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 <string.h>
   7 #include <errno.h>
   8 #include <sys/wait.h>
   9
  10 #include "hashtable.h"
  11 #include "snapshot.h"
  12 #include "mymemory.h"
  13 #include "common.h"
  14 #include "context.h"
  15
  16 /** PageAlignedAdressUpdate return a page aligned address for the
  17  * address being added as a side effect the numBytes are also changed.
  18  */
  19 static void * PageAlignAddressUpward(void *addr)
  20 {
  21         return (void *)((((uintptr_t)addr) + PAGESIZE - 1) & ~(PAGESIZE - 1));
  22 }
  23
  24 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
  25
  26 /* Each SnapShotRecord lists the firstbackingpage that must be written to
  27  * revert to that snapshot */
  28 struct SnapShotRecord {
  29         unsigned int firstBackingPage;
  30 };
  31
  32 /** @brief Backing store page */
  33 typedef unsigned char snapshot_page_t[PAGESIZE];
  34
  35 /* List the base address of the corresponding page in the backing store so we
  36  * know where to copy it to */
  37 struct BackingPageRecord {
  38         void *basePtrOfPage;
  39 };
  40
  41 /* Struct for each memory region */
  42 struct MemoryRegion {
  43         void *basePtr; // base of memory region
  44         int sizeInPages; // size of memory region in pages
  45 };
  46
  47 /** ReturnPageAlignedAddress returns a page aligned address for the
  48  * address being added as a side effect the numBytes are also changed.
  49  */
  50 static void * ReturnPageAlignedAddress(void *addr)
  51 {
  52         return (void *)(((uintptr_t)addr) & ~(PAGESIZE - 1));
  53 }
  54
  55 /* Primary struct for snapshotting system */
  56 struct mprot_snapshotter {
  57         mprot_snapshotter(unsigned int numbackingpages, unsigned int numsnapshots, unsigned int nummemoryregions);
  58         ~mprot_snapshotter();
  59
  60         struct MemoryRegion *regionsToSnapShot; //This pointer references an array of memory regions to snapshot
  61         snapshot_page_t *backingStore; //This pointer references an array of snapshotpage's that form the backing store
  62         void *backingStoreBasePtr; //This pointer references an array of snapshotpage's that form the backing store
  63         struct BackingPageRecord *backingRecords; //This pointer references an array of backingpagerecord's (same number of elements as backingstore
  64         struct SnapShotRecord *snapShots; //This pointer references the snapshot array
  65
  66         unsigned int lastSnapShot; //Stores the next snapshot record we should use
  67         unsigned int lastBackingPage; //Stores the next backingpage we should use
  68         unsigned int lastRegion; //Stores the next memory region to be used
  69
  70         unsigned int maxRegions; //Stores the max number of memory regions we support
  71         unsigned int maxBackingPages; //Stores the total number of backing pages
  72         unsigned int maxSnapShots; //Stores the total number of snapshots we allow
  73
  74         MEMALLOC
  75 };
  76
  77 static struct mprot_snapshotter *mprot_snap = NULL;
  78
  79 mprot_snapshotter::mprot_snapshotter(unsigned int backing_pages, unsigned int snapshots, unsigned int regions) :
  80         lastSnapShot(0),
  81         lastBackingPage(0),
  82         lastRegion(0),
  83         maxRegions(regions),
  84         maxBackingPages(backing_pages),
  85         maxSnapShots(snapshots)
  86 {
  87         regionsToSnapShot = (struct MemoryRegion *)model_malloc(sizeof(struct MemoryRegion) * regions);
  88         backingStoreBasePtr = (void *)model_malloc(sizeof(snapshot_page_t) * (backing_pages + 1));
  89         //Page align the backingstorepages
  90         backingStore = (snapshot_page_t *)PageAlignAddressUpward(backingStoreBasePtr);
  91         backingRecords = (struct BackingPageRecord *)model_malloc(sizeof(struct BackingPageRecord) * backing_pages);
  92         snapShots = (struct SnapShotRecord *)model_malloc(sizeof(struct SnapShotRecord) * snapshots);
  93 }
  94
  95 mprot_snapshotter::~mprot_snapshotter()
  96 {
  97         model_free(regionsToSnapShot);
  98         model_free(backingStoreBasePtr);
  99         model_free(backingRecords);
 100         model_free(snapShots);
 101 }
 102
 103 /** mprot_handle_pf is the page fault handler for mprotect based snapshotting
 104  * algorithm.
