Implement model checker for testing purposes.
[pspp-builds.git] / src / libpspp / model-checker.c
diff --git a/src/libpspp/model-checker.c b/src/libpspp/model-checker.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..cd83b39
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,1467 @@
+/* PSPP - computes sample statistics.
+   Copyright (C) 2007 Free Software Foundation, Inc.
+
+   This program is free software; you can redistribute it and/or
+   modify it under the terms of the GNU General Public License as
+   published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
+   License, or (at your option) any later version.
+
+   This program is distributed in the hope that it will be useful, but
+   WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
+   General Public License for more details.
+
+   You should have received a copy of the GNU General Public License
+   along with this program; if not, write to the Free Software
+   Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA
+   02110-1301, USA. */
+
+#include <config.h>
+
+#include <libpspp/model-checker.h>
+
+#include <limits.h>
+#include <signal.h>
+#include <stdarg.h>
+#include <stdio.h>
+#include <stdlib.h>
+#include <string.h>
+#include <sys/time.h>
+
+#include <libpspp/bit-vector.h>
+#include <libpspp/compiler.h>
+#include <libpspp/deque.h>
+#include <libpspp/str.h>
+#include <math/moments.h>
+
+#include "error.h"
+#include "minmax.h"
+#include "xalloc.h"
+\f
+/* Initializes PATH as an empty path. */
+void
+mc_path_init (struct mc_path *path) 
+{
+  path->ops = NULL;
+  path->length = 0;
+  path->capacity = 0;
+}
+
+/* Copies the contents of OLD into NEW. */
+void
+mc_path_copy (struct mc_path *new, const struct mc_path *old) 
+{
+  if (old->length > new->capacity) 
+    {
+      new->capacity = old->length;
+      free (new->ops);
+      new->ops = xnmalloc (new->capacity, sizeof *new->ops);
+    }
+  new->length = old->length;
+  memcpy (new->ops, old->ops, old->length * sizeof *new->ops);
+}
+
+/* Adds OP to the end of PATH. */
+void
+mc_path_push (struct mc_path *path, int op) 
+{
+  if (path->length >= path->capacity) 
+    path->ops = xnrealloc (path->ops, ++path->capacity, sizeof *path->ops);
+  path->ops[path->length++] = op;
+}
+
+/* Removes and returns the operation at the end of PATH. */
+int
+mc_path_pop (struct mc_path *path) 
+{
+  int back = mc_path_back (path);
+  path->length--;
+  return back;
+}
+
+/* Returns the operation at the end of PATH. */
+int
+mc_path_back (const struct mc_path *path) 
+{
+  assert (path->length > 0);
+  return path->ops[path->length - 1];
+}
+
+/* Destroys PATH. */
+void
+mc_path_destroy (struct mc_path *path) 
+{
+  free (path->ops);
+  path->ops = NULL;
+}
+
+/* Returns the operation in position INDEX in PATH.
+   INDEX must be less than the length of PATH. */
+int
+mc_path_get_operation (const struct mc_path *path, size_t index) 
+{
+  assert (index < path->length);
+  return path->ops[index];
+}
+
+/* Returns the number of operations in PATH. */
+size_t
+mc_path_get_length (const struct mc_path *path) 
+{
+  return path->length;
+}
+
+/* Appends the operations in PATH to STRING, separating each one
+   with a single space. */
+void
+mc_path_to_string (const struct mc_path *path, struct string *string) 
+{
+  size_t i;
+
+  for (i = 0; i < mc_path_get_length (path); i++) 
+    {
+      if (i > 0)
+        ds_put_char (string, ' ');
+      ds_put_format (string, "%d", mc_path_get_operation (path, i)); 
+    }
+}
+\f
+/* Search options. */
+struct mc_options 
+  {
+    /* Search strategy. */
+    enum mc_strategy strategy;          /* Type of strategy. */
+    int max_depth;                      /* Limit on depth (or INT_MAX). */
+    int hash_bits;                      /* Number of bits to hash (or 0). */
+    unsigned int seed;                  /* Random seed for MC_RANDOM
+                                           or MC_DROP_RANDOM. */
+    struct mc_path follow_path;         /* Path for MC_PATH. */
+
+    /* Queue configuration. */
+    int queue_limit;                    /* Maximum length of queue. */
+    enum mc_queue_limit_strategy queue_limit_strategy;
+                                        /* How to choose state to drop 
+                                           from queue. */
+
+    /* Stop conditions. */
+    int max_unique_states;              /* Maximum unique states to process. */
+    int max_errors;                     /* Maximum errors to detect. */
+    double time_limit;                  /* Maximum time in seconds. */
+
+    /* Output configuration. */
+    int verbosity;                      /* 0=low, 1=normal, 2+=high. */
+    int failure_verbosity;              /* If greater than verbosity,
+                                           verbosity of error replays. */
+    FILE *output_file;                  /* File to receive output. */
+
+    /* How to report intermediate progress. */
+    int progress_usec;                  /* Microseconds between reports. */
+    mc_progress_func *progress_func;    /* Function to call on each report. */
+
+    /* Client data. */
+    void *aux;
+  };
+
+/* Default progress function. */
+static bool
+default_progress (struct mc *mc) 
+{
+  if (mc_results_get_stop_reason (mc_get_results (mc)) == MC_CONTINUING)
+    putc ('.', stderr);
+  else
+    putc ('\n', stderr);
+  return true;
+}
+
+/* Do-nothing progress function. */
+static bool
+null_progress (struct mc *mc UNUSED) 
+{
+  return true;
+}
+
+/* Creates and returns a set of options initialized to the
+   defaults. */
+struct mc_options *
+mc_options_create (void) 
+{
+  struct mc_options *options = xmalloc (sizeof *options);
+
+  options->strategy = MC_BROAD;
+  options->max_depth = INT_MAX;
+  options->hash_bits = 20;
+  options->seed = 0;
+  mc_path_init (&options->follow_path);
+  
+  options->queue_limit = 10000;
+  options->queue_limit_strategy = MC_DROP_RANDOM;
+
+  options->max_unique_states = INT_MAX;
+  options->max_errors = 1;
+  options->time_limit = 0.0;
+
+  options->verbosity = 1;
+  options->failure_verbosity = 2;
+  options->output_file = stdout;
+  options->progress_usec = 250000;
+  options->progress_func = default_progress;
+
+  options->aux = NULL;
+
+  return options;
+}
+
+/* Returns a copy of the given OPTIONS. */
+struct mc_options *
+mc_options_clone (const struct mc_options *options) 
+{
+  return xmemdup (options, sizeof *options);
+}
+
+/* Destroys OPTIONS. */
+void
+mc_options_destroy (struct mc_options *options) 
+{
+  mc_path_destroy (&options->follow_path);
+  free (options);
+}
+
+/* Returns the search strategy used for OPTIONS.  The choices
+   are:
+
+   - MC_BROAD (the default): Breadth-first search.  First tries
+     all the operations with depth 1, then those with depth 2,
+     then those with depth 3, and so on.
