Koutzamanlı Yazılım Bileenleri için Bir Otomatik Dorulama Çerçevesi: VyrdMC

Transkript

1 Koutzamanlı Yazılım Bileenleri için Bir Otomatik Dorulama Çerçevesi: VyrdMC Tayfun ELMAS 1 Serdar TAIRAN 2 1, 2 Koç Üniversitesi, Bilgisayar Mühendislii Bölümü, 34450, Sarıyer-stanbul 1 e-posta: telmas@ku.edu.tr 2 e-posta: stasiran@ku.edu.tr Özet Bu bildiri koutzamanlı yazılım bileenleri için, yapısal test, model denetleme ve çalıma zamanı arıtma (refinement) denetleme aracımız olan Vyrd i birletiren, VyrdMC adında bir çalıma zamanında dorulama çerçevesi sunmaktadır. Yürütme tabanlı bir model denetleyici her bir test senaryosu için tüm i parçacıklarının farklı zamanlamaları ile oluan tüm yürütmeleri olutururken, Vyrd yürütmeleri arıtma ihlallerini tespit etmek için izler. Bu bütünleik yaklaım, çalıma zamanı denetlemenin kapsamasını artırma avantajına sahiptir. Bir yararı da Vyrd in model denetleyicinin çalıma zamanı ortamını ve kod donatma mekanizmasını, yürütmeleri arıtma denetleme sırasında tekrar oluturmak için kullanmasıdır; bu yöntem kodun elle düzenlenmesini gereini ortadan kaldırır. Bildiride çerçeveyi yazılım gelitirme süreci boyunca kullanmanın avantajları da tartıılmaktadır. Abstract This paper presents VyrdMC, a runtime verification framework for concurrent software components that combines structured testing, model checking, and our runtime refinement checker Vyrd. An execution-based model checker explores for each test case all distinct thread interleavings while Vyrd monitors executions for refinement violations. This combined approach has the advantage of improving the coverage of runtime refinement checking. As a side benefit, Vyrd reuses the model checker s runtime environment and instrumentation mechanism for replaying executions for refinement checking which reduces the need for manual annotation. We discuss benefits of using our framework throughout the software development process. 1. Giri Koutzamanlı bileenler pek çok endüstriyel ölçekte yazılım uygulamasında youn olarak kullanılmaktadır. Bu ölçekteki yazılımların dorulanmasının zaman ve kaynak maliyeti, oluabilecek durum uzayının (state-space) büyüklüü ve i parçacıklarının (thread) farklı ekillerde zamanlamaları (scheduling) sonucu ortaya çıkan çok sayıda yürütme nedeniyle yüksektir. Bu bildiri, koutzamanlı yazılımlar için çalıma zamanı dorulama (runtime verification) ve model denetleme (model checking) yöntemlerini birletiren bir dorulama çerçevesi sunmaktadır. Bileen tabanlı bir yazılımda bileenler çevreleri tarafından genel (public) metotları çarılarak eriilir. Koutzamanlı bir ortamda her i parçacıı yapılan ilemin doruluunu yargılamak için kullandıı bir bileenin genel metotlarının görevini atomik olarak yerine getirdiini varsayar. Atomik çalıan metotlar çaıran i parçacıına, metot boyunca bileenin araya baka bir i parçacıına ait ilem girmeden gözlemlendii/güncellendii izlenimi verir. Metotların atomik

2 çalımaları, performansı artırmak amacıyla kod gövdeleri tamamen senkronize edilmeden, yalnızca metot boyunca yerel senkronizasyonlarla salanabilmektedir. Bu ekilde gerçekletirilen metotların atomik olma özellikleri indirgeme (reduction) [1] ve saflık (purity) [2] konusunda yapılan önceki çalımalarla incelenmitir. ndirgeme ve saflık, metodun bu özellii denetlerken metot boyunca ulaılan tüm deikenlerin atomik olarak eriilmesini art koar. Ancak, bu artı salamayan fakat doru çalıan bazı atomik metot gerçekletirimleri için yanlı uyarılar vermektedir. Taıran ve Qadeer arıtmayı (refinement) koutzamanlı bileenler için bir doruluk kriteri olarak önermitir [3]. Arıtma genel olarak yazılım ve donanım sistemlerinin daha soyut bir ekilde betimlenmi modellerinin gerçekletirime doru olarak aktarılıp aktarılmadıını kontrol etmek için tanımlanmıtır. Yazılım için arıtma bir doruluk kriteri olarak, bileenin