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自动检测并行 Java 程序中的错误

2009-02-04 08:59 260 查看

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样例代码

级别: 中级

齐 尧 (qiyaoj@cn.ibm.com), 软件工程师, IBM 中国软件开发中心

甘 志 (ganzhi@cn.ibm.com), 高级软件工程师, IBM 中国软件开发中心

罗 志达 (luozd@cn.ibm.com), 软件工程师, IBM 中国软件开发中心

戴 晓君 (daixiaoj@cn.ibm.com), 软件工程师, IBM 中国软件开发中心

2008 年 10 月 17 日

并行程序的不确定性造成并行程序的错误很难查找,重现和调试。MTRAT 可以收集程序的运行时信息,在线分析程序中所有可能的并行程序错误。

当 CPU 进入多核时代之后,并行编程将更加流行,但是编写并行程序更容易出错。在开发过程中,工程师能注意到同一个程序在单线程运行时是正确的,但是在多线程时,它会有可能出错。和并行相关的错误的产生原因通常都非常隐晦,而且在一次测试中,它们的出现与否具有很强的随机性。由于程序中多个线程之间可能以任意的方式交错执行,即使一个并行程序正确的运行了成百上千次,下一次运行仍然可能出现新的错误。

Multi-Thread Run-time Analysis Tool 是由 IBM 为多线程 Java 程序开发的运行时分析工具,它可用于分析并查找 Java 代码中的一些不容易发现的潜在并行程序错误,比如数据竞争 (Data Race) 和死锁 (Deadlock),从而提高并行程序的代码质量。本文将介绍检测 Java 程序中随机并行错误的一种新工具 (http://alphaworks.ibm.com/tech/mtrat),检查 Java 代码中的潜在的并行程序错误,从而提高代码的安全性和稳定性,并演示其对于潜在而并未发生的错误的发掘能力。

概述

Java 编程语言为编写多线程应用程序提供强大的语言支持。但是,编写有用的、没有错误的多线程程序仍然比较困难。编程语言中线程面临很多挑战。在这些挑战中,最主要的就是编程复杂度的提高。这些编程复杂度是由同步共享变量的访问,潜在的依赖于时序的错误和调试和优化并行程序的复杂性造成的。

MTRAT 只所以把不同的技术集成到了一个单一的开发工具中,是为了掩盖工具内部的复杂性,并使得 MTRAT 方便使用。 MTRAT 主要由以下部分组成,

简单的命令行界面和 Eclipse 插件。输出 MTRAT 检查到的并行错误。

动态的 Java 字节码修改引擎。可以在 Java 类文件被 Java 虚拟机加载的时候,修改 Java 类。

程序运行时信息收集器。收集程序的动态信息,比如内存访问,线程同步,创建和结束。

高效的运行时分析引擎。收集到的运行时信息会被在线分析,如果发现潜在的并行错误,将会通过界面报告给用户。








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检测数据竞争

在并行程序中,当两个并行的线程,在没有任何约束的情况下,访问一个共享变量或者共享对象的一个域,而且至少要有一个操作是写操作,就会发生数据竞争错误。MTRAT 最强大的功能就是发现并行程序中潜在的数据竞争错误。在下边的 Java 程序就隐藏了一个潜在的数据竞争错误。

package sample;
class Value
{
private int x;
public Value()
{
x = 0;
}
public synchronized void add (Value v)
{
x = x + v.get();
}
public int get() {return x;}
}
class Task extends Thread
{
Value v1, v2;
public Task (Value v1, Value v2)
{
this.v1 = v1;
this.v2 = v2;
}
public void run() {v1.add(v2);}
}
public class DataRace
{
public static void main (String[] args) throws InterruptedException
{
Value v1 = new Value ();
Value v2 = new Value ();
Thread t1 = new Task(v1, v2);
Thread t2 = new Task (v2, v1);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
}
}

Value
声明一个整形域
x
,一个同步方法
add
修改这个域,和一个方法
get
返回域
x
的值。类
Task
以两个类
Value
的实例来构造。

以 MTRAT 运行类
sample.DataRace
,可以在运行时刻检查程序中的潜在的数据竞争错误

$ mtrat -cp . sample.DataRace
Data Race 1 : 3 : sample/Value : x
Thread Thread-3 id: 7 : WRITE
sample.Value : get : 15
sample.Value : add : 15
sample.Task : run : 32
Thread Thread-4 id: 8 : READ
sample.Value : get : 18
sample.Value : add : 15
sample.Task : run : 32
Data Race 2 : 4 : sample/Value : x
Thread Thread-3 id: 7 : READ
sample.Value : get : 15
sample.Value : add : 15
sample.Task : run : 32
Thread Thread-4 id: 8 : WRITE
sample.Value : get : 15
sample.Value : add : 15
sample.Task : run : 32

在图形界面
Eclipse
中运行,得到以下结果:

Figure 1.



