New algorithm implementation; without pushing forward hb transaction; untested/undebu...
[jpf-core.git] / src / main / gov / nasa / jpf / listener / DPORStateReducer.java
index 26dd6bd0b274f2b4fc6e6b963f0176fc224ca545..f503dfa92f5ff9556f4b7e83b302acbf577594d7 100644 (file)
@@ -28,22 +28,15 @@ 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
 /**
- * Simple tool to log state changes.
- *
- * 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 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:
+ * This a DPOR implementation for event-driven applications with loops that create cycles of state matching
+ * In this new DPOR 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.
  */
@@ -53,6 +46,7 @@ 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;
@@ -70,14 +64,13 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
   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 HashMap<Integer, LinkedList<BacktrackExecution>> 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 Execution currentExecution;                             // Holds the information about the current execution
   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, HashSet<TransitionEvent>> rGraph;      // Reachability graph for past executions
 
   // Boolean states
   private boolean isBooleanCGFlipped;
@@ -95,6 +88,13 @@ 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;
@@ -141,6 +141,8 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
               " which is " + detail + " Transition: " + transition + "\n");
     }
     if (stateReductionMode) {
+      // Only add a transition into R-Graph when it advances the state
+      addTransitionToRGRaph();
       updateStateInfo(search);
     }
   }
@@ -161,6 +163,8 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     }
   }
 
+  static Logger log = JPF.getLogger("report");
+
   @Override
   public void searchFinished(Search search) {
     if (stateReductionMode) {
@@ -173,6 +177,12 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
       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();
     }
   }
 
@@ -227,9 +237,9 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
         // 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);
-        // Map state to event
-        mapStateToEvent(icsCG.getNextChoice());
+        fairSchedulingAndTransition(icsCG, vm);
+        // Update backtrack set of an executed event (transition): one transition before this one
+        updateBacktrackSet(currentExecution, choiceCounter - 1);
         // 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
@@ -238,6 +248,8 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
         } else {
           numOfTransitions++;
         }
+        // Map state to event
+        mapStateToEvent(icsCG.getNextChoice());
         justVisitedStates.clear();
         choiceCounter++;
       }
@@ -270,24 +282,6 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
             // 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);
-                  }
-                }
-              }
-            }
-          }
         }
       }
     }
@@ -298,71 +292,261 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
 
