snapshot.cc

   1 #include <inttypes.h>
   2 #include <sys/mman.h>
   3 #include <unistd.h>
   4 #include <signal.h>
   5 #include <stdlib.h>
   6 #include "hashtable.h"
   7 #include <cstring>
   8 #include <cstdio>
   9 #include "snapshot.h"
  10 #include "snapshotimp.h"
  11 #include "mymemory.h"
  12 #include <fcntl.h>
  13 #include <assert.h>
  14 #include <pthread.h>
  15 #include <semaphore.h>
  16 #include <errno.h>
  17 #include <sys/wait.h>
  18 #include <ucontext.h>
  19
  20 #define FAILURE(mesg) { printf("failed in the API: %s with errno relative message: %s\n", mesg, strerror( errno ) ); exit(EXIT_FAILURE); }
  21
  22 #ifdef CONFIG_SSDEBUG
  23 #define SSDEBUG         printf
  24 #else
  25 #define SSDEBUG(...)    do { } while (0)
  26 #endif
  27
  28 /* extern declaration definition */
  29 struct SnapShot * snapshotrecord = NULL;
  30
  31 #if !USE_MPROTECT_SNAPSHOT
  32 /** @statics
  33 *   These variables are necessary because the stack is shared region and
  34 *   there exists a race between all processes executing the same function.
  35 *   To avoid the problem above, we require variables allocated in 'safe' regions.
  36 *   The bug was actually observed with the forkID, these variables below are
  37 *   used to indicate the various contexts to which to switch to.
  38 *
  39 *   @savedSnapshotContext: contains the point to which takesnapshot() call should switch to.
  40 *   @savedUserSnapshotContext: contains the point to which the process whose snapshotid is equal to the rollbackid should switch to
  41 *   @snapshotid: it is a running counter for the various forked processes snapshotid. it is incremented and set in a persistently shared record
  42 */
  43 static ucontext_t savedSnapshotContext;
  44 static ucontext_t savedUserSnapshotContext;
  45 static snapshot_id snapshotid = 0;
  46 #endif
  47
  48 /** PageAlignedAdressUpdate return a page aligned address for the
  49  * address being added as a side effect the numBytes are also changed.
  50  */
  51 static void * PageAlignAddressUpward(void * addr) {
  52         return (void *)((((uintptr_t)addr)+PAGESIZE-1)&~(PAGESIZE-1));
  53 }
  54
  55 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
  56
  57 /** ReturnPageAlignedAddress returns a page aligned address for the
  58  * address being added as a side effect the numBytes are also changed.
  59  */
  60 static void * ReturnPageAlignedAddress(void * addr) {
  61         return (void *)(((uintptr_t)addr)&~(PAGESIZE-1));
  62 }
  63
  64 /** The initSnapShotRecord method initialized the snapshotting data
  65  *  structures for the mprotect based snapshot.
  66  */
  67 static void initSnapShotRecord(unsigned int numbackingpages, unsigned int numsnapshots, unsigned int nummemoryregions) {
  68         snapshotrecord=( struct SnapShot * )MYMALLOC(sizeof(struct SnapShot));
  69         snapshotrecord->regionsToSnapShot=( struct MemoryRegion * )MYMALLOC(sizeof(struct MemoryRegion)*nummemoryregions);
  70         snapshotrecord->backingStoreBasePtr= ( struct SnapShotPage * )MYMALLOC( sizeof( struct SnapShotPage ) * (numbackingpages + 1) );
  71         //Page align the backingstorepages
  72         snapshotrecord->backingStore=( struct SnapShotPage * )PageAlignAddressUpward(snapshotrecord->backingStoreBasePtr);
  73         snapshotrecord->backingRecords=( struct BackingPageRecord * )MYMALLOC(sizeof(struct BackingPageRecord)*numbackingpages);
  74         snapshotrecord->snapShots= ( struct SnapShotRecord * )MYMALLOC(sizeof(struct SnapShotRecord)*numsnapshots);
  75         snapshotrecord->lastSnapShot=0;
  76         snapshotrecord->lastBackingPage=0;
  77         snapshotrecord->lastRegion=0;
  78         snapshotrecord->maxRegions=nummemoryregions;
  79         snapshotrecord->maxBackingPages=numbackingpages;
  80         snapshotrecord->maxSnapShots=numsnapshots;
  81 }
  82
  83 /** HandlePF is the page fault handler for mprotect based snapshotting
  84  * algorithm.