gerçekletiriminin (implementation) koutzamanlı bir çevredeki her yürütmesine karılık bileenin atomik belirtiminin (specification) bir yürütmesi olmasını art koar. Arıtmayı denetlemek için yürütme-tabanlı model denetleme yöntemleri endüstriyel ölçekte karmaık bileenler için durum uzayının çok büyük olması (state space explosion problemi) ve i parçacıklarının farklı zamanlamaları sonucu çok sayıda farklı yürütme oluabilmesi nedeniyle sınırlı ekilde uygulanabilmektedir. Yalın test yöntemi bu düzeyde karmaık yürütme uzayı olan yazılımlar için yeterli kapsama (coverage) salayamadıı gibi çou durumda test süresince elde edilen kapsamanın miktarı da ölçülememektedir. Çalıma zamanı dorulama yaklaımı yürütmenin testten daha iyi gözlenmesini ve böylece arıtma gibi daha kapsamlı kriterlerin sınanabilmesini salar. Çalıma zamanı dorulama, elde edilen kapsama miktarı bakımından test bazlı yaklaımlar ile etraflı dorulama (exhaustive verification) yöntemlerinin arasında yer almasına ramen, endüstriyel ölçekte bileenlere etkin olarak uygulanabilmektedir. Ancak bu yöntem denetlenecek yürütmeleri oluturmak için bileen üzerinde rasgele metot çarıları yapan test programları kullandıı için testin getirdii yetersiz kapsama problemiyle karı karıya kalmaktadır. Bu bildiride testin kapsamasını artırmak için model denetleyici kullanan bir yaklaım sunulacaktır. Bu yaklaım, yapısal bir test yöntemi, model denetleyici ve daha önce gelitirilen arıtma denetleme aracı Vyrd i [4] içerisinde birletiren bir çerçeveye entegre edilmitir. VyrdMC adını alan çerçeve [5], bileenin koutzaman karakteristiklerini taıyan yürütme izleri (execution trace) oluturmak için yapısal test programları kullanmaktadır. Test birimi tarafından üretilen her bir test senaryosu, i parçacıklarının zamanlaması nedeniyle farklı davranılar sergileyecei için testin çalıması model denetleyici tarafından kontrol edilmekte ve test senaryosunun her çalıması için farklı bir yürütme elde edilmektedir. Bunun sonucu olarak da kapsamada sürekli bir artı salanmaktadır. Vyrd, model denetleyici ile paralel olarak çalıarak üretilen yürütme izlerini arıtma kriterlerine göre denetlemektedir. Testin çalımasının kontrolü yanında model denetleyicinin çalıma zamanı ortamı (runtime environment) Vyrd in gereksinim duyduu bazı görevlerin otomatikletirilmesi amacıyla kullanılmaktadır. Bu görevler (1) test sırasında oluan çalımanın izlenerek ilgili yürütme izinin Vyrd tarafından analiz edilecek biçimde çıkartılması, ve (2) Vyrd in yürütme izini testin çalımasını etkilemeden analiz etmesi için yürütmedeki ilemlerin farklı bileen örnekleri üzerinde tekrar uygulanmasıdır. Bu bildiride VyrdMC nin yazılım gelitirme sürecinin birim test evresine entegre edilmesi ve böylece koutzamanlı bileenlerden oluan uygulamaların koutzamanlı ortamın getirdii sorunların gelitirme aamasında sürekli olarak denetlenmesi önerilmektedir. Bu bildiride anlatılan yöntem ve bu yöntemi otomatikletirmek için yapılan çalımalar bu entegrasyonu programcı açısından

3 kolaylatırmayı hedeflemektedir. Bölüm 2 de dorulama sürecine girecek bileenlerin özelliklerini ve bu bileenler için arıtma kriterlerini tanıtılmaktadır. Bölüm 3 de VyrdMC çerçevesi, içerdii birimler ve Vyrd kullanılarak elde edilen deneyimlerle birlikte ayrıntılı olarak anlatılmaktadır. Bölüm 4 de çerçevenin yazılım sürecine entegre edilmesinin önemi vurgulanmıtır. Bildiri, sonuçların sunulduu Bölüm 5 ile sona ermektedir. 