Effective testing for concurrency bugs

Abstract

In the current multi-core era, concurrency bugs are a serious threat to software reliability. As hardware becomes more parallel, concurrent programming will become increasingly pervasive. However, correct concurrent programming is known to be extremely challenging for developers and can easily lead to the introduction of concurrency bugs. This dissertation addresses this challenge by proposing novel techniques to help developers expose and detect concurrency bugs. We conducted a bug study to better understand the external and internal effects of real-world concurrency bugs. Our study revealed that a significant fraction of concurrency bugs qualify as semantic or latent bugs, which are two particularly challenging classes of concurrency bugs. Based on the insights from the study, we propose a concurrency bug detector, PIKE that analyzes the behavior of program executions to infer whether concurrency bugs have been triggered during a concurrent execution. In addition, we present the design of a testing tool, SKI, that allows developers to test operating system kernels for concurrency bugs in a practical manner. SKI bridges the gap between user-mode testing and kernel-mode testing by enabling the systematic exploration of the kernel thread interleaving space. Our evaluation shows that both PIKE and SKI are effective at finding concurrency bugs.

Im gegenwärtigen Multicore-Zeitalter sind Fehler aufgrund von Nebenläufigkeit eine ernsthafte Bedrohung der Zuverlässigkeit von Software. Mit der wachsenden Parallelisierung von Hardware wird nebenläufiges Programmieren nach und nach allgegenwärtig. Diese Art von Programmieren ist jedoch als äußerst schwierig bekannt und kann leicht zu Programmierfehlern führen. Die vorliegende Dissertation nimmt sich dieser Herausforderung an indem sie neuartige Techniken vorschlägt, die Entwicklern beim Aufdecken von Nebenläufigkeitsfehlern helfen. Wir führen eine Studie von Fehlern durch, um die externen und internen Effekte von in der Praxis vorkommenden Nebenläufigkeitsfehlern besser zu verstehen. Diese ergibt, dass ein bedeutender Anteil von solchen Fehlern als semantisch bzw. latent zu charakterisieren ist -- zwei besonders herausfordernde Klassen von Nebenläufigkeitsfehlern. Basierend auf den Erkenntnissen der Studie entwickeln wir einen Detektor (PIKE), der Programmausführungen daraufhin analysiert, ob Nebenläufigkeitsfehler aufgetreten sind. Weiterhin präsentieren wir das Design eines Testtools (SKI), das es Entwicklern ermöglicht, Betriebssystemkerne praktikabel auf Nebenläufigkeitsfehler zu überprüfen. SKI füllt die Lücke zwischen Testen im Benutzermodus und Testen im Kernelmodus, indem es die systematische Erkundung der Kernel-Thread-Verschachtelungen erlaubt. Unsere Auswertung zeigt, dass sowohl PIKE als auch SKI effektiv Nebenläufigkeitsfehler finden.