MTRAT 报告出了两个数据竞争错误,因为类
Task
的两个实例会访问类
Value
的对象,然而这个共享的对象却没有被一个共同的锁保护。

例如,在并行程序执行过程中,可能存在这样的时刻,一个线程执行方法
get
读域
x
的值,而另外一个线程执行执行方法
add
写域
x


根据检查结果,MTRAT 发现了两个数据竞争错误,在类
sample/Value
x
。程序员在得到这两个数据竞争错误后,很容易就能发现程序中存在两个线程并发访问同一个对象域的可能。如果两个线程可以顺序访问这个对象域,这两个数据竞争问题就可以被消除了。








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检测死锁

死锁问题也是并行 Java 程序中常见的问题。在 Java 程序中出现死锁,是因为
synchronized
关键字会造成运行的线程等待关联到某个一个对象上的锁。由于线程可能已经获得了别的锁,两个线程就有可能等待对方释放掉锁。在这种情况下,两个线程将永远等待下去。

在下边的 Java 程序就隐藏了一个潜在死锁问题,

class T3 extends Thread
{
StringBuffer L1;
StringBuffer L2;
public T3(StringBuffer L1, StringBuffer L2)
{
this.L1 = L1;
this.L2 = L2;
}
public void run()
{
synchronized (L1)
{
synchronized (L2)
{
}
}
}
}
public class Deadlock
{
void harness2() throws InterruptedException
{
StringBuffer L1 = new StringBuffer("L1");
StringBuffer L2 = new StringBuffer("L2");
Thread t1 = new T3(L1, L2);
Thread t2 = new T3(L2, L1);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
Deadlock dlt = new Deadlock();
dlt.harness2();
}
}

在类
Deadlock
harness2
方法中,类
Deadlock
的两个实例被创建,作为参数传递到类
T3
的构造函数中。在类
T3
run
方法中,线程会依次获得这个两个对象的锁,然后以相反的顺序释放这两个锁。由于两个
StringBuffer
实例以不同的顺序传递给类
T3
,两个线程会以不同的顺序获得这两个锁。这样,死锁就出现了。

以 MTRAT 运行类
sample.Deadlock
,可以在运行时刻检查程序中的潜在的死锁错误:

$ mtrat -Dcom.ibm.mtrat.deadlock=true  -cp . sample.Deadlock
Thread 7 : Acquire L1 L2
Dead Lock 1
Thread 7, acquired lock1 -> try lock2  sample/T3  line 109
Thread 8, acquired lock2 -> try lock1  sample/T3  line 109
Thread 8 : Acquire L2 L1

在图形界面
Eclipse
中运行,得到以下结果:

图 2.



在 MTRAT 的死锁检查报告中我们可以发现,线程
Thread 7
已经获得了锁
lock1
,在程序 109 行试图获得锁
lock2
。然而,线程
Thread 8
已经获得了锁
lock2
,在程序 109 行试图获得锁
lock1


根据 MTRAT 的死锁检查报告,程序员可以很容易得知道,这个死锁问题是由于两个线程按照相反的顺序上锁造成的。避免这种问题的一种方法是让代码按固定的全局顺序获取锁。那么如果两个线程按照一致的顺序去上锁,死锁错误就可以被消除了。

void harness2() throws InterruptedException
{
StringBuffer L1 = new StringBuffer("L1");
StringBuffer L2 = new StringBuffer("L2");
Thread t1 = new T3(L1, L2);
Thread t2 = new T3(L1, L2);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
}








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结束语

在本文中,我们展示了如何检查并行 Java 程序中潜在的错误,比如数据竞争和死锁。通过使用 MTRAT,您可以在程序开发阶段发现用肉眼难以发现的并行程序错误。该工具使开发正确和高质量的并行程序变得更加容易。








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下载

描述名字大小下载方法
示例代码src.zip12 KBHTTP


关于下载方法的信息
参考资料

在 alphaworks 下载 MTRAT

Peter Haggar 在 developerWorks 的文章 以全局的固定顺序获取多个锁来避免死锁

Neel V. Kumar 在 developerWorks 的文章 编写高效的线程安全类

作者简介





齐尧,IBM 中国软件实验室(CSDL BJ)China Emerging Technology Institute 成员,主要研究方向为程序动态分析和程序静态分析。他在北京理工大学获得硕士学位。您可以通过 qiyao@cn.ibm.com 联系他。





甘志,IBM 中国软件实验室(CSDL BJ)SOA Design Center 成员,主要研究方向为 SOA 和 Security,他还对羽毛球运动很感兴趣。他在上海交通大学计算机系攻读网络安全方向博士学位,期间发表了多篇论文和技术书籍。您可以通过 ganzhi@cn.ibm.com 联系他。





罗志达,IBM 中国软件实验室(CSDL BJ)China Emerging Technology Institute 成员,主要研究方向为程序动态分析和程序静态分析。他在北京大学获得软件工程硕士学位。您可以通过 luozd@cn.ibm.com 联系他。





戴晓君,IBM 中国软件实验室(CSDL BJ)China Emerging Technology Institute 成员,主要研究方向为并行编程和敏捷软件开发方法。他在中国科学院软件研究所获得计算机

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