Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Public GIT Repository
Add ODPOR extension computation (lines 4-6)
[simgrid.git] / src / mc / explo / odpor / Execution.cpp
1 /* Copyright (c) 2008-2023. The SimGrid Team. All rights reserved.          */
2
3 /* This program is free software; you can redistribute it and/or modify it
4  * under the terms of the license (GNU LGPL) which comes with this package. */
5
6 #include "src/mc/explo/odpor/Execution.hpp"
7 #include "src/mc/api/State.hpp"
8 #include "xbt/asserts.h"
9 #include <algorithm>
10 #include <limits>
11 #include <vector>
12
13 namespace simgrid::mc::odpor {
14
15 void Execution::push_transition(std::shared_ptr<Transition> t)
16 {
17   if (t == nullptr) {
18     throw std::invalid_argument("Unexpectedly received `nullptr`");
19   }
20   ClockVector max_clock_vector;
21   for (const Event& e : this->contents_) {
22     if (e.get_transition()->depends(t.get())) {
23       max_clock_vector = ClockVector::max(max_clock_vector, e.get_clock_vector());
24     }
25   }
26   max_clock_vector[t->aid_] = this->size();
27   contents_.push_back(Event({std::move(t), max_clock_vector}));
28 }
29
30 std::unordered_set<Execution::EventHandle> Execution::get_racing_events_of(Execution::EventHandle target) const
31 {
32   std::unordered_set<Execution::EventHandle> racing_events;
33   std::unordered_set<Execution::EventHandle> disqualified_events;
34
35   // For each event of the execution
36   for (auto e_i = target; e_i != std::numeric_limits<Execution::EventHandle>::max(); e_i--) {
37     // We need `e_i -->_E target` as a necessary condition
38     if (not happens_before(e_i, target)) {
39       continue;
40     }
41
42     // Further, `proc(e_i) != proc(target)`
43     if (get_actor_with_handle(e_i) == get_actor_with_handle(target)) {
44       disqualified_events.insert(e_i);
45       continue;
46     }
47
48     // There could an event that "happens-between" the two events which would discount `e_i` as a race
49     for (auto e_j = e_i; e_j < target; e_j++) {
50       // If both:
51       // 1. e_i --->_E e_j; and
52       // 2. disqualified_events.count(e_j) > 0
53       // then e_i --->_E target indirectly (either through
54       // e_j directly, or transitively through e_j)
55       if (happens_before(e_i, e_j) and disqualified_events.count(e_j) > 0) {
56         disqualified_events.insert(e_i);
57         break;
58       }
59     }
60
61     // If `e_i` wasn't disqualified in the last round,
62     // it's in a race with `target`. After marking it
63     // as such, we ensure no other event `e` can happen-before
64     // it (since this would transitively make it the event
65     // which "happens-between" `target` and `e`)
66     if (disqualified_events.count(e_i) == 0) {
67       racing_events.insert(e_i);
68       disqualified_events.insert(e_i);
69     }
70   }
71
72   return racing_events;
73 }
74
75 Execution Execution::get_prefix_before(Execution::EventHandle handle) const
76 {
77   return Execution(std::vector<Event>{contents_.begin(), contents_.begin() + handle});
78 }
79
80 std::optional<aid_t> Execution::get_first_sdpor_initial_from(EventHandle e,
81                                                              std::unordered_set<aid_t> disqualified_actors) const
82 {
83   // If this execution is empty, there are no initials
84   // relative to the last transition added to the execution
85   // since such a transition does not exist
86   if (empty()) {
87     return std::nullopt;
88   }
89
90   // To actually compute `I_[E'](v) ∩ backtrack(E')`, we must
91   // first compute `E'` and "move" in the direction of `v`.
92   // We perform a scan over `E` (this execution) and make
93   // note of any events which occur after `e` but don't
94   // "happen-after" `e` by pushing them onto `E'`. Note that
95   // correctness is still preserved in computing `v` "on-the-fly"
96   // to determine if an actor `q` is an initial for `E'` after `v`:
97   // only those events that "occur-before" `v`
98   // could happen-before `v` for any valid happens-before relation.
