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级别： 中级
齐 尧 (qiyaoj@cn.ibm.com), 软件工程师, IBM 中国软件开发中心
甘 志 (ganzhi@cn.ibm.com), 高级软件工程师, IBM 中国软件开发中心
罗 志达 (luozd@cn.ibm.com), 软件工程师, IBM 中国软件开发中心
戴 晓君 (daixiaoj@cn.ibm.com), 软件工程师, IBM 中国软件开发中心
2008 年 10 月 17 日
并行程序的不确定性造成并行程序的错误很难查找，重现和调试。MTRAT 可以收集程序的运行时信息，在线分析程序中所有可能的并行程序错误。
当 CPU 进入多核时代之后，并行编程将更加流行，但是编写并行程序更容易出错。在开发过程中，工程师能注意到同一个程序在单线程运行时是正确的，但是在多线程时，它会有可能出错。和并行相关的错误的产生原因通常都非常隐晦，而且在一次测试中，它们的出现与否具有很强的随机性。由于程序中多个线程之间可能以任意的方式交错执行，即使一个并行程序正确的运行了成百上千次，下一次运行仍然可能出现新的错误。
Multi-Thread Run-time Analysis Tool 是由 IBM 为多线程 Java 程序开发的运行时分析工具，它可用于分析并查找 Java 代码中的一些不容易发现的潜在并行程序错误，比如数据竞争 (Data Race) 和死锁 (Deadlock)，从而提高并行程序的代码质量。本文将介绍检测 Java 程序中随机并行错误的一种新工具 (http://alphaworks.ibm.com/tech/mtrat)，检查 Java 代码中的潜在的并行程序错误，从而提高代码的安全性和稳定性，并演示其对于潜在而并未发生的错误的发掘能力。
概述
Java 编程语言为编写多线程应用程序提供强大的语言支持。但是，编写有用的、没有错误的多线程程序仍然比较困难。编程语言中线程面临很多挑战。在这些挑战中，最主要的就是编程复杂度的提高。这些编程复杂度是由同步共享变量的访问，潜在的依赖于时序的错误和调试和优化并行程序的复杂性造成的。
MTRAT 只所以把不同的技术集成到了一个单一的开发工具中，是为了掩盖工具内部的复杂性，并使得 MTRAT 方便使用。 MTRAT 主要由以下部分组成，
- 简单的命令行界面和 Eclipse 插件。输出 MTRAT 检查到的并行错误。
- 动态的 Java 字节码修改引擎。可以在 Java 类文件被 Java 虚拟机加载的时候，修改 Java 类。
- 程序运行时信息收集器。收集程序的动态信息，比如内存访问，线程同步，创建和结束。
- 高效的运行时分析引擎。收集到的运行时信息会被在线分析，如果发现潜在的并行错误，将会通过界面报告给用户。
检测数据竞争
在并行程序中，当两个并行的线程，在没有任何约束的情况下，访问一个共享变量或者共享对象的一个域，而且至少要有一个操作是写操作，就会发生数据竞争错误。MTRAT 最强大的功能就是发现并行程序中潜在的数据竞争错误。在下边的 Java 程序就隐藏了一个潜在的数据竞争错误。
package sample;
class Value
{
private int x;
public Value()
{
x = 0;
}
public synchronized void add (Value v)
{
x = x + v.get();
}
public int get() {return x;}
}
class Task extends Thread
{
Value v1, v2;
public Task (Value v1, Value v2)
{
this.v1 = v1;
this.v2 = v2;
}
public void run() {v1.add(v2);}
}
public class DataRace
{
public static void main (String[] args) throws InterruptedException
{
Value v1 = new Value ();
Value v2 = new Value ();
Thread t1 = new Task(v1, v2);
Thread t2 = new Task (v2, v1);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
}
}
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类Value声明一个整形域x，一个同步方法add修改这个域，和一个方法get返回域x的值。类Task以两个类Value的实例来构造。
以 MTRAT 运行类sample.DataRace，可以在运行时刻检查程序中的潜在的数据竞争错误
$ mtrat -cp . sample.DataRace
Data Race 1 : 3 : sample/Value : x
Thread Thread-3 id: 7 : WRITE
sample.Value : get : 15
sample.Value : add : 15
sample.Task : run : 32
Thread Thread-4 id: 8 : READ
sample.Value : get : 18
sample.Value : add : 15
sample.Task : run : 32
Data Race 2 : 4 : sample/Value : x
Thread Thread-3 id: 7 : READ
sample.Value : get : 15
sample.Value : add : 15
sample.Task : run : 32
Thread Thread-4 id: 8 : WRITE
sample.Value : get : 15
sample.Value : add : 15
sample.Task : run : 32
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在图形界面Eclipse中运行，得到以下结果：
Figure 1.
