本發(fā)明涉及軟件測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于約束求解的原子違背探測方法。

背景技術(shù)：

隨著多核處理器的普及，并發(fā)編程技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。由于并發(fā)程序的執(zhí)行交織空間大、運(yùn)行不確定，并發(fā)程序錯(cuò)誤的測試、調(diào)試以及修復(fù)十分困難。其中，原子違背是其中最常見的并發(fā)錯(cuò)誤，約占非死鎖類型并發(fā)錯(cuò)誤的65％?，F(xiàn)有的原子違背探測技術(shù)大致分為三類：靜態(tài)探測技術(shù)、運(yùn)行時(shí)監(jiān)測技術(shù)和運(yùn)行時(shí)預(yù)測技術(shù)。其中，靜態(tài)探測技術(shù)可在程序源代碼級(jí)別識(shí)別出潛在的原子違背錯(cuò)誤，但其無法處理鎖以外的其他類型的同步原語，誤檢率高。運(yùn)行時(shí)監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測并發(fā)程序執(zhí)行，探測在程序?qū)嶋H執(zhí)行中暴露出的原子違背錯(cuò)誤，其誤檢率低，但漏檢率高。運(yùn)行時(shí)預(yù)測技術(shù)通過對程序執(zhí)行序列進(jìn)行分析和處理，可探測出隱藏在程序執(zhí)行序列中尚未暴露的原子違背。然而，現(xiàn)有很多運(yùn)行時(shí)預(yù)測技術(shù)或者由于采用了保守的并發(fā)程序模型，其探測結(jié)果具有較高的誤檢率，或者由于搜索交織空間有限，具有較高的漏檢率。

若某執(zhí)行軌跡至少滿足Happened-Before和鎖保護(hù)兩個(gè)約束，則稱其為合法軌跡。其中，Happened-Before關(guān)系約束，包含以下三個(gè)方面：

●若事件e_i,e_j屬于同一線程，且e_i發(fā)生在e_j之前，那么在任何情況下e_i都在e_j之前執(zhí)行；

●若事件e_i開啟了e_j所在的線程，那么e_i必須在e_j前發(fā)生；

●若事件e_j等待來在e_i發(fā)送的信息，那么e_i在e_j前發(fā)生；

鎖約束(Lock Constraint)：每一個(gè)鎖對(acquire-release)都不能與其他操作同一鎖變量的鎖對產(chǎn)生交織，即在任何情況下對于任何一個(gè)鎖只能被一個(gè)線程擁有，以保證互斥訪問。

對同一共享變量進(jìn)行訪問的原子違背有如下五種模式，如表1，其中t_i表示線程，R_i,W_j分別表示線程t_i的讀事件與寫事件，m表示事件所存取的內(nèi)存位置。

表1：原子違背的各種模式

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于約束求解的原子違背探測方法，將原子違背的探測問題轉(zhuǎn)化為約束等式的求解問題，可有效降低原子違背探測的誤檢率，提高其探測能力。

為實(shí)現(xiàn)上述方面目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于約束求解的原子違背探測方法，利用并發(fā)程序原始執(zhí)行軌跡，結(jié)合原子違背的各種錯(cuò)誤模式，建立原始執(zhí)行軌跡中事件之間執(zhí)行先后順序的約束關(guān)系，并求解，當(dāng)約束有解時(shí)，該解對應(yīng)的新的執(zhí)行軌跡中存在原子違背現(xiàn)象，當(dāng)約束無解時(shí)，則不存在原子違背現(xiàn)象。

進(jìn)一步的，包括以下步驟：

步驟1)：記錄原始執(zhí)行軌跡：

步驟11)：對原始程序進(jìn)行插樁，以便在運(yùn)行時(shí)記錄需要的執(zhí)行軌跡信息；

步驟12)：執(zhí)行原始程序，記錄執(zhí)行軌跡，一個(gè)執(zhí)行軌跡是一個(gè)事件序列，表示為δ＝<e₁,e₂,…e_i,…,e_n>，其中每個(gè)事件e_i包含下列屬性：

t_i：事件e_i所屬的線程；

m_i：事件e_i所存取的內(nèi)存位置；

l_i：當(dāng)事件e_i執(zhí)行時(shí)，其所擁有的鎖；

a_i：事件e_i的存取類型，包括讀、寫、獲取鎖、釋放鎖、等待、通知、創(chuàng)建線程和等待線程結(jié)束等八種類型；

步驟2)：由步驟1)所得的原始執(zhí)行軌跡和預(yù)定義的原子區(qū)域模式確定原子性區(qū)域，并利用原子區(qū)域和原子違背的各種錯(cuò)誤模式收集潛在的可能會(huì)引起不可序列化交織的事件序列：

步驟21)：由步驟1)所得的執(zhí)行軌跡和預(yù)定義的原子區(qū)域模式，確定原子性區(qū)域；將每個(gè)synchronized方法，synchronized代碼塊以及鎖保護(hù)的代碼塊均視為原子區(qū)域；

