model.h

   1 /** @file model.h
   2  *  @brief Core model checker.
   3  */
   4
   5 #ifndef __MODEL_H__
   6 #define __MODEL_H__
   7
   8 #include <list>
   9 #include <vector>
  10 #include <cstddef>
  11 #include <ucontext.h>
  12
  13 #include "mymemory.h"
  14 #include "action.h"
  15 #include "hashtable.h"
  16 #include "workqueue.h"
  17 #include "config.h"
  18 #include "modeltypes.h"
  19
  20 /* Forward declaration */
  21 class NodeStack;
  22 class CycleGraph;
  23 class Promise;
  24 class Scheduler;
  25 class Thread;
  26 struct model_snapshot_members;
  27
  28 /** @brief Shorthand for a list of release sequence heads */
  29 typedef std::vector< const ModelAction *, ModelAlloc<const ModelAction *> > rel_heads_list_t;
  30
  31 /**
  32  * Model checker parameter structure. Holds run-time configuration options for
  33  * the model checker.
  34  */
  35 struct model_params {
  36         int maxreads;
  37         int maxfuturedelay;
  38         unsigned int fairwindow;
  39         unsigned int enabledcount;
  40         unsigned int bound;
  41
  42         /** @brief Maximum number of future values that can be sent to the same
  43          *  read */
  44         int maxfuturevalues;
  45
  46         /** @brief Only generate a new future value/expiration pair if the
  47          *  expiration time exceeds the existing one by more than the slop
  48          *  value */
  49         unsigned int expireslop;
  50
  51         /** @brief Verbosity (0 = quiet; 1 = noisy) */
  52         int verbose;
  53 };
  54
  55 /** @brief Model checker execution stats */
  56 struct execution_stats {
  57         int num_total; /**< @brief Total number of executions */
  58         int num_infeasible; /**< @brief Number of infeasible executions */
  59         int num_buggy_executions; /** @brief Number of buggy executions */
  60         int num_complete; /**< @brief Number of feasible, non-buggy, complete executions */
  61         int num_redundant; /**< @brief Number of redundant, aborted executions */
  62 };
  63
  64 struct PendingFutureValue {
  65         ModelAction *writer;
  66         ModelAction *act;
  67 };
  68
  69 /** @brief Records information regarding a single pending release sequence */
  70 struct release_seq {
  71         /** @brief The acquire operation */
  72         ModelAction *acquire;
  73         /** @brief The head of the RMW chain from which 'acquire' reads; may be
  74          *  equal to 'release' */
  75         const ModelAction *rf;
  76         /** @brief The head of the potential longest release sequence chain */
  77         const ModelAction *release;
  78         /** @brief The write(s) that may break the release sequence */
  79         std::vector<const ModelAction *> writes;
  80 };
  81
  82 /** @brief The central structure for model-checking */
  83 class ModelChecker {
  84 public:
  85         ModelChecker(struct model_params params);
  86         ~ModelChecker();
  87
  88         /** @returns the context for the main model-checking system thread */
  89         ucontext_t * get_system_context() { return &system_context; }
  90
  91         void print_summary() const;
  92 #if SUPPORT_MOD_ORDER_DUMP
  93         void dumpGraph(char *filename);
  94 #endif
  95
  96         void add_thread(Thread *t);
  97         void remove_thread(Thread *t);
  98         Thread * get_thread(thread_id_t tid) const;
  99         Thread * get_thread(ModelAction *act) const;
 100
 101         bool is_enabled(Thread *t) const;
 102         bool is_enabled(thread_id_t tid) const;
 103
 104         thread_id_t get_next_id();
 105         unsigned int get_num_threads() const;
 106         Thread * get_current_thread();
 107
 108         int switch_to_master(ModelAction *act);
 109         ClockVector * get_cv(thread_id_t tid);
 110         ModelAction * get_parent_action(thread_id_t tid);
 111         bool next_execution();
 112         bool isfeasible() const;
 113         bool isfeasibleotherthanRMW() const;
 114         bool isfinalfeasible() const;
 115         void check_promises_thread_disabled();
 116         void mo_check_promises(thread_id_t tid, const ModelAction *write);
 117         void check_promises(thread_id_t tid, ClockVector *old_cv, ClockVector * merge_cv);
 118         void get_release_seq_heads(ModelAction *act, rel_heads_list_t *release_heads);
 119         void finish_execution();
 120         bool isfeasibleprefix() const;
 121
 122         bool assert_bug(const char *msg);
 123         void assert_user_bug(const char *msg);
 124
 125         bool is_deadlocked() const;
 126         bool is_complete_execution() const;
 127         void print_stats() const;
 128
 129         /** @brief Alert the model-checker that an incorrectly-ordered
 130          * synchronization was made */
 131         void set_bad_synchronization() { bad_synchronization = true; }
 132
 133         const model_params params;
 134         Node * get_curr_node();
 135
 136         MEMALLOC
 137 private:
 138         /** The scheduler to use: tracks the running/ready Threads */
 139         Scheduler *scheduler;
 140
 141         bool sleep_can_read_from(ModelAction * curr, const ModelAction *write);
 142         bool thin_air_constraint_may_allow(const ModelAction * writer, const ModelAction *reader);
 143         bool mo_may_allow(const ModelAction * writer, const ModelAction *reader);
 144         bool has_asserted() {return asserted;}
 145         void reset_asserted() { asserted = false; }
 146         void set_assert() { asserted = true; }
 147         bool promises_expired() const;
 148         void execute_sleep_set();