 105  */
 106 static void mprot_handle_pf(int sig, siginfo_t *si, void *unused)
 107 {
 108         if (si->si_code == SEGV_MAPERR) {
 109                 model_print("Real Fault at %p\n", si->si_addr);
 110                 print_trace();
 111                 model_print("For debugging, place breakpoint at: %s:%d\n",
 112                                 __FILE__, __LINE__);
 113                 exit(EXIT_FAILURE);
 114         }
 115         void* addr = ReturnPageAlignedAddress(si->si_addr);
 116
 117         unsigned int backingpage = mprot_snap->lastBackingPage++; //Could run out of pages...
 118         if (backingpage == mprot_snap->maxBackingPages) {
 119                 model_print("Out of backing pages at %p\n", si->si_addr);
 120                 exit(EXIT_FAILURE);
 121         }
 122
 123         //copy page
 124         memcpy(&(mprot_snap->backingStore[backingpage]), addr, sizeof(snapshot_page_t));
 125         //remember where to copy page back to
 126         mprot_snap->backingRecords[backingpage].basePtrOfPage = addr;
 127         //set protection to read/write
 128         if (mprotect(addr, sizeof(snapshot_page_t), PROT_READ | PROT_WRITE)) {
 129                 perror("mprotect");
 130                 // Handle error by quitting?
 131         }
 132 }
 133
 134 static void mprot_snapshot_init(unsigned int numbackingpages,
 135                 unsigned int numsnapshots, unsigned int nummemoryregions,
 136                 unsigned int numheappages, VoidFuncPtr entryPoint)
 137 {
 138         /* Setup a stack for our signal handler....  */
 139         stack_t ss;
 140         ss.ss_sp = PageAlignAddressUpward(model_malloc(SIGSTACKSIZE + PAGESIZE - 1));
 141         ss.ss_size = SIGSTACKSIZE;
 142         ss.ss_flags = 0;
 143         sigaltstack(&ss, NULL);
 144
 145         struct sigaction sa;
 146         sa.sa_flags = SA_SIGINFO | SA_NODEFER | SA_RESTART | SA_ONSTACK;
 147         sigemptyset(&sa.sa_mask);
 148         sa.sa_sigaction = mprot_handle_pf;
 149 #ifdef MAC
 150         if (sigaction(SIGBUS, &sa, NULL) == -1) {
 151                 model_print("SIGACTION CANNOT BE INSTALLED\n");
 152                 exit(EXIT_FAILURE);
 153         }
 154 #endif
 155         if (sigaction(SIGSEGV, &sa, NULL) == -1) {
 156                 model_print("SIGACTION CANNOT BE INSTALLED\n");
 157                 exit(EXIT_FAILURE);
 158         }
 159
 160         mprot_snap = new mprot_snapshotter(numbackingpages, numsnapshots, nummemoryregions);
 161
 162         // EVIL HACK: We need to make sure that calls into the mprot_handle_pf method don't cause dynamic links
 163         // The problem is that we end up protecting state in the dynamic linker...
 164         // Solution is to call our signal handler before we start protecting stuff...
