README.md: add End of Execution Summary section
[model-checker.git] / README.md
1 CDSChecker: A Model Checker for C11 and C++11 Atomics
2 =====================================================
3
4 Copyright © 2013 Regents of the University of California. All rights reserved.
5
6 CDSChecker is distributed under the GPL v2. See the LICENSE file for details.
7
8
9 Overview
10 --------
11
12 CDSChecker is a model checker for C11/C++11 which exhaustively explores the
13 behaviors of code under the C/C++ memory model. It uses partial order reduction
14 as well as a few other novel techniques to eliminate time spent on redundant
15 execution behaviors and to significantly shrink the state space. The model
16 checking algorithm is described in more detail in this paper (published in
17 OOPSLA '13):
18
19 >   <http://demsky.eecs.uci.edu/publications/c11modelcheck.pdf>
20
21 It is designed to support unit tests on concurrent data structure written using
22 C/C++ atomics.
23
24 CDSChecker is constructed as a dynamically-linked shared library which
25 implements the C and C++ atomic types and portions of the other thread-support
26 libraries of C/C++ (e.g., std::atomic, std::mutex, etc.). Notably, we only
27 support the C version of threads (i.e., `thrd_t` and similar, from `<threads.h>`),
28 because C++ threads require features which are only available to a C++11
29 compiler (and we want to support others, at least for now).
30
31 CDSChecker should compile on Linux and Mac OSX with no dependencies and has been
32 tested with LLVM (clang/clang++) and GCC. It likely can be ported to other \*NIX
33 flavors. We have not attempted to port to Windows.
34
35
36 Getting Started
37 ---------------
38
39 If you haven't done so already, you may download CDSChecker using
40 [git](http://git-scm.com/) (for those without git, snapshots can be found at the
41 Gitweb URLs below):
42
43       git clone git://demsky.eecs.uci.edu/model-checker.git
44
45 Get the benchmarks (not required; distributed separately):
46
47       cd model-checker
48       git clone git://demsky.eecs.uci.edu/model-checker-benchmarks.git benchmarks
49
50 Compile the model checker:
51
52       make
53
54 Compile the benchmarks:
55
56       make benchmarks
57
58 Run a simple example (the `run.sh` script does some very minimal processing for
59 you):
60
61       ./run.sh test/userprog.o
62
63 To see the help message on how to run CDSChecker, execute:
64
65       ./run.sh -h
66
67
68 Useful Options
69 --------------
70
71 `-m num`
72
73   > Controls the liveness of the memory system. Note that multithreaded programs
74   > often rely on memory liveness for termination, so this parameter is
75   > necessary for such programs.
76   >
77   > Liveness is controlled by `num`: the number of times a load is allowed to
78   > see the same store when a newer store exists---one that is ordered later in
79   > the modification order.
80
81 `-y`
82
83   > Turns on CHESS-like yield-based fairness support (requires `thrd_yield()`
84   > instrumentation in test program).
85
86 `-f num`
87
88   > Turns on alternative fairness support (less desirable than `-y`).
89
90 `-v`
91
92   > Verbose: show all executions and not just buggy ones.
93
94 `-s num`
95
96   > Constrain how long we will run to wait for a future value past when it is
97   > expected
98
99 `-u num`
100
101   > Value to provide to atomics loads from uninitialized memory locations. The
102   > default is 0, but this may cause some programs to throw exceptions
103   > (segfault) before the model checker prints a trace.
104
105 Suggested options:
106
107 >     -m 2 -y
108
109 or
110
111 >     -m 2 -f 10
112
113
114 Benchmarks
115 -------------------
116
117 Many simple tests are located in the `tests/` directory. You may also want to
118 try the larger benchmarks (distributed separately), which can be placed under
119 the `benchmarks/` directory. After building CDSChecker, you can build and run
120 the benchmarks as follows:
121
122 >     make benchmarks
123 >     cd benchmarks
124 >
125 >     # run barrier test with fairness/memory liveness
126 >     ./run.sh barrier/barrier -y -m 2
127 >
128 >     # Linux reader/write lock test with fairness/memory liveness
129 >     ./run.sh linuxrwlocks/linuxrwlocks -y -m 2
130 >
131 >     # run all benchmarks and provide timing results
132 >     ./bench.sh
133
134
135 Running your own code
136 ---------------------
137
138 You likely want to test your own code, not just our simple tests. To do so, you
139 need to perform a few steps.