+
+     This search algorithm finds the least number of operations
+     needed to trigger a given bug.
+
+   - MC_DEEP: Depth-first search.  Searches downward in the tree
+     of states as fast as possible.  Good for finding bugs that
+     require long sequences of operations to trigger.
+
+   - MC_RANDOM: Random-first search.  Searches through the tree
+     of states in random order.  The standard C library's rand
+     function selects the search path; you can control the seed
+     passed to srand using mc_options_set_seed.
+
+   - MC_PATH: Explicit path.  Applies an explicitly specified
+     sequence of operations. */
+enum mc_strategy
+mc_options_get_strategy (const struct mc_options *options) 
+{
+  return options->strategy;
+}
+
+/* Sets the search strategy used for OPTIONS to STRATEGY.
+
+   This function cannot be used to set MC_PATH as the search
+   strategy.  Use mc_options_set_follow_path instead. */
+void
+mc_options_set_strategy (struct mc_options *options, enum mc_strategy strategy)
+{
+  assert (strategy == MC_BROAD
+          || strategy == MC_DEEP
+          || strategy == MC_RANDOM);
+  options->strategy = strategy;
+}
+
+/* Returns OPTION's random seed used by MC_RANDOM and
+   MC_DROP_RANDOM. */
+unsigned int
+mc_options_get_seed (const struct mc_options *options) 
+{
+  return options->seed;
+}
+
+/* Set OPTION's random seed used by MC_RANDOM and MC_DROP_RANDOM
+   to SEED. */
+void
+mc_options_set_seed (struct mc_options *options, unsigned int seed) 
+{
+  options->seed = seed;
+}
+
+/* Returns the maximum depth to which OPTIONS's search will
+   descend.  The initial states are at depth 1, states produced
+   as their mutations are at depth 2, and so on. */
+int
+mc_options_get_max_depth (const struct mc_options *options) 
+{
+  return options->max_depth;
+}
+
+/* Sets the maximum depth to which OPTIONS's search will descend
+   to MAX_DEPTH.  The initial states are at depth 1, states
+   produced as their mutations are at depth 2, and so on. */
+void
+mc_options_set_max_depth (struct mc_options *options, int max_depth) 
+{
+  options->max_depth = max_depth;
+}
+
+/* Returns the base-2 log of the number of bits in OPTIONS's hash
+   table.  The hash table is used for dropping states that are
+   probably duplicates: any state with a given hash value, as
+   will only be processed once.  A return value of 0 indicates
+   that the model checker will not discard duplicate states based
+   on their hashes.
+
+   The hash table is a power of 2 bits long, by default 2**20
+   bits (128 kB).  Depending on how many states you expect the
+   model checker to check, how much memory you're willing to let
+   the hash table take up, and how worried you are about missing
+   states due to hash collisions, you could make it larger or
+   smaller.
+
+   The "birthday paradox" points to a reasonable way to size your
+   hash table.  If you expect the model checker to check about
+   2**N states, then, assuming a perfect hash, you need a hash
+   table of 2**(N+1) bits to have a 50% chance of seeing a hash
+   collision, 2**(N+2) bits to have a 25% chance, and so on. */
+int
+mc_options_get_hash_bits (const struct mc_options *options) 
+{
+  return options->hash_bits;
+}
+
+/* Sets the base-2 log of the number of bits in OPTIONS's hash
+   table to HASH_BITS.  A HASH_BITS value of 0 requests that the
+   model checker not discard duplicate states based on their
+   hashes.  (This causes the model checker to never terminate in
+   many cases.) */
+void
+mc_options_set_hash_bits (struct mc_options *options, int hash_bits) 
+{
+  assert (hash_bits >= 0);
+  options->hash_bits = MIN (hash_bits, CHAR_BIT * sizeof (unsigned int) - 1);
+}
+
+/* Returns the path set in OPTIONS by mc_options_set_follow_path.
+   May be used only if the search strategy is MC_PATH. */
+const struct mc_path *
+mc_options_get_follow_path (const struct mc_options *options) 
+{
+  assert (options->strategy == MC_PATH);
+  return &options->follow_path;
+}
+
+/* Sets, in OPTIONS, the search algorithm to MC_PATH and the path
+   to be the explicit path specified in FOLLOW_PATH. */
+void
+mc_options_set_follow_path (struct mc_options *options,
+                            const struct mc_path *follow_path) 
+{
+  assert (mc_path_get_length (follow_path) > 0);
+  options->strategy = MC_PATH;
+  mc_path_copy (&options->follow_path, follow_path);
+}
+
+/* Returns the maximum number of queued states in OPTIONS.  The
+   default value is 10,000.  The primary reason to limit the
+   number of queued states is to conserve memory, so if you can
+   afford the memory and your model needs more room in the queue,
+   you can raise the limit.  Conversely, if your models are large
+   or memory is constrained, you can reduce the limit.
