TEMpesT: Testing Empirically for Memory Transistency

Naorin Hossain

doi:10.1145/3774419

TEMpesT: Testing Empirically for Memory Transistency

2025-12-01

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DOI：10.1145/3774419

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在当今的并行系统中，当内存被多个处理单元共享时，确保程序的正确执行变得困难。内存一致性模型（MCMs）被定义为在硬件-软件栈的不同层级之间提供一种契约，以指定共享内存访问顺序，从而实现正确的实现。然而，传统的指令集架构（ISA）MCMs仅考虑用户级程序指令对共享内存访问的可见影响。但在虚拟内存系统中，存在额外的硬件和操作系统（OS）级别的共享内存访问，这些访问可能为了地址转换而触发，并可能影响程序执行。因此，提出了内存时序性模型（MTMs），以定义MCMs的超集，并额外考虑底层的虚拟内存操作。然而，MTM的实现因涉及硬件和OS的管理而复杂，导致其难以规范。在这种情况下，经验性测试通常是验证规范有效性的常用方法。然而，经验性MTM测试具有挑战性，因为硬件、OS和用户级操作之间存在复杂的顺序关系，且无法在用户级程序中显式运行和控制虚拟内存操作。尽管存在许多MCM测试工具并被用于发现系统错误，但目前尚无关于开发系统性MTM测试技术的工作，也未对这类技术的有效性进行分析。在本研究中，我们引入了TEMpesT，这是首个采用与ISA无关技术、在硬件和OS层面执行MTM模糊测试的全系统框架。TEMpesT利用增强型litmus测试（ELTs）和创新的用户级MTM模糊测试技术，以诱导虚拟内存操作并揭示边缘情况行为。我们使用TEMpesT在运行Linux的Intel x86系统上验证了形式化MTM规范x86t_elt。结果表明，TEMpesT的技术能够产生高度多样的结果，在仅执行10,000次针对x86t_elt合成的每个ELT迭代后，观察到所有可能结果的94%，比先前的方法提高了5.8倍。本文还介绍了MTM变异测试，我们利用其评估了TEMpesT的模糊测试技术，并证明了其有效的MTM错误检测能力。

Keyword:

Memory transistency

virtual memory management

empirical testing

formal specifications

memory consistency

TEMpesT: Testing Empirically for Memory Transistency

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