99
100   // First, grab `E' := pre(e, E)` and determine what actor `p` is
101   const auto next_E_p = get_latest_event_handle().value();
102   Execution E_prime_v = get_prefix_before(e);
103   std::vector<sdpor::Execution::EventHandle> v;
104
105   // Note `e + 1` here: `notdep(e, E)` is defined as the
106   // set of events that *occur-after* but don't *happen-after* `e`
107   for (auto e_prime = e + 1; e_prime <= next_E_p; ++e_prime) {
108     // Any event `e*` which occurs after `e` but which does not
109     // happen after `e` is a member of `v`. In addition to marking
110     // the event in `v`, we also "simulate" running the action `v`
111     // from E'
112     if (not happens_before(e, e_prime) or e_prime == next_E_p) {
113       // First, push the transition onto the hypothetical execution
114       E_prime_v.push_transition(get_event_with_handle(e_prime).get_transition());
115       const EventHandle e_prime_in_E_prime_v = E_prime_v.get_latest_event_handle().value();
116
117       // When checking whether any event in `dom_[E'](v)` happens before
118       // `next_[E'](q)` below for thread `q`, we must consider that the
119       // events relative to `E` (this execution) are different than those
120       // relative to `E'.v`. Thus e.g. event `7` in `E` may be event `4`
121       // in `E'.v`. Since we are asking about "happens-before"
122       // `-->_[E'.v]` about `E'.v`, we must build `v` relative to `E'`
123       v.push_back(e_prime_in_E_prime_v);
124
125       // Note that we add `q` to v regardless of whether `q` itself has been
126       // disqualified since `q` may itself disqualify other actors
127       // (i.e. even if `q` is disqualified from being an initial, it
128       // is still contained in the sequence `v`)
129       const aid_t q = E_prime_v.get_actor_with_handle(e_prime_in_E_prime_v);
130       if (disqualified_actors.count(q) > 0) {
131         continue;
132       }
133       const bool is_initial = std::none_of(v.begin(), v.end(), [&](const auto& e_star) {
134         return E_prime_v.happens_before(e_star, e_prime_in_E_prime_v);
135       });
136       if (is_initial) {
137         return q;
138       } else {
139         // If `q` is disqualified as a candidate, clearly
140         // no event occurring after `e_prime` in `E` executed
141         // by actor `q` will qualify since any (valid) happens-before
142         // relation orders actions taken by each actor
143         disqualified_actors.insert(q);
144       }
145     }
146   }
147   return std::nullopt;
148 }
149
150 std::optional<PartialExecution> Execution::get_odpor_extension_from(EventHandle e, EventHandle e_prime,
151                                                                     const State& state_at_e) const
152 {
153   // `e` is assumed to be in a reversible race with `e_prime`.
154   // If `e > e_prime`, then `e` occurs-after `e_prime` which means
155   // `e` could not race with if
156   if (e > e_prime) {
157     throw std::invalid_argument("ODPOR extensions can only be computed for "
158                                 "events in a reversible race, which is claimed, "
159                                 "yet the racing event 'occurs-after' the target");
160   }
161
162   if (empty()) {
163     return std::nullopt;
164   }
165
166   PartialExecution v;
167   Execution E_prime_v                           = get_prefix_before(e);
168   std::unordered_set<aid_t> disqualified_actors = state_at_e.get_sleeping_actors();
169   std::vector<sdpor::Execution::EventHandle> v_handles;
170   bool located_actor_in_initial = false;
171
172   // Note `e + 1` here: `notdep(e, E)` is defined as the
173   // set of events that *occur-after* but don't *happen-after* `e`
174   //
175   // SUBTLE NOTE: ODPOR requires us to compute `notdep(e, E)` EVEN THOUGH
176   // the race is between `e` and `e'`; that is, events occurring in `E`
177   // that "occur-after" `e'` may end up in the partial execution `v`.
178   //
179   // Observe that `notdep(e, E).proc(e')` will contain all transitions
180   // that don't happen-after `e` in the order they appear FOLLOWED BY
181   // THE **TRANSITION** ASSOCIATED WITH **`e'`**!!
