -- Transition: " + transition +
               " and depth: " + depth + "\n");
     }
+    if (stateReductionMode) {
+      updateStateInfo(search);
+    }
   }
 
+  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();
+    }
+  }
+
+  @Override
+  public void choiceGeneratorRegistered(VM vm, ChoiceGenerator<?> nextCG, ThreadInfo currentThread, Instruction executedInstruction) {
+    if (stateReductionMode) {
+      // Initialize with necessary information from the CG
+      if (nextCG instanceof IntChoiceFromSet) {
+        IntChoiceFromSet icsCG = (IntChoiceFromSet) nextCG;
+        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();
+        }
+      }
+    }
+  }
+
+  @Override
+  public void choiceGeneratorAdvanced(VM vm, ChoiceGenerator<?> currentCG) {
+
+    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 {
+          // 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
+        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());
+        justVisitedStates.clear();
+        choiceCounter++;
+      }
+    } else {
+      numOfTransitions++;
+    }
+  }
+
+  @Override
+  public void instructionExecuted(VM vm, ThreadInfo ti, Instruction nextInsn, Instruction executedInsn) {
+    if (stateReductionMode) {
+      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;
+          }
+          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)) {
+              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)) {
+                // Check for conflict (go backward from current choice and get the first conflict)
+                for (int eventCounter = currentChoice - 1; eventCounter >= 0; eventCounter--) {
+                  // Check for conflicts with Write fields for both Read and Write instructions
+                  // Check and record a backtrack set for just once!
+                  if (isConflictFound(nextInsn, eventCounter, currentChoice, fieldClass) &&
+                      isNewConflict(currentChoice, eventCounter)) {
+                    createBacktrackingPoint(currentChoice, eventCounter, false);
+                  }
+                }
+              }
+            }
+          }
+        }
+      }
+    }
+  }
+
+
+  // == HELPERS
+
+  // -- INNER CLASSES
+
+  // 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
+  private class ReadWriteSet {
+    private HashMap<String, Integer> readSet;
+    private HashMap<String, Integer> writeSet;
+
+    public ReadWriteSet() {
+      readSet = new HashMap<>();
+      writeSet = new HashMap<>();
+    }
+
+    public void addReadField(String field, int objectId) {
+      readSet.put(field, objectId);
+    }
+
+    public void addWriteField(String field, int objectId) {
+      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);
+    }
+
+    public boolean writeFieldExists(String field) {
+      return writeSet.containsKey(field);
+    }
+
+    public int readFieldObjectId(String field) {
+      return readSet.get(field);
+    }
+
+    public int writeFieldObjectId(String field) {
+      return writeSet.get(field);
+    }
+  }
+
+  // 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 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
+  private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_CONTAINS_LIST = {"_closure"};
+  private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_ENDS_WITH_LIST =
+          // Groovy library created fields
+          {"stMC", "callSiteArray", "metaClass", "staticClassInfo", "__constructor__",
+          // Infrastructure
+          "sendEvent", "Object", "reference", "location", "app", "state", "log", "functionList", "objectList",
+          "eventList", "valueList", "settings", "printToConsole", "app1", "app2"};
+  private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_STARTS_WITH_LIST =
+          // Java and Groovy libraries
+          { "java", "org", "sun", "com", "gov", "groovy"};
+  private final static String[] EXCLUDED_FIELDS_READ_WRITE_INSTRUCTIONS_STARTS_WITH_LIST = {"Event"};
+  private final static String GET_PROPERTY_METHOD =
+          "invokeinterface org.codehaus.groovy.runtime.callsite.CallSite.callGetProperty";
+  private final static String GROOVY_CALLSITE_LIB = "org.codehaus.groovy.runtime.callsite";
+  private final static String JAVA_INTEGER = "int";
+  private final static String JAVA_STRING_LIB = "java.lang.String";
+
+  // -- FUNCTIONS
+  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();
+    if (refChoices[choiceIndex] != nextChoice) {
+      int expectedChoice = refChoices[choiceIndex];
+      int currCGIndex = icsCG.getNextChoiceIndex();
+      if ((currCGIndex >= 0) && (currCGIndex < refChoices.length)) {
+        icsCG.setChoice(currCGIndex, expectedChoice);
+      }
+    }
+    // Record state ID and choice/event as backtrack point
+    int stateId = vm.getStateId();
+    backtrackPointList.add(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) {
+
+    Integer[] copyOfChoices = new Integer[choicesToCopy.length];
+    System.arraycopy(choicesToCopy, 0, copyOfChoices, 0, choicesToCopy.length);
+    return copyOfChoices;
+  }
+
+  // --- Functions related to cycle detection
+
+  // Detect cycles in the current execution/trace
+  // We terminate the execution iff:
+  // (1) the state has been visited in the current execution
+  // (2) the state has one or more cycles that involve all the events
+  // With simple approach we only need to check for a re-visited state.
