UniTO/anno3/vpc/consegne/3/analisi.org

# SCHELETRO:

# * Algoritmo 3.5
# Due processi iterano all'infinito seguendo questo pseudocodice

# #+BEGIN_SRC 
# #+END_SRC

# ** NuSMV
# Si e` deciso di modellare l'algoritmo usando per ognuno dei due
# processi ...
# | CODE
# #+include 3.2.b.smv

# ** GreatSPN
# ** TODO CCS
# ** Risultati
Nella tabella mostriamo i risultati ottenuti
|                     | NuSMV | GreatSPN |
|---------------------+-------+----------|
| Mutua Esclusione    |  |     |
| Assenza di deadlock |  |     |
| No Starvation       |  |     |
* TODO [1/7]
- [X] Cosa significa FAIRNESS running alla fine dei .smv
- [ ] Riformula liveness
- [ ] chiedi a lei di safety, liveness, fairness
- [ ] Vedi necessita` di Sync e /
- [ ] Finisci tutto con algebra dei processi
- [ ] Reachability graph vs Derivation Graph
- [ ] Controlla in 3.6 Starvation: nusmv no, greatspn si`
- [ ] 3.6, dealock: correttezza spiegazione della differenza greatspn nusmv?
- [ ] 3.6, starvation: perche` nusmv con processi non ha starvation?
- [ ] 3.6, Amparore ha detto che deadlock: AG(EF(#critical_P == 1)) ??
- [ ] 3.6, inserisci controesempi dove necessario

NOTA: nel caso di Ampararore, la formula:
| da qualsiasi stato e` sempre possibile arrivare a critical_P == 1

* TODO Proprieta` del modello

Ogni modello successivamente mostrato rispetta le seguenti proprieta`:
Siano /p/ e /q/ due generici processi,
1. Mutua esclusione (safety): garantisce che al piu` un solo processo e` nella
   sezione critica ad ogni istante
   | G (¬cₚ∨¬c_{q}) 
2. Assenza di deadlock (liveness): ogni qualvolta un processo e` in
   attesa di entrare nella sezione critica, eventualmente verra`
   concesso ad un processo di entrare nella sezione critica
   | G(wₚ → F(cₚ∨c_{q})
3. Assenza di starvation individuale (strong fairness): ogni qualvolta un processo e` in
   attesa di entrare nella sezione critica, eventualmente gli verra` concesso
   | G(wₚ → Fcₚ)
Possiamo convertire queste tre formule LTL in formule equivalenti CTL
anteponendo l'operatore di stato A:
   | AG (¬cₚ∨¬c_{q}) 
   | AG(wₚ → AF(cₚ∨c_{q})
   | AG(wₚ → AFcₚ)
Benche` non tutte le formule LTL possono essere convertite in una
formula CTL equivalente anteponendo ad ogni operatore temporale
l'operatore di stato A, per queste tre proprieta` possiamo.
 
* Algoritmo 3.2
Due processi iterano all'infinito seguendo questo pseudocodice

#+BEGIN_SRC 
while true:
      non-critical section
      await turn = ID
      critical section
      turn <- (ID%2)+1
#+END_SRC