2. Koutzamanlı Yazılım Bileenleri ve Arıtma Denetimi Koutzamanlı bir bileen nesneye yönelik bir programlama dilinde yazılan bir sınıf tarafından temsil edilir. Bu bildiride sözü edilecek bileenler çevrelerini oluturan i parçacıkları tarafından bileenin genel metotları çarılarak güncellenir ya da sorgulanır. Bu durumda bir bileen ve çevresi arasındaki veri alıverii metot argümanları ve dönü deerleri ile gerçekleir. Bileenin çevresini oluturan tüm yazılım birimleri, bileenin metotlarının atomik olarak çalıtıını varsayar. Bu durumda bileenlerin tümünden oluan programın doruluu bileenin çevresine sunduu atomik arayüzü doru olarak gerçekletirmesine balıdır. Doru gerçekletirime sahip bir bileen koutzamanlı bir ortamda çevresine, aynı anda sadece bir i parçacıı bileenin bir metodunu çalıtırıyor izlenimi verir. Bu bildiri arıtmayı koutzamanlı bileen gerçekletirimleri için bir doruluk kriteri olarak sunmaktadır. Arıtma metotlara yerel olarak yerletirilen iddialardan (assertion) daha kapsamlı bir kriter tanımlarken, yürütmeler test bazlı yöntemlerden daha açık bir ekilde gözlenerek test gibi sadece girdi çıktı bilgisine dayanarak denetleme yapan yöntemlerce bulunamayan hataların tespit edilmesini salar. Gerçekletirimde arıtma ihlalleri senkronizasyon hataları [12] sonucu ortaya çıkar. Çou senkronizasyon hatası veri kaybı ya da bozulmasına neden olduu için veri merkezli uygulamalar için arıtmayı önemsenmesi gereken bir kriter haline getirmektedir. ndirgeme ve saflıktan farklı olarak arıtma, atomik çalıma kriterini metotların tüm deikenlerin bir alt kümesi üzerindeki ilemleri için tanımlar. Arıtma, gerçekletirime ait her yürütme izine karılık atomik belirtime 1 ait bir yürütme izi var olmasını art koar. Gerçekletirime ve belirtime ait yürütme izleri arasındaki iliki (edeer olup olmadıkları), Taıran ve Qadeer [3] tarafından iki farklı arıtma yaklaımıyla ortaya konulmutur: girdi/çıktı-arıtma ve görünüm-arıtma. Girdi/çıktıarıtma (I/O-refinement), izler boyunca uyuan metot çarıları için dönü deerlerini denetlerken, görünüm-arıtma (view-refinement) bileenin yürütme izi boyunca belirli noktalarda gerçekletirim ve belirtimin durum bilgileri arasında bir denklik ilikisi salanmasını art koar. Görünüm-arıtma bu özellii ile içsel yapıda ortaya çıkan fakat metot dönü deerlerine yansımayan hataları tespit edebilmektedir. Takip eden bölümlerde anlatılacak olan dorulama çerçevesi koutzamanlı bileen gerçekletirimlerini her iki arıtma kriteri için denetleyebilmektedir. 3. VyrdMC Dorulama Çerçevesi Bu bölümde koutzamanlı bileenleri yukarıda tanıtılan arıtma kriterlerine göre denetlemek için oluturulan VyrdMC çerçevesinin ana bileenleri tanıtılacaktır. Bu bildiride anlatılan mekanizmaların ayrıntılı çalıma prensipleri için [4] ve [5] e bavurulabilir. VyrdMC nin mimarisi ekil 1 de gösterilmitir. VyrdMC balıca üç bileenden olumaktadır: (1) bileeni sınamak amaçlı 1 Bu atomik belirtim için herhangi bir biçimde tanımlanabilecei gibi özgün bileenin tüm metotlarının senkronize edilmesiyle oluturulan bir atomik versiyon da belirtim olarak kullanılabilmektedir.

4 test programları üreten bir test birimi, (2) üretilen test programlarını farklı yürütmeleri oluturacak ekilde çalıtıran bir model denetleyici, (3) model denetleyici tarafından oluturulan yürütme izlerini arıtma kriterlerine göre denetleyen Vyrd. (1) TEST BRM Test Programı Bileen Örnei Ek Bileen Örnei Atomik Belirtim Örnei Çalıma Zamanı Ortamı Çalıma Zamanı Ortamı Çalıma Zamanı Ortamı Durum Uzayı Arama Birimi Günlük Bileene-özel Kısmi-sıra indirgeme (3) VYRD (Arıtma Denetimi) (2) MODEL DENETLEYC ekil 1. VyrdMC nin mimarisi. 3.1 Test Birimi ve Test Senaryoları Test biriminin ana amacı, dorulama süreci boyunca ihtiyaç duyulacak kaynakları en aza indirecek ekilde eniyilenmi test senaryoları oluturmaktır. Bir test senaryosu, bileenin metotlarını koutzamanlı ortamda hataya odaklı çalıtıran bir programdır. Çalıma ortamının koutzamanlı olması nedeniyle test senaryosu, girdileri aynı olsa bile farklı çalımalarda i parçacıklarının zamanlamalarındaki farklılıklar nedeniyle önceki çalımalarda gözlenemeyen farklı davranılar sergileyebilir. Bunun sonucu olarak, hatanın olumasını salayabilecek bir test senaryosu, birçok kez