基于回放分析的并發(fā)錯(cuò)誤重現(xiàn)與檢測(cè).pdf

1、隨著多線程等并發(fā)技術(shù)的發(fā)展,多線程編程技術(shù)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于實(shí)際中。多線程技術(shù)通過(guò)提高CPU的利用率,減少資源的浪費(fèi),從而大大提高了程序執(zhí)行的效率。各種編程語(yǔ)言,如Java, C++等,也提出了各自的并發(fā)編程模型。這些并發(fā)編程模型,也被越來(lái)越多地應(yīng)用于實(shí)際的開發(fā)之中,并且被證明可以極大地提高程序運(yùn)行速度。但是與此同時(shí),并發(fā)程序也由于其執(zhí)行行為的不確定性,在發(fā)生錯(cuò)誤后很難被開發(fā)人員定位；而錯(cuò)誤發(fā)生后也往往需要花費(fèi)開發(fā)人員大量的時(shí)間來(lái)重現(xiàn)

2、錯(cuò)誤發(fā)生的場(chǎng)景。典型的如數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)(Data Race),死鎖(Deadlock)以及操作原子性的違反(Atomicity Violation),這些并發(fā)程序獨(dú)有的錯(cuò)誤大大增加了測(cè)試及修正并發(fā)程序的難度?；谝陨蠋c(diǎn),很大一部分傳統(tǒng)的程序測(cè)試方法在并發(fā)程序中并不適用。而線程間調(diào)度的不可確定性,也對(duì)并發(fā)程序的測(cè)試提出了新的要求。為了更加方便地調(diào)試并發(fā)程序,記錄及回放(Record & Replay)的方法被引入到了并發(fā)程序的測(cè)試之中。對(duì)于并

3、發(fā)程序的記錄及回放,目前存在兩種方法：基于內(nèi)容(Content-based)的以及基于順序(Order-based)的方法?；趦?nèi)容的方法可以準(zhǔn)確地重現(xiàn)對(duì)于內(nèi)存的讀寫內(nèi)容,而基于順序的方法則關(guān)注于線程間(inter-thread)事件的執(zhí)行順序。這兩種方法有各自的優(yōu)點(diǎn)及局限性：基于內(nèi)容的方法由于內(nèi)存讀寫數(shù)量的巨大,往往會(huì)生成過(guò)大的記錄文件；而基于順序的記錄回放方法則需要線程執(zhí)行過(guò)程中準(zhǔn)確地重現(xiàn)線程間所有事件的執(zhí)行順序。對(duì)于并發(fā)程序中的程

4、序錯(cuò)誤(Software Bugs),目前已有的方法主要是通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的壓力測(cè)試(Stress Testing)重現(xiàn)錯(cuò)誤。但是這樣的方法除了需要耗費(fèi)大量的時(shí)間以外,也無(wú)法保證能重現(xiàn)特定的并發(fā)錯(cuò)誤?；谝陨系男枨?本文特別關(guān)注于并發(fā)程序中對(duì)于程序錯(cuò)誤的記錄及確定性的回放。使用Soot對(duì)Java字節(jié)碼進(jìn)行插裝,將在原始程序的基礎(chǔ)上生成兩個(gè)版本的程序：記錄及回放版本。運(yùn)行記錄版本的程序,將在程序運(yùn)行同時(shí)記錄下線程間事件的執(zhí)行邏輯順序。通過(guò)研究及

5、擴(kuò)展單線程程序錯(cuò)誤重現(xiàn)架構(gòu),本文提出了工具ConCrash以在并發(fā)程序崩潰后自動(dòng)生成多線程的測(cè)試用例以及程序運(yùn)行的邏輯時(shí)鐘順序記錄文件。通過(guò)運(yùn)行這些測(cè)試用例并調(diào)用回放版本的程序,并發(fā)程序的崩潰場(chǎng)景可以被確定性地重現(xiàn)。本文的主要貢獻(xiàn)在于以下幾點(diǎn)：提出了一個(gè)輕量級(jí)及可擴(kuò)展的對(duì)于多線程程序錯(cuò)誤的捕捉重現(xiàn)技術(shù),并可以同時(shí)與其他靜態(tài)分析的前端技術(shù)相結(jié)合。實(shí)現(xiàn)了基于Java語(yǔ)言的原型,ConCrash,并且可以在程序崩潰后自動(dòng)生成模擬多線程場(chǎng)景的J