[發明專利]一種基于軟件事務內存的并發缺陷規避系統及方法

有效

• 申請號: 201611218952.6
• 申請日: 2016-12-26
• 公開（公告）號: CN106874074B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 禹振;蘇小紅;王甜甜;趙玲玲
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F9/46
• 分類號: G06F9/46;G06F11/14
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

1.一種基于軟件事務內存的并發缺陷規避系統，其特征在于所述基于軟件事務內存的并發缺陷規避系統由事務自動劃分模塊TPM、可回滾內存模塊RMM、可回滾I/O模塊RIOM、條件變量處理模塊CVHM和加鎖解鎖處理模塊LUHM5個模塊構成，其中：

所述事務自動劃分模塊TPM用于劫持線程間操作，利用它們動態地對目標程序進行自動事務劃分，并調用可回滾執行模塊REM和事務執行模塊TEM來對事務進行管理，自動事務劃分的具體步驟如下：

（1）通過指派線程間操作作為事務的邊界來自動進行事務劃分；

（2）通過將事務內的所有內存訪問都視為共享訪問來自動確定哪些訪問是共享訪問；

（3）通過置加鎖解鎖操作為空操作與定制條件變量wait/signal操作來自動改變代碼的控制結構；

所述事務執行模塊TEM用于執行在啟動、提交和撤銷事務時需要執行的邏輯，具體功能如下：

（1）事務tx在啟動時，首先檢查是否有其他事務發送來的未接收信號；如果有的話，就接收并根據信號類型做相應處理；tx然后保存棧幀和CPU寄存器值、創建關于全局內存區域和全局堆內存區域的私有拷貝、創建私有版本號數組、創建私有虛擬文件系統和創建私有文件流到文件描述符映射；

（2）事務tx在提交時，先進行內存一致性檢查，然后進行文件一致性檢查；如果tx能通過所有檢查，則它原子性地提交所有內存更改和文件更改；

（3）事務tx在撤銷時，丟棄所有對內存和版本號數組的更改，丟棄所有緩存在私有虛擬文件系統的文件更改，清空進程間文件操作列表，刪除或者關閉執行過程中在真實文件系統中創建或者打開的文件，釋放進程間鎖，如果目前正占據該鎖的話，恢復tx在啟動時保存的棧幀和CPU寄存器值并回滾到tx開始點重新執行；

所述可回滾執行模塊REM用于在事務啟動/撤銷時保存/恢復事務所在線程的棧幀和CPU寄存器值，具體功能如下：

（1）在啟動事務tx時，RMM將tx的全局內存私有映射和堆內存私有映射中的每個內存頁的訪問權限置為不可訪問，即PROT_NONE；

（2）在事務tx執行時，RMM在頁粒度上跟蹤并記錄目標程序的內存訪問；對于一個訪問權限為PROT_NONE的受保護頁p，tx對p的首次訪問會讓RMM將p添加到tx的訪問集中并將p的訪問權限置為PROT_READ；如果tx對p的接下來的訪問是寫訪問，則RMM將p添加到tx的寫集和訪問集中，并將訪問權限置為PROT_READ|PROT_WRITE；

（3）在事務tx提交時，RMM檢查它讀取過的數據是否仍然是最新的；如果是的話，則tx通過沖突檢查，RMM提交其內存更改；否則RMM丟棄tx緩存在寫集中的內存更改，令其回滾到開始點并重新執行；

（4）重寫所有基本C/C++內存分配回收操作，使得RMM能夠像回滾任何對堆內存或者全局內存的內存訪問操作那樣回滾內存分配操作；

所述可回滾內存模塊RMM用于劫持所有內存訪問操作，并綜合利用進程繼承機制、內存映射機制、進程層面的內存保護機制和信號處理機制來使得這些操作具有可回滾化的執行效應；

所述可回滾I/O模塊RIOM用于劫持所有常用的操作系統級別和C語言級別的I/O操作，并利用虛擬文件系統和文件流到文件描述符映射使得這些操作具有可回滾化的執行效應，具體功能如下：

（1）創建并維護一個線程間的全局虛擬文件系統和一個全局文件流到文件描述符映射SDM；

（2）在事務tx啟動時，RIOM為tx建立一個關于全局虛擬文件系統的快照和一個關于全局SDM的快照；

（3）在事務tx執行時，RIOM將所有的I/O操作直接或者間接地通過私有SDM定向到其私有虛擬文件系統上；

（4）在事務tx提交時，RIOM通過分別比較事務的私有文件系統和私有SDM與相應的全局文件系統和全局SDM是否一致來判斷tx是否與其他已提交事務存在沖突；如果有任何I/O沖突存在，則RIOM撤銷tx并令其重新執行；