çalıtırılmasına karın hata için gerekli i parçacıı zamanlamasının salanamaması nedeniyle hatalı durumu sergilemeyebilir. Bununla birlikte bir çalımada oluan hata, sonraki çalımalarda ortaya çıkmayabilir. Bir test senaryosuna ait tüm koutzamanlı yürütmelerin sayısı düünüldüünde hataya eimli davranılar üzerine odaklanmı test senaryoları üretebilmenin ve bu senaryoları hatayı oluturabilecek ekilde çalıtırabilmenin önemi ortaya çıkmaktadır: Çou senkronizasyon hatası, girdi olarak verilen yeterince karmaık yapıdaki bir bileen örneinin sınırlı bir parçası üzerinde ezamanlı çalıan az sayıda bireysel metot tarafından gerçeklenebilmektedir. Bu göz önünde bulundurularak her test senaryosu, koutzamanlı çalımaları test edilecek metotların bir altkümesini programcıdan girdi olarak alır. Test birimi verilen her metot için o metodu çalıtıracak bir i parçacıı yaratır. Metotlara aktarılacak argümanların deerleri metotların bileenin içsel veri yapısında aynı kısımlar üzerinde çalımasına imkan verecek ekilde birbiriyle korelasyon oluturan

5 deerler arasından seçilir. Böylece veri baımlılıı olan kod parçalarının oluturacaı senkronizasyon hatalarına odaklanılmı olur. Bellek kullanımı ve dorulama süresinin metot sayısı ve dolayısıyla i parçacıı sayısı ile orantılı olarak artacaı göz önünde bulundurularak, sınamaya yalnızca iki metodun çalıtıı senaryolardan balanarak en bariz senkronizasyon hatalarının yakalanması salanır. Dorulama ileminin ilerleyen safhalarında metot sayısı -ve dolayısıyla da i parçacıı sayısı- artırılarak daha karmaık davranılar sonucu ortaya çıkacak hatalar hedeflenir. Bu bildiride önerilen yöntem, bileenin her yürütmesini, her biri atomik olarak çalıan ve eylem adı verilen kod parçalarının ardıık sıralanmı hali olarak görür. Test süresince çalıtırılan her eylem bilgisi, dorulama sırasında testin koutzaman karakteristiini etkilememek için bütün-sıralı olarak paylaımlı bir günlüe kaydedilir. Dorulama ilemi test ile ezamanlı olarak bu günlükten okuyarak çalıır. 3.2 Kapsamanın Artırılması için Model Denetleyici Kullanılması Bir test senaryosunda sınanan metotlar ve girilen argümanlar aynı bile olsa, senaryonun her çalıması için i parçacıklarının zamanlamasına balı olarak farklı yürütmeler oluabilmektedir. parçacıklarının zamanlamasının rasgele gerçekletii testlerde kapsamanın düük olması problemi ile karılaılmaktadır. Ayrıca önceki test çalımaları sonucu elde edilen toplam kapsama ölçülememektedir. Özellikle test altyapısı üzerine kurulan çalıma zamanı dorulama yöntemleri için kapsamanın kontrolü ve ölçülmesi büyük önem taımaktadır. Bu bildiride kapsamanın kontrolü amacıyla test programlarının bir model denetleyici tarafından çalıtırılması önerilmektedir. Model denetleyici, verilen bir programı kendi çalıma zamanı ortamında kontrollü bir ekilde çalıtırarak programın farklı tüm yürütmelerinin ilgili analiz birimi tarafından izlenmesini salar [11]. Bu analiz birimi model denetleyicinin içine entegre edilebilecei gibi, VyrdMC de olduu gibi model denetleyicinin ürettii yürütme izini ayrı olarak inceleyen baımsız bir birim de (örnein Vyrd) olabilir. VyrdMC model denetleyiciyi bir test senaryosunun koutzamanlı bir çevrede oluturacaı tüm yürütmeleri oluturmak için kullanır. Birçok model denetleyici tarafından yararlanılan kısmi-sıra indirgeme (partial-order reduction) yöntemleri [9] doruluk kriteri açısından nicel olarak e olan yürütmelerden sadece birini inceleyerek, toplam incelenecek yürütme sayısını büyük ölçüde azaltmaktadır. Bölüm 3.5 de anlatıldıı gibi kısmi-sıra indirgeme yöntemleri bileenin iç veri yapısı ve arıtma kriteri göz önünde bulundurularak gelitirilebilmektedir. 3.3 Vyrd: Arıtma Dorulama Aracı Vyrd, koutzamanlı çalıan bileenleri arıtma için denetleyen bir çalıma zamanı dorulama aracıdır [4]. Vyrd, bileenin testi sırasında günlüe kaydedilen yürütme izini ezamanlı olarak okuyarak atomik belirtime uygunluunu denetler. Vyrd, test programına paralel ayrı bir süreç içerisinde günlükteki yürütmeyi oluturan eylemleri sıralı olarak okuyarak çalıır. Test sırasında oluan eylemler günlükten farklı zamanlarda okunduu için Vyrd test programının eylem sonlandıktan hemen sonraki durumuna ulaamaz. Bu nedenle bu olayları bileenin farklı bir örnei üzerinde yeniden canlandırmak zorundadır. Bu ek gerçekletirim