** NuSMV
Si e` deciso di modellare l'algoritmo usando per ognuno dei due
processi un'enumerazione di 4 stati ed una variabile turno di tipo intero.
| state: {begin, wait, critical, done};
#+include 3.2.b.smv
** GreatSPN
Il codice utilizzato per le proprieta` CTL e` il seguente:
#+BEGIN_SRC
AG(!(#Critical_P == 1) || !(#Critical_Q == 1)) = true
AG ((#Wait_P==1 || \#Wait_Q == 1) -> AF (#Critical_P == 1 || \#Critical_Q == 1)) = false
AG (#Wait_P==1 -> AF (#Critical_P == 1)) = false
#+END_SRC
[[./3.2.jpg]]
** TODO CCS
** Risultati
Nella tabella mostriamo i risultati ottenuti
|                     | NuSMV | GreatSPN |
|---------------------+-------+----------|
| Mutua Esclusione    | True  | True     |
| Assenza di deadlock | False | False    |
| No Starvation       | False | False    |
Il risultato della possibilita` di deadlock non deve
stupire: la specifica non obbliga un processo a terminare la fase
begin.
Ne segue che anche l'assenza di starvation individuale non e`
garantita.
NuSMV conferma quanto detto mostrandoci un trace che fa da
controesempio alla formula CTL:
#+BEGIN_SRC
-- specification AG ((p.state = wait | q.state = wait) -> AF (p.state = critical | q.state = critical))  is false
-- as demonstrated by the following execution sequence
Trace Description: CTL Counterexample
Trace Type: Counterexample
  -> State: 1.1 <-
    turn = 1
    p.state = begin
    q.state = begin
  -- Loop starts here
  -> State: 1.2 <-
    q.state = wait
  -> State: 1.3 <-
#+END_SRC
Si vede che il processo q rimane nella fase begin e p, dopo essere
entrato nella regione critica una volta, rimane bloccato in begin.
Lo stesso trace mostra la possibilita` di starvation del processo.
La rete modellata con GreatSPN ci conferma quanto visto con NuSMV.

Prendiamo in considerazione la seguente formula CTL
| AG (wₚ -> EF cₚ)
Sia GreatSPN che NuSMV ci mostrano che il sistema modellato rispetta
questa proprieta`. Questo significa che un processo in attesa di
entrare nella sezione critica ha la possibilita` di compiere
progresso, ma solo nel caso in cui, come si intuisce dal controesempio
precedente, l'altro processo decida di entrare in attesa a sua volta.

* Algoritmo 3.5
Due processi iterano all'infinito seguendo questo pseudocodice

#+BEGIN_SRC 
while true:
   await turn = ID
   turn <- (ID%2)+1
#+END_SRC

** NuSMV
Si e` deciso di modellare l'algoritmo usando per ognuno dei due
processi un'enumerazione di due stati e un contatore di turni intero
| state: {await, done};
#+include 3.5.b.smv

** GreatSPN
Il codice utilizzato per le proprieta` CTL e` il seguente:
#+BEGIN_SRC
AG(!(#Await_P == 1) || !(#Await_Q == 1)) = true
AG ((#Wait_P==1 || \#AWait_Q == 1) -> AF (#Done_P == 1 || \#Done_Q == 1)) = false
AG (#Await_P==1 -> AF (#Done_P == 1)) = false
#+END_SRC
[[./3.5.jpg]]
** TODO CCS
** Risultati
Nella tabella mostriamo i risultati ottenuti
|                     | NuSMV | GreatSPN |
|---------------------+-------+----------|
| Mutua Esclusione    | true  | true     |
| Assenza di deadlock | false | false    |
| No Starvation       | false | false    |
I risultati confermano il fatto che questo algoritmo e` solamente una
versione semplificata del precedente (/begin/ e /wait/ sono stati fusi
in await e /done/ rimosso) e pertanto il trace di controesempio
fornito da NuSMV e da GreatSPN presentano riflettono i risultati di
questa semplificazione.
- Possibilita` di deadlock:
  #+BEGIN_SRC
    – specification AG ((p.state = await | q.state = await) -> AF (p.state = done | q.state = done))  is false
    – as demonstrated by the following execution sequence
    Trace Description: CTL Counterexample 
    Trace Type: Counterexample 
    – Loop starts here
    -> State: 1.1 <-
        turn = 1
        p.state = await
        q.state = await
    -> State: 1.2 <-
  #+END_SRC
- Possibilita` di starvation: i processi non compiono progresso
  iterando infinite volte su /await/.
  #+BEGIN_SRC
    – specification AG (p.state = await -> AF p.state = done)  is false
    – as demonstrated by the following execution sequence
    Trace Description: CTL Counterexample 
    Trace Type: Counterexample 
    – Loop starts here
    -> State: 2.1 <-
        turn = 1
        p.state = await
        q.state = await
    -> State: 2.2 <-
  #+END_SRC
  #+BEGIN_SRC
    – specification AG (q.state = await -> AF q.state = done)  is false
    – as demonstrated by the following execution sequence
    Trace Description: CTL Counterexample 
    Trace Type: Counterexample 
    – Loop starts here
    -> State: 3.1 <-
        turn = 1
        p.state = await
        q.state = await
    -> State: 3.2 <-
    – specification AG (q.state = await -> EF q.state = done)  is true
  #+END_SRC
- Possibilita` di compiere progresso:
  #+BEGIN_SRC
    specification AG (q.state = await -> EF q.state = done)  is true
  #+END_SRC