+
+   Following the execution of the model checker, you can find out
+   the maximum queue length during the run by calling
+   mc_results_get_max_queue_length. */
+int
+mc_options_get_queue_limit (const struct mc_options *options) 
+{
+  return options->queue_limit;
+}
+
+/* Sets the maximum number of queued states in OPTIONS to
+   QUEUE_LIMIT.  */
+void
+mc_options_set_queue_limit (struct mc_options *options, int queue_limit) 
+{
+  assert (queue_limit > 0);
+  options->queue_limit = queue_limit;
+}
+
+/* Returns the queue limit strategy used by OPTIONS, that is,
+   when a new state must be inserted into a full state queue is
+   full, how the state to be dropped is chosen.  The choices are:
+
+   - MC_DROP_NEWEST: Drop the newest state; that is, do not
+     insert the new state into the queue at all.
+
+   - MC_DROP_OLDEST: Drop the state that has been enqueued for
+     the longest.
+
+   - MC_DROP_RANDOM (the default): Drop a randomly selected state
+     from the queue.  The standard C library's rand function
+     selects the state to drop; you can control the seed passed
+     to srand using mc_options_set_seed. */
+enum mc_queue_limit_strategy
+mc_options_get_queue_limit_strategy (const struct mc_options *options) 
+{
+  return options->queue_limit_strategy;
+}
+
+/* Sets the queue limit strategy used by OPTIONS to STRATEGY.
+
+   This setting has no effect unless the model being checked
+   causes the state queue to overflow (see
+   mc_options_get_queue_limit). */
+void
+mc_options_set_queue_limit_strategy (struct mc_options *options,
+                                     enum mc_queue_limit_strategy strategy) 
+{
+  assert (strategy == MC_DROP_NEWEST
+          || strategy == MC_DROP_OLDEST
+          || strategy == MC_DROP_RANDOM);
+  options->queue_limit_strategy = strategy;
+}
+
+/* Returns OPTIONS's maximum number of unique states that the
+   model checker will examine before terminating.  The default is
+   INT_MAX. */
+int
+mc_options_get_max_unique_states (const struct mc_options *options) 
+{
+  return options->max_unique_states;
+}
+
+/* Sets OPTIONS's maximum number of unique states that the model
+   checker will examine before terminating to
+   MAX_UNIQUE_STATE. */
+void
+mc_options_set_max_unique_states (struct mc_options *options,
+                                  int max_unique_states) 
+{
+  options->max_unique_states = max_unique_states;
+}
+
+/* Returns the maximum number of errors that OPTIONS will allow
+   the model checker to encounter before terminating.  The
+   default is 1. */
+int
+mc_options_get_max_errors (const struct mc_options *options) 
+{
+  return options->max_errors;
+}
+
+/* Sets the maximum number of errors that OPTIONS will allow the
+   model checker to encounter before terminating to
+   MAX_ERRORS. */
+void
+mc_options_set_max_errors (struct mc_options *options, int max_errors) 
+{
+  options->max_errors = max_errors;
+}
+
+/* Returns the maximum amount of time, in seconds, that OPTIONS will allow the
+   model checker to consume before terminating.  The
+   default of 0.0 means that time consumption is unlimited. */
+double
+mc_options_get_time_limit (const struct mc_options *options) 
+{
+  return options->time_limit;
+}
+
+/* Sets the maximum amount of time, in seconds, that OPTIONS will
+   allow the model checker to consume before terminating to
+   TIME_LIMIT.  A value of 0.0 means that time consumption is
+   unlimited; otherwise, the return value will be positive. */
+void
+mc_options_set_time_limit (struct mc_options *options, double time_limit) 
+{
+  assert (time_limit >= 0.0);
+  options->time_limit = time_limit;
+}
+
+/* Returns the level of verbosity for output messages specified
+   by OPTIONS.  The default verbosity level is 1.
+
+   A verbosity level of 0 inhibits all messages except for
+   errors; a verbosity level of 1 also allows warnings; a
+   verbosity level of 2 also causes a description of each state
+   added to be output; a verbosity level of 3 also causes a
+   description of each duplicate state to be output.  Verbosity
+   levels less than 0 or greater than 3 are allowed but currently
+   have no additional effect. */
+int
+mc_options_get_verbosity (const struct mc_options *options) 
+{
+  return options->verbosity;
+}
+
+/* Sets the level of verbosity for output messages specified
+   by OPTIONS to VERBOSITY. */
+void
+mc_options_set_verbosity (struct mc_options *options, int verbosity) 
+{
+  options->verbosity = verbosity;
+}
+
+/* Returns the level of verbosity for failures specified by
+   OPTIONS.  The default failure verbosity level is 2.
+
+   The failure verbosity level has an effect only when an error
+   is reported, and only when the failure verbosity level is
+   higher than the regular verbosity level.  When this is the
+   case, the model checker replays the error path at the higher
+   verbosity level specified.  This has the effect of outputting
+   an explicit, human-readable description of the sequence of
+   operations that caused the error. */
+int
+mc_options_get_failure_verbosity (const struct mc_options *options) 
+{
+  return options->failure_verbosity;
+}
+
+/* Sets the level of verbosity for failures specified by OPTIONS
+   to FAILURE_VERBOSITY. */
+void
+mc_options_set_failure_verbosity (struct mc_options *options,
+                                  int failure_verbosity) 
+{
+  options->failure_verbosity = failure_verbosity;
+}
+
+/* Returns the output file used for messages printed by the model
+   checker specified by OPTIONS.  The default is stdout. */
+FILE *
+mc_options_get_output_file (const struct mc_options *options) 
+{
+  return options->output_file;
+}
+
+/* Sets the output file used for messages printed by the model
+   checker specified by OPTIONS to OUTPUT_FILE.
+
+   The model checker does not automatically close the specified
+   output file.  If this is desired, the model checker's client
+   must do so. */
+void
+mc_options_set_output_file (struct mc_options *options,
+                            FILE *output_file) 
+{
+  options->output_file = output_file;
+}
+
+/* Returns the number of microseconds between calls to the
+   progress function specified by OPTIONS.   The default is
+   250,000 (1/4 second).  A value of 0 disables progress
+   reporting. */
+int
+mc_options_get_progress_usec (const struct mc_options *options) 
+{
+  return options->progress_usec;
+}
+
+/* Sets the number of microseconds between calls to the progress
+   function specified by OPTIONS to PROGRESS_USEC.  A value of 0
+   disables progress reporting. */
+void
+mc_options_set_progress_usec (struct mc_options *options, int progress_usec) 
+{
+  assert (progress_usec >= 0);
+  options->progress_usec = progress_usec;
+}
+
+/* Returns the function called to report progress specified by
+   OPTIONS.  The function used by default prints '.' to
+   stderr. */
+mc_progress_func *
+mc_options_get_progress_func (const struct mc_options *options)
+{
+  return options->progress_func;
+}
+
+/* Sets the function called to report progress specified by
+   OPTIONS to PROGRESS_FUNC.  A non-null function must be
+   specified; to disable progress reporting, set the progress
+   reporting interval to 0.