6 örnei, yürütme izi boyunca meydana gelen ve günlükten okunan eylemlerin örnek üzerine tekrar uygulanmasıyla güncellenir. Vyrd, buna ek olarak, belirtime ait bir örnei de aynı zamanda çalıtırır. Belirtime ait örnek, yürütme izindeki metot çarılarının bilgisi kullanılarak belirli noktalarda aynı metotların atomik versiyonlarının bu örnek üzerinde çalıtırılmasıyla sürülür. Arıtma, yürütme izi boyunca teslim (commit) noktaları denilen belirli noktalarda denetlenir. Teslim noktaları programcı tarafından metodun kaynak kodu üzerinde bazı kod parçalarının teslim eylemi olarak iaretlenmesiyle belirlenir. Her metot yürütmesi için iaretlenen satırlardan yalnızca biri belirli koullar altında teslim eylemi olarak çalıır ve teslim eyleminin çalıtırılması sonucu yürütme teslim noktasına ulamı olur. Teslim noktalarının seçimi konusu [3] ve [4] tarafından ayrıntılı olarak incelenmitir. Çalıan her bir metot için çarım ve dönü noktaları arasında yalnızca bir adet teslim noktası test programının çalıması sırasında belirlenip günlüe kaydedilir. Vyrd günlük boyunca ulatıı her teslim noktasında girdi/çıktı-arıtma ve görünüm-arıtma denetlemesi yapar. Denetleme için öncelikle teslim noktasının ait olduu metodun atomik versiyonu aynı argümanlar ile belirtim örnei üzerinde çalıtırılır ve metodun dönü deeri ile ortaya çıkan belirtim durum bilgisi ele alınır. Girdi/çıktı-arıtma gerçekletirim ve belirtime yapılan metot çarılarından dönen deerlerini karılatırır. Bu durum hataların yakalanabilmesi için test sırasında bileenin veri yapısı hakkında bilgi döndüren metotların sıklıkla kullanılması gerekmektedir. Görünüm-arıtma, yürütme izi boyunca teslim noktalarında gerçekletirim ve belirtime ait durumların ortak bir soyut durum uzayındaki karılıklarını belirli bir soyutlama fonksiyonu (abstraction function) kullanılarak elde eder. Görünüm-arıtma kriteri, elde edilen soyut durumlar arasında yürütme izi boyunca bir denklik ilikisinin korunmasını gerekli kılmaktadır. Soyutlama fonksiyonu programcı tarafından bileenin içsel veri yapısını sorgulayarak, bileenin yalnızca genel metotları aracılııyla gözlenebilecek bilgiyi içeren daha basit bir veri yapısı döndürecek bir metot olarak yazılır. lgili yöntem soyut durumu temsil eden bu veri yapısına ait örneklerin biçimsel olarak karılatırılabilir olmasını art koar. Dönü deerleri ya da soyut durumlar arasındaki herhangi bir uyumsuzluk bir arıtma hatası olarak tespit edilir ve programcıya ilgili hatayı oluturan yürütme izi ile birlikte bildirilir Deneyimler Vyrd Boxwood projesi kapsamındaki koutzamanlı çalıan bileenlerin ve Java standart kütüphanesinde bulunan birkaç veri yapısını gerçekletiren sınıfların sınanması amacıyla kullanılmıtır. Boxwood Projesi: Yapılan çalımada Microsoft Research tarafından gelitirilen, Boxwood [6] adlı soyut ve daıtımlı depolama alt yapısına ait bileenler denetlenmitir. Vyrd kullanılarak BLinkTree adında koutzamanlı bir b-link aaç gerçekletirimi ve yardımcı bileenlere arıtma dorulama uygulanmıtır. BLinkTree düümleri temsil eden deikenler byte dizileri olarak Cache adında bir önbellek modülü üzerinden Allocator adındaki soyut bir depolama modülünde saklanır. BLinkTree her biri bir byte dizisi olan [anahtar,deer] ikililerinin en hızlı biçimde saklanmasını ve istenildiinde geri getirilmesini salayacak ekilde eniyilenmi ileri düzey koutzamanlı algoritmaları [7] gerçekletirir.