   // -- INNER CLASSES
 
+  // This class compactly stores backtrack execution:
+  // 1) backtrack choice list, and
+  // 2) first backtrack point (linking with predecessor execution)
+  private class BacktrackExecution {
+    private Integer[] choiceList;
+    private TransitionEvent firstTransition;
+
+    public BacktrackExecution(Integer[] choList, TransitionEvent fTransition) {
+      choiceList = choList;
+      firstTransition = fTransition;
+    }
+
+    public Integer[] getChoiceList() {
+      return choiceList;
+    }
+
+    public TransitionEvent getFirstTransition() {
+      return firstTransition;
+    }
+  }
+
+  // This class stores a representation of the execution graph node
+  // TODO: We can modify this class to implement some optimization (e.g., clock-vector)
+  // TODO: We basically need to keep track of:
+  // TODO:    (1) last read/write access to each memory location
+  // TODO:    (2) last state with two or more incoming events (transitions)
+  private class Execution {
+    private HashMap<IntChoiceFromSet, Integer> cgToChoiceMap;   // Map between CG to choice numbers for O(1) access
+    private ArrayList<TransitionEvent> executionTrace;           // The BacktrackPoint objects of this execution
+    private HashMap<Integer, ReadWriteSet> readWriteFieldsMap;  // Record fields that are accessed
+    private HashMap<Integer, TransitionEvent> stateToTransitionMap;  // For O(1) access to backtrack point
+
+    public Execution() {
+      cgToChoiceMap = new HashMap<>();
+      executionTrace = new ArrayList<>();
+      readWriteFieldsMap = new HashMap<>();
+      stateToTransitionMap = new HashMap<>();
+    }
+
+    public void addTransition(TransitionEvent newBacktrackPoint) {
+      executionTrace.add(newBacktrackPoint);
+    }
+
+    public void clearCGToChoiceMap() {
+      cgToChoiceMap = null;
+    }
+
+    public TransitionEvent getTransitionFromState(int stateId) {
+      if (stateToTransitionMap.containsKey(stateId)) {
+        return stateToTransitionMap.get(stateId);
+      }
+      return null;
+    }
+
+    public int getChoiceFromCG(IntChoiceFromSet icsCG) {
+      return cgToChoiceMap.get(icsCG);
+    }
+
+    public ArrayList<TransitionEvent> getExecutionTrace() {
+      return executionTrace;
+    }
+
+    public HashMap<Integer, ReadWriteSet> getReadWriteFieldsMap() {
+      return readWriteFieldsMap;
+    }
+
+    public TransitionEvent getFirstTransition() {
+      return executionTrace.get(0);
+    }
+
+    public TransitionEvent getLastTransition() {
+      return executionTrace.get(executionTrace.size() - 1);
+    }
+
+    public boolean isNew() {
+      return executionTrace.size() == 1;
+    }
+
+    public void mapCGToChoice(IntChoiceFromSet icsCG, int choice) {
+      cgToChoiceMap.put(icsCG, choice);
+    }
+
+    public void mapStateToTransition(int stateId, TransitionEvent backtrackPoint) {
+      stateToTransitionMap.put(stateId, backtrackPoint);
+    }
+  }
+
+  // This class compactly stores a predecessor
+  // 1) a predecessor execution
+  // 2) the predecessor choice in that predecessor execution
+  private class Predecessor {
+    private int predecessorChoice;           // Predecessor choice
+    private Execution predecessorExecution;  // Predecessor execution
+
+    public Predecessor(int predChoice, Execution predExec) {
+      predecessorChoice = predChoice;
+      predecessorExecution = predExec;
+    }
+
+    public int getPredecessorChoice() {
+      return predecessorChoice;
+    }
+
+    public Execution getPredecessorExecution() {
+      return predecessorExecution;
+    }
+  }
+
+  // This class compactly stores backtrack points:
+  // 1) CG,
+  // 2) state ID,
+  // 3) choice,
+  // 4) predecessors (for backward DFS).
+  private class TransitionEvent {
+    private IntChoiceFromSet transitionCG;     // CG at this transition
+    private int stateId;                       // State at this transition
+    private int choice;                        // Choice chosen at this transition
+    private Execution execution;               // The execution where this transition belongs
+    private int choiceCounter;                 // Choice counter at this transition
+    private HashSet<Predecessor> predecessors; // Maps incoming events/transitions (execution and choice)
+
+    public TransitionEvent() {
+      transitionCG = null;
+      stateId = -1;
+      choice = -1;
+      execution = null;
+      choiceCounter = -1;
+      predecessors = new HashSet<>();
+    }
+
+    public void setTransitionCG(IntChoiceFromSet cg) {
+      transitionCG = cg;
+    }
+
+    public void setStateId(int stId) {
+      stateId = stId;
+    }
+
+    public void setChoice(int cho) {
+      choice = cho;
+    }
+
+    public void setChoiceCounter(int choCounter) {
+      choiceCounter = choCounter;
+    }
+
+    public IntChoiceFromSet getTransitionCG() { return transitionCG; }
+
+    public int getStateId() {
+      return stateId;
+    }
+
+    public int getChoice() {
+      return choice;
+    }
+
+    public int getChoiceCounter() {
+      return choiceCounter;
+    }
+
+    public void setExecution(Execution exec) {
+      execution = exec;
+    }
+
+    public Execution getExecution() {
+      return execution;
+    }
+
+    public HashSet<Predecessor> getPredecessors() {
+      return predecessors;
+    }
+
+    public void recordPredecessor(Execution execution, int choice) {
+      predecessors.add(new Predecessor(choice, execution));
+    }
+  }
+
   // 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;
+    private HashMap<String, Integer> readMap;
+    private HashMap<String, Integer> writeMap;
 
     public ReadWriteSet() {
-      readSet = new HashMap<>();
-      writeSet = new HashMap<>();
+      readMap = new HashMap<>();
+      writeMap = new HashMap<>();
     }
 
     public void addReadField(String field, int objectId) {
-      readSet.put(field, objectId);
+      readMap.put(field, objectId);
     }
 
