13、硬件辅助在线数据竞争检测：原理、实践与性能分析

硬件辅助在线数据竞争检测：原理、实践与性能分析

1. 引言

在多线程编程中，数据竞争是一个常见且棘手的问题，可能导致程序出现不可预测的行为和数据损坏。为了解决这一问题，我们探讨一种基于 COEMS 技术的硬件辅助在线数据竞争检测方法。该方法利用 TeSSLa 规范语言对锁集算法进行编码，并结合硬件和软件阶段，实现对多线程应用中潜在数据竞争的有效检测。

2. 案例研究

我们以一组银行家在不同银行账户之间随机转账的模拟场景为例，详细说明该方法的应用。银行家在进行交易前会锁定源账户和目标账户，以防止数据竞争和死锁。但在特殊情况下，一个银行家（id 为 0）忘记执行锁定操作，可能导致数据损坏。

2.1 TeSSLa 规范实例化

为了检测数据竞争，我们使用 mkDR - 脚本和插桩后的二进制文件，结合所有互斥锁（如 accts[0].mtx 等）和共享变量（如 accts[0].balance 等）的名称作为参数，实例化相应的 COEMS 数据竞争模板。

TeSSLa 规范的大小与需要监控的锁数量（L）和共享内存地址数量（X）相关，而与线程数量无关。具体来说，第一部分 hw.tessla 生成的流数量为 3L + 5X，第二部分 sw.tessla 生成的流数量与 (X + 1) * L 成正比。

以下是具体的流生成情况：
| 部分 | 流数量计算公式 | 说明 |
| ---- | ---- | ---- |
| hw.tessla | 3L + 5X | 对于每个锁 L，包含锁/解锁对和 holding_L 流；对于每个内存地址 X，包含一个由五个流组成的块 |