MTRAT 报告出了两个数据竞争错误，因为类Task的两个实例会访问类Value的对象，然而这个共享的对象却没有被一个共同的锁保护。
例如，在并行程序执行过程中，可能存在这样的时刻，一个线程执行方法get读域x的值，而另外一个线程执行执行方法add写域x。
根据检查结果，MTRAT 发现了两个数据竞争错误，在类sample/Value域x。程序员在得到这两个数据竞争错误后，很容易就能发现程序中存在两个线程并发访问同一个对象域的可能。如果两个线程可以顺序访问这个对象域，这两个数据竞争问题就可以被消除了。
检测死锁
死锁问题也是并行 Java 程序中常见的问题。在 Java 程序中出现死锁，是因为 synchronized 关键字会造成运行的线程等待关联到某个一个对象上的锁。由于线程可能已经获得了别的锁，两个线程就有可能等待对方释放掉锁。在这种情况下，两个线程将永远等待下去。
在下边的 Java 程序就隐藏了一个潜在死锁问题，
class T3 extends Thread
{
StringBuffer L1;
StringBuffer L2;
public T3(StringBuffer L1, StringBuffer L2)
{
this.L1 = L1;
this.L2 = L2;
}
public void run()
{
synchronized (L1)
{
synchronized (L2)
{
}
}
}
}
public class Deadlock
{
void harness2() throws InterruptedException
{
StringBuffer L1 = new StringBuffer("L1");
StringBuffer L2 = new StringBuffer("L2");
Thread t1 = new T3(L1, L2);
Thread t2 = new T3(L2, L1);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
Deadlock dlt = new Deadlock();
dlt.harness2();
}
}
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在类 Deadlock 的 harness2 方法中，类 Deadlock 的两个实例被创建，作为参数传递到类 T3 的构造函数中。在类 T3 的 run 方法中，线程会依次获得这个两个对象的锁，然后以相反的顺序释放这两个锁。由于两个 StringBuffer 实例以不同的顺序传递给类 T3，两个线程会以不同的顺序获得这两个锁。这样，死锁就出现了。
以 MTRAT 运行类 sample.Deadlock，可以在运行时刻检查程序中的潜在的死锁错误：
$ mtrat -Dcom.ibm.mtrat.deadlock=true -cp . sample.Deadlock
Thread 7 : Acquire L1 L2
Dead Lock 1
Thread 7, acquired lock1 -> try lock2 sample/T3 line 109
Thread 8, acquired lock2 -> try lock1 sample/T3 line 109
Thread 8 : Acquire L2 L1
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在图形界面Eclipse中运行，得到以下结果:
图 2.
在 MTRAT 的死锁检查报告中我们可以发现，线程 Thread 7 已经获得了锁 lock1，在程序 109 行试图获得锁 lock2。然而，线程 Thread 8 已经获得了锁 lock2，在程序 109 行试图获得锁lock1。
根据 MTRAT 的死锁检查报告，程序员可以很容易得知道，这个死锁问题是由于两个线程按照相反的顺序上锁造成的。避免这种问题的一种方法是让代码按固定的全局顺序获取锁。那么如果两个线程按照一致的顺序去上锁，死锁错误就可以被消除了。
void harness2() throws InterruptedException
{
StringBuffer L1 = new StringBuffer("L1");
StringBuffer L2 = new StringBuffer("L2");
Thread t1 = new T3(L1, L2);
Thread t2 = new T3(L1, L2);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
}
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结束语
在本文中，我们展示了如何检查并行 Java 程序中潜在的错误，比如数据竞争和死锁。通过使用 MTRAT，您可以在程序开发阶段发现用肉眼难以发现的并行程序错误。该工具使开发正确和高质量的并行程序变得更加容易。
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参考资料
作者简介
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齐尧，IBM 中国软件实验室（CSDL BJ）China Emerging Technology Institute 成员，主要研究方向为程序动态分析和程序静态分析。他在北京理工大学获得硕士学位。您可以通过 qiyao@cn.ibm.com 联系他。
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甘志，IBM 中国软件实验室（CSDL BJ）SOA Design Center 成员，主要研究方向为 SOA 和 Security，他还对羽毛球运动很感兴趣。他在上海交通大学计算机系攻读网络安全方向博士学位，期间发表了多篇论文和技术书籍。您可以通过 ganzhi@cn.ibm.com 联系他。
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罗志达，IBM 中国软件实验室（CSDL BJ）China Emerging Technology Institute 成员，主要研究方向为程序动态分析和程序静态分析。他在北京大学获得软件工程硕士学位。您可以通过 luozd@cn.ibm.com 联系他。
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戴晓君，IBM 中国软件实验室（CSDL BJ）China Emerging Technology Institute 成员，主要研究方向为并行编程和敏捷软件开发方法。他在中国科学院软件研究所获得计算机
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