[發(fā)明專利]一種基于軟件事務(wù)內(nèi)存的并發(fā)缺陷規(guī)避系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2016-12-26
• 公開（公告）號: CN106874074B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 禹振;蘇小紅;王甜甜;趙玲玲
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 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

本發(fā)明公開了一種基于軟件事務(wù)內(nèi)存的并發(fā)缺陷規(guī)避系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)由事務(wù)自動劃分模塊、可回滾內(nèi)存模塊、可回滾I/O模塊、條件變量處理模塊和加鎖解鎖處理模塊5個模塊構(gòu)成，所述方法為：一、實現(xiàn)對目標程序的自動事務(wù)劃分；二、實現(xiàn)內(nèi)存事務(wù)化；三、實現(xiàn)執(zhí)行流的可回滾化；四、實現(xiàn)I/O事務(wù)化；五、實現(xiàn)對死鎖、數(shù)據(jù)競爭、原子性違背和順序違背的有效規(guī)避。本發(fā)明能夠自動事務(wù)化C/C++多線程程序、合理處理條件變量、支持普通文件和字符文件在系統(tǒng)層面、C語言層面和C++語言層面的事務(wù)化I/O和消除包括死鎖、數(shù)據(jù)競爭、原子性違背和順序違背在內(nèi)的多種并發(fā)缺陷。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于軟件工程和并行計算技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新的基于軟件事務(wù)內(nèi)存的并發(fā)缺陷規(guī)避系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

軟件事務(wù)內(nèi)存（Software Transactional Memory, STM）是一種并發(fā)控制機制。借助于這種機制，程序員可以對程序源碼進行事務(wù)劃分并保證作為事務(wù)的代碼段的原子性和隔離性執(zhí)行：一個事務(wù)要么成功執(zhí)行，要么與其他事務(wù)存在沖突而撤銷自身對共享內(nèi)存的所有更改、回滾到事務(wù)開始點并重新執(zhí)行。軟件事務(wù)內(nèi)存用事務(wù)代替鎖，通過簡化數(shù)據(jù)保護、允許事務(wù)順序推理、消除死鎖風(fēng)險和支持事務(wù)可組合性，可大幅降低并發(fā)程序的設(shè)計難度；通過樂觀執(zhí)行，可提升并發(fā)程序的并發(fā)度與執(zhí)行效率。盡管軟件事務(wù)內(nèi)存有望提高并發(fā)程序的并發(fā)度并消除并發(fā)缺陷，但目前在實際并發(fā)程序中并沒有得到廣泛應(yīng)用，因為它仍然存在以下3個缺點：

（1）對遺產(chǎn)代碼兼容性低，將現(xiàn)有基于鎖機制的并發(fā)程序改造為基于軟件事務(wù)內(nèi)存的并發(fā)程序需要修改大量代碼；

（2）不支持在事務(wù)中使用I/O操作和系統(tǒng)調(diào)用，影響較大的開源STM庫和商業(yè)STM庫一般都禁止在事務(wù)中調(diào)用I/O函數(shù)和系統(tǒng)函數(shù)；

（3）不能合理處理條件變量操作，一般STM庫都禁止在事務(wù)中調(diào)用條件變量函數(shù)。

由于缺點（2）和（3），現(xiàn)有軟件事務(wù)內(nèi)存方法不能正確規(guī)避絕大部分涉及到I/O操作、系統(tǒng)調(diào)用和條件變量操作的并發(fā)缺陷，這嚴重影響了人們對軟件事務(wù)內(nèi)存的接納程度和使用意愿。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決傳統(tǒng)軟件事務(wù)內(nèi)存機制人工參與度高和并發(fā)缺陷規(guī)避能力弱的問題，本發(fā)明提出了一種新的基于軟件事務(wù)內(nèi)存的并發(fā)缺陷規(guī)避系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于軟件事務(wù)內(nèi)存的并發(fā)缺陷規(guī)避系統(tǒng)，由5個模塊構(gòu)成：事務(wù)自動劃分模塊（Transaction Partition Module, TPM）、可回滾內(nèi)存模塊（Revocable Memory Module,RMM）、可回滾I/O模塊（Revocable I/O Module, RIOM）、條件變量處理模塊（ConditionVariable Handling Module, CVHM）和加鎖解鎖處理模塊（Lock/Unlock HandlingModule, LUHM），其中：

所述事務(wù)自動劃分模塊用于劫持線程間操作，利用它們動態(tài)地對目標程序進行自動事務(wù)劃分，并調(diào)用可回滾執(zhí)行模塊（Revocable Execution Module, REM）和事務(wù)執(zhí)行模塊（Transaction Execution Module, TEM）來對事務(wù)進行管理；

所述事務(wù)執(zhí)行模塊用于執(zhí)行在啟動、提交和撤銷事務(wù)時需要執(zhí)行的邏輯；

所述可回滾執(zhí)行模塊用于在事務(wù)啟動/撤銷時保存/恢復(fù)事務(wù)所在線程的棧幀和CPU寄存器；

所述可回滾內(nèi)存模塊用于劫持所有內(nèi)存訪問操作，并綜合利用進程繼承機制、內(nèi)存映射機制、進程層面的內(nèi)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(zhí)行效應(yīng)；

所述可回滾I/O模塊用于劫持所有常用的操作系統(tǒng)級別和C語言級別的I/O操作，并利用虛擬文件系統(tǒng)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(zhí)行效應(yīng)；