[論文レビュー] Verifying Concurrent Stacks by Divergence-Sensitive Bisimulation

Xiaoxiao Yang, Joost-Pieter Katoen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2017

Distributed systems and fault tolerance参考文献 17被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、線形化可能性とロックフリー性などの進行性特性（例：ロックフリー）を、ロックフリースタックなどの並行データ構造で検証するために、発散に敏感な分岐 bisimulation を使用することを提案する。抽象的仕様を原子的メソッドブロックでモデル化し、実装を細粒度の操作でモデル化することで、著者らは分岐 bisimulation が線形化可能性を保持することを示し、多項式時間での検証が可能であることを示している。これは、PSPACE完全であるトレース精錬に代わるより効率的な代替手段を提供する。

ABSTRACT

The verification of linearizability -- a key correctness criterion for concurrent objects -- is based on trace refinement whose checking is PSPACE-complete. This paper suggests to use \emph{branching} bisimulation instead. Our approach is based on comparing an abstract specification in which object methods are executed atomically to a real object program. Exploiting divergence sensitivity, this also applies to progress properties such as lock-freedom. These results enable the use of \emph{polynomial-time} divergence-sensitive branching bisimulation checking techniques for verifying linearizability and progress. We conducted the experiment on concurrent lock-free stacks to validate the efficiency and effectiveness of our methods.

研究の動機と目的

• 並行オブジェクトにおけるロックフリー性のような進行性特性を検証する際のトレース精錬の限界を解消すること。
• 抽象的および実装的並行オブジェクト実装間で分岐 bisimulation が正確な同値関係として機能するかどうかを検討すること。
• 発散に敏感な bisimulation を活用することで、線形化可能性と進行性の両方の効率的検証を可能にすること。
• 異なる進行性特性に対して別々の精錬関係を定義する必要を回避する統一フレームワークを提供すること。
• ロックフリースタックを対象にこの手法を検証し、ロックフリー性を破る以前に未知のバグを発見すること。

提案手法

• 抽象的仕様を、原子的メソッドブロックとしてモデル化し、メソッドの理想化された逐次実行を表す。
• 実装を、低レベルの同期と共有変数を持つ細粒度の並行プログラムとしてモデル化する。
• 外部的に観察可能な動作の同値性を捉えるために、抽象的および実装的システム間の発散に敏感な分岐 bisimulation 関係を定義する。
• 抽象的および実装的システムが分岐 bisimilar であるならば、その実装は線形化可能であり、進行性特性を満たすことを証明する。
• 有限状態系における多項式時間アルゴリズムを用いて分岐 bisimulation を検証し、PSPACE完全なトレース精錬に代わる。
• 無限状態系における既存のモデル検査技術（例：パラメータ化されたブール方程式系）を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トレース精錬よりも効率的に並行オブジェクトの線形化可能性を検証するために、分岐 bisimulation を使用できるか？
• RQ2 発散に敏感な分岐 bisimulation は、非ブロッキングデータ構造におけるロックフリー性のような進行性特性を保持するか？
• RQ3 抽象的原子的仕様と実装的細粒度実装の間には、自然な同値関係が存在するか？
• RQ4 1つの同値関係が、異なる進行性特性に対して別々に提案された複数の精錬関係を置き換えることができるか？
• RQ5 この手法は、ロックフリー性の違反のような並行実装における微妙なバグを検出できるか？

主な発見

• 発散に敏感な分岐 bisimulation は線形化可能性を意味し、正しさの十分条件を提供する。
• 本手法により、線形化可能性の多項式時間検証が可能となり、トレース精錬のPSPACE完全性とは対照的である。
• 分岐 bisimulation はLTL_○で表現可能なすべての進行性特性を保持するため、各特性ごとに別々の精錬関係を定義する必要がなくなる。
• 本手法は、トライバーのロックフリースタックおよびハザードポインタを備えた改訂版実装を正しく検証した。
• バイシミュレーション解析を通じて、改訂版スタック実装に存在する以前に発見されていなかったロックフリー性違反のバグが発見された。
• 本手法は一般化可能であり、スタックを越えたより複雑な並行オブジェクトの検証へと拡張されている。