步驟22)：給定a,b,c三個(gè)事件，其中thread(a)＝thread(b)≠thread(c)，若事件a,b屬于步驟21)所得的同一原子性區(qū)域，且這三個(gè)事件的讀寫類型符合某個(gè)原子違背模式中對應(yīng)的事件讀寫類型，則事件a,b,c是一個(gè)潛在的可能會(huì)引起不可序列化交織的事件序列；收集這些潛在的可能會(huì)引起不可序列化交織的事件序列，對這些收集的事件序列，進(jìn)一步探測是否存在執(zhí)行軌跡使這些事件序列中的三個(gè)事件的執(zhí)行順序符合不可序列化交織模式；

步驟3)：建立原子違背約束；

對步驟22)中得到的事件序列建立原子違背約束，其中(a，c，b)是某個(gè)事件序列中的三個(gè)事件，其中thread(a)＝thread(b)≠thread(c)，且事件a，b來自同一原子性區(qū)域，約束內(nèi)容分為兩部分：

第一部分：在求解出的執(zhí)行軌跡中事件c要在事件a和事件b之間被執(zhí)行；

第二部分：事件a，b，c在求解出的執(zhí)行軌跡中一定會(huì)被執(zhí)行，但不要求事件a，b，c讀寫的值與原執(zhí)行軌跡中的事件a，b，c讀寫的值一樣；

步驟4)：原子違背約束求解

使用Z3約束求解器進(jìn)行約束求解，當(dāng)約束有解時(shí)，該解對應(yīng)的新的執(zhí)行軌跡中存在原子違背現(xiàn)象，否則不存在。

本發(fā)明的有益效果為：1、對原始程序軌跡和每個(gè)不可序列化的執(zhí)行交織建立一組約束，將探測原子違背問題轉(zhuǎn)化為約束的求解問題，提高原子違背探測的精度；

2、本方法屬于運(yùn)行時(shí)預(yù)測技術(shù)，可根據(jù)約束求解出隱藏在原始執(zhí)行軌跡中沒有暴露出的原子違背錯(cuò)誤，具有更好的探測原子違背的能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的實(shí)施流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明利用并發(fā)程序原始執(zhí)行軌跡，結(jié)合原子違背的各種錯(cuò)誤模式，建立原始執(zhí)行軌跡中事件之間執(zhí)行先后順序的約束關(guān)系，并求解，當(dāng)約束有解時(shí)，該解對應(yīng)的新的執(zhí)行軌跡中存在原子違背現(xiàn)象，否則不存在，具體而言，包括以下步驟：

1.得到執(zhí)行軌跡：

(1)對原始程序進(jìn)行插樁，以便在運(yùn)行時(shí)記錄需要的軌跡執(zhí)行信息；

順序掃描被測程序中的每條語句，在特定的語句前后插樁代碼，如：同步語句、賦值語句、分支語句等，在實(shí)際執(zhí)行時(shí)收集與這些語句相關(guān)的信息以組合成事件并保存到數(shù)據(jù)庫中；

(2)執(zhí)行插樁后的原始并發(fā)程序，得到執(zhí)行軌跡，一個(gè)執(zhí)行軌跡是一個(gè)事件序列，表示為δ＝<e₁,e₂,…e_i,…,e_n>，其中每個(gè)事件e_i包含下列屬性：

t_i：事件e_i所屬的線程；

m_i：事件e_i所存取的內(nèi)存位置；

l_i：當(dāng)事件e_i執(zhí)行時(shí)，其所擁有的鎖；

a_i：事件e_i的存取類型，包括讀，寫，獲取鎖，釋放鎖，等待，通知，創(chuàng)建線程和等待線程結(jié)束8種類型。

2.利用所得執(zhí)行軌跡和預(yù)定義的原子區(qū)域模式確定原子性區(qū)域，并利用原子區(qū)域和原子違背的各種錯(cuò)誤模式收集潛在的可能會(huì)引起不可序列化交織的事件序列：

(1)本發(fā)明中將每個(gè)synchronized方法，synchronized代碼塊以及鎖保護(hù)的代碼塊均看做原子區(qū)域；

執(zhí)行軌跡中包含進(jìn)入和退出synchronized方法，synchronized代碼塊和鎖保護(hù)區(qū)域的acquire和release事件，通過分析執(zhí)行軌跡得到每個(gè)線程訪問每個(gè)鎖變量的<acquire,release>對序列，對于每個(gè)<acquire,release>事件對，定位acquire和release事件在對應(yīng)線程執(zhí)行軌跡中的位置，并將acquire和release事件的位置作為原子區(qū)域邊界；將每對原子區(qū)域邊界之間的事件序列看作一個(gè)原子區(qū)域；

(2)a,b,c三個(gè)事件，其中thread(a)＝thread(b)≠thread(c)，事件a,b屬于步驟21)所得的同一原子性區(qū)域，且這三個(gè)事件的讀寫類型符合某個(gè)原子違背模式中對應(yīng)的事件讀寫類型，則事件a,b,c是一個(gè)潛在的可能會(huì)引起不可序列化交織的事件序列，收集這些潛在的可能會(huì)引起不可序列化交織的事件序列，對收集的這些事件序列，我們進(jìn)行進(jìn)一步探測是否存在執(zhí)行軌跡能使得這些事件序列中的三個(gè)事件的執(zhí)行順序符合不可序列化交織模式；