7 Boxwood un BLinkTree ve Cache bileenleri arıtma için sınanmı ve Cache in önceki bir versiyonu üzerinde yapılan arıtma sınama sonucunda daha önce fark edilmeyen bir senkronizasyon hatasıyla 2 karılaılmıtır. Hata, Write ve Flush adında iki metodun koutzamanlı olarak çalıması sonucu belirli bir i parçacıı zamanlaması sonucunda ortaya çıkmaktadır. Sonuçta Cache e Write metodu ile yazılmak istenen veri Flush metodunun bazı ilemlerinin araya girmesiyle diske yanlı olarak kaydedilmekte ve veri bozulması yaanmaktadır. Bu hatayı test bazlı ya da girdi/çıktı arıtma ile tespit etmek ya da hata bulunsa bile sorunu tehis etmek çok zorken, görünüm-arıtma hatayı ve neden olan yürütme parçasını hatalı durum olutuu anda programcıya bildirmitir. Java Standart Kütüphanesi: Java standart kütüphanesi kapsamında StringBuffer ve Vector sınıflarına uygulanan arıtma sınaması sonucunda Vyrd in daha önceki çalımalarda tespit edilen hatalar Vyrd tarafından da tespit edilmitir. StringBuffer daki hata için [1] e, Vector deki hata için [8] e bakınız. StringBuffer da bulunan hata, append metoduna argüman olarak girilen bir StringBuffer nesnesinin metodu çalıtıran i parçacıından farklı bir i parçacıı tarafından aynı anda güncellenmesidir. Bu durum append metodu sonucu ortaya çıkan StringBuffer ın içeriinin atomik iletim sonucu beklenen içerikten farklı olmasıdır. Vector de yakalanan hata ise lastindexof metodunun içsel veri yapısına ait bazı deikenleri uygun ekilde korumaması nedeniyle addelement metoduyla koutzamanlı çalıması sonucu yanlı deer döndürmesidir. 3.4 Model Denetleyicinin Çalıma Ortamından Yararlanılması Testin model denetleyici tarafından çalıtırılması sırasında yürütmenin izlenerek atomik çalıan ilemlerin birer eylem olarak günlüe kaydedilmesi gerekmektedir. Bu amaçla (1) test sırasında atomik eylem olarak yorumlanacak kod parçalarının önceden belirlenmesi ve (2) test senaryosunun çalıması sırasında bu eylemlerin çalımasının izlemesi ve günlüe ilgili bilginin kaydedilmesi gerekmektedir. VyrdMC çerçevesi, kaynak kodun donatılması (instrumentation) olarak programcıya ek yük getirecek bu görevlerin, model denetleyicinin çalıtırma ortamından faydalanılarak otomatik olarak kotarılmasını salar. Model denetleyici tarafından programların kontrollü olarak çalıtırılması amacıyla kullanılan bu ortam, eylem olarak kabul edilebilecek kod parçalarını otomatik olarak tanımlar ve bu ön-tanımlı kod parçalarının çalımasını izleyerek gerekli bilgiyi günlüe kaydeder. Programcı VyrdMC den, model denetleyicinin atomik olarak yürüttüü temel ilemler dıında, dorulanan bileen tarafından kullanılan dier bazı yardımcı bileenleri atomik olarak kabul etmesini isteyebilir. Böylece bu bileenlere yapılan metot çarıları model denetleyici tarafından herhangi bir kontrol mekanizması uygulanmadan atomik olarak çalıtırılır. Ayrıca model denetleyici, Bölüm 3.3 de anlatıldıı gibi günlükten okunan eylemlerin gerçekletirim ve belirtimin Vyrd tarafından kullanılan ayrı iki örneini üzerinde uygulanmasını da çalıma ortamı aracılııyla otomatik olarak gerçekletirilebilmektedir. 3.5 leri Dorulama Yöntemleri Bu bölümde karmaık veri yapıları içeren koutzamanlı çok sayıda bileenin katmanlı bir mimaride bir araya getirildii endüstriyel ölçekte yazılımların dorulama sürecini daha verimli hale getirecek teknikler tanıtılacaktır. 2 lgili hata Cache bileeninin son versiyonunda ortadan kaldırılmıtır, ancak yapılan düzeltme önceki versiyondaki hata fark edilmeden gerçekletirilmitir.