+
+   PROGRESS_FUNC will be called zero or more times while the
+   model checker's run is ongoing.  For these calls to the
+   progress function, mc_results_get_stop_reason will return
+   MC_CONTINUING.  It will also be called exactly once soon
+   before mc_run returns, in which case
+   mc_results_get_stop_reason will return a different value. */
+void
+mc_options_set_progress_func (struct mc_options *options,
+                              mc_progress_func *progress_func) 
+{
+  assert (options->progress_func != NULL);
+  options->progress_func = progress_func;
+}
+
+/* Returns the auxiliary data set in OPTIONS by the client.  The
+   default is a null pointer.
+
+   This auxiliary data value can be retrieved by the
+   client-specified functions in struct mc_class during a model
+   checking run using mc_get_aux. */
+void *
+mc_options_get_aux (const struct mc_options *options) 
+{
+  return options->aux;
+}
+
+/* Sets the auxiliary data in OPTIONS to AUX. */
+void
+mc_options_set_aux (struct mc_options *options, void *aux) 
+{
+  options->aux = aux;
+}
+\f
+/* Results of a model checking run. */
+struct mc_results 
+  {
+    /* Overall results. */
+    enum mc_stop_reason stop_reason;    /* Why the run ended. */
+    int unique_state_count;             /* Number of unique states checked. */
+    int error_count;                    /* Number of errors found. */
+
+    /* Depth statistics. */
+    int max_depth_reached;              /* Max depth state examined. */
+    struct moments1 *depth_moments;     /* Enables reporting mean depth. */
+
+    /* If error_count > 0, path to the last error reported. */
+    struct mc_path error_path;
+
+    /* States dropped... */
+    int duplicate_dropped_states;       /* ...as duplicates. */
+    int off_path_dropped_states;        /* ...as off-path (MC_PATH only). */
+    int depth_dropped_states;           /* ...due to excessive depth. */
+    int queue_dropped_states;           /* ...due to queue overflow. */
+
+    /* Queue statistics. */
+    int queued_unprocessed_states;      /* Enqueued but never dequeued. */
+    int max_queue_length;               /* Maximum queue length observed. */
+
+    /* Timing. */
+    struct timeval start;               /* Start of model checking run. */
+    struct timeval end;                 /* End of model checking run. */
+  };
+
+/* Creates, initializes, and returns a new set of results. */
+static struct mc_results *
+mc_results_create (void) 
+{
+  struct mc_results *results = xcalloc (1, sizeof (struct mc_results));
+  results->stop_reason = MC_CONTINUING;
+  results->depth_moments = moments1_create (MOMENT_MEAN);
+  gettimeofday (&results->start, NULL);
+  return results;
+}
+
+/* Destroys RESULTS. */
+void
+mc_results_destroy (struct mc_results *results) 
+{
+  if (results != NULL) 
+    {
+      moments1_destroy (results->depth_moments);
+      mc_path_destroy (&results->error_path);
+      free (results);
+    }
+}
+
+/* Returns RESULTS's reason that the model checking run
+   terminated.  The possible reasons are:
+
+   - MC_CONTINUING: The run is not actually yet complete.  This
+     can only be returned before mc_run has returned, e.g. when
+     the progress function set by mc_options_set_progress_func
+     examines the run's results.
+
+   - MC_SUCCESS: The run completed because the queue emptied.
+     The entire state space might not have been explored due to a
+     requested limit on maximum depth, hash collisions, etc.
+
+   - MC_MAX_UNIQUE_STATES: The run completed because as many
+     unique states have been checked as were requested (using
+     mc_options_set_max_unique_states).
+
+   - MC_MAX_ERROR_COUNT: The run completed because the maximum
+     requested number of errors (by default, 1 error) was
+     reached.
+
+   - MC_END_OF_PATH: The run completed because the path specified
+     with mc_options_set_follow_path was fully traversed.
+
+   - MC_TIMEOUT: The run completed because the time limit set
+     with mc_options_set_time_limit was exceeded.