     public void addWriteField(String field, int objectId) {
-      writeSet.put(field, objectId);
+      writeMap.put(field, objectId);
+    }
+
+    public void removeReadField(String field) {
+      readMap.remove(field);
+    }
+
+    public void removeWriteField(String field) {
+      writeMap.remove(field);
+    }
+
+    public boolean isEmpty() {
+      return readMap.isEmpty() && writeMap.isEmpty();
+    }
+
+    public ReadWriteSet getCopy() {
+      ReadWriteSet copyRWSet = new ReadWriteSet();
+      // Copy the maps in the set into the new object copy
+      copyRWSet.setReadMap(new HashMap<>(this.getReadMap()));
+      copyRWSet.setWriteMap(new HashMap<>(this.getWriteMap()));
+      return copyRWSet;
     }
 
     public Set<String> getReadSet() {
-      return readSet.keySet();
+      return readMap.keySet();
     }
 
     public Set<String> getWriteSet() {
-      return writeSet.keySet();
+      return writeMap.keySet();
     }
 
     public boolean readFieldExists(String field) {
-      return readSet.containsKey(field);
+      return readMap.containsKey(field);
     }
 
     public boolean writeFieldExists(String field) {
-      return writeSet.containsKey(field);
+      return writeMap.containsKey(field);
     }
 
     public int readFieldObjectId(String field) {
-      return readSet.get(field);
+      return readMap.get(field);
     }
 
     public int writeFieldObjectId(String field) {
-      return writeSet.get(field);
+      return writeMap.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;
+    private HashMap<String, Integer> getReadMap() {
+      return readMap;
     }
 
-    public IntChoiceFromSet getBacktrackCG() { return backtrackCG; }
+    private HashMap<String, Integer> getWriteMap() {
+      return writeMap;
+    }
 
-    public int getStateId() {
-      return stateId;
+    private void setReadMap(HashMap<String, Integer> rMap) {
+      readMap = rMap;
     }
 
-    public int getChoice() {
-      return choice;
+    private void setWriteMap(HashMap<String, Integer> wMap) {
+      writeMap = wMap;
     }
   }
 
@@ -387,7 +571,7 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
   private final static String JAVA_STRING_LIB = "java.lang.String";
 
   // -- FUNCTIONS
-  private void fairSchedulingAndBacktrackPoint(IntChoiceFromSet icsCG, VM vm) {
+  private void fairSchedulingAndTransition(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();
@@ -398,9 +582,26 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
         icsCG.setChoice(currCGIndex, expectedChoice);
       }
     }
-    // Record state ID and choice/event as backtrack point
+    // Get state ID and associate it with this transition
     int stateId = vm.getStateId();
-    backtrackPointList.add(new BacktrackPoint(icsCG, stateId, refChoices[choiceIndex]));
+    // Get a new transition
+    TransitionEvent transition;
+    if (currentExecution.isNew()) {
+      // We need to handle the first transition differently because this has a predecessor execution
+      transition = currentExecution.getFirstTransition();
+    } else {
+      transition = new TransitionEvent();
+      transition.recordPredecessor(currentExecution, choiceCounter - 1);
+    }
+    transition.setExecution(currentExecution);
+    transition.setTransitionCG(icsCG);
+    transition.setStateId(stateId);
+    transition.setChoice(refChoices[choiceIndex]);
+    transition.setChoiceCounter(choiceCounter);
+    // Add new transition to the current execution
+    currentExecution.mapStateToTransition(stateId, transition);
+    currentExecution.addTransition(transition);
+    currentExecution.mapCGToChoice(icsCG, choiceCounter);
     // Store restorable state object for this state (always store the latest)
     RestorableVMState restorableState = vm.getRestorableState();
     restorableStateMap.put(stateId, restorableState);
@@ -413,7 +614,7 @@ 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:
@@ -421,7 +622,7 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
   // (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) {
+  private boolean completeFullCycle(int stId) {
 
     // False if the state ID hasn't been recorded
     if (!stateToEventMap.containsKey(stId)) {
@@ -452,11 +653,11 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     // Backtracking
     backtrackMap = new HashMap<>();
     backtrackStateQ = new PriorityQueue<>(Collections.reverseOrder());
-    backtrackPointList = new ArrayList<>();
-    conflictPairMap = new HashMap<>();
+    currentExecution = new Execution();
+    currentExecution.addTransition(new TransitionEvent()); // Always start with 1 backtrack point
     doneBacktrackSet = new HashSet<>();
-    readWriteFieldsMap = new HashMap<>();
     stateToChoiceCounterMap = new HashMap<>();
+    rGraph = new HashMap<>();
     // Booleans
     isEndOfExecution = false;
   }
@@ -471,11 +672,31 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     }
   }
 