* Algoritmo 3.6
Due processi iterano all'infinito seguendo questo pseudocodice
#+BEGIN_SRC 
while true:
    non-critical section
    await wantQ = false
    wantP <- true
    critical section
    wantP <- false
#+END_SRC

** NuSMV
Si e` deciso di modellare l'algoritmo usando per ognuno dei due
processi usando 5 stati per ogni processo
| state: {local, await, critical, setTrue, setFalse};
#+include 3.6.smv

** GreatSPN
Il codice utilizzato per le proprieta` CTL e` il seguente:
#+BEGIN_SRC
AG(!(#critical_P == 1) || !(#critical_Q == 1)) 
AG ((#await_P==1 || \#await_Q == 1) -> AF (#critical_P == 1 || \#critical_Q == 1)) 
AG (#await_P==1 -> AF (#critical_P == 1))
#+END_SRC
[[./3.6.jpg]]

** TODO CCS
** TODO Risultati
Nella tabella mostriamo i risultati ottenuti
|                     | NuSMV | GreatSPN |
|---------------------+-------+----------|
| Mutua Esclusione    | false | false    |
| Assenza di deadlock | true  | false    |
| No Starvation       | true  | false    |

L'incoerenza del risultato dell'assenza di deadlock e` spiegabile dal
fatto che nel caso di NuSMV non e` possibile che un processo rimanga
nel primo stato (/local/) per un tempo indefinito mentre nel caso di
GreatSPN e` possibile che il processo P vada nello spazio await e il
processo Q decida di rimanere nel loop /local_Q/ all'infinito.
Notiamo che se forziamo i processi a fare del progresso dallo stato
/local/, allora la formula CTL 
| G(wₚ → F(cₚ∨c_{q})
risulta rispettata.
Ancora meglio, piuttosto che rimuovere una transizione possibile,
possiamo restringere la verifica dell'assenza di deadlock alla
seguente formula CTL
| AG (wₚ → EF (cₚ || c_{q}))
| AG(#await_P == 1 -> EF(#critical_Q==1 || \#critical_P == 1))
che risulta rispettata.
* Algoritmo 3.8
Due processi iterano all'infinito seguendo questo pseudocodice

#+BEGIN_SRC 
while true:
    non-critical section
    wantP <- true
    await wantQ = false
    critical section
    wantP <- false
#+END_SRC

** NuSMV
Si e` deciso di modellare l'algoritmo allo stesso modo del precedente.
#+include 3.8.b.smv
** GreatSPN
Il codice utilizzato per le proprieta` CTL e` il seguente:
#+BEGIN_SRC
AG(!(#critical_P == 1) || !(#critical_Q == 1)) 
AG ((#await_P==1 || \#await_Q == 1) -> AF (#critical_P == 1 || \#critical_Q == 1)) 
AG (#await_P==1 -> AF (#critical_P == 1))
AG (#await_Q==1 -> AF (#critical_Q == 1))
#+END_SRC
Inoltre, per confermare alcune ipotesi, si e` testata anche la
seguente formula CTL:
| AG(#await_P == 1 -> EF(#critical_Q==1 || \#critical_P == 1))
che conferma la presenza di deadlock causata dalle due variabili booleane.
[[./3.8.jpg]]
** TODO CCS
** Risultati
Nella tabella mostriamo i risultati ottenuti
|                     | NuSMV | GreatSPN |
|---------------------+-------+----------|
| Mutua Esclusione    | True  | True     |
| Assenza di deadlock | False | False    |
| No Starvation       | False | False    |
Questo algoritmo rispetto al precedente garantisce la mutua
esclusione, ma non ci permette di evitare il deadlock (e di
conseguenza neanche la starvation individuale).