182   //
183   // SUBTLE NOTE: Observe that any event that "happens-after" `e'`
184   // must necessarily "happen-after" `e` as well, since `e` and
185   // `e'` are presumed to be in a reversible race. Hence, we know that
186   // all events `e_star` that `e` "happens-before" cannot affect
187   // the enabledness of `e'`; furthermore, `e'` cannot affect the enabledness
188   // of any event independent with `e` that "occurs-after" `e'`
189   for (auto e_star = e + 1; e_star <= get_latest_event_handle().value(); ++e_star) {
190     // Any event `e*` which occurs after `e` but which does not
191     // happen after `e` is a member of `v`. In addition to marking
192     // the event in `v`, we also "simulate" running the action `v` from E'
193     // to be able to compute `--->[E'.v]`
194     if (not happens_before(e, e_star)) {
195       xbt_assert(e_star != e_prime,
196                  "Invariant Violation: We claimed events %u and %u were in a reversible race, yet we also "
197                  "claim that they do not happen-before one another. This is impossible: "
198                  "are you sure that the two events are in a reversible race?",
199                  e, e_prime);
200       E_prime_v.push_transition(get_event_with_handle(e_star).get_transition());
201       v.push_back(get_event_with_handle(e_star).get_transition());
202
203       const EventHandle e_star_in_E_prime_v = E_prime_v.get_latest_event_handle().value();
204
205       // When checking whether any event in `dom_[E'](v)` happens before
206       // `next_[E'](q)` below for thread `q`, we must consider that the
207       // events relative to `E` (this execution) are different than those
208       // relative to `E'.v`. Thus e.g. event `7` in `E` may be event `4`
209       // in `E'.v`. Since we are asking about "happens-before"
210       // `-->_[E'.v]` about `E'.v`, we must build `v` relative to `E'`
211       v_handles.push_back(e_star_in_E_prime_v);
212
213       if (located_actor_in_initial) {
214         // It suffices that we find one initial. If we've already found
215         // one, we simply need to finish building `v`
216         continue;
217       }
218
219       // Note that we add `q` to v regardless of whether `q` itself has been
220       // disqualified since `q` may itself disqualify other actors
221       // (i.e. even if `q` is disqualified from being an initial, it
222       // is still contained in the sequence `v`)
223       const aid_t q = E_prime_v.get_actor_with_handle(e_star_in_E_prime_v);
224       if (disqualified_actors.count(q) > 0) {
225         continue;
226       }
227       const bool is_initial = std::none_of(v_handles.begin(), v_handles.end(), [&](const auto& e_loc) {
228         return E_prime_v.happens_before(e_loc, e_star_in_E_prime_v);
229       });
230       if (is_initial) {
231         located_actor_in_initial = true;
232       } else {
233         // If `q` is disqualified as a candidate, clearly
234         // no event occurring after `e_prime` in `E` executed
235         // by actor `q` will qualify since any (valid) happens-before
236         // relation orders actions taken by each actor
237         disqualified_actors.insert(q);
238       }
239     }
240   }
241
242   // Now we add `e_prime := <q, i>` to `E'.v` and repeat the same work
243   {
244     E_prime_v.push_transition(get_event_with_handle(e_prime).get_transition());
245     if (not located_actor_in_initial) {
246       // It's possible `proc(e_prime)` is an initial
247       const EventHandle e_prime_in_E_prime_v = E_prime_v.get_latest_event_handle().value();
248       v_handles.push_back(e_prime_in_E_prime_v);
249       located_actor_in_initial = std::none_of(v_handles.begin(), v_handles.end(), [&](const auto& e_loc) {
250         return E_prime_v.happens_before(e_loc, e_prime_in_E_prime_v);
251       });
252     }
253   }
254
255   /** Some actor `p` in `v` is an initial for `E' := pre(e, E)`*/
256   if (located_actor_in_initial) {
257     return v;
258   }
259
260   const Execution pre_E_e    = get_prefix_before(e);
261   const auto sleeping_actors = state_at_e.get_sleeping_actors();
262
263   // Otherwise, for each enabled actor also not in the sleep set, check if
264   // any of them are independent with this execution after `v`. This
265   // completes the check for weak initials
266   for (const auto& [aid, astate] : state_at_e.get_actors_list()) {
267     if (sleeping_actors.count(astate.get_transition()->aid_) == 0 and
268         pre_E_e.is_independent_with_execution(v, astate.get_transition())) {
269       return v;
270     }
271   }
272
273   return std::nullopt;
274 }
275
276 bool Execution::is_initial_after_execution(const PartialExecution& w, aid_t p) const
277 {
278   auto E_w = *this;
279   std::vector<EventHandle> w_handles;
280   for (const auto& w_i : w) {
281     // Take one step in the direction of `w`
282     E_w.push_transition(w_i);
283
284     // If that step happened to be executed by `p`,
285     // great: we know that `p` is contained in `w`.
286     // We now need to verify that it doens't "happen-after"
287     // any events which occur before it
288     if (w_i->aid_ == p) {
289       const auto p_handle = E_w.get_latest_event_handle().value();
290       return std::none_of(w_handles.begin(), w_handles.end(),
291                           [&](const auto handle) { return E_w.happens_before(handle, p_handle); });
292     } else {
293       w_handles.push_back(E_w.get_latest_event_handle().value());
294     }
295   }
296   return false;
297 }
298
299 bool Execution::is_independent_with_execution(const PartialExecution& w, std::shared_ptr<Transition> next_E_p) const
300 {
301   // INVARIANT: Here, we assume that for any process `p_i` of `w`,
302   // the events of this execution followed by the execution of all
303   // actors occurring before `p_i` in `v` (`p_j`, `0 <= j < i`)
304   // are sufficient to enable `p_i`. This is fortunately the case
305   // with what ODPOR requires of us, viz. to ask the question about
306   // `v := notdep(e, E)` for some execution `E` and event `e` of
307   // that execution.