+  // Basically, we have to check that we have executed all events between two occurrences of such state.
+  private boolean containsCyclesWithAllEvents(int stId) {
+
+    // False if the state ID hasn't been recorded
+    if (!stateToEventMap.containsKey(stId)) {
+      return false;
+    }
+    HashSet<Integer> visitedEvents = stateToEventMap.get(stId);
+    // Check if this set contains all the event choices
+    // If not then this is not the terminating condition
+    for(int i=0; i<=maxEventChoice; i++) {
+      if (!visitedEvents.contains(i)) {
+        return false;
+      }
+    }
+    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());
+    backtrackPointList = new ArrayList<>();
+    conflictPairMap = new HashMap<>();
+    doneBacktrackSet = new HashSet<>();
+    readWriteFieldsMap = new HashMap<>();
+    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
+    Set<Integer> stateSet = stateToEventMap.keySet();
+    for(Integer stateId : stateSet) {
+      HashSet<Integer> eventSet = stateToEventMap.get(stateId);
+      eventSet.add(nextChoiceValue);
+    }
+  }
+
+  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
+    for(Integer stateId : justVisitedStates) {
+      if (prevVisitedStates.contains(stateId) || containsCyclesWithAllEvents(stateId)) {
+        return true;
+      }
+    }
+    return false;
+  }
+
+  private void updateStateInfo(Search search) {
+    // Update the state variables
+    // Line 19 in the paper page 11 (see the heading note above)
+    int stateId = search.getStateId();
+    // Insert state ID into the map if it is new
+    if (!stateToEventMap.containsKey(stateId)) {
+      HashSet<Integer> eventSet = new HashSet<>();
+      stateToEventMap.put(stateId, eventSet);
+    }
+    // Save execution state into the Reachability 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) {
+      ReachableTrace reachableTrace= new
+              ReachableTrace(backtrackPointList, readWriteFieldsMap);
+      ArrayList<ReachableTrace> rTrace;
+      if (!prevVisitedStates.contains(stateId)) {
+        rTrace = new ArrayList<>();
+        rGraph.put(stateId, rTrace);
+      } else {
+        rTrace = rGraph.get(stateId);
+      }
+      rTrace.add(reachableTrace);
+    }
+    stateToChoiceCounterMap.put(stateId, choiceCounter);
+    analyzeReachabilityAndCreateBacktrackPoints(search.getVM(), stateId);
+    justVisitedStates.add(stateId);
+    currVisitedStates.add(stateId);
+  }
+
+  // --- Functions related to Read/Write access analysis on shared fields
+
+  private void addNewBacktrackPoint(int stateId, Integer[] newChoiceList) {
+    // Insert backtrack point to the right state ID
+    LinkedList<Integer[]> backtrackList;
+    if (backtrackMap.containsKey(stateId)) {
+      backtrackList = backtrackMap.get(stateId);
+    } else {
+      backtrackList = new LinkedList<>();
+      backtrackMap.put(stateId, backtrackList);
+    }
+    backtrackList.addFirst(newChoiceList);
+    // 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
+    ReadWriteSet rwSet = getReadWriteSet(currentChoice);
+    int objectId = ((JVMFieldInstruction) executedInsn).getFieldInfo().getClassInfo().getClassObjectRef();
+    // Record the field in the map
+    if (executedInsn instanceof WriteInstruction) {
+      // Exclude certain field writes because of infrastructure needs, e.g., Event class field writes
+      for (String str : EXCLUDED_FIELDS_READ_WRITE_INSTRUCTIONS_STARTS_WITH_LIST) {
+        if (fieldClass.startsWith(str)) {
+          return;
+        }
+      }
+      rwSet.addWriteField(fieldClass, objectId);
+    } else if (executedInsn instanceof ReadInstruction) {
+      rwSet.addReadField(fieldClass, objectId);
+    }
+  }
+
+  // Analyze Read accesses that are indirect (performed through iterators)
+  // These accesses are marked by certain bytecode instructions, e.g., INVOKEINTERFACE
+  private void analyzeReadWriteAccesses(Instruction instruction, ThreadInfo ti, int currentChoice) {
+    // Get method name
+    INVOKEINTERFACE insn = (INVOKEINTERFACE) instruction;
+    if (insn.toString().startsWith(GET_PROPERTY_METHOD) &&
+            insn.getMethodInfo().getName().equals(DO_CALL_METHOD)) {
+      // Extract info from the stack frame
+      StackFrame frame = ti.getTopFrame();
+      int[] frameSlots = frame.getSlots();
+      // Get the Groovy callsite library at index 0
+      ElementInfo eiCallsite = VM.getVM().getHeap().get(frameSlots[0]);
+      if (!eiCallsite.getClassInfo().getName().startsWith(GROOVY_CALLSITE_LIB)) {
+        return;
+      }
+      // 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) ||
+          excludeThisForItStartsWith(EXCLUDED_FIELDS_READ_WRITE_INSTRUCTIONS_STARTS_WITH_LIST, objClassName)) {