Di seguito riportiamo la traccia di NuSMV che mostra che il deadlock
avviene quando i progetti eseguono /setTrue/ nello stesso momento.
#+BEGIN_SRC
-- specification AG ((p.state = await | q.state = await) -> AF (p.state = critical | q.state = critical))  is false
-- as demonstrated by the following execution sequence
Trace Description: CTL Counterexample
Trace Type: Counterexample
  -> State: 1.1 <-
    wantP = FALSE
    wantQ = FALSE
    p.state = local
    q.state = local
  -> State: 1.2 <-
    p.state = setTrue
    q.state = setTrue
  -- Loop starts here
  -> State: 1.3 <-
    wantP = TRUE
    wantQ = TRUE
    p.state = await
    q.state = await
  -> State: 1.4 <-
#+END_SRC
Mostriamo invece il controesempio generato da GreatSPN che ci mostra
una condizione di starvation individuale, dove, come in precedenza, il
processo Q rimane in /local_Q/.
#+BEGIN_SRC
Generated counter-example: 
==================================== Trace ====================================
Initial state is: local_P(1), wantP_FALSE(1), wantQ_FALSE(1), local_Q(1)
Initial state satisfies: E F (not ((not (await_P = 1)) or (not E G (not (critical_P = 1))))). 

1: local_P(1), wantP_FALSE(1), wantQ_FALSE(1), local_Q(1)
  State 1. satisfies: ((not (await_P = 1)) or (not E G (not (critical_P = 1)))). 

  1.1: local_P(1), wantP_FALSE(1), wantQ_FALSE(1), local_Q(1)
    State 1.1. does not satisfy: (await_P = 1). 

2: SetTrue_P(1), wantP_FALSE(1), wantQ_FALSE(1), local_Q(1)
  State 2. satisfies: ((not (await_P = 1)) or (not E G (not (critical_P = 1)))). 

  2.1: SetTrue_P(1), wantP_FALSE(1), wantQ_FALSE(1), local_Q(1)
    State 2.1. does not satisfy: (await_P = 1). 

3: wantP_TRUE(1), await_P(1), wantQ_FALSE(1), local_Q(1)
  State 3. does not satisfy: ((not (await_P = 1)) or (not E G (not (critical_P = 1)))). 

  3.1: wantP_TRUE(1), await_P(1), wantQ_FALSE(1), local_Q(1)
    State 3.1.L. satisfies: (await_P = 1). 

    State 3.1.R. satisfies: E G (not (critical_P = 1)). Start of loop.

    3.1.R.1: wantP_TRUE(1), await_P(1), wantQ_FALSE(1), local_Q(1)
      State 3.1.R.1. does not satisfy: (critical_P = 1). 

    3.1.R.2: loop back to state 3.1.R.1.
#+END_SRC

* Algoritmo 3.9
Due processi iterano all'infinito seguendo questo pseudocodice

#+BEGIN_SRC 
while true:
    non-critical section
    wantP <- true
    while wantQ
        wantP <- false
        wantP <- true
    critical section
    wantP <- false
#+END_SRC
(l'altro processo segue uno pseudocodice simmetrico)

** NuSMV
Si e` deciso di modellare l'algoritmo usando per ognuno dei due
processi utilizzando l'espressione /process/ per simulare di NuSMV e
per ciascun process una variabile /state/ di tipo enumerazione
| state: {local, critical, setTrue, setFalse, resetTrue, resetFalse};
Benche` non fosse necessario distinguere il set della variabile
booleana /wantP/, si e` preferito farlo in quanto l'enumerazione di
tutti gli stati possibili, come evidenziato dal codice che segue, non
risulta complesso.
#+include 3.9.smv

