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[model-checker.git] / README.md
1 CDSChecker Readme
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.
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9 Overview
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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 >     ./run.sh barrier/barrier -y -m 2     # runs barrier test with fairness/memory liveness
125 >     ./bench.sh                           # run all benchmarks and provide timing results
126
127
128 Running your own code
129 ---------------------
130
131 You likely want to test your own code, not just our simple tests. To do so, you
132 need to perform a few steps.
133
134 First, because CDSChecker executes your program dozens (if not hundreds or
135 thousands) of times, you will have the most success if your code is written as a
136 unit test and not as a full-blown program.
137
138 Second, because CDSChecker must be able to manage your program for you, your
139 program should declare its main entry point as `user_main(int, char**)` rather
140 than `main(int, char**)`.
141
142 Third, test programs should use the standard C11/C++11 library headers
143 (`<atomic>`/`<stdatomic.h>`, `<mutex>`, `<condition_variable>`, `<thread.h>`).
144 As of now, we only support C11 thread syntax (`thrd_t`, etc. from
145 `<thread.h>`).
146
147 Test programs may also use our included happens-before race detector by
148 including <librace.h> and utilizing the appropriate functions
149 (`store_{8,16,32,64}()` and `load_{8,16,32,64}()`) for loading/storing data from/to
150 non-atomic shared memory.
151
152 CDSChecker can also check boolean assertions in your test programs. Just
153 include `<model-assert.h>` and use the `MODEL_ASSERT()` macro in your test program.
154 CDSChecker will report a bug in any possible execution in which the argument to
155 `MODEL_ASSERT()` evaluates to false (that is, 0).
156
157 Test programs should be compiled against our shared library (libmodel.so) using
158 the headers in the `include/` directory. Then the shared library must be made
159 available to the dynamic linker, using the `LD_LIBRARY_PATH` environment
160 variable, for instance.
161
162
163 Reading an execution trace
164 --------------------------
165
166 When CDSChecker detects a bug in your program (or when run with the `--verbose`
167 flag), it prints the output of the program run (STDOUT) along with some summary
168 trace information for the execution in question. The trace is given as a
169 sequence of lines, where each line represents an operation in the execution
170 trace. These lines are ordered by the order in which they were run by CDSChecker
171 (i.e., the "execution order"), which does not necessarily align with the "order"
172 of the values observed (i.e., the modification order or the reads-from
173 relation).
174
175 The following list describes each of the columns in the execution trace output:
176
177  * \#: The sequence number within the execution. That is, sequence number "9"
178    means the operation was the 9th operation executed by CDSChecker. Note that
179    this represents the execution order, not necessarily any other order (e.g.,
180    modification order or reads-from).
181
182  * t: The thread number
183
184  * Action type: The type of operation performed
185
186  * MO: The memory-order for this operation (i.e., `memory_order_XXX`, where `XXX` is
187    `relaxed`, `release`, `acquire`, `rel_acq`, or `seq_cst`)
188
189  * Location: The memory location on which this operation is operating. This is
190    well-defined for atomic write/read/RMW, but other operations are subject to
191    CDSChecker implementation details.
192
193  * Value: For reads/writes/RMW, the value returned by the operation. Note that
194    for RMW, this is the value that is *read*, not the value that was *written*.
195    For other operations, 'value' may have some CDSChecker-internal meaning, or
196    it may simply be a don't-care (such as `0xdeadbeef`).
197
198  * Rf: For reads, the sequence number of the operation from which it reads.
199    [Note: If the execution is a partial, infeasible trace (labeled INFEASIBLE),
200    as printed during `--verbose` execution, reads may not be resolved and so may
201    have Rf=? or Rf=Px, where x is a promised future value.]
202
203  * CV: The clock vector, encapsulating the happens-before relation (see our
204    paper, or the C/C++ memory model itself). We use a Lamport-style clock vector
205    similar to [1]. The "clock" is just the sequence number (#). The clock vector
206    can be read as follows:
207
208    Each entry is indexed as CV[i], where
209
210             i = 0, 1, 2, ..., <number of threads>
211
212    So for any thread i, we say CV[i] is the sequence number of the most recent
213    operation in thread i such that operation i happens-before this operation.
214    Notably, thread 0 is reserved as a dummy thread for certain CDSChecker
215    operations.