+
+   - MC_INTERRUPTED: The run completed because SIGINT was caught
+     (typically, due to the user typing Ctrl+C). */
+enum mc_stop_reason
+mc_results_get_stop_reason (const struct mc_results *results) 
+{
+  return results->stop_reason;
+}
+
+/* Returns the number of unique states checked specified by
+   RESULTS. */
+int
+mc_results_get_unique_state_count (const struct mc_results *results) 
+{
+  return results->unique_state_count;
+}
+
+/* Returns the number of errors found specified by RESULTS. */
+int
+mc_results_get_error_count (const struct mc_results *results) 
+{
+  return results->error_count;
+}
+
+/* Returns the maximum depth reached during the model checker run
+   represented by RESULTS.  The initial states are at depth 1,
+   their child states at depth 2, and so on. */
+int
+mc_results_get_max_depth_reached (const struct mc_results *results) 
+{
+  return results->max_depth_reached;
+}
+
+/* Returns the mean depth reached during the model checker run
+   represented by RESULTS. */
+double
+mc_results_get_mean_depth_reached (const struct mc_results *results) 
+{
+  double mean;
+  moments1_calculate (results->depth_moments, NULL, &mean, NULL, NULL, NULL);
+  return mean != SYSMIS ? mean : 0.0;
+}
+
+/* Returns the path traversed to obtain the last error
+   encountered during the model checker run represented by
+   RESULTS.  Returns a null pointer if the run did not report any
+   errors. */
+const struct mc_path *
+mc_results_get_error_path (const struct mc_results *results) 
+{
+  return results->error_count > 0 ? &results->error_path : NULL;
+}
+
+/* Returns the number of states dropped as duplicates (based on
+   hash value) during the model checker run represented by
+   RESULTS. */
+int
+mc_results_get_duplicate_dropped_states (const struct mc_results *results) 
+{
+  return results->duplicate_dropped_states;
+}
+
+/* Returns the number of states dropped because they were off the
+   path specified by mc_options_set_follow_path during the model
+   checker run represented by RESULTS.  A nonzero value here
+   indicates a missing call to mc_include_state in the
+   client-supplied mutation function. */
+int
+mc_results_get_off_path_dropped_states (const struct mc_results *results) 
+{
+  return results->off_path_dropped_states;
+}
+
+/* Returns the number of states dropped because their depth
+   exceeded the maximum specified with mc_options_set_max_depth
+   during the model checker run represented by RESULTS. */
+int
+mc_results_get_depth_dropped_states (const struct mc_results *results) 
+{
+  return results->depth_dropped_states;
+}
+
+/* Returns the number of states dropped from the queue due to
+   queue overflow during the model checker run represented by
+   RESULTS. */
+int
+mc_results_get_queue_dropped_states (const struct mc_results *results) 
+{
+  return results->queue_dropped_states;
+}
+
+/* Returns the number of states that were checked and enqueued
+   but never dequeued and processed during the model checker run
+   represented by RESULTS.  This is zero if the stop reason is
+   MC_CONTINUING or MC_SUCCESS; otherwise, it is the number of
+   states in the queue at the time that the checking run
+   stopped. */
+int
+mc_results_get_queued_unprocessed_states (const struct mc_results *results) 
+{
+  return results->queued_unprocessed_states;
+}
+
+/* Returns the maximum length of the queue during the model
+   checker run represented by RESULTS.  If this is equal to the
+   maximum queue length, then the queue (probably) overflowed
+   during the run; otherwise, it did not overflow. */
+int
+mc_results_get_max_queue_length (const struct mc_results *results) 
+{
+  return results->max_queue_length;
+}
+
+/* Returns the time at which the model checker run represented by
+   RESULTS started. */
+struct timeval
+mc_results_get_start (const struct mc_results *results) 
+{
+  return results->start;
+}
+
+/* Returns the time at which the model checker run represented by
+   RESULTS ended.  (This function may not be called while the run
+   is still ongoing.) */
+struct timeval
+mc_results_get_end (const struct mc_results *results) 
+{
+  assert (results->stop_reason != MC_CONTINUING);
+  return results->end;
+}
+
+/* Returns the number of seconds obtained by subtracting time Y
+   from time X. */
+static double
+timeval_subtract (struct timeval x, struct timeval y) 
+{
+  /* From libc.info. */
+  double difference;
+  
+  /* Perform the carry for the later subtraction by updating Y. */
+  if (x.tv_usec < y.tv_usec) {
+    int nsec = (y.tv_usec - x.tv_usec) / 1000000 + 1;
+    y.tv_usec -= 1000000 * nsec;
+    y.tv_sec += nsec;
+  }
+  if (x.tv_usec - y.tv_usec > 1000000) {
+    int nsec = (x.tv_usec - y.tv_usec) / 1000000;
+    y.tv_usec += 1000000 * nsec;
+    y.tv_sec -= nsec;
+  }
+
+  /* Compute the time remaining to wait.
+     `tv_usec' is certainly positive. */
+  difference = (x.tv_sec - y.tv_sec) + (x.tv_usec - y.tv_usec) / 1000000.0;
+  if (x.tv_sec < y.tv_sec)
+    difference = -difference;
+  return difference;
+}
+
+
+/* Returns the duration, in seconds, of the model checker run
+   represented by RESULTS.  (This function may not be called
+   while the run is still ongoing.) */
+double
+mc_results_get_duration (const struct mc_results *results) 
+{
+  assert (results->stop_reason != MC_CONTINUING);
+  return timeval_subtract (results->end, results->start);
+}
+\f
+/* An active model checking run. */
+struct mc
+  {
+    /* Related data structures. */
+    const struct mc_class *class;
+    struct mc_options *options;
+    struct mc_results *results;
+
+    /* Array of 2**(options->hash_bits) bits representing states
+       already visited. */
+    unsigned char *hash;
+
+    /* State queue. */
+    struct mc_state **queue;            /* Array of pointers to states. */
+    struct deque queue_deque;           /* Deque. */
+
+    /* State currently being built by "init" or "mutate". */
+    struct mc_path path;                /* Path to current state. */
+    struct string path_string;          /* Buffer for path_string function. */
+    bool state_named;                   /* mc_name_operation called? */
+    bool state_error;                   /* mc_error called? */
+
+    /* Statistics for calling the progress function. */
+    unsigned int progress;              /* Current progress value. */
+    unsigned int next_progress;         /* Next value to call progress func. */
+    unsigned int prev_progress;         /* Last value progress func called. */
+    struct timeval prev_progress_time;  /* Last time progress func called. */
+
+    /* Information for handling and restoring SIGINT. */
+    bool interrupted;                   /* SIGINT received? */
+    bool *saved_interrupted_ptr;        /* Saved value of interrupted_ptr. */
+    sighandler_t saved_sigint;          /* Saved SIGINT handler. */
+  };
+
+/* A state in the queue. */
+struct mc_state
+  {
+    struct mc_path path;                /* Path to this state. */
+    void *data;                         /* Client-supplied data. */
+  };
+
+/* Points to the current struct mc's "interrupted" member. */
+static bool *interrupted_ptr = NULL;
+
+static const char *path_string (struct mc *);
+static void free_state (const struct mc *, struct mc_state *);
+static void stop (struct mc *, enum mc_stop_reason);
+static struct mc_state *make_state (const struct mc *, void *);
+static size_t random_queue_index (struct mc *);
+static void enqueue_state (struct mc *, struct mc_state *);
+static void do_error_state (struct mc *);
+static void next_operation (struct mc *);
+static bool is_off_path (const struct mc *);
+static void sigint_handler (int signum);
+static void init_mc (struct mc *,
+                     const struct mc_class *, struct mc_options *);
+static void finish_mc (struct mc *);
+
+/* Runs the model checker on the client-specified CLASS with the
+   client-specified OPTIONS.  OPTIONS may be a null pointer if
+   the defaults are acceptable.  Destroys OPTIONS; use
+   mc_options_clone if a copy is needed.