+  // Save the current transition into R-Graph
+  // Basically the current transition is reachable from the final state of the previous transition in this execution
+  private void addTransitionToRGRaph() {
+    // Get the current transition
+    TransitionEvent currTrans = currentExecution.getLastTransition();
+    // This transition is reachable from this source state when it has advanced the state
+    int stateId = currTrans.getStateId();
+    // Add transition into R-Graph
+    HashSet<TransitionEvent> transitionSet;
+    if (rGraph.containsKey(stateId)) {
+      transitionSet = rGraph.get(stateId);
+    } else {
+      transitionSet = new HashSet<>();
+    }
+    // Insert into the set if it does not contain it yet
+    if (!transitionSet.contains(currTrans)) {
+      transitionSet.add(currTrans);
+    }
+  }
+
   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)) {
+      if (prevVisitedStates.contains(stateId) || completeFullCycle(stateId)) {
         return true;
       }
     }
@@ -491,24 +712,27 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
       HashSet<Integer> eventSet = new HashSet<>();
       stateToEventMap.put(stateId, eventSet);
     }
-    stateToChoiceCounterMap.put(stateId, choiceCounter);
     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) {
+  private void addNewBacktrackPoint(int stateId, Integer[] newChoiceList, Execution parentExecution, int parentChoice) {
     // Insert backtrack point to the right state ID
-    LinkedList<Integer[]> backtrackList;
+    LinkedList<BacktrackExecution> backtrackExecList;
     if (backtrackMap.containsKey(stateId)) {
-      backtrackList = backtrackMap.get(stateId);
+      backtrackExecList = backtrackMap.get(stateId);
     } else {
-      backtrackList = new LinkedList<>();
-      backtrackMap.put(stateId, backtrackList);
+      backtrackExecList = new LinkedList<>();
+      backtrackMap.put(stateId, backtrackExecList);
     }
-    backtrackList.addFirst(newChoiceList);
+    // Add the new backtrack execution object
+    TransitionEvent backtrackTransition = new TransitionEvent();
+    backtrackTransition.recordPredecessor(parentExecution, parentChoice);
+    backtrackExecList.addFirst(new BacktrackExecution(newChoiceList, backtrackTransition));
     // Add to priority queue
     if (!backtrackStateQ.contains(stateId)) {
       backtrackStateQ.add(stateId);
@@ -578,8 +802,6 @@ 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) {
@@ -589,46 +811,38 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
       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;
+      // Find the choice related to the IntIntervalGenerator CG from the map
+      currentChoice = currentExecution.getChoiceFromCG((IntChoiceFromSet) parentCG);
     }
     return currentChoice;
   }
 
-  private void createBacktrackingPoint(int currentChoice, int confEvtNum) {
+  private void createBacktrackingPoint(Execution execution, int currentChoice, int conflictChoice) {
 
     // 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<TransitionEvent> pastTrace = execution.getExecutionTrace();
+    ArrayList<TransitionEvent> currTrace = currentExecution.getExecutionTrace();
+    int currChoice = currTrace.get(currentChoice).getChoice();
+    int stateId = pastTrace.get(conflictChoice).getStateId();
+    // Check if this trace has been done from this state
+    if (isTraceAlreadyConstructed(currChoice, stateId)) {
+      return;
+    }
     // Put the conflicting event numbers first and reverse the order
-    int actualCurrCho = currentChoice % refChoices.length;
-    // We use the actual choices here in case they have been modified/adjusted by the fair scheduling method
-    newChoiceList[0] = choices[actualCurrCho];
-    newChoiceList[1] = backtrackPointList.get(confEvtNum).getChoice();
+    newChoiceList[0] = currChoice;
     // 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]) {
+    for (int i = 0, j = 1; i < refChoices.length; i++) {
+      if (refChoices[i] != newChoiceList[0]) {
         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);
+    // Parent choice is conflict choice - 1
+    addNewBacktrackPoint(stateId, newChoiceList, execution, conflictChoice - 1);
   }
 
   private boolean excludeThisForItContains(String[] excludedStrings, String className) {
@@ -664,8 +878,8 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
                // 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();
+                       for (TransitionEvent backtrackTransition : currentExecution.getExecutionTrace()) {
+        backtrackTransition.getTransitionCG().setDone();
                        }
                        // Reset the next backtrack point with the latest state
                        int hiStateId = backtrackStateQ.peek();
@@ -683,42 +897,33 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
                }
                // 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) {
+  private boolean isConflictFound(Execution execution, int reachableChoice, int conflictChoice,
+                                  ReadWriteSet currRWSet) {
 