  85  */
  86 static void HandlePF( int sig, siginfo_t *si, void * unused){
  87         if( si->si_code == SEGV_MAPERR ){
  88                 printf("Real Fault at %p\n", si->si_addr);
  89                 exit( EXIT_FAILURE );
  90         }
  91         void* addr = ReturnPageAlignedAddress(si->si_addr);
  92
  93         unsigned int backingpage=snapshotrecord->lastBackingPage++; //Could run out of pages...
  94         if (backingpage==snapshotrecord->maxBackingPages) {
  95                 printf("Out of backing pages at %p\n", si->si_addr);
  96                 exit( EXIT_FAILURE );
  97         }
  98
  99         //copy page
 100         memcpy(&(snapshotrecord->backingStore[backingpage]), addr, sizeof(struct SnapShotPage));
 101         //remember where to copy page back to
 102         snapshotrecord->backingRecords[backingpage].basePtrOfPage=addr;
 103         //set protection to read/write
 104         if (mprotect( addr, sizeof(struct SnapShotPage), PROT_READ | PROT_WRITE )) {
 105                 perror("mprotect");
 106                 // Handle error by quitting?
 107         }
 108 }
 109 #endif //nothing to handle for non snapshotting case.
 110
 111 #if !USE_MPROTECT_SNAPSHOT
 112 void createSharedMemory(){
 113         //step 1. create shared memory.
 114         void * memMapBase = mmap( 0, SHARED_MEMORY_DEFAULT + STACK_SIZE_DEFAULT, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0 );
 115         if( MAP_FAILED == memMapBase )
 116                 FAILURE("mmap");
 117
 118         //Setup snapshot record at top of free region
 119         snapshotrecord = ( struct SnapShot * )memMapBase;
 120         snapshotrecord->mSharedMemoryBase = (void *)((uintptr_t)memMapBase + sizeof(struct SnapShot));
 121         snapshotrecord->mStackBase = (void *)((uintptr_t)memMapBase + SHARED_MEMORY_DEFAULT);
 122         snapshotrecord->mStackSize = STACK_SIZE_DEFAULT;
 123         snapshotrecord->mIDToRollback = -1;
 124         snapshotrecord->currSnapShotID = 0;
 125 }
 126 #endif
 127
 128
 129 /** The initSnapShotLibrary function initializes the Snapshot library.
 130  *  @param entryPoint the function that should run the program.
 131  */
 132 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
 133
 134 void initSnapShotLibrary(unsigned int numbackingpages,
 135                 unsigned int numsnapshots, unsigned int nummemoryregions,
 136                 unsigned int numheappages, VoidFuncPtr entryPoint) {
 137         /* Setup a stack for our signal handler....  */
 138         stack_t ss;
 139         ss.ss_sp = MYMALLOC(SIGSTACKSIZE);
 140         ss.ss_size = SIGSTACKSIZE;
 141         ss.ss_flags = 0;
 142         sigaltstack(&ss, NULL);
 143
 144         struct sigaction sa;
 145         sa.sa_flags = SA_SIGINFO | SA_NODEFER | SA_RESTART | SA_ONSTACK;
 146         sigemptyset( &sa.sa_mask );
 147         sa.sa_sigaction = HandlePF;
 148 #ifdef MAC
 149         if( sigaction( SIGBUS, &sa, NULL ) == -1 ){
 150                 printf("SIGACTION CANNOT BE INSTALLED\n");
 151                 exit(EXIT_FAILURE);
 152         }
 153 #endif
 154         if( sigaction( SIGSEGV, &sa, NULL ) == -1 ){
 155                 printf("SIGACTION CANNOT BE INSTALLED\n");
 156                 exit(EXIT_FAILURE);
 157         }
 158
 159         initSnapShotRecord(numbackingpages, numsnapshots, nummemoryregions);
 160
 161         // EVIL HACK: We need to make sure that calls into the HandlePF method don't cause dynamic links
 162         // The problem is that we end up protecting state in the dynamic linker...