 149         void wake_up_sleeping_actions(ModelAction * curr);
 150         modelclock_t get_next_seq_num();
 151
 152         void set_current_action(ModelAction *act);
 153         Thread * check_current_action(ModelAction *curr);
 154         bool initialize_curr_action(ModelAction **curr);
 155         bool process_read(ModelAction *curr, bool second_part_of_rmw);
 156         bool process_write(ModelAction *curr);
 157         bool process_mutex(ModelAction *curr);
 158         bool process_thread_action(ModelAction *curr);
 159         void process_relseq_fixup(ModelAction *curr, work_queue_t *work_queue);
 160         bool check_action_enabled(ModelAction *curr);
 161
 162         bool take_step();
 163
 164         void check_recency(ModelAction *curr, const ModelAction *rf);
 165         ModelAction * get_last_conflict(ModelAction *act);
 166         void set_backtracking(ModelAction *act);
 167         Thread * get_next_thread(ModelAction *curr);
 168         ModelAction * get_next_backtrack();
 169         void reset_to_initial_state();
 170         bool resolve_promises(ModelAction *curr);
 171         void compute_promises(ModelAction *curr);
 172         void compute_relseq_breakwrites(ModelAction *curr);
 173
 174         void check_curr_backtracking(ModelAction * curr);
 175         void add_action_to_lists(ModelAction *act);
 176         ModelAction * get_last_action(thread_id_t tid) const;
 177         ModelAction * get_last_seq_cst(ModelAction *curr) const;
 178         ModelAction * get_last_unlock(ModelAction *curr) const;
 179         void build_reads_from_past(ModelAction *curr);
 180         ModelAction * process_rmw(ModelAction *curr);
 181         void post_r_modification_order(ModelAction *curr, const ModelAction *rf);
 182         bool r_modification_order(ModelAction *curr, const ModelAction *rf);
 183         bool w_modification_order(ModelAction *curr);
 184         bool release_seq_heads(const ModelAction *rf, rel_heads_list_t *release_heads, struct release_seq *pending) const;
 185         bool resolve_release_sequences(void *location, work_queue_t *work_queue);
 186
 187         ModelAction *diverge;
 188         ModelAction *earliest_diverge;
 189
 190         ucontext_t system_context;
 191         action_list_t *action_trace;
 192         HashTable<int, Thread *, int> *thread_map;
 193
 194         /** Per-object list of actions. Maps an object (i.e., memory location)
 195          * to a trace of all actions performed on the object. */
 196         HashTable<const void *, action_list_t *, uintptr_t, 4> *obj_map;
 197
 198         /** Per-object list of actions. Maps an object (i.e., memory location)
 199          * to a trace of all actions performed on the object. */
 200         HashTable<const void *, action_list_t *, uintptr_t, 4> *lock_waiters_map;
 201
 202         /** Per-object list of actions. Maps an object (i.e., memory location)
 203          * to a trace of all actions performed on the object. */
 204         HashTable<const void *, action_list_t *, uintptr_t, 4> *condvar_waiters_map;
 205
 206         HashTable<void *, std::vector<action_list_t> *, uintptr_t, 4 > *obj_thrd_map;
 207         std::vector< Promise *, SnapshotAlloc<Promise *> > *promises;
 208         std::vector< struct PendingFutureValue, SnapshotAlloc<struct PendingFutureValue> > *futurevalues;
 209
 210         /**
 211          * List of pending release sequences. Release sequences might be
 212          * determined lazily as promises are fulfilled and modification orders
 213          * are established. Each entry in the list may only be partially
 214          * filled, depending on its pending status.
 215          */
 216         std::vector< struct release_seq *, SnapshotAlloc<struct release_seq *> > *pending_rel_seqs;
 217
 218         std::vector< ModelAction *, SnapshotAlloc<ModelAction *> > *thrd_last_action;
 219         NodeStack *node_stack;
 220
 221         /** Private data members that should be snapshotted. They are grouped
 222          * together for efficiency and maintainability. */
 223         struct model_snapshot_members *priv;
 224
 225         /** A special model-checker Thread; used for associating with
 226          *  model-checker-related ModelAcitons */
 227         Thread *model_thread;
 228
 229         /**
 230          * @brief The modification order graph
 231          *
 232          * A directed acyclic graph recording observations of the modification
 233          * order on all the atomic objects in the system. This graph should
 234          * never contain any cycles, as that represents a violation of the
 235          * memory model (total ordering). This graph really consists of many
 236          * disjoint (unconnected) subgraphs, each graph corresponding to a
 237          * separate ordering on a distinct object.
 238          *
 239          * The edges in this graph represent the "ordered before" relation,
 240          * such that <tt>a --> b</tt> means <tt>a</tt> was ordered before
 241          * <tt>b</tt>.
 242          */
 243         CycleGraph *mo_graph;
 244         bool failed_promise;
 245         bool too_many_reads;
 246         bool asserted;
 247         /** @brief Incorrectly-ordered synchronization was made */
 248         bool bad_synchronization;
 249
 250         /** @brief The cumulative execution stats */
 251         struct execution_stats stats;
 252         void record_stats();
 253
 254         bool have_bug_reports() const;
 255         void print_bugs() const;
 256         void print_execution(bool printbugs) const;
 257 };
 258
 259 extern ModelChecker *model;
 260
 261 #endif /* __MODEL_H__ */