-    int actualCurrCho = currentChoice % refChoices.length;
+    ArrayList<TransitionEvent> 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 (!readWriteFieldsMap.containsKey(eventCounter) ||
-            choices[actualCurrCho] == backtrackPointList.get(eventCounter).getChoice()) {
+    if (!execRWFieldsMap.containsKey(conflictChoice) ||
+            executionTrace.get(reachableChoice).getChoice() == executionTrace.get(conflictChoice).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);
+    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)) {
+      if (evtRWSet.readFieldExists(writeField) && evtRWSet.readFieldObjectId(writeField) == currObjId) {
+        // Remove this from the read set as we are tracking per memory location
+        evtRWSet.removeWriteField(writeField);
+        return true;
+      } else if (evtRWSet.writeFieldExists(writeField) && evtRWSet.writeFieldObjectId(writeField) == currObjId) {
+        // Remove this from the write set as we are tracking per memory location
+        evtRWSet.removeReadField(writeField);
         return true;
       }
     }
@@ -727,6 +932,8 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     for(String readField : currReadSet) {
       int currObjId = currRWSet.readFieldObjectId(readField);
       if (evtRWSet.writeFieldExists(readField) && evtRWSet.writeFieldObjectId(readField) == currObjId) {
+        // Remove this from the write set as we are tracking per memory location
+        evtRWSet.removeWriteField(readField);
         return true;
       }
     }
@@ -734,26 +941,54 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     return false;
   }
 
-  private boolean isConflictFound(Instruction nextInsn, int eventCounter, int currentChoice, String fieldClass) {
+  private boolean isConflictFound(Execution execution, int reachableChoice, int conflictChoice) {
 
-    int actualCurrCho = currentChoice % refChoices.length;
+    ArrayList<TransitionEvent> 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 (!readWriteFieldsMap.containsKey(eventCounter) ||
-         choices[actualCurrCho] == backtrackPointList.get(eventCounter).getChoice()) {
+    if (!execRWFieldsMap.containsKey(conflictChoice) ||
+            executionTrace.get(reachableChoice).getChoice() == executionTrace.get(conflictChoice).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;
+    // 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
+    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();
+      currReadWriteFieldsMap.put(currentChoice, rwSet);
+    }
+    return rwSet;
+  }
+
   private boolean isFieldExcluded(String field) {
     // Check against "starts-with", "ends-with", and "contains" list
     if (excludeThisForItStartsWith(EXCLUDED_FIELDS_STARTS_WITH_LIST, field) ||
@@ -765,25 +1000,8 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     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) {
+  // Check if this trace is already constructed
+  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
@@ -792,7 +1010,7 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     StringBuilder sb = new StringBuilder();
     sb.append(stateId);
     sb.append(':');
-    sb.append(choiceList[0]);
+    sb.append(firstChoice);
     // Check if the trace has been constructed as a backtrack point for this state
     if (doneBacktrackSet.contains(sb.toString())) {
       return true;
@@ -801,64 +1019,118 @@ public class DPORStateReducer extends ListenerAdapter {
     return false;
   }
 
+  // Reset data structure for each new execution
   private void resetStatesForNewExecution(IntChoiceFromSet icsCG, VM vm) {
     if (choices == null || choices != icsCG.getAllChoices()) {
       // Reset state variables
       choiceCounter = 0;
       choices = icsCG.getAllChoices();
       refChoices = copyChoices(choices);
-      // Clearing data structures
-      conflictPairMap.clear();
-      readWriteFieldsMap.clear();
-      stateToEventMap.clear();
+      // Clear data structures
+      currVisitedStates = new HashSet<>();
+      stateToChoiceCounterMap = new HashMap<>();
+      stateToEventMap = new HashMap<>();
       isEndOfExecution = false;
-      backtrackPointList.clear();
     }
   }
 
+  // Set a backtrack point for a particular state
   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
+    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 = new Execution();
+    TransitionEvent firstTransition = backtrackExecution.getFirstTransition();
+    newExecution.addTransition(firstTransition);
+    // Try to free some memory since this map is only used for the current execution
+    currentExecution.clearCGToChoiceMap();
+    currentExecution = newExecution;
     // Remove from the queue if we don't have more backtrack points for that state
-    if (backtrackChoices.isEmpty()) {
+    if (backtrackExecutions.isEmpty()) {
       backtrackMap.remove(stateId);
       backtrackStateQ.remove(stateId);
     }
   }
 