 165
 166         siginfo_t si;
 167         memset(&si, 0, sizeof(si));
 168         si.si_addr = ss.ss_sp;
 169         mprot_handle_pf(SIGSEGV, &si, NULL);
 170         mprot_snap->lastBackingPage--; //remove the fake page we copied
 171
 172         void *basemySpace = model_malloc((numheappages + 1) * PAGESIZE);
 173         void *pagealignedbase = PageAlignAddressUpward(basemySpace);
 174         user_snapshot_space = create_mspace_with_base(pagealignedbase, numheappages * PAGESIZE, 1);
 175         snapshot_add_memory_region(pagealignedbase, numheappages);
 176
 177         void *base_model_snapshot_space = model_malloc((numheappages + 1) * PAGESIZE);
 178         pagealignedbase = PageAlignAddressUpward(base_model_snapshot_space);
 179         model_snapshot_space = create_mspace_with_base(pagealignedbase, numheappages * PAGESIZE, 1);
 180         snapshot_add_memory_region(pagealignedbase, numheappages);
 181
 182         entryPoint();
 183 }
 184
 185 static void mprot_add_to_snapshot(void *addr, unsigned int numPages)
 186 {
 187         unsigned int memoryregion = mprot_snap->lastRegion++;
 188         if (memoryregion == mprot_snap->maxRegions) {
 189                 model_print("Exceeded supported number of memory regions!\n");
 190                 exit(EXIT_FAILURE);
 191         }
 192
 193         mprot_snap->regionsToSnapShot[memoryregion].basePtr = addr;
 194         mprot_snap->regionsToSnapShot[memoryregion].sizeInPages = numPages;
 195 }
 196
 197 static snapshot_id mprot_take_snapshot()
 198 {
 199         for (unsigned int region = 0; region < mprot_snap->lastRegion; region++) {
 200                 if (mprotect(mprot_snap->regionsToSnapShot[region].basePtr, mprot_snap->regionsToSnapShot[region].sizeInPages * sizeof(snapshot_page_t), PROT_READ) == -1) {
 201                         perror("mprotect");
 202                         model_print("Failed to mprotect inside of takeSnapShot\n");
 203                         exit(EXIT_FAILURE);
 204                 }
 205         }
 206         unsigned int snapshot = mprot_snap->lastSnapShot++;
 207         if (snapshot == mprot_snap->maxSnapShots) {
 208                 model_print("Out of snapshots\n");
 209                 exit(EXIT_FAILURE);
 210         }
 211         mprot_snap->snapShots[snapshot].firstBackingPage = mprot_snap->lastBackingPage;
 212
 213         return snapshot;
 214 }
 215
 216 static void mprot_roll_back(snapshot_id theID)
 217 {
 218 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT == 2
 219         if (mprot_snap->lastSnapShot == (theID + 1)) {
 220                 for (unsigned int page = mprot_snap->snapShots[theID].firstBackingPage; page < mprot_snap->lastBackingPage; page++) {
 221                         memcpy(mprot_snap->backingRecords[page].basePtrOfPage, &mprot_snap->backingStore[page], sizeof(snapshot_page_t));
 222                 }
 223                 return;
 224         }
 225 #endif
 226
 227         HashTable< void *, bool, uintptr_t, 4, model_malloc, model_calloc, model_free> duplicateMap;
 228         for (unsigned int region = 0; region < mprot_snap->lastRegion; region++) {
 229                 if (mprotect(mprot_snap->regionsToSnapShot[region].basePtr, mprot_snap->regionsToSnapShot[region].sizeInPages * sizeof(snapshot_page_t), PROT_READ | PROT_WRITE) == -1) {
 230                         perror("mprotect");
 231                         model_print("Failed to mprotect inside of takeSnapShot\n");
 232                         exit(EXIT_FAILURE);
 233                 }
 234         }
 235         for (unsigned int page = mprot_snap->snapShots[theID].firstBackingPage; page < mprot_snap->lastBackingPage; page++) {
 236                 if (!duplicateMap.contains(mprot_snap->backingRecords[page].basePtrOfPage)) {
 237                         duplicateMap.put(mprot_snap->backingRecords[page].basePtrOfPage, true);
 238                         memcpy(mprot_snap->backingRecords[page].basePtrOfPage, &mprot_snap->backingStore[page], sizeof(snapshot_page_t));
 239                 }
 240         }
 241         mprot_snap->lastSnapShot = theID;
 242         mprot_snap->lastBackingPage = mprot_snap->snapShots[theID].firstBackingPage;
 243         mprot_take_snapshot(); //Make sure current snapshot is still good...All later ones are cleared
 244 }
 245
 246 #else /* !USE_MPROTECT_SNAPSHOT */
 247
 248 #define SHARED_MEMORY_DEFAULT  (100 * ((size_t)1 << 20)) // 100mb for the shared memory
 249 #define STACK_SIZE_DEFAULT      (((size_t)1 << 20) * 20)  // 20 mb out of the above 100 mb for my stack
 250
 251 struct fork_snapshotter {
 252         void *mSharedMemoryBase;
 253         void *mStackBase;
 254         size_t mStackSize;
 255         volatile snapshot_id mIDToRollback;
 256         ucontext_t mContextToRollback;
 257         snapshot_id currSnapShotID;
 258 };
 259
 260 static struct fork_snapshotter *fork_snap = NULL;
 261
 262 /** @statics
 263 *   These variables are necessary because the stack is shared region and
 264 *   there exists a race between all processes executing the same function.
