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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，导致对系统的测试和调试是非常困难的。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

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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：

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。

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。

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锁问题。

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。

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

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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

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主要设置了四块内容：

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

执行TLC

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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。

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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

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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/

正文到此结束

所属分类： Java 编程技术

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