+
+   Returns the results of the model checking run, which must be
+   destroyed by the client with mc_results_destroy.
+
+   To pass auxiliary data to the functions in CLASS, use
+   mc_options_set_aux on OPTIONS, which may be retrieved from the
+   CLASS functions using mc_get_aux. */
+struct mc_results *
+mc_run (const struct mc_class *class, struct mc_options *options) 
+{
+  struct mc mc;
+
+  init_mc (&mc, class, options);
+  while (!deque_is_empty (&mc.queue_deque)
+         && mc.results->stop_reason == MC_CONTINUING)
+    {
+      struct mc_state *state = mc.queue[deque_pop_front (&mc.queue_deque)];
+      mc_path_copy (&mc.path, &state->path);
+      mc_path_push (&mc.path, 0);
+      class->mutate (&mc, state->data);
+      free_state (&mc, state);
+      if (mc.interrupted)
+        stop (&mc, MC_INTERRUPTED);
+    }
+  finish_mc (&mc);
+
+  return mc.results;
+}
+
+/* Tests whether the current operation is one that should be
+   performed, checked, and enqueued.  If so, returns true.
+   Otherwise, returns false and, unless checking is stopped,
+   advances to the next state.  The caller should then advance
+   to the next operation.
+
+   This function should be called from the client-provided
+   "mutate" function, according to the pattern explained in the
+   big comment at the top of model-checker.h. */
+bool
+mc_include_state (struct mc *mc) 
+{
+  if (mc->results->stop_reason != MC_CONTINUING)
+    return false;
+  else if (is_off_path (mc))
+    {
+      next_operation (mc);
+      return false; 
+    }
+  else
+    return true;
+}
+
+/* Tests whether HASH represents a state that has (probably)
+   already been enqueued.  If not, returns false and marks HASH
+   so that it will be treated as a duplicate in the future.  If
+   so, returns true and advances to the next state.  The
+   caller should then advance to the next operation.
+
+   This function should be called from the client-provided
+   "mutate" function, according to the pattern explained in the
+   big comment at the top of model-checker.h. */
+bool
+mc_discard_dup_state (struct mc *mc, unsigned int hash) 
+{
+  if (mc->options->hash_bits > 0)
+    {
+      hash &= (1u << mc->options->hash_bits) - 1;
+      if (TEST_BIT (mc->hash, hash)) 
+        {
+          if (mc->options->verbosity > 2)
+            fprintf (mc->options->output_file,
+                     "    [%s] discard duplicate state\n", path_string (mc));
+          mc->results->duplicate_dropped_states++;
+          next_operation (mc);
+          return true;
+        }
+      SET_BIT (mc->hash, hash);
+    }
+  return false; 
+}
+
+/* Names the current state NAME, which may contain
+   printf-style format specifications.  NAME should be a
+   human-readable name for the current operation.
+
+   This function should be called from the client-provided
+   "mutate" function, according to the pattern explained in the
+   big comment at the top of model-checker.h. */
+void
+mc_name_operation (struct mc *mc, const char *name, ...) 
+{
+  va_list args;
+  
+  va_start (args, name);
+  mc_vname_operation (mc, name, args);
+  va_end (args);
+}
+
+/* Names the current state NAME, which may contain
+   printf-style format specifications, for which the
+   corresponding arguments must be given in ARGS.  NAME should be
+   a human-readable name for the current operation.
+
+   This function should be called from the client-provided
+   "mutate" function, according to the pattern explained in the
+   big comment at the top of model-checker.h. */
+void
+mc_vname_operation (struct mc *mc, const char *name, va_list args) 
+{
+  if (mc->state_named && mc->options->verbosity > 0) 
+    fprintf (mc->options->output_file, "  [%s] warning: duplicate call "
+             "to mc_name_operation (missing call to mc_add_state?)\n",
+             path_string (mc));
+  mc->state_named = true;
+
+  if (mc->options->verbosity > 1) 
+    {
+      fprintf (mc->options->output_file, "  [%s] ", path_string (mc));
+      vfprintf (mc->options->output_file, name, args);
+      putc ('\n', mc->options->output_file);
+    }
+}
+
+/* Reports the given error MESSAGE for the current operation.
+   The resulting state should still be passed to mc_add_state
+   when all relevant error messages have been issued.  The state
+   will not, however, be enqueued for later mutation of its own.
+
+   By default, model checking stops after the first error
+   encountered.
+
+   This function should be called from the client-provided
+   "mutate" function, according to the pattern explained in the
+   big comment at the top of model-checker.h. */
+void
+mc_error (struct mc *mc, const char *message, ...) 
+{
+  va_list args;
+
+  if (mc->results->stop_reason != MC_CONTINUING)
+    return;
+
+  if (mc->options->verbosity > 1)
+    fputs ("    ", mc->options->output_file);
+  fprintf (mc->options->output_file, "[%s] error: ",
+           path_string (mc));
+  va_start (args, message);
+  vfprintf (mc->options->output_file, message, args);
+  va_end (args);
+  putc ('\n', mc->options->output_file);
+
+  mc->state_error = true;
+}
+
+/* Enqueues DATA as the state corresponding to the current
+   operation.  The operation should have been named with a call
+   to mc_name_operation, and it should have been checked by the
+   caller (who should have reported any errors with mc_error).