308   auto E_p_w = *this;
309   E_p_w.push_transition(std::move(next_E_p));
310   const auto p_handle = E_p_w.get_latest_event_handle().value();
311
312   // As we add events to `w`, verify that none
313   // of them "happen-after" the event associated with
314   // the step `next_E_p` (viz. p_handle)
315   for (const auto& w_i : w) {
316     E_p_w.push_transition(w_i);
317     const auto w_i_handle = E_p_w.get_latest_event_handle().value();
318     if (E_p_w.happens_before(p_handle, w_i_handle)) {
319       return false;
320     }
321   }
322   return true;
323 }
324
325 std::optional<PartialExecution> Execution::get_shortest_odpor_sq_subset_insertion(const PartialExecution& v,
326                                                                                   const PartialExecution& w) const
327 {
328   // See section 4 of Abdulla. et al.'s 2017 ODPOR paper for details (specifically
329   // where the [iterative] computation of `v ~_[E] w` is described)
330   auto E_v   = *this;
331   auto w_now = w;
332
333   for (const auto& next_E_p : v) {
334     const aid_t p = next_E_p->aid_;
335
336     // Is `p in `I_[E](w)`?
337     if (E_v.is_initial_after_execution(w_now, p)) {
338       // Remove `p` from w and continue
339
340       // TODO: If `p` occurs in `w`, it had better refer to the same
341       // transition referenced by `v`. Unfortunately, we have two
342       // sources of truth here which can be manipulated at the same
343       // time as arguments to the function. If ODPOR works correctly,
344       // they should always refer to the same value; but as a sanity check,
345       // we have an assert that tests that at least the types are the same.
346       const auto action_by_p_in_w =
347           std::find_if(w_now.begin(), w_now.end(), [=](const auto& action) { return action->aid_ == p; });
348       xbt_assert(action_by_p_in_w != w_now.end(), "Invariant violated: actor `p` "
349                                                   "is claimed to be an initial after `w` but is "
350                                                   "not actually contained in `w`. This indicates that there "
351                                                   "is a bug computing initials");
352       const auto& w_action = *action_by_p_in_w;
353       xbt_assert(w_action->type_ == next_E_p->type_,
354                  "Invariant violated: `v` claims that actor `%ld` executes '%s' while "
355                  "`w` claims that it executes '%s'. These two partial executions both "
356                  "refer to `next_[E](p)`, which should be the same",
357                  p, next_E_p->to_string(false).c_str(), w_action->to_string(false).c_str());
358       w_now.erase(action_by_p_in_w);
359     }
360     // Is `E ⊢ p ◇ w`?
361     else if (E_v.is_independent_with_execution(w, next_E_p)) {
362       // INVARIANT: Note that it is impossible for `p` to be
363       // excluded from the set `I_[E](w)` BUT ALSO be contained in
364       // `w` itself if `E ⊢ p ◇ w`. We assert this is the case here
365       const auto action_by_p_in_w =
366           std::find_if(w_now.begin(), w_now.end(), [=](const auto& action) { return action->aid_ == p; });
367       xbt_assert(action_by_p_in_w == w_now.end(),
368                  "Invariant violated: We claimed that actor `%ld` is not an initial "
369                  "after `w`, yet it's independent with all actions of `w` AND occurs in `w`."
370                  "This indicates that there is a bug computing initials",
371                  p);
372     } else {
373       // Neither of the two above conditions hold, so the relation fails
374       return std::nullopt;
375     }
376
377     // Move one step forward in the direction of `v` and repeat
378     E_v.push_transition(next_E_p);
379   }
380
381   // Construct, finally, v.w' by adding `v` to the front of
382   // what remains of `w` after removing `v` as above
383   for (auto it = v.rbegin(); it != v.rend(); ++it) {
384     w_now.push_front(*it);
385   }
386
387   return std::optional<PartialExecution>{std::move(w_now)};
388 }
389
390 bool Execution::happens_before(Execution::EventHandle e1_handle, Execution::EventHandle e2_handle) const
391 {
392   // 1. "happens-before" (-->_E) is a subset of "occurs before" (<_E)
393   // and is an irreflexive relation
394   if (e1_handle >= e2_handle) {
395     return false;
396   }
397
398   // Each execution maintains a stack of clock vectors which are updated
399   // according to the procedure outlined in section 4 of the original DPOR paper
400   const Event& e2     = get_event_with_handle(e2_handle);
401   const aid_t proc_e1 = get_actor_with_handle(e1_handle);
402
403   if (const auto e1_in_e2_clock = e2.get_clock_vector().get(proc_e1); e1_in_e2_clock.has_value()) {
404     return e1_handle <= e1_in_e2_clock.value();
405   }
406   // If `e1` does not appear in e2's clock vector, this implies
407   // not only that the transitions associated with `e1` and `e2
408   // are independent, but further that there are no transitive
409   // dependencies between e1 and e2
410   return false;
411 }
412
413 } // namespace simgrid::mc::odpor