8 Katmanlı bileenlerin dorulanması: Karmaık yazılımların dorulama çalımalarında önemli bir hedef de katmanlı mimariyle bir araya getirilen bileenlerin verimli olarak denetlenmesidir. Bu tür yazılımlarda her bileen bir alt katmandaki bileenleri soyut bir veri yapısı olarak ya da alt düzey ilemler gerçekletiren atomik olduklarını varsayarak kullanır. Bunu yaparken alt katmandaki bileenlerin arıtma kriterine uygun olarak atomik çalıacak ekilde gerçekletirildiini varsayar. Ayrıca bir üst katmandaki kendisini kullanan bileenlere de atomik bir arayüz salamalıdır. Programcı klasik varsay-garantile yaklaımında her bir bileeni çevresinden baımsız olarak denetler: Her bir bileeni denetlemek için ayrı bir test ve dorulama süreci, gereinden fazla dorulama zamanı ve kaynaı harcanmasına sebep olacaktır. VyrdMC, katmanlı bir mimaride birletirilmi bir bileen kümesinin tümünü aynı çalıması sırasında dorulamaya izin vermektedir. Bu durumda tüm katmanların koutzamanlı olarak çalıması salanır. Ancak her bir bileen için ayrı denetleme kaynaı (örnein her bileen için bir gerçekletirim ve bir belirtim) ayrılır. test birimi ve model denetleyici ortak olarak kullanıldıı için ve tüm bileenler için tek bir test senaryosu ve ortak bir yürütme izi kullanıldıı için toplam kaynaktan tasarruf söz konusu olmaktadır. Her bir bileenin denetlemesi aynı yürütme izi kullanılarak kendisine ait gerçekletirim ve belirtim üzerinde arıtma kriterleri göz önünde bulundurularak yapılır. Tüm bileenlere ait yürütme izi parçalarının doruluunun gösterilmesi, tüm yürütmenin doruluunu ispatlar. Kısmi-sıra indirgeme tekniklerinin gelitirilmesi: Kısmi-sıra indirgeme metotları [9,10] eylemler arasındaki baımlılık ilikilerini nicel olarak farklı yürütmeler oluturmak amacıyla kullanırlar. Doruluk kriteri zamansal mantık (temporal logic) formülleri ya da kilitlenme (deadlock) olan yaklaımlar bu metotları sıkı veri baımlılıı kuralları ile birlikte kullanırlar. Bu durumda oluabilecek farklı yürütmelerin sayısı dorulama süresini önemli ölçüde artırmaktadır. VyrdMC tüm bu yürütmelerin arıtma için ilginç olan bir altkümesini inceleyerek senkronizasyon hatalarının daha kısa sürede tespit edilmesine imkan tanır. Öncelikle bileenlerin içsel veri yapıları arıtma kriterinde etkisine balı olarak farklı parçalara ayrılır. Örnein veriyi yapraklarda saklayan bir aaç veri yapısı (1) yaprak düümleri ve (2) dizin yapısını oluturan düümleri temsil eden deikenler olarak iki kümeye ayrılabilir. Farklı deiken kümeleri üzerinde uygulanan ilemler arasındaki baımlılık ilikilerinin kısmi-sıra indirgeme algoritması tarafından farklı ekilde deerlendirilmesi salanarak bazı baımlılıklar ihmal edilebilir. Örnein model denetleyici sadece doruluk kriteri için ilginç olabilecek deiken kümesi üzerine yapılan eylemler arasındaki baımlılık ilikileri deerlendirerek incelenecek toplam yürütme sayısını önemli ölçüde azaltabilir. Sonuçta sadece ilgilenilen deiken kümesi üzerinde çalıan eylemlerin farklı permütasyonları denetlenir. Bu yöntem özellikle karmaık veri yapıları ve bu yapılar üzerinde ilem yapan kapsamlı algoritmalar içeren bileenler için, istenilen deikenlere ulaan kod parçalarının koutzamanlı ileyileri üzerine odaklanılması gerektiren denetlemeler için büyük önem taımaktadır. 4. Dorulamanın Gelitirme Sürecine Entegrasyonu VyrdMC hem yazılımı oluturan her bir bileeni arıtma kriterlerine göre denetlerken, hem de yazılımın katmanları arasındaki etkileimin birleik olarak dorulanmasını (compositional verification) salanmaktadır. Çerçevenin test birimi az sayıda metodun koutzaman karakteristiinin kısa süreler içerisinde denetlenebilmesine imkan salar. Bu durumda programcı bileene ekledii senkronizasyon mekanizmalarının doruluunu VyrdMC yi çalıtırarak

9 sınayabilir ve bariz hataları gelitirme sürecinin ilk aamalarında tespit edip düzeltir. Koutzamanlı çalıacak metot sayısı artırılarak daha karmaık durumlarda oluacak hatalar bulunabilir. Denetleme süreci programcı için en az düzeyde katkıda bulunacak ekilde gerçeklemektedir. Programcının sorumlulukları dorulanacak her bileen için aaıdaki gibi özetlenebilir: 1. Bileenin durumunu girdi olarak alıp soyut durumu seçip çıkartan bir soyutlama fonksiyonu yazmak. Bu fonksiyon bileenin bir metodu olarak gerçekletirimle aynı programlama dilinde yazılır. Soyutlama fonksiyonunun görevi bileenin durumunu tarayarak soyut durumu temsil edecek daha basit bir veri yapısı örnei oluturmak ve bunu arıtma denetleyiciye döndürmektir. 