所述條件變量處理模塊CVHM用于劫持所有條件變量操作，在用戶空間重新實現條件變量信號發送和等待邏輯，具體功能如下：

當事務tx執行條件變量signal/wait操作時，CVHM會以提交事務的方式來結束當前事務tx，然后執行一個定制化的信號發送或者等待邏輯，一旦等到該定制化的信號發送/等待邏輯執行完畢，CVHM就創建一個新的事務來執行tx中的剩余部分；

所述加鎖解鎖處理模塊LUHM用于劫持所有加鎖解鎖操作，劫持所有關于鎖的初始化/銷毀操作和屬性設置/獲取操作，并將它們置為空操作。

2.一種基于軟件事務內存的并發缺陷規避方法，其特征在于所述基于軟件事務內存的并發缺陷規避方法的步驟如下：

一、通過劫持每個線程的線程間操作并將它們之間的代碼劃分為事務，實現對目標程序的自動事務劃分，具體步驟如下：

（1）通過指派線程間操作作為事務的邊界來自動進行事務劃分；

（2）通過將事務內的所有內存訪問都視為共享訪問來自動確定哪些訪問是共享訪問；

（3）通過置加鎖解鎖操作為空操作與定制條件變量wait/signal操作來自動改變代碼的控制結構；

二、通過替代線程以進程、利用進程間虛擬內存保護機制并定制內存分配回收邏輯，實現內存事務化，具體步驟如下：

（1）在啟動事務tx時，RMM將tx的全局內存私有映射和堆內存私有映射中的每個內存頁的訪問權限置為不可訪問，即PROT_NONE；

（2）在事務tx執行時，RMM在頁粒度上跟蹤并記錄目標程序的內存訪問；對于一個訪問權限為PROT_NONE的受保護頁p，tx對p的首次訪問會讓RMM將p添加到tx的訪問集中并將p的訪問權限置為PROT_READ；如果tx對p的接下來的訪問是寫訪問，則RMM將p添加到tx的寫集和訪問集中，并將訪問權限置為PROT_READ|PROT_WRITE；

（3）在事務tx提交時，RMM檢查它讀取過的數據是否仍然是最新的；如果是的話，則tx通過沖突檢查，RMM提交其內存更改；否則RMM丟棄tx緩存在寫集中的內存更改，令其回滾到開始點并重新執行；

（4）重寫所有基本C/C++內存分配回收操作，使得RMM能夠像回滾任何對堆內存或者全局內存的內存訪問操作那樣回滾內存分配操作；

三、通過在啟動/撤銷事務時保存/恢復當前線程的棧幀和CPU寄存器值，實現執行流的可回滾化，具體步驟如下：

（1）在事務tx啟動時，保存事務所在線程的棧幀和CPU寄存器值；

（2）在事務tx撤銷時，恢復事務所在線程的棧幀和CPU寄存器值；

四、通過建立和維護虛擬文件系統，并將I/O操作重定向到它們上，實現I/O事務化，具體步驟如下：

（1）創建并維護一個線程間的全局虛擬文件系統和一個全局文件流到文件描述符映射SDM；

（2）在事務tx啟動時，RIOM為tx建立一個關于全局虛擬文件系統的私有快照和一個關于全局SDM的私有快照；

（3）在事務tx執行時，RIOM將所有的I/O操作直接或者間接地通過私有SDM定向到其私有虛擬文件系統上；

（4）在事務tx提交時，RIOM通過分別比較事務的私有文件系統和私有SDM與相應的全局文件系統和全局SDM是否一致來判斷tx是否與其他已提交事務存在沖突；如果有任何I/O沖突存在，則RIOM撤銷tx并令其重新執行；

五、通過置空加鎖解鎖操作、定制條件變量操作和事務性地提交內存與I/O變更，實現對死鎖、數據競爭、原子性違背和順序違背的有效規避，其中：

實施定制條件變量操作的具體步驟如下：

（1）在用戶空間重新實現條件變量的數據結構；

（2）在事務tx執行條件變量signal/wait操作時，CVHM會以提交事務的方式來結束當前事務tx，然后執行一個定制化的信號發送或者等待邏輯；一旦等到該定制化的信號發送/等待邏輯執行完畢，CVHM就創建一個新的事務來執行tx中的剩余部分；

實施置空加鎖解鎖操作的具體步驟如下：

（1）劫持所有加鎖解鎖操作；

（2）劫持所有關于鎖的初始化/銷毀操作和屬性設置/獲取操作；

（3）將劫持到的操作置為空操作。