** GreatSPN
Il codice utilizzato per le proprieta` CTL e` il seguente:
#+BEGIN_SRC
AG(!(#critical_P == 1) || !(#critical_Q == 1)) 
AG ((#setTrue_P==1 || \#setTrue_Q == 1) -> AF (#critical_P == 1 || \#critical_Q == 1)) 
AG (#setTrue_P==1 -> AF (#critical_P == 1))
AG (#setTrue_Q==1 -> AF (#critical_Q == 1))
#+END_SRC
Inoltre, per confermare alcune ipotesi, si e` testata anche la
seguente formula CTL:
| AG(#setTrue_P == 1 -> EF(#critical_Q==1 || \#critical_P == 1))
che conferma la presenza di deadlock causata dalle due variabili
booleane.
[[./3.9.jpg]]
** TODO CCS
** Risultati
Nella tabella mostriamo i risultati ottenuti
|                     | NuSMV | GreatSPN |
|---------------------+-------+----------|
| Mutua Esclusione    | true  | true     |
| Assenza di deadlock | false | false    |
| No Starvation       | false | false    |

Il deadlock si verifica quando i entrambe le variabili booleane sono
uguali a /true/.
Ad esempio, se si esegue in locksetop il loop con la
condizione booleana sulla variabile dell'altro processo, si verifica
la condizione di deadlock.
Viene riportato il trace di NuSMV che conferma questa ipotesi.
GreatSPN fallisce per mancanza di RAM sulla macchina usata ma e`
facile riprodurre il deadlock manualmente.
#+BEGIN_SRC
-- specification AG ((p.state = setTrue | q.state = setTrue) -> AF (p.state = critical | q.state = critical))  is false
-- as demonstrated by the following execution sequence
Trace Description: CTL Counterexample 
Trace Type: Counterexample 
  -> State: 1.1 <-
    wantP = FALSE
    wantQ = FALSE
    p.state = local
    q.state = local
  -> Input: 1.2 <-
    _process_selector_ = p
    running = FALSE
    q.running = FALSE
    p.running = TRUE
  -> State: 1.2 <-
    p.state = setTrue
  -> Input: 1.3 <-
  -> State: 1.3 <-
    wantP = TRUE
    p.state = critical
  -> Input: 1.4 <-
  -> State: 1.4 <-
    p.state = setFalse
  -> Input: 1.5 <-
    _process_selector_ = q
    q.running = TRUE
    p.running = FALSE
  -> State: 1.5 <-
    q.state = setTrue
  -> Input: 1.6 <-
  -> State: 1.6 <-
    wantQ = TRUE
    q.state = resetFalse
  -> Input: 1.7 <-
    _process_selector_ = p
    q.running = FALSE
    p.running = TRUE
  -> State: 1.7 <-
    wantP = FALSE
    p.state = local
  -> Input: 1.8 <-
  -> State: 1.8 <-
    p.state = setTrue
  -> Input: 1.9 <-
  -- Loop starts here
  -> State: 1.9 <-
    wantP = TRUE
    p.state = resetFalse
  -> Input: 1.10 <-
    _process_selector_ = q
    q.running = TRUE
    p.running = FALSE
  -> State: 1.10 <-
    wantQ = FALSE
    q.state = resetTrue
  -> Input: 1.11 <-
  -- Loop starts here
  -> State: 1.11 <-
    wantQ = TRUE
    q.state = resetFalse
  -> Input: 1.12 <-
    _process_selector_ = p
    q.running = FALSE
    p.running = TRUE
  -> State: 1.12 <-
    wantP = FALSE
    p.state = resetTrue
  -> Input: 1.13 <-
  -- Loop starts here
  -> State: 1.13 <-
    wantP = TRUE
    p.state = resetFalse
  -> Input: 1.14 <-
    _process_selector_ = q
    q.running = TRUE
    p.running = FALSE
  -> State: 1.14 <-
    wantQ = FALSE
    q.state = resetTrue
  -> Input: 1.15 <-
  -- Loop starts here
  -> State: 1.15 <-
    wantQ = TRUE
    q.state = resetFalse
  -> Input: 1.16 <-
    _process_selector_ = p
    q.running = FALSE
    p.running = TRUE
  -> State: 1.16 <-
    wantP = FALSE
    p.state = resetTrue
  -> Input: 1.17 <-
  -> State: 1.17 <-
    wantP = TRUE
    p.state = resetFalse
#+END_SRC
Di seguito il trace che conferma la presenza di starvation
individuale, sia in GreatSPN che NuSMV.
#+BEGIN_SRC
Generated counter-example: 
==================================== Trace ====================================
Initial state is: local_Q(1), wantQ_FALSE(1), wantP_FALSE(1), local_P(1)
Initial state satisfies: E F (not ((not (setTrue_Q = 1)) or (not E G (not (critical_Q = 1))))). 

