カーネル/VM勉強会　第2回OS基礎（xv6）

1. xv6から始めるSPIN入門
@oraccha
2012-09-02 カーネル/VM勉強会

2. SPINって何？
¤ sleep1.p ??
本筋じゃなくてすいません。。。

3. SPINって何？
¤ 並行システムのモデル検査ツール
l ソフトウェアが「正しく」動くことを証明したり、
反証を示すことが可能
l テスト手法とは異なり、設計段階で使用
l 例：通信プロトコルの状態遷移チェック、
排他制御アルゴリズムの検証
¤ PromelaというC言語ライクなモデリング言語
¤ 1980年ごろからベル研で開発
¤ 現在、http://spinroot.com/から入手可能

4. SPINって何？
SPIN:
Simple
Promela
Interpreter
モデル Promela:
Process
Meta
Language
（Promela）
SPIN
pan.c
C compiler
spinpスクリプトは検証モードで動作：
あらゆる状態遷移を生成し、所定の
pan (protocol
analyzer)
性質を満たしているか検証

5. sleep1.p
¤ 生産者・消費者問題を使った、排他制御の
教材だと思われる
l ロックを取得して、共有資源にアクセスする
l テキスト “Sleep and wakeup” (P.55-57)
¤ 同じパターンはソースコード内に頻出
l 例：bio.c, console.c, fs.c, log.c, pipe.c, proc.c

6. “Hello, world!”
/* My first promela program. */
active proctype main() {
printf(“Hello, world!n”);
}
$ spin hello.p !
Hello, world!!
1 process created!

7. Promelaモデル
¤ 変数
¤ プロセス
¤ メッセージチャネル

8. データ型、配列
¤ 基本的にC言語と同じ
l 例外：初期値は0かfalse
¤ スコープ
l グローバル変数
l プロセス内ローカル変数
# define N 2
#defineや#include文は内部でcppにより
bit lk; 処理されるので、C言語同様に利用可能
byte value;
bit sleeping[N]

9. プロセス
¤ SPINは実行可能なプロセスをランダムに１つ
選び、そこから1文を実行
l 例外：atomicで囲まれた文は不可分に実行
¤ proctypeで定義し、activeでインスタンス化
¤ プロセスIDはローカル変数_pidで取得可能
active[N] proctype consumer() { ... }
active[N] proctype producer() { ... }

10. inline文
¤ C言語の関数に似ているが、あくまでマクロ
¤ Promela言語に関数は存在しない
inline acquire(x) {
atomic { x == 0; x = 1 }
} 式は真になるまでブロック。
「x==0」は次のコードと等価
inline release(x) {
while
(x
!=
0)
skip
assert x==1;
x=0 「;（セミコロン）」は、文の終端を示す
} ものではなく、文の分割を意味する。
「-­‐>」も同じ意味

11. assert文
¤ assert(3)と同じで、不変条件の表明に使用
l 偽だとエラー発生
inline acquire(x) {
atomic { x == 0; x = 1 }
}
inline release(x) {
assert x==1;
x=0
}

12. if式
¤ 真のガード条件をランダムに１つ選んで実行
¤ 条件を満たすものがなければ待機
inline sleep(cond, lk) {
assert !sleeping[_pid];
if
:: cond ->
skip /* 何もしない文（Pythonのpassみたい） */
:: else ->
atomic { release(lk); sleeping[_pid] = 1 };
sleeping[_pid] == 0;
acquire(lk)
fi
}

13. do式
¤ 基本的にif式と同じだが、永久に評価を繰り返す
¤ break文で脱出
inline wakeup()
{
w = 0;
do
:: w < N ->
sleeping[w] = 0;
w=w+1
:: else ->
break
od
} この例は、forループを書きたいときのイディオムかな

14. インストール for Mac OS X
¤ Mountain Lion + Xcode command line tools
¤ spinroot.comからソースコードをダウンロード
して、コンパイル
l makefileのCFLAGSに-DMACを追加
¤ 最新版はVersion 6.2.2
$ ./spinp sleep1.p !
...snip...!
State-vector 48 byte, depth reached 236,
errors: 0!
...snip...!

15. デッドロック
¤ ソースコード冒頭のコメントに従い、間違った
ロックの使い方をするように改変すると、、、
¤ エラーが発生すると、各プロセスの実行トレー
スを出力
$ ./spinp sleep1.p !
...snip...!
State-vector 48 byte, depth reached 236,
errors: 5!
...snip...!

16. まとめ
¤ モデル検査ツールSPINのPromela言語の
ソースコードを読んでみた
l 線形時間論理とかCSPとかわからなくても、
とりあえず使うことはできる
¤ SPINはOS屋の嗜みの一つ
l 通信プロトコルの設計などをする人は知って
損はないようです
l OSを形式手法を用いて検証するというのは、
ここ数年のホットな話題らしいですよ