+
+   This function should be called from the client-provided
+   "mutate" function, according to the pattern explained in the
+   big comment at the top of model-checker.h. */
+void
+mc_add_state (struct mc *mc, void *data) 
+{
+  if (!mc->state_named && mc->options->verbosity > 0)
+    fprintf (mc->options->output_file, "  [%s] warning: unnamed state\n",
+             path_string (mc));
+
+  if (mc->results->stop_reason != MC_CONTINUING)
+    {
+      /* Nothing to do. */
+    }
+  else if (mc->state_error) 
+    do_error_state (mc);
+  else if (is_off_path (mc))
+    mc->results->off_path_dropped_states++;
+  else if (mc->path.length + 1 > mc->options->max_depth)
+    mc->results->depth_dropped_states++;
+  else 
+    {
+      /* This is the common case. */
+      mc->results->unique_state_count++;
+      if (mc->results->unique_state_count >= mc->options->max_unique_states)
+        stop (mc, MC_MAX_UNIQUE_STATES);
+      enqueue_state (mc, make_state (mc, data));
+      next_operation (mc);
+      return;
+    }
+
+  mc->class->destroy (mc, data);
+  next_operation (mc);
+}
+
+/* Returns the options that were passed to mc_run for model
+   checker MC. */
+const struct mc_options *
+mc_get_options (const struct mc *mc) 
+{
+  return mc->options;
+}
+
+/* Returns the current state of the results for model checker
+   MC.  This function is appropriate for use from the progress
+   function set by mc_options_set_progress_func.
+
+   Not all of the results are meaningful before model checking
+   completes. */
+const struct mc_results *
+mc_get_results (const struct mc *mc) 
+{
+  return mc->results;
+}
+
+/* Returns the auxiliary data set on the options passed to mc_run
+   with mc_options_set_aux. */
+void *
+mc_get_aux (const struct mc *mc) 
+{
+  return mc_options_get_aux (mc_get_options (mc));
+}
+\f
+/* Expresses MC->path as a string and returns the string. */
+static const char *
+path_string (struct mc *mc) 
+{
+  ds_clear (&mc->path_string);
+  mc_path_to_string (&mc->path, &mc->path_string);
+  return ds_cstr (&mc->path_string);
+}
+
+/* Frees STATE, including client data. */
+static void
+free_state (const struct mc *mc, struct mc_state *state) 
+{
+  mc->class->destroy (mc, state->data);
+  mc_path_destroy (&state->path);
+  free (state);
+}
+
+/* Sets STOP_REASON as the reason that MC's processing stopped,
+   unless MC is already stopped. */
+static void
+stop (struct mc *mc, enum mc_stop_reason stop_reason) 
+{
+  if (mc->results->stop_reason == MC_CONTINUING)
+    mc->results->stop_reason = stop_reason;
+}
+
+/* Creates and returns a new state whose path is copied from
+   MC->path and whose data is specified by DATA. */
+static struct mc_state *
+make_state (const struct mc *mc, void *data) 
+{
+  struct mc_state *new = xmalloc (sizeof *new);
+  mc_path_init (&new->path);
+  mc_path_copy (&new->path, &mc->path);
+  new->data = data;
+  return new;
+}
+
+/* Returns the index in MC->queue of a random element in the
+   queue. */
+static size_t
+random_queue_index (struct mc *mc) 
+{
+  assert (!deque_is_empty (&mc->queue_deque));
+  return deque_front (&mc->queue_deque,
+                      rand () % deque_count (&mc->queue_deque));
+}
+
+/* Adds NEW to MC's state queue, dropping a state if necessary
+   due to overflow. */
+static void
+enqueue_state (struct mc *mc, struct mc_state *new) 
+{
+  size_t idx;
+
+  if (new->path.length > mc->results->max_depth_reached)
+    mc->results->max_depth_reached = new->path.length;
+  moments1_add (mc->results->depth_moments, new->path.length, 1.0);
+
+  if (deque_count (&mc->queue_deque) < mc->options->queue_limit) 
+    {
+      /* Add new state to queue. */
+      if (deque_is_full (&mc->queue_deque))
+        mc->queue = deque_expand (&mc->queue_deque,
+                                   mc->queue, sizeof *mc->queue);
+      switch (mc->options->strategy) 
+        {
+        case MC_BROAD:
+          idx = deque_push_back (&mc->queue_deque);
+          break;
+        case MC_DEEP:
+          idx = deque_push_front (&mc->queue_deque);
+          break;
+        case MC_RANDOM:
+          if (!deque_is_empty (&mc->queue_deque))
+            {
+              idx = random_queue_index (mc);
+              mc->queue[deque_push_front (&mc->queue_deque)]
+                = mc->queue[idx];
+            }
+          else
+            idx = deque_push_front (&mc->queue_deque);
+          break;
+        case MC_PATH:
+          assert (deque_is_empty (&mc->queue_deque));
+          assert (!is_off_path (mc));
+          idx = deque_push_back (&mc->queue_deque);
+          if (mc->path.length
+              >= mc_path_get_length (&mc->options->follow_path))
+            stop (mc, MC_END_OF_PATH);
+          break;
+        default:
+          NOT_REACHED ();
+        }
+      if (deque_count (&mc->queue_deque) > mc->results->max_queue_length)
+        mc->results->max_queue_length = deque_count (&mc->queue_deque);
+    }
+  else 
+    {
+      /* Queue has reached limit, so replace an existing
+         state. */
+      assert (mc->options->strategy != MC_PATH);
+      assert (!deque_is_empty (&mc->queue_deque));
+      mc->results->queue_dropped_states++;
+      switch (mc->options->queue_limit_strategy) 
+        {
+        case MC_DROP_NEWEST:
+          free_state (mc, new);
+          return;
+        case MC_DROP_OLDEST:
+          switch (mc->options->strategy) 
+            {
+            case MC_BROAD:
+              idx = deque_front (&mc->queue_deque, 0);
+              break;
+            case MC_DEEP:
+              idx = deque_back (&mc->queue_deque, 0);
+              break;
+            case MC_RANDOM:
+            case MC_PATH:
+            default:
+              NOT_REACHED ();
+            }
+          break;
+        case MC_DROP_RANDOM:
+          idx = random_queue_index (mc);