 163         // Solution is to call our signal handler before we start protecting stuff...
 164
 165         siginfo_t si;
 166         memset(&si, 0, sizeof(si));
 167         si.si_addr=ss.ss_sp;
 168         HandlePF(SIGSEGV, &si, NULL);
 169         snapshotrecord->lastBackingPage--; //remove the fake page we copied
 170
 171         basemySpace=MYMALLOC((numheappages+1)*PAGESIZE);
 172         void * pagealignedbase=PageAlignAddressUpward(basemySpace);
 173         mySpace = create_mspace_with_base(pagealignedbase,  numheappages*PAGESIZE, 1 );
 174         addMemoryRegionToSnapShot(pagealignedbase, numheappages);
 175         entryPoint();
 176 }
 177 #else
 178 void initSnapShotLibrary(unsigned int numbackingpages,
 179                 unsigned int numsnapshots, unsigned int nummemoryregions,
 180                 unsigned int numheappages, VoidFuncPtr entryPoint) {
 181         basemySpace=system_malloc((numheappages+1)*PAGESIZE);
 182         void * pagealignedbase=PageAlignAddressUpward(basemySpace);
 183         mySpace = create_mspace_with_base(pagealignedbase,  numheappages*PAGESIZE, 1 );
 184         if (!snapshotrecord)
 185                 createSharedMemory();
 186
 187         //step 2 setup the stack context.
 188         ucontext_t newContext;
 189         getcontext( &newContext );
 190         newContext.uc_stack.ss_sp = snapshotrecord->mStackBase;
 191         newContext.uc_stack.ss_size = STACK_SIZE_DEFAULT;
 192         makecontext( &newContext, entryPoint, 0 );
 193         /* switch to a new entryPoint context, on a new stack */
 194         swapcontext(&savedSnapshotContext, &newContext);
 195
 196         /* switch back here when takesnapshot is called */
 197         pid_t forkedID = 0;
 198         snapshotid = snapshotrecord->currSnapShotID;
 199         /* This bool indicates that the current process's snapshotid is same
 200                  as the id to which the rollback needs to occur */
 201
 202         bool rollback = false;
 203         while( true ){
 204                 snapshotrecord->currSnapShotID=snapshotid+1;
 205                 forkedID = fork();
 206
 207                 if( 0 == forkedID ){
 208                         /* If the rollback bool is set, switch to the context we need to
 209                                  return to during a rollback. */
 210                         if( rollback) {
 211                                 setcontext( &( snapshotrecord->mContextToRollback ) );
 212                         } else {
 213                                 /*Child process which is forked as a result of takesnapshot
 214                                         call should switch back to the takesnapshot context*/
 215                                 setcontext( &savedUserSnapshotContext );
 216                         }
 217                 } else {
 218                         int status;
 219                         int retVal;
 220
 221                         SSDEBUG("The process id of child is %d and the process id of this process is %d and snapshot id is %d\n",
 222                                 forkedID, getpid(), snapshotid );
 223
 224                         do {
 225                                 retVal=waitpid( forkedID, &status, 0 );
 226                         } while( -1 == retVal && errno == EINTR );
 227
 228                         if( snapshotrecord->mIDToRollback != snapshotid ) {
 229                                 exit(EXIT_SUCCESS);
 230                         }
 231                         rollback = true;
 232                 }
 233         }
 234 }
 235 #endif
 236
 237 /** The addMemoryRegionToSnapShot function assumes that addr is page aligned.
 238  */
 239 void addMemoryRegionToSnapShot( void * addr, unsigned int numPages) {
 240 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
 241         unsigned int memoryregion=snapshotrecord->lastRegion++;
 242         if (memoryregion==snapshotrecord->maxRegions) {
 243                 printf("Exceeded supported number of memory regions!\n");
 244                 exit(EXIT_FAILURE);
 245         }
 246
 247         snapshotrecord->regionsToSnapShot[ memoryregion ].basePtr=addr;
 248         snapshotrecord->regionsToSnapShot[ memoryregion ].sizeInPages=numPages;
 249 #endif //NOT REQUIRED IN THE CASE OF FORK BASED SNAPSHOTS.
