自动检测并行 Java 程序中的错误
2009-02-04 08:59
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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。
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。
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
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域 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。
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,
Deadlock的 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的 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:
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。
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。
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
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