+        return;
+      }
+      // Extract fields from this object and put them into the read write
+      int numOfFields = eiAccessObj.getNumberOfFields();
+      for(int i=0; i<numOfFields; i++) {
+        FieldInfo fieldInfo = eiAccessObj.getFieldInfo(i);
+        if (fieldInfo.getType().equals(JAVA_STRING_LIB) || fieldInfo.getType().equals(JAVA_INTEGER)) {
+          String fieldClass = fieldInfo.getFullName();
+          ReadWriteSet rwSet = getReadWriteSet(currentChoice);
+          int objectId = fieldInfo.getClassInfo().getClassObjectRef();
+          // Record the field in the map
+          rwSet.addReadField(fieldClass, objectId);
+        }
+      }
+    }
+  }
+
+  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 currentChoice, int confEvtNum, boolean isPastTrace) {
+
+    // 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];
+    // Put the conflicting event numbers first and reverse the order
+    if (isPastTrace) {
+      // For past trace we get the choice/event from the list
+      newChoiceList[0] = backtrackPointList.get(currentChoice).getChoice();
+    } else {
+      // We use the actual choices here in case they have been modified/adjusted by the fair scheduling method
+      int actualCurrCho = currentChoice % refChoices.length;
+      newChoiceList[0] = choices[actualCurrCho];
+    }
+    newChoiceList[1] = backtrackPointList.get(confEvtNum).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++;
+      }
+    }
+    // Get the backtrack CG for this backtrack point
+    int stateId = backtrackPointList.get(confEvtNum).getStateId();
+    // Check if this trace has been done starting from this state
+    if (isTraceAlreadyConstructed(newChoiceList, stateId)) {
+      return;
+    }
+    addNewBacktrackPoint(stateId, newChoiceList);
+  }
+
+  private boolean excludeThisForItContains(String[] excludedStrings, String className) {
+    for (String excludedField : excludedStrings) {
+      if (className.contains(excludedField)) {
+        return true;
+      }
+    }
+    return false;
+  }
+
+  private boolean excludeThisForItEndsWith(String[] excludedStrings, String className) {
+    for (String excludedField : excludedStrings) {
+      if (className.endsWith(excludedField)) {
+        return true;
+      }
+    }
+    return false;
+  }
+
+  private boolean excludeThisForItStartsWith(String[] excludedStrings, String className) {
+    for (String excludedField : excludedStrings) {
+      if (className.startsWith(excludedField)) {
+        return true;
+      }
+    }
+    return false;
+  }
+
+  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 : backtrackPointList) {
+                               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);
+               currVisitedStates.clear();
+               // This marks a transitional period to the new CG
+               isEndOfExecution = true;
+  }
+
+  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);
+    } else { // We need to create a new entry
+      rwSet = new ReadWriteSet();
+      readWriteFieldsMap.put(currentChoice, rwSet);
+    }
+    return rwSet;
+  }
+
+  private boolean isConflictFound(int eventCounter, int currentChoice, boolean isPastTrace) {
+
+    int currActualChoice;
+    if (isPastTrace) {
+      currActualChoice = backtrackPointList.get(currentChoice).getChoice();
+    } else {
+      int actualCurrCho = currentChoice % refChoices.length;
+      currActualChoice = choices[actualCurrCho];
+    }
+    // Skip if this event does not have any Read/Write set or the two events are basically the same event (number)
+    if (!readWriteFieldsMap.containsKey(eventCounter) ||
+            currActualChoice == backtrackPointList.get(eventCounter).getChoice()) {
+      return false;
+    }
+    // Current R/W set
+    ReadWriteSet currRWSet = readWriteFieldsMap.get(currentChoice);
+    // R/W set of choice/event that may have a potential conflict
+    ReadWriteSet evtRWSet = readWriteFieldsMap.get(eventCounter);
+    // 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 boolean isConflictFound(Instruction nextInsn, int eventCounter, int currentChoice, String fieldClass) {
+
+    int actualCurrCho = currentChoice % refChoices.length;
+    // Skip if this event does not have any Read/Write set or the two events are basically the same event (number)
+    if (!readWriteFieldsMap.containsKey(eventCounter) ||
+         choices[actualCurrCho] == backtrackPointList.get(eventCounter).getChoice()) {
+      return false;
+    }
+    ReadWriteSet rwSet = readWriteFieldsMap.get(eventCounter);
+    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 isFieldExcluded(String field) {