 250 }
 251
 252 /** The takeSnapshot function takes a snapshot.
 253  * @return The snapshot identifier.
 254  */
 255 snapshot_id takeSnapshot( ){
 256 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
 257         for(unsigned int region=0; region<snapshotrecord->lastRegion;region++) {
 258                 if( mprotect(snapshotrecord->regionsToSnapShot[region].basePtr, snapshotrecord->regionsToSnapShot[region].sizeInPages*sizeof(struct SnapShotPage), PROT_READ ) == -1 ){
 259                         perror("mprotect");
 260                         printf("Failed to mprotect inside of takeSnapShot\n");
 261                         exit(EXIT_FAILURE);
 262                 }
 263         }
 264         unsigned int snapshot=snapshotrecord->lastSnapShot++;
 265         if (snapshot==snapshotrecord->maxSnapShots) {
 266                 printf("Out of snapshots\n");
 267                 exit(EXIT_FAILURE);
 268         }
 269         snapshotrecord->snapShots[snapshot].firstBackingPage=snapshotrecord->lastBackingPage;
 270
 271         return snapshot;
 272 #else
 273         swapcontext( &savedUserSnapshotContext, &savedSnapshotContext );
 274         SSDEBUG("TAKESNAPSHOT RETURN\n");
 275         return snapshotid;
 276 #endif
 277 }
 278
 279 /** The rollBack function rollback to the given snapshot identifier.
 280  *  @param theID is the snapshot identifier to rollback to.
 281  */
 282 void rollBack( snapshot_id theID ){
 283 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
 284         HashTable< void *, bool, uintptr_t, 4, MYMALLOC, MYCALLOC, MYFREE> duplicateMap;
 285         for(unsigned int region=0; region<snapshotrecord->lastRegion;region++) {
 286                 if( mprotect(snapshotrecord->regionsToSnapShot[region].basePtr, snapshotrecord->regionsToSnapShot[region].sizeInPages*sizeof(struct SnapShotPage), PROT_READ | PROT_WRITE ) == -1 ){
 287                         perror("mprotect");
 288                         printf("Failed to mprotect inside of takeSnapShot\n");
 289                         exit(EXIT_FAILURE);
 290                 }
 291         }
 292         for(unsigned int page=snapshotrecord->snapShots[theID].firstBackingPage; page<snapshotrecord->lastBackingPage; page++) {
 293                 if( !duplicateMap.contains(snapshotrecord->backingRecords[page].basePtrOfPage )) {
 294                         duplicateMap.put(snapshotrecord->backingRecords[page].basePtrOfPage, true);
 295                         memcpy(snapshotrecord->backingRecords[page].basePtrOfPage, &snapshotrecord->backingStore[page], sizeof(struct SnapShotPage));
 296                 }
 297         }
 298         snapshotrecord->lastSnapShot=theID;
 299         snapshotrecord->lastBackingPage=snapshotrecord->snapShots[theID].firstBackingPage;
 300         takeSnapshot(); //Make sure current snapshot is still good...All later ones are cleared
 301 #else
 302         snapshotrecord->mIDToRollback = theID;
 303         volatile int sTemp = 0;
 304         getcontext( &snapshotrecord->mContextToRollback );
 305         /*
 306          * This is used to quit the process on rollback, so that the process
 307          * which needs to rollback can quit allowing the process whose
 308          * snapshotid matches the rollbackid to switch to this context and
 309          * continue....
 310          */
 311         if( !sTemp ){
 312                 sTemp = 1;
 313                 SSDEBUG("Invoked rollback\n");
 314                 exit(EXIT_SUCCESS);
 315         }
 316         /*
 317          * This fix obviates the need for a finalize call. hence less dependences for model-checker....
 318          *
 319          */
 320         snapshotrecord->mIDToRollback = -1;
 321 #endif
 322 }
 323