對每組由三個(gè)事件a,b,c組成的可能會(huì)引起不可序列化交織的事件序列進(jìn)行快速檢查，判斷此事件序列是否滿足構(gòu)成原子違背的前提條件，快速檢查的內(nèi)容包括：檢查事件c和事件a,b是否被同一把鎖保護(hù)，事件c和事件a,b之間是否存在happened-before關(guān)系；若滿足這兩個(gè)條件的任意一條則表明事件c不會(huì)發(fā)生在事件a和b之間，即不會(huì)構(gòu)成一個(gè)真正的原子違背，因此不需要對此事件序列建立約束。

3.約束的建立與求解，驗(yàn)證步驟2得到的潛在的可能會(huì)引起不可序列化交織的事件序列是否是真正的原子違背；

為驗(yàn)證步驟2得到的潛在的可能會(huì)引起不可序列化交織的事件序列是否是真正的原子違背，需求解是否存在執(zhí)行軌跡能使所得事件序列中的三個(gè)事件的執(zhí)行順序符合不可序列化交織模式，對步驟1)中得到的執(zhí)行軌跡和步驟22)中得到的事件序列建立約束并求解，需要建立的約束等式有：happened-before約束、鎖互斥約束、原子違背約束，將原子違背的探測問題轉(zhuǎn)化為約束等式的求解問題。

(1)建立原子違背約束：

對步驟2中得到的事件序列建立原子違背約束，其中(a,c,b)是某個(gè)事件序列中的三個(gè)事件，其中thread(a)＝thread(b)≠thread(c)，且事件a,b來自同一原子性區(qū)域，約束內(nèi)容主要分為兩部分：

(11)事件a,b,c執(zhí)行的順序約束，在原子違背模式中要求事件c在事件事件a和事件b之間被執(zhí)行，因此c在事件a和事件b之間被執(zhí)行是此事件序列構(gòu)成原子違背的必要條件，因此在求解出的執(zhí)行軌跡中事件c要在事件a和事件b之間被執(zhí)行；

(12)需要保證事件a,b,c在求解出的執(zhí)行軌跡中一定會(huì)被執(zhí)行，但不要求事件a,b,c讀寫的值與原執(zhí)行軌跡中的事件a,b,c讀寫的值一樣；

由于不要求read和write事件讀寫特定的值，因此影響讀寫事件e的可行性因素除了Happened-before關(guān)系和鎖一致性要求以外，還有一些必須發(fā)生在e之前的分支(branch)事件；若這些branch事件是不可行的，則事件e也是不可行的，即在事件e在求解出的執(zhí)行軌跡中不會(huì)執(zhí)行，因此需要保證這些branch事件的可行性；

對每個(gè)讀寫事件e只需考慮每個(gè)線程距離事件e最近，且和e有偏序關(guān)系的branch事件的具體可行性，“具體”表示某事件在求解出的執(zhí)行軌跡中所有屬性的值都和原執(zhí)行軌跡中對應(yīng)的事件相等；branch事件的可行性依賴于在同一線程內(nèi)在branch事件之前的所有read事件，即約束branch事件所依賴的read事件的值在求解出的執(zhí)行軌跡中與原執(zhí)行軌跡中相等；branch事件的可行性約束進(jìn)而轉(zhuǎn)化為對read事件可行性的約束，read事件的可行性約束要求read事件讀取的值與原執(zhí)行軌跡中在此read事件之前發(fā)生、距離此read事件最近且與此read事件操作同一共享變量的write事件的值相同；

在對branch事件建立可行性約束時(shí)，若假定branch事件的可行性依賴于同一線程內(nèi)部在branch事件之前所有的read事件，則會(huì)引入一些不必要的read事件的可行性約束；實(shí)際程序執(zhí)行時(shí)，branch事件讀取的共享變量的值來自同一線程內(nèi)在branch事件之前且離branch事件最近，讀同一共享共享變量的read事件的值；因此為確保branch事件讀寫共享變量的值不變，只需保證線程內(nèi)在branch事件之前的所有read事件中，如果有多個(gè)read事件操作同一共享變量，則只需確保距離branch事件最近的read事件讀的值不變，而不需要所有的read事件讀的值不變；通過這種方法可以減少對于分支事件可行性建立約束的個(gè)數(shù)，從而減少約束求解的時(shí)間。

(2)約束求解

在本發(fā)明中我們借助約束求解器Z3實(shí)現(xiàn)約束的求解，將所有的約束組合并調(diào)用求解器求解方法，觀察對步驟2中得到的事件序列建立的約束求解是否有解，若有解則說明存在執(zhí)行軌跡可以按照這種不可序列化交錯(cuò)序列的順序執(zhí)行事件序列中的三個(gè)事件，即此潛在的可能會(huì)引起不可序列化交織的事件序列是一個(gè)真實(shí)的原子違背。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。