Analysis of Parallel C++ Programs

RNDr. Vladimír Štill

Doctoral thesis

Abstract:

Pokud chceme plně využívat výpočetních možností dnešních počítačů, je třeba využívat paralelní software. To s sebou přináší mnohé dodatečné problémy, se kterými se programátoři nesetkají při vývoji sekvenčních programů. Tato práce prezentuje několik vylepšení v oblasti analýzy paralelních programů v programovacím jazyce C++, obzvlášť pak v oblasti hledání těžko odhalitelných chyb. <br><br> První přínos této práce je v oblasti analýzy vysokoúrovňových programovacích jazyků se všemi jejich pokročilými vlastnostmi a standardními knihovnami. Toto téma výrazně ovlivňuje praktickou použitelnost nástrojů pro analýzu programů programátory. Bohužel, kompletní podpora daného programovacího jazyka není snadný cíl. I přes to však ukazujeme, že tento cíl je dosažitelný s pomocí vhodné kombinace existujících komponent určených k použití ve spustitelných programech a komponent vytvořených speciálně pro účely analýzy programů. V této práci se konkrétně zaměřujeme na podporu programovacího jazyka C++ v nástroji DIVINE a na podporu výjimek v C++ v tomto nástroji. <br><br> Druhý přínos této práce spočívá v návrhu nového postupu pro analýzu programů běžících pod relaxovaným paměťovým modelem procesorů x86. Tyto procesory mohou zpožďovat zápisy do paměti a provádět je až po provedení nezávislých čtení. Tento přístup však může vést k podivnému chování paralelních programů, s čímž se programátorům špatně pracuje, a proto může docházet ke špatně odhalitelným, leč závažným chybám. Náš přínos spočívá v novém způsobu simulace relaxovaného chování v nástroji pro analýzu programů, konkrétněji v tom, že minimalizujeme množství nedeterminismu, který je třeba do programu přidat, aby bylo možné posoudit jeho chování v systému s relaxovanou pamětí. Toto omezení nedeterminismu snižuje celkovou náročnost analýzy. <br><br> Posledním přínosem této práce je metoda detekce lokální neterminace paralelních programů, tedy částí programu, které by měly skončit, ale neděje se tak. Tato metoda umožňuje detekovat neterminaci v programech, které nekončí, ale mají části, které musí skončit, tedy například v serverech a jiných službách, které obsluhují dotazy -- takový dotaz musí být vyhodnocen v konečném čase i přes to, že služba jako taková běží nepřetržitě. Naše metoda využívá jednoduché anotace k označení částí programu, které musí skončit, a dokáže pracovat s libovolnými synchronizačními mechanismy. Omezením naší metody je, že dokáže pracovat jen s programy, které mají konečný stavový prostor (takové programy však mohou mít nekonečné chování, v němž se některé stavy programu opakují). I přes toto omezení však věříme, že je naše metoda užitečná při návrhu paralelních algoritmů a datových struktur. <br><br> Přínosy prezentované v této práci jsou rovněž implementovány v open-source nástroji DIVINE a jsou podloženy experimentálním vyhodnocením.

Abstract:

Parallel software offers a promise of full utilisation of modern hardware. Unfortunately, building a parallel program presents some additional challenges for the programmers. In this thesis, we introduce some improvements to the analysis of parallel C++ programs. In particular, we aim to help with the discovery of hard-to-find bugs. <br><br> As our first contribution, we deal with some of the problems related to analysis of high-level programming languages, including their advanced features and standard libraries. We consider this topic important as comprehensive language support makes the analysis tool more usable by programmers in practice. Comprehensive language support is not an easy task. However, we show it is still manageable with the right combination of reuse of existing execution-oriented components and design of new, verification-oriented ones. In this work, we deal with C++ support for the DIVINE verifier in general, and its support for C++ exceptions in particular. <br><br> Our second contribution is a novel approach to the analysis of programs running under the relaxed memory model of Intel and AMD x86 processors. These processors can delay memory stores after independent loads which can lead to peculiar behaviour of parallel programs. This behaviour is often hard to keep track by programmers and therefore can be a source of subtle bugs. We propose a novel way in which the verifier can simulate relaxed memory. Our method aims to minimise introduced nondeterminism and therefore increase the overall performance of the verification. <br><br> As our last contribution, we introduce a method for checking local nontermination of parallel programs, i.e., for detection of sections of the program that are supposed to terminate but do not. The local nontermination can be used to detect problems in programs that do not terminate but have parts that must do so (e.g., a server might have a function for handling a request, and this function must always terminate). Our method uses lightweight annotations to mark parts of the program which must terminate. It is not limited to the use of particular synchronisation primitives, but it is only complete for programs which have finite state space (such programs can have infinite behaviour in which specific state is repeated infinitely). Even under this limitation, we believe this technique can help with the design of high-performance parallel algorithms and data structures. <br><br> The contributions presented in this thesis are implemented in an open-source software model checker DIVINE and are accompanied by experimental evaluation.

Keywords

program analysis, software verification, C++, DIVINE, LLVM, parallelism, concurrency, relaxed memory, memory models, exceptions, termination, program transformation, implementation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 8. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 3. 12. 2020
• Supervisor: prof. RNDr. Jiří Barnat, Ph.D.
• Reader: Prof. Jaco van de Pol, prof. Ing. Tomáš Vojnar, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Doctoral programme / field:
Informatics (4-years) / Computer Systems and Technologies