TLA+案例-JAVA缓冲区建模

TLA+案例:JAVA缓冲区建模

前面的文章中提到,由于并发系统的不确定性,导致对系统的测试调试是非常困难的。下面以共享缓存区为例来介绍如何在并发场景下应用TLA+。

背景介绍

假设要设计一个共享缓冲区系统,包含三块内容:生产者、消费者、缓冲区。

TLA+案例-JAVA缓冲区建模

  • 生产者:负责往缓冲区中写入数据
  • 消费者:负责从缓冲区中读取数据。
  • 缓冲区:充当读写数据的同步器。缓冲区满的时候生产者需要等待,缓冲区空的时候消费者需要等待。

系统主要的同步控制通过缓冲区来完成,生产者和消费者只负责简单的写入和读取。由此可见缓冲区就是系统设计的关键所在,其JAVA实现如下:

public class Buffer<E> {
  
    public final int capacity;
    private final E[] store;
    private int head, tail, size;
  
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public Buffer (int capacity) {
      this.capacity = capacity;
      this.store = (E[])new Object[capacity];
    }
    private int next (int x) {
      return (x + 1) % store.length;
    }
    public synchronized void put (E e) throws InterruptedException { // 同步写入
      while (isFull()) // 满则等待
        wait();
      notify();
      store[tail] = e;
      tail = next(tail);
      size++;
    }
    public synchronized E get () throws InterruptedException { // 同步读取
      while (isEmpty()) // 空则等待
        wait();
      notify();
      E e = store[head];
      store[head] = null; // for GC
      head = next(head);
      size--;
      return e;
    }
    public synchronized boolean isFull () { // 判断已满
      return size == capacity;
    }
    public synchronized boolean isEmpty () { // 判断为空
      return size == 0;
    }
  }

上述代码完全满足设计需求,无论在实现逻辑上,亦或可读性上都非常清晰易懂,通过代码走查应该问题不大,就这样提交到master分支,并进入了生产环境中。

问题

TLA+案例-JAVA缓冲区建模

系统运行了一段时候后的某天深夜你被电话惊醒,被运维人员告知系统出了异常,需要马上解决。这时正式开始了痛苦且充满不确定的分布式系统调试过程。我们可能会这么干:

  1. 增加一些有助于调试定位的打印

    public synchronized void put (E e) throws InterruptedException {
           String name = Thread.currentThread().getName();
           while (isFull()) {
             logger.info(String.format("buffer full; %s waits", name));
             waitSetSize++;
             wait();
             logger.info(String.format("%s is notified", name));
           }
           logger.info(String.format("%s successfully puts", name));
           notify();
           if (waitSetSize > 0)
             waitSetSize--;
           logger.fine(String.format("wait set size is %d", waitSetSize));
           store[tail] = e;
           tail = next(tail);
           size++;
           lastChange = System.currentTimeMillis();
         }

    ok,做好了准备工作,开始调试。

  2. 在实验室照搬故障现场进行测试 几个小时过后,没有出现任何问题,效率太低这时只有放弃拷机测试。 开始考虑对系统进行简化,模拟构建些生产者和消费者,来提升测试效率。

  3. 在实验室通过简化和模拟来测试

    以模拟生产者为例子:

    class Producer extends Thread {
         public Producer (int n) {
           super("producer-"+n);
         }
         public void run () {
           String name = getName();
           try {
             while (true) {
               sleep(rand.nextInt(sleepProd));
               buffer.put(name);
             }
           } catch (InterruptedException e) {
             return;
           }
         }
       }

    通过sleep随机时间来模拟业务过程,简化写入数据(仅写入生产者实例名称)。对于有经验的开发者,在共享资源竞争的情况下最容易出现的就是死问题。

    long time = System.currentTimeMillis();
           while (true) {
             Thread.sleep(60000); // check for deadlock every minute
             synchronized (buffer) {
               if (buffer.waitSetSize == threadCount) {
                 logger.severe(String.format
                               ("DEADLOCK after %d messages and %.1f seconds!",
                                buffer.msgCount, (buffer.lastChange - time)/ 1e3));
                 for (Thread t : participants)
                   t.interrupt();
                 return;
               }
             }
           }