140
141 First, because CDSChecker executes your program dozens (if not hundreds or
142 thousands) of times, you will have the most success if your code is written as a
143 unit test and not as a full-blown program.
144
145 Second, because CDSChecker must be able to manage your program for you, your
146 program should declare its main entry point as `user_main(int, char**)` rather
147 than `main(int, char**)`.
148
149 Third, test programs should use the standard C11/C++11 library headers
150 (`<atomic>`/`<stdatomic.h>`, `<mutex>`, `<condition_variable>`, `<thread.h>`).
151 As of now, we only support C11 thread syntax (`thrd_t`, etc. from
152 `<thread.h>`).
153
154 Test programs may also use our included happens-before race detector by
155 including <librace.h> and utilizing the appropriate functions
156 (`store_{8,16,32,64}()` and `load_{8,16,32,64}()`) for loading/storing data from/to
157 non-atomic shared memory.
158
159 CDSChecker can also check boolean assertions in your test programs. Just
160 include `<model-assert.h>` and use the `MODEL_ASSERT()` macro in your test program.
161 CDSChecker will report a bug in any possible execution in which the argument to
162 `MODEL_ASSERT()` evaluates to false (that is, 0).
163
164 Test programs should be compiled against our shared library (libmodel.so) using
165 the headers in the `include/` directory. Then the shared library must be made
166 available to the dynamic linker, using the `LD_LIBRARY_PATH` environment
167 variable, for instance.
168
169
170 Reading an execution trace
171 --------------------------
172
173 When CDSChecker detects a bug in your program (or when run with the `--verbose`
174 flag), it prints the output of the program run (STDOUT) along with some summary
175 trace information for the execution in question. The trace is given as a
176 sequence of lines, where each line represents an operation in the execution
177 trace. These lines are ordered by the order in which they were run by CDSChecker
178 (i.e., the "execution order"), which does not necessarily align with the "order"
179 of the values observed (i.e., the modification order or the reads-from
180 relation).
181
182 The following list describes each of the columns in the execution trace output:
183
184  * \#: The sequence number within the execution. That is, sequence number "9"
185    means the operation was the 9th operation executed by CDSChecker. Note that
186    this represents the execution order, not necessarily any other order (e.g.,
187    modification order or reads-from).
188
189  * t: The thread number
190
191  * Action type: The type of operation performed
192
193  * MO: The memory-order for this operation (i.e., `memory_order_XXX`, where `XXX` is
194    `relaxed`, `release`, `acquire`, `rel_acq`, or `seq_cst`)
195
196  * Location: The memory location on which this operation is operating. This is
197    well-defined for atomic write/read/RMW, but other operations are subject to
198    CDSChecker implementation details.
199
200  * Value: For reads/writes/RMW, the value returned by the operation. Note that
201    for RMW, this is the value that is *read*, not the value that was *written*.
202    For other operations, 'value' may have some CDSChecker-internal meaning, or
203    it may simply be a don't-care (such as `0xdeadbeef`).
204
205  * Rf: For reads, the sequence number of the operation from which it reads.
206    [Note: If the execution is a partial, infeasible trace (labeled INFEASIBLE),
207    as printed during `--verbose` execution, reads may not be resolved and so may
208    have Rf=? or Rf=Px, where x is a promised future value.]