+  // Update backtrack sets
+  // 1) recursively, and
+  // 2) track accesses per memory location (per shared variable/field)
+  private void updateBacktrackSet(Execution execution, int currentChoice) {
+    // Choice/event we want to check for conflict against (start from actual choice)
+    int conflictChoice = currentChoice;
+    // Copy ReadWriteSet object
+    HashMap<Integer, ReadWriteSet> currRWFieldsMap = execution.getReadWriteFieldsMap();
+    ReadWriteSet currRWSet = currRWFieldsMap.get(currentChoice).getCopy();
+    // Memorize visited TransitionEvent object while performing backward DFS to avoid getting caught up in a cycle
+    HashSet<TransitionEvent> visited = new HashSet<>();
+    // Update backtrack set recursively
+    updateBacktrackSetRecursive(execution, currentChoice, conflictChoice, currRWSet, visited);
+  }
+
+  private void updateBacktrackSetRecursive(Execution execution, int currentChoice, int conflictChoice,
+                                           ReadWriteSet currRWSet, HashSet<TransitionEvent> visited) {
+    // Halt when we have found the first read/write conflicts for all memory locations
+    if (currRWSet.isEmpty()) {
+      return;
+    }
+    TransitionEvent confTrans = execution.getExecutionTrace().get(conflictChoice);
+    // Halt when we have visited this transition (in a cycle)
+    if (visited.contains(confTrans)) {
+      return;
+    }
+    visited.add(confTrans);
+    // Explore all predecessors
+    for (Predecessor predecessor : confTrans.getPredecessors()) {
+      // Get the predecessor (previous conflict choice)
+      conflictChoice = predecessor.getPredecessorChoice();
+      execution = predecessor.getPredecessorExecution();
+      // Check if a conflict is found
+      if (isConflictFound(execution, currentChoice, conflictChoice, currRWSet)) {
+        createBacktrackingPoint(execution, currentChoice, conflictChoice);
+      }
+      // Continue performing DFS if conflict is not found
+      updateBacktrackSetRecursive(execution, currentChoice, conflictChoice, currRWSet, visited);
+    }
+  }
+
   // --- 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 &&
-            currVisitedStates.contains(stateId) && (stateId > 0)) {
-      // Find the choice/event that marks the start of this cycle: first choice we explore for conflicts
-      if (stateToChoiceCounterMap.get(stateId) == null) {
-        System.out.println();
-      }
-      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) && isNewConflict(conflictChoice, eventCounter)) {
-            createBacktrackingPoint(conflictChoice, eventCounter);
-          }
+    // 4) state > 0 (state 0 is for boolean CG)
+    if (!vm.isNewState() && !isEndOfExecution && choiceCounter > 1 && (stateId > 0)) {
+      if (currVisitedStates.contains(stateId)) {
+        // Get the backtrack point from the current execution
+        TransitionEvent transition = currentExecution.getTransitionFromState(stateId);
+        transition.recordPredecessor(currentExecution, choiceCounter - 1);
+        updateBacktrackSetsFromPreviousExecution(stateId);
+      } else if (prevVisitedStates.contains(stateId)) { // We visit a state in a previous execution
+        // Update past executions with a predecessor
+        HashSet<TransitionEvent> reachableTransitions = rGraph.get(stateId);
+        for(TransitionEvent transition : reachableTransitions) {
+          Execution execution = transition.getExecution();
+          transition.recordPredecessor(execution, choiceCounter - 1);
         }
-        conflictChoice++;
+        updateBacktrackSetsFromPreviousExecution(stateId);
       }
     }
   }
+
+  // Update the backtrack sets from previous executions
+  private void updateBacktrackSetsFromPreviousExecution(int stateId) {
+    // Collect all the reachable transitions from R-Graph
+    HashSet<TransitionEvent> reachableTransitions = rGraph.get(stateId);
+    for(TransitionEvent transition : reachableTransitions) {
+      Execution execution = transition.getExecution();
+      int currentChoice = transition.getChoiceCounter();
+      updateBacktrackSet(execution, currentChoice);
+    }
+  }
 }