Data Race Detection for Parallel Programs Using a Virtual Platform

Data races are highly destructive bugs found in concurrent programs. Because of unordered thread interleavings, data races can randomly appear and disappear during the debugging process which makes them difficult to find and reproduce. A data race exists when multiple threads or processes concurrently access a shared memory address, with at least one of the accesses being a write. Such a scenario can cause data corruption, memory leaks, crashes, or incorrect execution. It is therefore important that data races are absent from production software. This thesis explores dynamic data race detection in programs running on Ericsson’s System Virtualization Platform (SVP), a SystemC/TLM-2.0-based virtual platform used for running software on simulated hardware. SVP is a bit-accurate simulator of Ericsson Many-Core Architecture (EMCA) hardware, enabling software and hardware to be developed in parallel, as well as providing unique insight into software execution. This latter property of SVP has been utilized to implement SVPracer, a proof-of-concept dynamic data race detector. SVPracer is based on a happens-before algorithm similar to Google’s ThreadSanitizer v2, but is significantly different in implementation as it relies entirely on instrumenting binary code during runtime without requiring code modification during build time. A set of test programs exhibiting various data races were written and compiled for EOS, the operating system (OS) running on EMCA Digital Signal Processors (DSPs). Similar programs were created for Linux using POSIX APIs, to compare SVPracer against ThreadSanitizer v2. Both SVPracer and ThreadSanitizer v2 correctly detect the data races present in the respective test programs. Further work must be done in SVPracer to eliminate some false positive results, caused by missing support for some OS functionality such as semaphores. Still, the present state of SVPracer is sufficient proof that dynamic data race detection is possible using a virtual platform. Future work could involve exploring other data race detection algorithms as well as implementing deadlock/livelock detection in virtual platforms.Datakapplöpning är en mycket destruktiv typ av bugg i samtidig programvara. På grund av icke-ordnad sammanvävning av trådar kan datakapplöpning slumpmässigt dyka upp och försvinna under avlusning (debugging), vilket gör dem svåra att hitta och återskapa. Datakapplöpning existerar när flera trådar eller processer samtidigt accessar en delad minnesaddress och minst en av accesserna är en skrivning. Ett sådant scenario kan orsaka datakorruption, minnesläckor, krascher eller felaktig exekvering. Det är därför viktigt att datakapplöpning inte finns med i programvara för slutlig release. Det här examensarbetet utforskar dynamisk detektion av datakapplöpning i program som körs på Ericssons System Virtualization Platform (SVP), en SystemC/TLM-2.0baserad virtuell platform som används för att köra program på simulerad hårdvara. SVP är en bit-exakt simulator för hårdvara av typen Ericsson Many-Core Architecture (EMCA), vilket möjliggör parallell utveckling av hårdvara och programvara samt unik inblick i programvaruexekvering. Den senare egenskapen hos SVP har använts för att implementera SVPracer, en konceptvalidering av dynamisk detektion av datakapplöpning. SVPracer baseras på en algoritm av typen happens-before, som liknar den i Googles ThreadSanitizer v2. Stora skillnader finns dock i SVPracers implementation eftersom den instrumenterar binärkod under körning, utan att behöva modifiera koden under kompilering. Ett antal testprogram med olika typer av datakapplöpning skapades för (EOS), ett operativsystem som körs på EMCAs signalprocessorer (DSP). Motsvarande program skrevs för Linux med POSIX-APIer, för att kunna jämföra SVPracer med ThreadSanitizer v2. Både SVPracer och ThreadSanitizer v2 upptäckte datakapplöpningarna i samtliga testprogram. SVPracer kräver vidare arbete för att eliminera några falska positiva resultat orsakade av saknat stöd för vissa OS-funktioner, exempelvis semaforer. Trots det bedöms SVPracers nuvarande prestanda som tillräckligt bevis för att virtuella plattformar kan användas för detektion av datakapplöpning. Framtida arbete skulle kunna involvera utforskning av andra detektionsalgoritmer samt detektion av baklås