209
210  * CV: The clock vector, encapsulating the happens-before relation (see our
211    paper, or the C/C++ memory model itself). We use a Lamport-style clock vector
212    similar to [1]. The "clock" is just the sequence number (#). The clock vector
213    can be read as follows:
214
215    Each entry is indexed as CV[i], where
216
217             i = 0, 1, 2, ..., <number of threads>
218
219    So for any thread i, we say CV[i] is the sequence number of the most recent
220    operation in thread i such that operation i happens-before this operation.
221    Notably, thread 0 is reserved as a dummy thread for certain CDSChecker
222    operations.
223
224 See the following example trace:
225
226 <pre>
227 ------------------------------------------------------------------------------------
228 #    t    Action type     MO       Location         Value               Rf  CV
229 ------------------------------------------------------------------------------------
230 1    1    thread start    seq_cst  0x7f68ff11e7c0   0xdeadbeef              ( 0,  1)
231 2    1    init atomic     relaxed        0x601068   0                       ( 0,  2)
232 3    1    init atomic     relaxed        0x60106c   0                       ( 0,  3)
233 4    1    thread create   seq_cst  0x7f68fe51c710   0x7f68fe51c6e0          ( 0,  4)
234 5    2    thread start    seq_cst  0x7f68ff11ebc0   0xdeadbeef              ( 0,  4,  5)
235 6    2    atomic read     relaxed        0x60106c   0                   3   ( 0,  4,  6)
236 7    1    thread create   seq_cst  0x7f68fe51c720   0x7f68fe51c6e0          ( 0,  7)
237 8    3    thread start    seq_cst  0x7f68ff11efc0   0xdeadbeef              ( 0,  7,  0,  8)
238 9    2    atomic write    relaxed        0x601068   0                       ( 0,  4,  9)
239 10   3    atomic read     relaxed        0x601068   0                   2   ( 0,  7,  0, 10)
240 11   2    thread finish   seq_cst  0x7f68ff11ebc0   0xdeadbeef              ( 0,  4, 11)
241 12   3    atomic write    relaxed        0x60106c   0x2a                    ( 0,  7,  0, 12)
242 13   1    thread join     seq_cst  0x7f68ff11ebc0   0x2                     ( 0, 13, 11)
243 14   3    thread finish   seq_cst  0x7f68ff11efc0   0xdeadbeef              ( 0,  7,  0, 14)
244 15   1    thread join     seq_cst  0x7f68ff11efc0   0x3                     ( 0, 15, 11, 14)
245 16   1    thread finish   seq_cst  0x7f68ff11e7c0   0xdeadbeef              ( 0, 16, 11, 14)
246 HASH 4073708854
247 ------------------------------------------------------------------------------------
248 </pre>
249
250 Now consider, for example, operation 10:
251
252 This is the 10th operation in the execution order. It is an atomic read-relaxed
253 operation performed by thread 3 at memory address `0x601068`. It reads the value
254 "0", which was written by the 2nd operation in the execution order. Its clock
255 vector consists of the following values:
256
257         CV[0] = 0, CV[1] = 7, CV[2] = 0, CV[3] = 10
258
259 End of Execution Summary
260 ------------------------
261
262 CDSChecker prints summary statistics at the end of each execution. These
263 summaries are based off of a few different properties of an execution, which we
264 will break down here:
265
266 * An _infeasible_ execution is an execution which is not consistent with the
267   memory model. Such an execution can be considered overhead for the
268   model-checker, since it should never appear in practice.
269
270 * A _buggy_ execution is an execution in which CDSChecker has found a real
271   bug: a data race, a deadlock, failure of a user-provided assertion, or an
272   uninitialized load, for instance. CDSChecker will only report bugs in feasible
273   executions.
274
275 * A _redundant_ execution is a feasible execution that is exploring the same
276   state space explored by a previous feasible execution. Such exploration is
277   another instance of overhead, so CDSChecker terminates these executions as
278   soon as they are detected. CDSChecker is mostly able to avoid such executions
279   but may encounter them if a fairness option is enabled.
