[論文レビュー] Temporal Debugging using URDB

Ana Maria Visan, Artem Y. Polyakov+4 more|ArXiv.org|Oct 27, 2009

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 10被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、DMTCPの高速チェックポイント・リスタート機構を活用して、ソースコードの変更なしにマルチスレッド、マルチプロセス、分散プログラムにおいても時間的デバッグを可能にする、普遍的な可逆デバッガーURDBを紹介する。gdb、MATLAB、Python、Perlをサポートし、プロセスレベルのチェックポイントによる時間的検索や式ウォッチポイントといった新機能を実現し、従来のログベースの可逆デバッガーの限界を克服する。

ABSTRACT

A new style of temporal debugging is proposed. The new URDB debugger can employ such techniques as temporal search for finding an underlying fault that is causing a bug. This improves on the standard iterative debugging style, which iteratively re-executes a program under debugger control in the search for the underlying fault. URDB acts as a meta-debugger, with current support for four widely used debuggers: gdb, MATLAB, python, and perl. Support for a new debugger can be added in a few hours. Among its points of novelty are: (i) the first reversible debuggers for MATLAB, python, and perl; (ii) support for today's multi-core architectures; (iii) reversible debugging of multi-process and distributed computations; and (iv) temporal search on changes in program expressions. URDB gains its reversibility and temporal abilities through the fast checkpoint-restart capability of DMTCP (Distributed MultiThreaded CheckPointing). The recently enhanced DMTCP also adds ptrace support, enabling one to freeze, migrate, and replicate debugging sessions.

研究の動機と目的

• 現代のマルチコア、マルチプロセス、分散プログラムにおける複雑で時間的に分散したバグのデバッグという課題に対処すること。
• 大規模または並列計算において非効率的または非現実的である、従来の反復的およびログベースの可逆デバッガーの限界を克服すること。
• プロセスを第一級オブジェクトとして扱うことで、プロセスのライフタイムにわたる時間的検索やメタプログラミングを可能にすること。
• 既存のデバッガーのソースコードを変更せずに可逆性を追加できる、軽量で拡張性の高いフレームワークを提供すること。
• gdb、MATLAB、Python、Perlとの統合およびインタラクティブゲームにおけるプロトタイプ実装を通じて、実用的応用の有効性を示すこと。

提案手法

• URDBは、既存のデバッガーをラップするメタデバッガーとして機能し、DMTCPの高速チェックポイント・リスタートを活用して、ログ記録なしにプログラム状態の時間的スナップショットを生成する。
• ディスク上のチェックポイントから復元することで可逆実行を可能にし、プログラム実行履歴を前向きおよび後向きに走査できる。
• 250行程度のPythonテンプレートを用いることで、MATLAB、Python、Perlなどの新しいデバッガーパーソナリティを数時間で実装可能であり、対象デバッガーの変更は一切不要である。
• 式ウォッチポイントは、プロセスライフタイムにおける二分探索によって実装され、プログラム式の値の変化を特定する時間的検索を可能にする。
• プロセスグループ全体とそのプロセス間通信状態をチェックポイント化することで、マルチスレッド、マルチプロセス、分散計算をサポートする。
• プログラムが自身の実行履歴を再実行・変更・分析できるようにすることで、予測実行とプログラム内省を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソースコードのアクセスがなくとも、多様なデバッガーをサポートする普遍的な可逆デバッガーを構築できるか？
• RQ2 ログベースのアプローチが失敗する長時間実行、マルチコア、分散プログラムにおいて、チェックポイントベースの可逆デバッグがスケーラブルに機能するか？
• RQ3 時間的に離れた障害のデバッグに有効な、時間的検索と式ウォッチポイントを効果的に実装できるか？
• RQ4 プロセスライフタイムを第一級オブジェクトとして扱うことで、予測実行や依存関係解析といったメタプログラミングが可能になるか？
• RQ5 インクリメンタルチェックポイントとコマンドベースの一時的チェックポイントにより、チェックポイントのパフォーマンスおよびストレージオーバーヘッドを最小限に抑えることができるか？

主な発見

• URDBは、gdb、MATLAB、Python（pdb）、Perl（perl -d）という4つの広く使われるデバッガーに対して、ソースコードの変更なしに可逆デバッグを実現した。
• システムはマルチコア、マルチスレッド、分散プログラムにおける可逆実行をサポートしており、これは大多数の先行可逆デバッガーに欠如している機能である。
• 式ウォッチポイントにより、ユーザー指定の式の値が変化したタイミングを特定する時間的検索が可能となり、実行履歴における仮説検証が効率的に行える。
• MATLAB、Python、Perlの可逆デバッガーの実装は、ソースコードへのアクセスなしに達成されたため、フレームワークの汎用性が実証された。
• クラシックUNIXゲーム（rogueとrobots）におけるプロトタイプ応用により、予測実行と時空デバッグがインタラクティブシミュレーションで実現可能であることが示された。
• ログベースシステムの決定的リプレイの制限を回避しつつ、並列および分散実行をサポートするという点で、従来の可逆デバッガーに対するスケーラブルな代替手段を提供した。