+          break;
+        default:
+          NOT_REACHED ();
+        }
+      free_state (mc, mc->queue[idx]);
+    }
+  mc->queue[idx] = new;
+}
+
+/* Process an error state being added to MC. */
+static void
+do_error_state (struct mc *mc)
+{
+  mc->results->error_count++;
+  if (mc->results->error_count >= mc->options->max_errors)
+    stop (mc, MC_MAX_ERROR_COUNT);
+
+  mc_path_copy (&mc->results->error_path, &mc->path);
+      
+  if (mc->options->failure_verbosity > mc->options->verbosity)
+    {
+      struct mc_options *path_options;
+
+      fprintf (mc->options->output_file, "[%s] retracing error path:\n",
+               path_string (mc));
+      path_options = mc_options_clone (mc->options);
+      mc_options_set_verbosity (path_options, mc->options->failure_verbosity);
+      mc_options_set_failure_verbosity (path_options, 0);
+      mc_options_set_follow_path (path_options, &mc->path);
+
+      mc_results_destroy (mc_run (mc->class, path_options));
+
+      putc ('\n', mc->options->output_file);
+    }
+}
+
+/* Advances MC to start processing the operation following the
+   current one. */
+static void
+next_operation (struct mc *mc) 
+{
+  mc_path_push (&mc->path, mc_path_pop (&mc->path) + 1);
+  mc->state_error = false;
+  mc->state_named = false;
+
+  if (++mc->progress >= mc->next_progress) 
+    {
+      struct timeval now;
+      double elapsed, delta;
+
+      if (mc->results->stop_reason == MC_CONTINUING
+          && !mc->options->progress_func (mc))
+        stop (mc, MC_INTERRUPTED); 
+
+      gettimeofday (&now, NULL);
+
+      if (mc->options->time_limit > 0.0
+          && (timeval_subtract (now, mc->results->start)
+              > mc->options->time_limit))
+        stop (mc, MC_TIMEOUT);
+
+      elapsed = timeval_subtract (now, mc->prev_progress_time);
+      if (elapsed > 0.0)
+        {
+          /* Re-estimate the amount of progress to take
+             progress_usec microseconds. */
+          unsigned int progress = mc->progress - mc->prev_progress;
+          double progress_sec = mc->options->progress_usec / 1000000.0;
+          delta = progress / elapsed * progress_sec;
+        }
+      else 
+        {
+          /* No measurable time at all elapsed during that amount
+             of progress.  Try doubling the amount of progress
+             required. */
+          delta = (mc->progress - mc->prev_progress) * 2; 
+        }
+
+      if (delta > 0.0 && delta + mc->progress + 1.0 < UINT_MAX)
+        mc->next_progress = mc->progress + delta + 1.0;
+      else
+        mc->next_progress = mc->progress + (mc->progress - mc->prev_progress);
+
+      mc->prev_progress = mc->progress;
+      mc->prev_progress_time = now;
+    }
+}
+
+/* Returns true if we're tracing an explicit path but the current
+   operation produces a state off that path, false otherwise. */
+static bool
+is_off_path (const struct mc *mc) 
+{
+  return (mc->options->strategy == MC_PATH
+          && (mc_path_back (&mc->path)
+              != mc_path_get_operation (&mc->options->follow_path,
+                                        mc->path.length - 1)));
+}
+
+/* Handler for SIGINT. */
+static void
+sigint_handler (int signum UNUSED) 
+{
+  /* Just mark the model checker as interrupted. */
+  *interrupted_ptr = true;
+}
+
+/* Initializes MC as a model checker with the given CLASS and
+   OPTIONS.  OPTIONS may be null to use the default options. */
+static void
+init_mc (struct mc *mc, const struct mc_class *class,
+         struct mc_options *options) 
+{
+  /* Validate and adjust OPTIONS. */
+  if (options == NULL)
+    options = mc_options_create ();
+  assert (options->queue_limit_strategy != MC_DROP_OLDEST
+          || options->strategy != MC_RANDOM);
+  if (options->strategy == MC_PATH) 
+    {
+      options->max_depth = INT_MAX;
+      options->hash_bits = 0;
+    }
+  if (options->progress_usec == 0) 
+    {
+      options->progress_func = null_progress;
+      if (options->time_limit > 0.0) 
+        options->progress_usec = 250000;
+    }
+
+  /* Initialize MC. */
+  mc->class = class;
+  mc->options = options;
+  mc->results = mc_results_create ();
+
+  mc->hash = (mc->options->hash_bits > 0
+              ? xcalloc (1, DIV_RND_UP (1 << mc->options->hash_bits, CHAR_BIT))
+              : NULL);
+
+  mc->queue = NULL;
+  deque_init_null (&mc->queue_deque);
+
+  mc_path_init (&mc->path);
+  mc_path_push (&mc->path, 0);
+  ds_init_empty (&mc->path_string);
+  mc->state_named = false;
+  mc->state_error = false;
+
+  mc->progress = 0;
+  mc->next_progress = mc->options->progress_usec != 0 ? 100 : UINT_MAX;
+  mc->prev_progress = 0;
+  mc->prev_progress_time = mc->results->start;
+
+  if (mc->options->strategy == MC_RANDOM
+      || options->queue_limit_strategy == MC_DROP_RANDOM)
+    srand (mc->options->seed);
+
+  mc->interrupted = false;
+  mc->saved_interrupted_ptr = interrupted_ptr;
+  interrupted_ptr = &mc->interrupted;
+  mc->saved_sigint = signal (SIGINT, sigint_handler);
+
+  class->init (mc);
+}
+
+/* Complete the model checker run for MC. */
+static void
+finish_mc (struct mc *mc) 
+{
+  /* Restore signal handlers. */
+  signal (SIGINT, mc->saved_sigint);
+  interrupted_ptr = mc->saved_interrupted_ptr;
+
+  /* Mark the run complete. */
+  stop (mc, MC_SUCCESS);
+  gettimeofday (&mc->results->end, NULL);
+
+  /* Empty the queue. */
+  mc->results->queued_unprocessed_states = deque_count (&mc->queue_deque);
+  while (!deque_is_empty (&mc->queue_deque))
+    {
+      struct mc_state *state = mc->queue[deque_pop_front (&mc->queue_deque)];
+      free_state (mc, state);
+    }
+
+  /* Notify the progress function of completion. */
+  mc->options->progress_func (mc);
+
+  /* Free memory. */
+  mc_path_destroy (&mc->path);
+  ds_destroy (&mc->path_string);
+  free (mc->options);
+  free (mc->queue);
+  free (mc->hash);
+}