280
281 Now, we can examine the end-of-execution summary of one test program:
282
283     $ ./run.sh test/rmwprog.o
284     + test/rmwprog.o
285     ******* Model-checking complete: *******
286     Number of complete, bug-free executions: 6
287     Number of redundant executions: 0
288     Number of buggy executions: 0
289     Number of infeasible executions: 29
290     Total executions: 35
291
292 * _Number of complete, bug-free executions:_ these are feasible, non-buggy, and
293   non-redundant executions. They each represent different, legal behaviors you
294   can expect to see in practice.
295
296 * _Number of redundant executions:_ these are feasible but redundant executions
297   that were terminated as soon as CDSChecker noticed the redundancy.
298
299 * _Number of buggy executions:_ these are feasible, buggy executions. These are
300   the trouble spots where your program is triggering a bug or assertion.
301   Ideally, this number should be 0.
302
303 * _Number of infeasible executions:_ these are infeasible executions,
304   representing some of the overhead of model-checking.
305
306 * _Total executions:_ the total number of executions explored by CDSChecker.
307   Should be the sum of the above categories, since they are mutually exclusive.
308
309
310 Other Notes and Pitfalls
311 ------------------------
312
313 * Deadlock detection: CDSChecker can detect deadlocks. For instance, try the
314   following test program.
315
316   >     ./run.sh test/deadlock.o
317
318   Deadlock detection currently detects when a thread is about to step into a
319   deadlock, without actually including the final step in the trace. But you can
320   examine the program to see the next step.
321
322 * CDSChecker has to speculatively explore many execution behaviors due to the
323   relaxed memory model, and many of these turn out to be infeasible (that is,
324   they cannot be legally produced by the memory model). CDSChecker discards
325   these executions as soon as it identifies them (see the "Number of infeasible
326   executions" statistic); however, the speculation can occasionally cause
327   CDSChecker to hit unexpected parts of the unit test program (causing a
328   division by 0, for instance). In such programs, you might consider running
329   CDSChecker with the `-u num` option.
330
331 * Related to the previous point, CDSChecker may report more than one bug for a
332   particular candidate execution. This is because some bugs may not be
333   reportable until CDSChecker has explored more of the program, and in the
334   time between initial discovery and final assessment of the bug, CDSChecker may
335   discover another bug.
336
337 * Data races may be reported as multiple bugs, one for each byte-address of the
338   data race in question. See, for example, this run:
339
340         $ ./run.sh test/releaseseq.o
341         ...
342         Bug report: 4 bugs detected
343           [BUG] Data race detected @ address 0x601078:
344             Access 1: write in thread  2 @ clock   4
345             Access 2:  read in thread  3 @ clock   9
346           [BUG] Data race detected @ address 0x601079:
347             Access 1: write in thread  2 @ clock   4
348             Access 2:  read in thread  3 @ clock   9
349           [BUG] Data race detected @ address 0x60107a:
350             Access 1: write in thread  2 @ clock   4
351             Access 2:  read in thread  3 @ clock   9
352           [BUG] Data race detected @ address 0x60107b:
353             Access 1: write in thread  2 @ clock   4
354             Access 2:  read in thread  3 @ clock   9
355
356
357 See Also
358 --------
359
360 The CDSChecker project page:
361
362 >   <http://demsky.eecs.uci.edu/c11modelchecker.php>
363
364 The CDSChecker source and accompanying benchmarks on Gitweb:
365
366 >   <http://demsky.eecs.uci.edu/git/?p=model-checker.git>
367 >
368 >   <http://demsky.eecs.uci.edu/git/?p=model-checker-benchmarks.git>
369
370
371 Contact
372 -------
373
374 Please feel free to contact us for more information. Bug reports are welcome,
375 and we are happy to hear from our users. We are also very interested to know if
376 CDSChecker catches bugs in your programs.
377
378 Contact Brian Norris at <banorris@uci.edu> or Brian Demsky at <bdemsky@uci.edu>.
379
380
381 References
382 ----------
383
384 [1] L. Lamport. Time, clocks, and the ordering of events in a distributed
385     system. CACM, 21(7):558-565, July 1978.