    在主函数中定期(每分钟)检查生产者和消费者是否存在死锁问题。

  4. 问题发生

    在不断的尝试过程中,在缓冲区容量为2,生产者数量为3,消费者数量为2的场景下,终于出现了死锁。

    java AnnotatedBuffer 2 3 2 3 2
     01:35:39.047: DEADLOCK after 3970423422 messages and 1576335.9 seconds!

    可以看下中间所经历的消息交互数量(近40亿次)和时间(大约18天)。这还是在模拟系统规模极小和业务速度极快的情况下。说不定过程中又放弃了。

    当然也不是每次都会这么慢,这只是一种执行的可能性。

使用TLA+

编写Spec

TLA+案例-JAVA缓冲区建模

Spec中的注释已经很清晰了,下面就没有注释的内容进行解释:

  • NEXT表达存在一个运行的线程,若该线程为生产者则随机选取一个存在于Data的m,并将其put到buffer。若该线程为消费者则从buffer中get一个数据。
  • Prog就是前面所介绍的时态逻辑格式
  • 最后一行的THEORREM表示Prog蕴含一直满足类型不变式和非死锁性。

模型设置

TLA+案例-JAVA缓冲区建模

主要设置了四块内容:

  1. 勾选Deadlock(默认就是勾选的,适用于并发系统验证)。
  2. 时态公式Prog配置
  3. NoDeadlock属性配置。
  4. 一些常量配置。

执行TLC

TLA+案例-JAVA缓冲区建模

点击执行按钮后,很快就检查出了不变量NoDeadlock冲突,右下角Error-Trace窗口展示的就是该冲突所出现的过程。总共经过24步waitSet就包含了全部线程,你可以通过trace清楚的了解到错误发生的整个过程。整个系统涵盖的总状态数量为387。

感兴趣的读者可以将生产者设置为{p1,p2},然后再运行TLC,你会发现TLC检测通过了。

TLA+案例-JAVA缓冲区建模

减少了一个生产者整个问题的状态成指数级下降。结果正确证明了系统是否异常跟buffer的设计关系也没有那么密切,而跟资源如何规划关系更紧密。通过泛化可以推导出以下结论:

2 * BufCapacity >= Producers + Consumers

疑问

问题:在内部培训时,有同学提出疑问:Spec的编写成本跟真实的buffer.java差不多,建模的性价比是否太低?

解答:其实这个问题得这样看当完成TLA+的spec和模型配置后,相当于实现了整个buffer系统(包括:生产者、消费者以及缓冲区)而非仅仅实现了buffer.java类。以较小的成本实现原型系统和对系统的全面状态检查才是TLA+的强大之处。

参考文献

http://www.cs.unh.edu/~charpov/teaching-cs745_845-example.html

  • Previous

    形式化规范语言TLA+

原文 
http://kaelzhang81.github.io/2018/05/06/TLA 案例-JAVA缓冲区建模/

本站部分文章源于互联网,本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的转载,为网友免费提供。如有著作权人或出版方提出异议,本站将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们,以便我们及时纠正。

PS:推荐一个微信公众号: askHarries 或者qq群:474807195,里面会分享一些资深架构师录制的视频录像:有Spring,MyBatis,Netty源码分析,高并发、高性能、分布式、微服务架构的原理,JVM性能优化这些成为架构师必备的知识体系。还能领取免费的学习资源,目前受益良多

转载请注明原文出处:Harries Blog™ » TLA+案例-JAVA缓冲区建模

赞 (0)
分享到:更多 ()

评论 0

  • 昵称 (必填)
  • 邮箱 (必填)
  • 网址