 265 *   To avoid the problem above, we require variables allocated in 'safe' regions.
 266 *   The bug was actually observed with the forkID, these variables below are
 267 *   used to indicate the various contexts to which to switch to.
 268 *
 269 *   @savedSnapshotContext: contains the point to which takesnapshot() call should switch to.
 270 *   @savedUserSnapshotContext: contains the point to which the process whose snapshotid is equal to the rollbackid should switch to
 271 *   @snapshotid: it is a running counter for the various forked processes snapshotid. it is incremented and set in a persistently shared record
 272 */
 273 static ucontext_t savedSnapshotContext;
 274 static ucontext_t savedUserSnapshotContext;
 275 static snapshot_id snapshotid = 0;
 276
 277 static void createSharedMemory()
 278 {
 279         //step 1. create shared memory.
 280         void *memMapBase = mmap(0, SHARED_MEMORY_DEFAULT + STACK_SIZE_DEFAULT, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANON, -1, 0);
 281         if (memMapBase == MAP_FAILED) {
 282                 perror("mmap");
 283                 exit(EXIT_FAILURE);
 284         }
 285
 286         //Setup snapshot record at top of free region
 287         fork_snap = (struct fork_snapshotter *)memMapBase;
 288         fork_snap->mSharedMemoryBase = (void *)((uintptr_t)memMapBase + sizeof(struct fork_snapshotter));
 289         fork_snap->mStackBase = (void *)((uintptr_t)memMapBase + SHARED_MEMORY_DEFAULT);
 290         fork_snap->mStackSize = STACK_SIZE_DEFAULT;
 291         fork_snap->mIDToRollback = -1;
 292         fork_snap->currSnapShotID = 0;
 293 }
 294
 295 /**
 296  * Create a new mspace pointer for the non-snapshotting (i.e., inter-process
 297  * shared) memory region. Only for fork-based snapshotting.
 298  *
 299  * @return The shared memory mspace
 300  */
 301 mspace create_shared_mspace()
 302 {
 303         if (!fork_snap)
 304                 createSharedMemory();
 305         return create_mspace_with_base((void *)(fork_snap->mSharedMemoryBase), SHARED_MEMORY_DEFAULT - sizeof(struct fork_snapshotter), 1);
 306 }
 307
 308 static void fork_snapshot_init(unsigned int numbackingpages,
 309                 unsigned int numsnapshots, unsigned int nummemoryregions,
 310                 unsigned int numheappages, VoidFuncPtr entryPoint)
 311 {
 312         if (!fork_snap)
 313                 createSharedMemory();
 314
 315         void *base_model_snapshot_space = malloc((numheappages + 1) * PAGESIZE);
 316         void *pagealignedbase = PageAlignAddressUpward(base_model_snapshot_space);
 317         model_snapshot_space = create_mspace_with_base(pagealignedbase, numheappages * PAGESIZE, 1);
 318
 319         //step 2 setup the stack context.