216
217 See the following example trace:
218
219 <pre>
220 ------------------------------------------------------------------------------------
221 #    t    Action type     MO       Location         Value               Rf  CV
222 ------------------------------------------------------------------------------------
223 1    1    thread start    seq_cst  0x7f68ff11e7c0   0xdeadbeef              ( 0,  1)
224 2    1    init atomic     relaxed        0x601068   0                       ( 0,  2)
225 3    1    init atomic     relaxed        0x60106c   0                       ( 0,  3)
226 4    1    thread create   seq_cst  0x7f68fe51c710   0x7f68fe51c6e0          ( 0,  4)
227 5    2    thread start    seq_cst  0x7f68ff11ebc0   0xdeadbeef              ( 0,  4,  5)
228 6    2    atomic read     relaxed        0x60106c   0                   3   ( 0,  4,  6)
229 7    1    thread create   seq_cst  0x7f68fe51c720   0x7f68fe51c6e0          ( 0,  7)
230 8    3    thread start    seq_cst  0x7f68ff11efc0   0xdeadbeef              ( 0,  7,  0,  8)
231 9    2    atomic write    relaxed        0x601068   0                       ( 0,  4,  9)
232 10   3    atomic read     relaxed        0x601068   0                   2   ( 0,  7,  0, 10)
233 11   2    thread finish   seq_cst  0x7f68ff11ebc0   0xdeadbeef              ( 0,  4, 11)
234 12   3    atomic write    relaxed        0x60106c   0x2a                    ( 0,  7,  0, 12)
235 13   1    thread join     seq_cst  0x7f68ff11ebc0   0x2                     ( 0, 13, 11)
236 14   3    thread finish   seq_cst  0x7f68ff11efc0   0xdeadbeef              ( 0,  7,  0, 14)
237 15   1    thread join     seq_cst  0x7f68ff11efc0   0x3                     ( 0, 15, 11, 14)
238 16   1    thread finish   seq_cst  0x7f68ff11e7c0   0xdeadbeef              ( 0, 16, 11, 14)
239 HASH 4073708854
240 ------------------------------------------------------------------------------------
241 </pre>
242
243 Now consider, for example, operation 10:
244
245 This is the 10th operation in the execution order. It is an atomic read-relaxed
246 operation performed by thread 3 at memory address `0x601068`. It reads the value
247 "0", which was written by the 2nd operation in the execution order. Its clock
248 vector consists of the following values:
249
250         CV[0] = 0, CV[1] = 7, CV[2] = 0, CV[3] = 10
251
252
253 Other Notes
254 -----------
255
256 * Deadlock detection: CDSChecker can detect deadlocks. For instance, try the
257   following test program.
258
259   >     ./run.sh test/deadlock.o
260
261   Deadlock detection currently detects when a thread is about to step into a
262   deadlock, without actually including the final step in the trace. But you can
263   examine the program to see the next step.
264
265 * CDSChecker has to speculatively explore many execution behaviors due to the
266   relaxed memory model, and many of these turn out to be infeasible (that is,
267   they cannot be legally produced by the memory model). CDSChecker discards
268   these executions as soon as it identifies them (see the "Number of infeasible
269   executions" statistic); however, the speculation can occasionally cause
270   CDSChecker to hit unexpected parts of the unit test program (causing a
271   division by 0, for instance). In such programs, you might consider running
272   CDSChecker with the `-u num` option.
273
274
275 See Also
276 --------
277
278 The CDSChecker project page:
279
280 >   <http://demsky.eecs.uci.edu/c11modelchecker.php>
281
282 The CDSChecker source and accompanying benchmarks on Gitweb:
283
284 >   <http://demsky.eecs.uci.edu/git/?p=model-checker.git>
285 >
286 >   <http://demsky.eecs.uci.edu/git/?p=model-checker-benchmarks.git>
287
288
289 Contact
290 -------
291
292 Please feel free to contact us for more information. Bug reports are welcome,
293 and we are happy to hear from our users. We are also very interested to know if
294 CDSChecker catches bugs in your programs.
295
296 Contact Brian Norris at <banorris@uci.edu> or Brian Demsky at <bdemsky@uci.edu>.
297
298
299 References
300 ----------
301
302 [1] L. Lamport. Time, clocks, and the ordering of events in a distributed
303     system. CACM, 21(7):558-565, July 1978.