2. Her metot için teslim noktalarının belirlenmesi ve bunların kaynak kod üzerinde iaretlenmesi. Teslim noktaları gerçekletirimin yürütmesine karılık gelen belirtime ait yürütmenin oluturulması için kullanılacaından bileenin doruluunu göstermek açısından önem taımaktadır. Programcı sınanacak bileenin içsel veri yapısına karar verdikten sonra bileenin soyutlama fonksiyonunu yazar ve bu fonksiyon veri yapısında önemli bir deiiklik yapılmadıkça deimez. Ancak teslim noktaları ilgili metotların gerçekletirimindeki deiikliklere balı olarak birçok kez deiecektir. VyrdMC yi programcıya yükledii yukarıda belirtilen sorumluluklar her bileen için ek yük getiriyor gibi gözükebilir. Ancak gerek soyutlama fonksiyonu gerekse commit noktaları, programcının gerçekletirimin özellikle koutzamanlı bir ortamda doruluundan emin olmak için üzerinde düünmek zorunda olduu gereksinimlerdir. Programcı bu gereksinimleri VyrdMC tarafından kullanılmak üzere biçimsel olarak ifade eder. Sınama sırasında soyutlama fonksiyonu ya da commit noktalarının yanlı ya da yetersiz ifadesi sonucu ortaya çıkan hatalar programcının bileenin tasarımını gelitirmesi açısından önem taıyacaktır. 5. Sonuç Bu bildiride koutzamanlı bileenler için yapısal bir test birimi, model denetleyici ve Vyrd arıtma denetleme aracını içeren bir dorulama çerçevesi, VyrdMC, sunulmutur. Test birimi dorulama ilemi için gereken kaynak ihtiyacını en aza indirecek ve hatalı kısımlara odaklı test senaryoları üretir. Üretilen test senaryoları model denetleyici tarafından kapsamayı artıracak farklı yürütmeler oluturacak ekilde çalıtırılır. Model denetleyicinin çalıması sırasında Vyrd oluturulan yürütme izlerini arıtma kriterlerine göre denetler. VyrdMC katmanlı bir mimari sergileyen bileenleri de aynı çalımada dorulayabilmekte ve kısmisıralı indirgeme tekniklerini gelitirerek karmaık veri yapıları içeren bileenler için yürütme uzayını makul büyüklüklere indirgeyebilmektedir. Önerilen çerçeve koutzamanlı bileenlerle kurulan yazılımları bileen bazında otomatik olarak denetleyerek programın tümünün doruluu hakkında fikir yürütmek açısından büyük önem taımaktadır. Çerçevenin, koutzaman hatalarının önceden tespit edilip düzeltilmesi amacıyla yazılım gelitirme sürecine entegre edilmesi tavsiye edilmektedir.

10 Kaynakça [1]. C. Flanagan ve S. N. Freund. Atomizer: A dynamic atomicity checker for multithreaded programs. Proc. 31st ACM Symposium on Principles of Programming Languages, sayfa: , [2]. C. Flanagan, S. Freund, ve S. Qadeer. Exploiting purity for atomicity. Proceedings of the International Symposium on Software Testing and Analysis (ISSTA 2004). ACM Press, [3]. S. Tasiran ve S. Qadeer. Runtime refinement verification of concurrent data structures. Proc. Runtime Verification '04 (ETAPS '04). Electronic Notes in Theoretical Computer Science. Elsevier, [4]. Tayfun Elmas, Serdar Tasiran, ve Shaz Qadeer. Vyrd: VerifYing Concurrent Programs by Runtime Refinement-Violation Detection. ACM SIGPLAN 2005 Conference on Programming Language Design and Implementation (PLDI), Chicago, Illinois, ABD, Haziran 12-15, [5]. Tayfun Elmas, Serdar Tasiran. VyrdMC: Driving Runtime Refinement Checking with Model Checkers, Fifth Workshop on Runtime Verification (RV'05). The University of Edinburgh, Scotland, UK. Temmuz 12, [6]. J. MacCormick, N. Murphy, M. Najork, C. A. Thekkath, ve L. Zhou. Boxwood: Abstractions as the foundation for storage infrastructure. Proceedings of the 6th Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI 2004), San Francisco, CA, ABD, Aralık 2004, sayfa: [7]. Y. Sagiv. Concurrent operations on b-trees with overtaking. Journal of Computer and System Sciences, 3(2), Ekim [8]. C. Flanagan ve S. Qadeer. A type and effect system for atomicity. In Proceedings of the ACM SIGPLAN 2003 Conf. on Programming Language Design and Implementation, PLDI 03. [9]. P.Godefroid. Partial Order methods for the Verification of Concurrent Systems-An approach to the State-Explosion Problem. Sayı: 1032 of Lecture Notes in Computer Science. Springer-Verlag, Ocak [10]. Cormac Flanagan, Patrice Godefroid. Dynamic partial-order reduction for model checking software. POPL '05: Proceedings of the 32nd ACM SIGPLAN-SIGACT symposium on Principles of programming languages, Long Beach, California, ABD. Sayfa: , [11]. Guillaume Brat, Klaus Havelund, Seung-Joon Park, ve Willem Visser. Model checking programs. IEEE International Conference on Automated Software Engineering (ASE), Eylül [12]. Eitan Farchi, Yarden Nir, Shmuel Ur. Concurrent Bug Patterns and How to Test Them. 17th International Parallel and Distributed Processing Symposium (IPDPS 2003), Nisan 2003, Nice, Fransa, sayfa: 286.