 320         ucontext_t newContext;
 321         getcontext(&newContext);
 322         newContext.uc_stack.ss_sp = fork_snap->mStackBase;
 323         newContext.uc_stack.ss_size = STACK_SIZE_DEFAULT;
 324         makecontext(&newContext, entryPoint, 0);
 325         /* switch to a new entryPoint context, on a new stack */
 326         model_swapcontext(&savedSnapshotContext, &newContext);
 327
 328         /* switch back here when takesnapshot is called */
 329         pid_t forkedID = 0;
 330         snapshotid = fork_snap->currSnapShotID;
 331         /* This bool indicates that the current process's snapshotid is same
 332                  as the id to which the rollback needs to occur */
 333
 334         bool rollback = false;
 335         while (true) {
 336                 fork_snap->currSnapShotID = snapshotid + 1;
 337                 forkedID = fork();
 338
 339                 if (0 == forkedID) {
 340                         /* If the rollback bool is set, switch to the context we need to
 341                                  return to during a rollback. */
 342                         if (rollback) {
 343                                 setcontext(&(fork_snap->mContextToRollback));
 344                         } else {
 345                                 /*Child process which is forked as a result of takesnapshot
 346                                         call should switch back to the takesnapshot context*/
 347                                 setcontext(&savedUserSnapshotContext);
 348                         }
 349                 } else {
 350                         DEBUG("parent PID: %d, child PID: %d, snapshot ID: %d\n",
 351                                 getpid(), forkedID, snapshotid);
 352
 353                         while (waitpid(forkedID, NULL, 0) < 0) {
 354                                 /* waitpid() may be interrupted */
 355                                 if (errno != EINTR) {
 356                                         perror("waitpid");
 357                                         exit(EXIT_FAILURE);
 358                                 }
 359                         }
 360
 361                         if (fork_snap->mIDToRollback != snapshotid)
 362                                 exit(EXIT_SUCCESS);
 363                         rollback = true;
 364                 }
 365         }
 366 }
 367
 368 static snapshot_id fork_take_snapshot()
 369 {
 370         model_swapcontext(&savedUserSnapshotContext, &savedSnapshotContext);
 371         DEBUG("TAKESNAPSHOT RETURN\n");
 372         return snapshotid;
 373 }
 374
 375 static void fork_roll_back(snapshot_id theID)
 376 {
 377         fork_snap->mIDToRollback = theID;
 378         volatile int sTemp = 0;
 379         getcontext(&fork_snap->mContextToRollback);
 380         /*
 381          * This is used to quit the process on rollback, so that the process
 382          * which needs to rollback can quit allowing the process whose
 383          * snapshotid matches the rollbackid to switch to this context and
 384          * continue....
 385          */
 386         if (!sTemp) {
 387                 sTemp = 1;
 388                 DEBUG("Invoked rollback\n");
 389                 exit(EXIT_SUCCESS);
 390         }
 391         /*
 392          * This fix obviates the need for a finalize call. hence less dependences for model-checker....
 393          */
 394         fork_snap->mIDToRollback = -1;
 395 }
 396
 397 #endif /* !USE_MPROTECT_SNAPSHOT */
 398
 399 /**
 400  * @brief Initializes the snapshot system
 401  * @param entryPoint the function that should run the program.
 402  */
 403 void snapshot_system_init(unsigned int numbackingpages,
 404                 unsigned int numsnapshots, unsigned int nummemoryregions,
 405                 unsigned int numheappages, VoidFuncPtr entryPoint)
 406 {
 407 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
 408         mprot_snapshot_init(numbackingpages, numsnapshots, nummemoryregions, numheappages, entryPoint);
 409 #else
 410         fork_snapshot_init(numbackingpages, numsnapshots, nummemoryregions, numheappages, entryPoint);
 411 #endif
 412 }
 413
 414 /** Assumes that addr is page aligned. */
 415 void snapshot_add_memory_region(void *addr, unsigned int numPages)
 416 {
 417 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
 418         mprot_add_to_snapshot(addr, numPages);
 419 #else
 420         /* not needed for fork-based snapshotting */
 421 #endif
 422 }
 423
 424 /** Takes a snapshot of memory.
 425  * @return The snapshot identifier.
 426  */
 427 snapshot_id take_snapshot()
 428 {
 429 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
 430         return mprot_take_snapshot();
 431 #else
 432         return fork_take_snapshot();
 433 #endif
 434 }
 435
 436 /** Rolls the memory state back to the given snapshot identifier.
 437  *  @param theID is the snapshot identifier to rollback to.
 438  */
 439 void snapshot_roll_back(snapshot_id theID)
 440 {
 441 #if USE_MPROTECT_SNAPSHOT
 442         mprot_roll_back(theID);
 443 #else
 444         fork_roll_back(theID);
 445 #endif
 446 }