CN110083538B

CN110083538B - 一种并发程序噪声注入方法

Info

Publication number: CN110083538B
Application number: CN201910347672.2A
Authority: CN
Inventors: 孙家泽; 王丹; 阳伽伟
Original assignee: Xian University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Xian University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-04-28
Filing date: 2019-04-28
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2039-04-28
Also published as: CN110083538A

Abstract

本发明针对并发程序测试中交织覆盖难问题，公开了一种并发程序噪声注入方法，属于并发程序测试领域。首先对被测并发程序运行时各共享变量被访问次数进行统计，根据访问次数由高到低对共享变量进行排序；然后按照次序由高到低依次对每一个共享变量相关的事件计算出插入噪声的概率；最后在每个事件上以不同概率插入噪声，用测试用例执行程序，直到不再出现新的并发交织。本发明提供了一种并发程序噪声注入方法，能够有效地增加并发程序测试中并发交织数量，提高测试效率。

Description

一种并发程序噪声注入方法

技术领域

本发明属于并发程序测试领域，具体涉及到并发程序测试中交织覆盖问题，提供了一种并发程序噪声注入方法，主要解决并发程序运行过程中出现的线程交织过少，测试难以覆盖更多交织的问题。

背景技术

多核处理器进入普通计算机加速了多线程设计软件的开发，互联网以及服务器端并发编程的日益普及使得并发缺陷分析成为一个很重要的问题。然而，多线程编程的要求非常高，并且错误空间更大。

并发测试的困难：并发程序的调度机制为并发程序的执行引入了非确定性。可能的交织集是巨大的(每种可能的执行称为一个交织)，遍历它们是不实际的。这些交织中只有少数实际产生并发错误，因此，产生并发错误的可能性非常低。无意的数据竞争和死锁等缺陷很难发现和分析且代价高昂，而且经常逃逸；具体平台下调度程序通常是确定性的，多次执行相同的测试无济于事，因为将创建相同的交织集，多次执行并不能发现新的错误。此外，即使程序已经使用给定的输入多次执行而没有发现任何错误，将来仍然可能使用相同的输入执行产生不正确的结果。检测并发错误通常耗时很长并且在不同的环境条件下运行。因此，这些测试不一定是可重复的，并且当检测到并发错误时，必须投入很多努力来重建其发生的条件。这种情况刺激了致力于各种测试、分析和验证方法的研究工作。

本发明通过使用噪声注入技术，在适当的程序位置插入噪声改变线程调度，以出现更多的并发程序交织，从而增加并发错误产生的可能性。由于可能的状态空间是巨大的，通过计算被测程序中各事件增加并发交织的可能性，将噪声插入到更有可能增加并发交织的事件上，进而提高不同交织发生的可能，提高并发程序测试中并发交织的数量，解决并发程序测试中并发交织难覆盖的问题。

发明内容

噪声注入技术是指在并发程序中插入噪声语句，干扰并发程序调度，增强程序执行上下文切换的可能，即CPU从一个线程切换到另一个线程，以产生更多可能的并发交织，增加并发错误出现的概率，提高并发程序测试的效率。

本发明的技术方案为：一种并发程序噪声注入方法。如图1所示，该方法的特征主要包括以下步骤：

步骤一：针对一个待测的并发程序P，假设程序P中有m个共享变量，运行待测程序P，统计程序P运行过程中各个共享变量被访问的次数，根据各共享变量被访问的次数由高到低对共享变量进行排序：v₁，v₂，...，v_m，其中v₁为被访问次数最多的共享变量，v_m为被访问次数最少的共享变量，i为1到m之间的任意一个整数值，v_i表示程序P运行过程中各共享变量根据被访问次数由高到低排序后排名第i的共享变量；

步骤二：访问共享变量的每个程序位置称作一个事件，假设被测程序P中与共享变量v_i(1<＝i<＝m)相关的事件有n个：l_i1，l_i2，...，l_ij，...，l_in，其中l_i1为与共享变量v_i相关的第1个事件，l_ij为与共享变量v_i相关的第j个事件，l_in为与共享变量v_i相关的第n个事件，j为1到n之间的任意一个整数值，令i＝1，令j＝1；

步骤三：针对被测程序P中与共享变量v_i(1<＝i<＝m)相关的n个事件l_i1，l_i2，...，l_ij，...，l_in，每一个事件都计算该事件注入噪声的概率：

(1)针对每一个事件l_ij(1<＝j<＝n)，确定考查因子k,k值的选取方法为：当1<＝n<＝3时，令k＝1；当3<n<＝10时，令k＝2；当10<n<＝30时，令k＝3；当30<n<＝100时，令k＝4；当n>100时，令k＝5；生成一个0-1000之间的随机数r，在事件l_ij和随机选取其他k-1个事件后插入噪声语句Thread.sleep(r)，执行测试用例集重复运行程序w次，一般情况下令w＝100，统计程序在运行过程中出现新的线程交织的次数c，进而得出事件l_ij增加并发交织的概率p_ij＝c/w；