+    // Check against "starts-with", "ends-with", and "contains" list
+    if (excludeThisForItStartsWith(EXCLUDED_FIELDS_STARTS_WITH_LIST, field) ||
+            excludeThisForItEndsWith(EXCLUDED_FIELDS_ENDS_WITH_LIST, field) ||
+            excludeThisForItContains(EXCLUDED_FIELDS_CONTAINS_LIST, field)) {
+      return true;
+    }
+
+    return false;
+  }
+
+  private boolean isNewConflict(int currentEvent, int eventNumber) {
+    HashSet<Integer> conflictSet;
+    if (!conflictPairMap.containsKey(currentEvent)) {
+      conflictSet = new HashSet<>();
+      conflictPairMap.put(currentEvent, conflictSet);
+    } else {
+      conflictSet = conflictPairMap.get(currentEvent);
+    }
+    // If this conflict has been recorded before, we return false because
+    // we don't want to save this backtrack point twice
+    if (conflictSet.contains(eventNumber)) {
+      return false;
+    }
+    // If it hasn't been recorded, then do otherwise
+    conflictSet.add(eventNumber);
+    return true;
+  }
+
+  private boolean isTraceAlreadyConstructed(Integer[] choiceList, 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(choiceList[0]);
+    // Check if the trace has been constructed as a backtrack point for this state
+    if (doneBacktrackSet.contains(sb.toString())) {
+      return true;
+    }
+    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
+      backtrackPointList = new ArrayList<>();
+      conflictPairMap = new HashMap<>();
+      readWriteFieldsMap = new HashMap<>();
+      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<Integer[]> backtrackChoices = backtrackMap.get(stateId);
+    backtrackCG.setNewValues(backtrackChoices.removeLast());  // Get the last from the queue
+    backtrackCG.setStateId(stateId);
+    backtrackCG.reset();
+    // Remove from the queue if we don't have more backtrack points for that state
+    if (backtrackChoices.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);
+      }
+    }
+  }
+
+  // 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 conflictChoice = stateToChoiceCounterMap.get(stateId);
+    int currentChoice = choiceCounter - 1;
+    // Find conflicts between choices/events in this cycle (we scan forward in the cycle, not backward)
+    while (conflictChoice < currentChoice) {
+      for (int eventCounter = conflictChoice + 1; eventCounter <= currentChoice; eventCounter++) {
+        if (isConflictFound(eventCounter, conflictChoice, false) && isNewConflict(conflictChoice, eventCounter)) {
+          createBacktrackingPoint(conflictChoice, eventCounter, false);
+        }
+      }
+      conflictChoice++;
+    }
+  }
+
+  // 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<ReachableTrace> 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<ReachableTrace> rTraces = rGraph.get(stId);
+      for (ReachableTrace rTrace : rTraces) {
+        if (!checkedTrace.contains(rTrace)) {
+          // Find the choice/event that marks the start of the subtrace from the previous execution
+          ArrayList<BacktrackPoint> pastBacktrackPointList = rTrace.getPastBacktrackPointList();
+          HashMap<Integer, ReadWriteSet> pastReadWriteFieldsMap = rTrace.getPastReadWriteFieldsMap();
+          int pastConfChoice = getPastConflictChoice(stId, pastBacktrackPointList);
+          int conflictChoice = choiceCounter;
+          // Iterate from the starting point until the end of the past execution trace
+          while (pastConfChoice < pastBacktrackPointList.size() - 1) {  // BacktrackPoint list always has a surplus of 1
+            // Get the info of the event from the past execution trace
+            BacktrackPoint confBtrackPoint = pastBacktrackPointList.get(pastConfChoice);
+            if (isNotChecked(checkedStateIdAndChoice, confBtrackPoint)) {
+              ReadWriteSet rwSet = pastReadWriteFieldsMap.get(pastConfChoice);
+              // Append this event to the current list and map
+              backtrackPointList.add(confBtrackPoint);
+              readWriteFieldsMap.put(choiceCounter, rwSet);
+              for (int eventCounter = conflictChoice - 1; eventCounter >= 0; eventCounter--) {
+                if (isConflictFound(eventCounter, conflictChoice, true) && isNewConflict(conflictChoice, eventCounter)) {
+                  createBacktrackingPoint(conflictChoice, eventCounter, true);
+                }
+              }
+              // Remove this event to replace it with a new one
+              backtrackPointList.remove(backtrackPointList.size() - 1);
+              readWriteFieldsMap.remove(choiceCounter);
+            }
+            pastConfChoice++;
+          }
+          checkedTrace.add(rTrace);
+        }
+      }
     }
   }
 }