Введение 4
Постановка задачи 6
1. Обзор предметной области 7
1.1. Возможные подходы к внесению неисправностей для многопоточных C++ программ 7
1.1.1 Внесение неисправностей раз в определенное время . . 7
1.1.2 Внесение неисправностей при возникновении определенных событий 8
1.1.3 Использование собственного планировщика 8
1.2. Проверка моделей 8
1.3. Существующие имплементации 9
1.3.1 Flow 9
1.3.2 Twist 9
1.3.3 ClickHouse ThreadFuzzer 9
1.3.4 Сравнение аналогов 10
1.4. Выводы 11
2. Архитектура и особенности реализации 12
2.1. Заголовочные файлы yaclib_std и обертки для внесения неисправностей 12
2.2. Интерфейс использования 13
2.3. Конфигурация получаемого исполнения 16
2.4. Моделирование редких событий 16
2.5. Класс Injector 17
2.6. Реализация легких потоков для Linux 18
2.6.1 Планировщик 19
2.6.2 Работа с контекстами 20
2.6.3 Аналоги примитивов стандартной библиотеки 22
3. Тестирование 25
3.1. Результаты внедрения в библиотеку YACLib 25
Заключение 26
Список литературы 28
Тестирование многопоточного кода является очень сложной задачей. Сложность заключается в большом количестве исполнений, которые можно наблюдать. Это является следствием того что планировщики в современных операционных системах, как правило, реализуют вытесняющую многозадачность [16] и от этого порядок исполнения становится намного более недетерминированным, а ошибки в коде, связанные с многопоточным кодом, проявляются не на всех исполнениях, а только на части из них. Такие исполнения можно охарактеризовать тем что они содержат в себе чередования между потоками, которые были не предусмотренны программистом. Проблема заключается в том, что на то, какое у нас получится исполнение, сильно влияет состояние системы, в частности нагрузка на нее и время работы и на модульных тестах поведение планировщика получается детерминированным и повторение одного и того же теста дает одни и те же исполнения [1]. Поэтому качественно увеличить число исполнений, которые будут покрыты тестами достаточно сложно.
Один из способов покрытия большего числа исполнений тестами - это стресс тестирование. Однако, чтобы создать нужные условия, может понадобиться запускать тесты, которые будут исполняться несколько часов и их падения будут непостоянными и долго воспроизводимыми, что будет очень затруднять отладку [1]. В этом случае вероятность, с которой мы будем наблюдать ошибки, примерно равна той, что будет получаться в реальном мире.
Внесение неисправностей позволяет увеличить вероятность получения исполнения, приводящего к ошибке, вставляя сон, переход на другие ядра или потоки в некоторые точки в программе, моделируя таким образом неоптимальное поведение планировщика [5]. Оно так же позволяет моделировать ситуации, которые не произошли бы в обычных условиях, например ложные падения compare_exchange_weak [18]. В ситуации, когда исполнение, получаемое под внесением неисправностей, качественно зависит от параметра случайности, мы можем с более быстрой скоростью исследовать пространство исполнений, где что-то может пойти не так, чем в обычных условиях.
На данный момент нами не было найдено открытого решения, которое реализует внесение неисправностей планировщика, является удобным к интегрированию в проекты не с самого начала их разработки, и к тому же поддерживает ограниченную детерминированность исполнения. Поэтому мы решили реализовать модуль для открытой библиотеки YACLib [25], который будет реализовывать внесение неисправностей и будет иметь интерфейс, позволяющий постепенно и без больших изменений в коде внедрять внесение неисправности в уже существующие проекты.
Убрать недетерминизм, привносимый много поточностью, сохранив настоящее многоядерное исполнение, невозможно, так как останется случайность, привносимая аппаратным обеспечением, но в качестве решения этой проблемы можно заменить всю многопоточность на строго программную, используя свои аналоги потоков, написанные на уровне пространства пользователя [6], которые мы далее будем называть легкими потоками. Такое решение, что не маловажно, даст нам полный контроль над получаемым исполнением, так как реализация планировщика так же выбирается нами. Однако этот вариант более сложен для внедрения целиком в большие существующие проекты и он больше всего актуален для внедрения в отдельные подмодули или в модульные тесты библиотек.
В ходе данной работы удалось реализовать внесение неисправностей, которое удобно внедрять в проекты не с самого начала их разработки, которое так же поддерживает частичную воспроизводимость исполнения, благодаря опционального исполнения на легких потоках, исполняющихся на одном потоке операционной системы.
Из этого следует, что решение имеет свойства, которых не доставало известным аналогам.Таким образом, в ходе выполнения данной бакалаврской работы были получены следующие результаты:
• Сделан обзор предметной области. Рассмотрены основные подходы к внесению неисправностей и проведен обзор известных реализаций внесения неисправностей.
• Разработан интерфейс использования, с помощью которого было бы удобно внедрять внесение неисправностей в существующие проекты.
• Реализовано внесение неисправностей на основе потоков операционной системы.
• Реализовано внесение неисправностей на основе легких потоков, исполняющихся на одном потоке операционной системы, предоставляющее возможность ограниченной воспроизводимости.
• Произведена аппробация на тестах библиотеки YACLib.
Код работы: https://github.com/YACLib/YACLib/commits/myannyax/fault- fibers-1thread
В качестве возможного пути дальшейшего развития можно рассмотреть реализацию исполнения на легких потоках, исполняющихся на нескольких потоках операционной системы. Такое решение так же будет иметь гибкую конфигурацию исполнения, как и исполнение легких потоков на одном потоке операционной системы, но в отличии от него, это решение не будет требовать избавление от всего блокирующего ожидания в программе.