(2)根据事件l_ij增加并发交织的概率p_ij，确定在事件l_ij处插入噪声的概率f_ij：当p_ij>＝0.2时，令f_ij＝1；当0.15<＝p_ij<0.2时，令f_ij＝0.9；当0.1<＝p_ij<0.15时，令f_ij＝0.7；当0.05<＝p_ij<0.1时，令f_ij＝0.5；当0<p_ij<0.1时，令f_ij＝0.3；当p_ij＝0时，令f_ij＝0；

步骤四：根据上述步骤三得到的噪声注入结果，在与共享变量v_i相关的n个事件l_i1，l_i2，...，l_ij，...，l_in上分别以f_i1，f_i2，...，f_ij，...，f_in的概率插入噪声：生成一个0-100之间的随机数r1，生成一个0-1000之间的随机数r2，如果r1<＝f_ij*100，在事件l_ij后插入噪声语句Thread.sleep(r2)；

步骤五：针对每一个共享变量v_i，执行测试用例集，若

即有新的并发交织出现，且i<m，令i＝i+1，重复上述步骤三、步骤四；否则结束整个步骤，完成本方法。

传统的随机噪声注入方法是指在与共享变量相关的所有事件上以相同概率插入噪声，增强程序执行上下文切换。但由于在某些事件上插入噪声反而会掩盖一些并发交织，随着噪声注入数量的增多，出现的并发交织数量并不会单调增加，相反会有所下降。本发明通过计算出每个事件增加并发交织的概率以及在每个事件上插入噪声的概率，在与共享变量相关的每个事件上以不同概率插入噪声,增加了新的并发交织出现的可能性；实验结果显示(由图3所示)，本方法增加并发交织的结果优于传统的随机噪声注入方法，能够有效地增加并发程序测试中并发交织数量，提高测试效率。

附图说明

附图1为本发明的流程图。

附图2为一个Java并发实例程序P₁。

附图3为本发明方法与传统方法进行噪声注入的结果对比图。

具体实施方式

以图2所示的Java并发程序P₁为例，结合附图1对本发明提出的一种并发程序噪声注入方法的具体实施方式进行说明。

步骤一：针对一个待测的并发程序P₁，程序P₁中有2个共享变量：x，z，运行待测程序P₁，统计程序P₁运行过程中各个共享变量被访问的次数，共享变量x被访问次数为36，共享变量z被访问次数为22，根据各共享变量被访问的次数由高到低对共享变量进行排序：v₁(x)，v₂(z)，其中x为被访问次数最多的共享变量，z为被访问次数最少的共享变量；

步骤二：i为1到2之间的任意一个整数值，v_i表示程序P₁运行过程中各共享变量根据被访问次数由高到低排序后排名第i的共享变量，访问共享变量的每个程序位置称作一个事件，假设被测程序P₁中与共享变量v_i(1<＝i<＝m)相关的事件有n个：l_i1，l_i2，...，l_ij，...，l_in，其中l_i1为与共享变量v_i相关的第1个事件，l_ij为与共享变量v_i相关的第j个事件，l_in为与共享变量v_i相关的第n个事件，j为1到n之间的任意一个整数值，令i＝1，令j＝1；

步骤三：针对被测程序P₁中与共享变量v₁(x)相关的3个事件l₁₁，l₁₂，l₁₃，在其中k个事件上插入噪声：由于1<＝n＝3<＝3，令k＝1；

(1)针对与共享变量v₁(x)相关的插入噪声的1个事件，在事件l₁₁处：生成一个0-1000之间的随机数r，在事件l₁₁后插入噪声语句Thread.sleep(r)，重复运行程序w次，令w＝100，程序在运行过程中出现新的线程交织的次数为17，进而得出事件l₁₁增加并发交织的概率p₁₁＝c/w＝0.17；

(2)根据事件l₁₁处增加并发交织的概率p₁₁，确定在事件l₁₁处插入噪声的概率f₁₁：由于0.15<＝p₁₁＝0.17<0.2，令f₁₁＝0.9；

(3)j＝1<n＝3，令j＝j+1＝2，重复上述(1)和(2)；

针对与共享变量v₁(x)相关的插入噪声的1个事件，在事件l₁₂处：生成一个0-1000之间的随机数r，在事件l₁₂后插入噪声语句Thread.sleep(r)，重复运行程序w次，令w＝100，程序在运行过程中出现新的线程交织的次数为24，进而得出事件l₁₂增加并发交织的概率p₁₂＝c/w＝0.24；

根据事件l₁₂处增加并发交织的概率p₁₂，确定在事件l₁₂处插入噪声的概率f₁₂：由于p₁₂＝0.24>＝0.2，令f₁₂＝1；

j＝2<n＝3，令j＝j+1＝3，重复上述(1)和(2)；

针对与共享变量v₁(x)相关的插入噪声的1个事件，在事件l₁₃处：生成一个0-1000之间的随机数r，在事件l₁₃后插入噪声语句Thread.sleep(r)，重复运行程序w次，令w＝100，程序在运行过程中出现新的线程交织的次数为0，进而得出事件l₁₃增加并发交织的概率p₁₃＝c/w＝0；