1: local_Q(1), wantQ_FALSE(1), wantP_FALSE(1), local_P(1)
  State 1. satisfies: ((not (setTrue_Q = 1)) or (not E G (not (critical_Q = 1)))). 

  1.1: local_Q(1), wantQ_FALSE(1), wantP_FALSE(1), local_P(1)
    State 1.1. does not satisfy: (setTrue_Q = 1). 

2: setTrue_Q(1), wantQ_FALSE(1), wantP_FALSE(1), local_P(1)
  State 2. does not satisfy: ((not (setTrue_Q = 1)) or (not E G (not (critical_Q = 1)))). 

  2.1: setTrue_Q(1), wantQ_FALSE(1), wantP_FALSE(1), local_P(1)
    State 2.1.L. satisfies: (setTrue_Q = 1). 

    State 2.1.R. satisfies: E G (not (critical_Q = 1)). Start of loop.

    2.1.R.1: setTrue_Q(1), wantQ_FALSE(1), wantP_FALSE(1), local_P(1)
      State 2.1.R.1. does not satisfy: (critical_Q = 1). 

    2.1.R.2: loop back to state 2.1.R.1.
#+END_SRC
#+BEGIN_SRC
-- specification AG (q.state = setTrue -> AF q.state = critical)  is false
-- as demonstrated by the following execution sequence
Trace Description: CTL Counterexample 
Trace Type: Counterexample 
  -> State: 3.1 <-
    wantP = FALSE
    wantQ = FALSE
    p.state = local
    q.state = local
  -> Input: 3.2 <-
    _process_selector_ = q
    running = FALSE
    q.running = TRUE
    p.running = FALSE
  -> State: 3.2 <-
    q.state = setTrue
  -> Input: 3.3 <-
    _process_selector_ = p
    q.running = FALSE
    p.running = TRUE
  -> State: 3.3 <-
    p.state = setTrue
  -> Input: 3.4 <-
  -> State: 3.4 <-
    wantP = TRUE
    p.state = critical
  -> Input: 3.5 <-
    _process_selector_ = q
    q.running = TRUE
    p.running = FALSE
  -> State: 3.5 <-
    wantQ = TRUE
    q.state = resetFalse
  -> Input: 3.6 <-
    _process_selector_ = p
    q.running = FALSE
    p.running = TRUE
  -- Loop starts here
  -> State: 3.6 <-
    p.state = setFalse
  -> Input: 3.7 <-
    _process_selector_ = main
    running = TRUE
    p.running = FALSE
  -- Loop starts here
  -> State: 3.7 <-
  -> Input: 3.8 <-
    _process_selector_ = q
    running = FALSE
    q.running = TRUE
  -> State: 3.8 <-
    wantQ = FALSE
    q.state = resetTrue
  -> Input: 3.9 <-
    _process_selector_ = p
    q.running = FALSE
    p.running = TRUE
  -> State: 3.9 <-
    wantP = FALSE
    p.state = local
  -> Input: 3.10 <-
  -> State: 3.10 <-
    p.state = setTrue
  -> Input: 3.11 <-
  -> State: 3.11 <-
    wantP = TRUE
    p.state = critical
  -> Input: 3.12 <-
    _process_selector_ = q
    q.running = TRUE
    p.running = FALSE
  -> State: 3.12 <-
    wantQ = TRUE
    q.state = resetFalse
  -> Input: 3.13 <-
    _process_selector_ = p
    q.running = FALSE
    p.running = TRUE
  -> State: 3.13 <-
    p.state = setFalse
#+END_SRC