根据事件l₁₃处增加并发交织的概率p₁₃，确定在事件l₁₃处插入噪声的概率f₁₃：由于p₁₃＝0，令f₁₃＝0；

j＝3＝n，执行步骤四；

步骤四：根据上述步骤得出的结果f₁₁，f₁₂，f₁₃，在与共享变量v₁(x)相关的3个事件l₁₁，l₁₂，l₁₃上分别以f₁₁，f₁₂，f₁₃的概率插入噪声：生成一个0-100之间的随机数r1，生成一个0-1000之间的随机数r2，如果r1<＝f₁₁*100，在事件l₁₁后插入噪声语句Thread.sleep(r2)，如果r1<＝f₁₂*100，在事件l₁₂后插入噪声语句Thread.sleep(r2)，如果r1<＝f₁₃*100，在事件l₁₃后插入噪声语句Thread.sleep(r2)；

步骤五：针对共享变量v₁(x)，p₁₁+p₁₂+p₁₃≠0且i＝1<m＝2，令i＝i+1＝2，重复上述步骤三、步骤四、步骤五；

针对被测程序P₁中与共享变量v₂(z)相关的2个事件l₂₁，l₂₂，在其中k个事件上插入噪声：由于1<＝n＝2<＝3，令k＝1；

针对与共享变量v₂(z)相关的插入噪声的1个事件，在事件l₂₁处：生成一个0-1000之间的随机数r，在事件l₂₁后插入噪声语句Thread.sleep(r)，重复运行程序w次，令w＝100，程序在运行过程中出现新的线程交织的次数为8，进而得出事件l₂₁增加并发交织的概率p₂₁＝c/w＝0.08；

根据事件l₂₁处增加并发交织的概率p₂₁，确定在事件l₂₁处插入噪声的概率f₂₁：由于0.05<＝p₂₁＝0.08<0.1，令f₂₁＝0.5；

j＝1<n＝2，令j＝j+1＝2，重复上述步骤四；

针对与共享变量v₂(z)相关的插入噪声的1个事件，在事件l₂₂处：生成一个0-1000之间的随机数r，在事件l₂₂后插入噪声语句Thread.sleep(r)，重复运行程序w次，令w＝100，程序在运行过程中出现新的线程交织的次数为0，进而得出事件l₂₂增加并发交织的概率p₂₂＝c/w＝0；

根据事件l₂₂处增加并发交织的概率p₂₂，确定在事件l₂₂处插入噪声的概率f₂₂：由于p₂₂＝0，令f₂₂＝0；

j＝2＝n，执行步骤五；

根据上述步骤得出的结果f₂₁，f₂₂，在与共享变量v₂(z)相关的2个事件l₂₁，l₂₂上分别以f₂₁，f₂₂的概率插入噪声：生成一个0-100之间的随机数r1，生成一个0-1000之间的随机数r2，如果r1<＝f₂₁*100，在事件l₂₁后插入噪声语句Thread.sleep(r2)，如果r1<＝f₂₂*100，在事件l₂₂后插入噪声语句Thread.sleep(r2)；

针对共享变量v₂(z)，i＝2＝m，结束整个步骤，完成该方法。

实验分析：

在图2所示的Java实例程序P₁中，可能出现的线程交织有4种，分别为：y＝2/x＝1，y＝2/x＝2，y＝1/z＝1，by zero异常。如图3所示，在不注入噪声的情况下运行程序P₁100次，出现了3种线程交织；在使用传统随机方法注入噪声的情况下运行程序P₁100次，出现了3种线程交织；在使用本发明方法注入噪声的情况下运行程序P₁100次，出现了所有可能出现的4种线程交织。实例分析表明，本发明提出的一种并发程序噪声注入方法与传统的随机噪声注入方法相比，能够有效地增加并发程序运行过程中出现的并发交织数量，解决并发程序测试中并发交织难覆盖的问题，提高并发程序的效率。

Claims

1.一种并发程序噪声注入方法，其特征在于包括以下几个步骤：

步骤一：针对一个待测的并发程序P，假设程序P中有m个共享变量，执行测试用例集运行待测程序P，统计程序P运行过程中各个共享变量被访问的次数，根据各共享变量被访问的次数由高到低对共享变量进行排序：v₁，v₂，...，v_m，其中v₁为被访问次数最多的共享变量，v_m为被访问次数最少的共享变量，i为1到m之间的任意一个整数值，v_i表示程序P运行过程中各共享变量根据被访问次数由高到低排序后排名第i的共享变量；

步骤五：针对每一个共享变量v_i，执行测试用例集，若

2.根据权利要求书1所述的一种并发程序噪声注入方法，其特征在于：该方法应用于并发程序测试中并发交织覆盖难问题，能够有效地增加并发程序运行过程中出现并发交织数量，提高并发程序测试效率。