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Clang format over some mc files
[simgrid.git] / src / mc / explo / DFSExplorer.cpp
1 /* Copyright (c) 2016-2023. 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/DFSExplorer.hpp"
7 #include "src/mc/mc_config.hpp"
8 #include "src/mc/mc_exit.hpp"
9 #include "src/mc/mc_private.hpp"
10 #include "src/mc/mc_record.hpp"
11 #include "src/mc/remote/mc_protocol.h"
12 #include "src/mc/transition/Transition.hpp"
13
14 #include "xbt/asserts.h"
15 #include "xbt/log.h"
16 #include "xbt/string.hpp"
17 #include "xbt/sysdep.h"
18
19 #include <cassert>
20 #include <cstdio>
21
22 #include <algorithm>
23 #include <memory>
24 #include <string>
25 #include <unordered_set>
26 #include <vector>
27
28 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(mc_dfs, mc, "DFS exploration algorithm of the model-checker");
29
30 namespace simgrid::mc {
31
32 xbt::signal<void(RemoteApp&)> DFSExplorer::on_exploration_start_signal;
33 xbt::signal<void(RemoteApp&)> DFSExplorer::on_backtracking_signal;
34
35 xbt::signal<void(State*, RemoteApp&)> DFSExplorer::on_state_creation_signal;
36
37 xbt::signal<void(State*, RemoteApp&)> DFSExplorer::on_restore_system_state_signal;
38 xbt::signal<void(RemoteApp&)> DFSExplorer::on_restore_initial_state_signal;
39 xbt::signal<void(Transition*, RemoteApp&)> DFSExplorer::on_transition_replay_signal;
40 xbt::signal<void(Transition*, RemoteApp&)> DFSExplorer::on_transition_execute_signal;
41
42 xbt::signal<void(RemoteApp&)> DFSExplorer::on_log_state_signal;
43
44 RecordTrace DFSExplorer::get_record_trace() // override
45 {
46   RecordTrace res;
47
48   if (const auto trans = stack_.back()->get_transition_out(); trans != nullptr)
49     res.push_back(trans.get());
50   for (const auto* state = stack_.back().get(); state != nullptr; state = state->get_parent_state().get())
51     if (state->get_transition_in() != nullptr)
52       res.push_front(state->get_transition_in().get());
53
54   return res;
55 }
56
57 void DFSExplorer::restore_stack(std::shared_ptr<State> state)
58 {
59   stack_.clear();
60   execution_seq_     = odpor::Execution();
61   auto current_state = state;
62   stack_.emplace_front(current_state);
63   // condition corresponds to reaching initial state
64   while (current_state->get_parent_state() != nullptr) {
65     current_state = current_state->get_parent_state();
66     stack_.emplace_front(current_state);
67   }
68   XBT_DEBUG("Replaced stack by %s", get_record_trace().to_string().c_str());
69   if (reduction_mode_ == ReductionMode::sdpor || reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
70     // NOTE: The outgoing transition for the top-most state of the  stack refers to that which was taken
71     // as part of the last trace explored by the algorithm. Thus, only the sequence of transitions leading up to,
72     // but not including, the last state must be included when reconstructing the Exploration for SDPOR.
73     for (auto iter = std::next(stack_.begin()); iter != stack_.end(); ++iter) {
74       execution_seq_.push_transition((*iter)->get_transition_in());
75     }
76     XBT_DEBUG("Replaced SDPOR/ODPOR execution to reflect the new stack");
77   }
78 }
79
80 void DFSExplorer::log_state() // override
81 {
82   on_log_state_signal(get_remote_app());
83   XBT_INFO("DFS exploration ended. %ld unique states visited; %lu backtracks (%lu transition replays, %lu states "
84            "visited overall)",
85            State::get_expanded_states(), backtrack_count_, Transition::get_replayed_transitions(),
86            visited_states_count_);
87   Exploration::log_state();
88 }
89
90 void DFSExplorer::run()
91 {
92   on_exploration_start_signal(get_remote_app());
93   /* This function runs the DFS algorithm the state space.
94    * We do so iteratively instead of recursively, dealing with the call stack manually.
95    * This allows one to explore the call stack at will. */
96
97   while (not stack_.empty()) {
98     /* Get current state */
99     auto state = stack_.back();
100
101     XBT_DEBUG("**************************************************");
102     XBT_DEBUG("Exploration depth=%zu (state:#%ld; %zu interleaves todo)", stack_.size(), state->get_num(),
103               state->count_todo());
104
105     visited_states_count_++;
106
107     // Backtrack if we reached the maximum depth
108     if (stack_.size() > (std::size_t)_sg_mc_max_depth) {
109       if (reduction_mode_ == ReductionMode::dpor) {
110         XBT_ERROR("/!\\ Max depth of %d reached! THIS WILL PROBABLY BREAK the dpor reduction /!\\",
111                   _sg_mc_max_depth.get());
112         XBT_ERROR("/!\\ If bad things happen, disable dpor with --cfg=model-check/reduction:none /!\\");
113       } else if (reduction_mode_ == ReductionMode::sdpor || reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
114         XBT_ERROR("/!\\ Max depth of %d reached! THIS **WILL** BREAK the reduction, which is not sound "
115                   "when stopping at a fixed depth /!\\",
116                   _sg_mc_max_depth.get());
117         XBT_ERROR("/!\\ If bad things happen, disable the reduction with --cfg=model-check/reduction:none /!\\");
118       } else {
119         XBT_WARN("/!\\ Max depth reached ! /!\\ ");
120       }
121       this->backtrack();
122       continue;
123     }
124
125     if (reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
126       // In the case of ODPOR, the wakeup tree for this state may be empty if we're exploring new territory
127       // (rather than following the partial execution of a wakeup tree). This corresponds to lines 9 to 13 of
128       // the ODPOR pseudocode
129       //
130       // INVARIANT: The execution sequence should be consistent with the state when seeding the tree. If the sequence
131       // gets out of sync with the state, selection will not work as we intend
132       state->seed_wakeup_tree_if_needed(execution_seq_);
133     }
134
135     // Search for the next transition
136     // next_transition returns a pair<aid_t, int>
137     // in case we want to consider multiple states (eg. during backtrack)
138     const aid_t next = reduction_mode_ == ReductionMode::odpor ? state->next_odpor_transition()
139                                                                : std::get<0>(state->next_transition_guided());
140
141     if (next < 0 || not state->is_actor_enabled(next)) {
142       if (next >= 0) { // Actor is not enabled, then
143         XBT_INFO("Reduction %s wants to execute a disabled transition %s. If it's ODPOR, ReversibleRace is suboptimal.",
144                  to_c_str(reduction_mode_),
145                  state->get_actors_list().at(next).get_transition()->to_string(true).c_str());
146         if (reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
147           XBT_INFO("Current trace:");
148           for (auto elm : get_textual_trace())
149             XBT_ERROR("%s", elm.c_str());
150           // Remove the disabled transition from the wakeup tree so that ODPOR doesn't try it again
151           state->remove_subtree_at_aid(next);
152           state->add_sleep_set(state->get_actors_list().at(next).get_transition());
153         }
154       }
155       // If there is no more transition in the current state (or if ODPOR picked an actor that is not enabled --
156       // ReversibleRace is an overapproximation), backtrace
157       XBT_VERB("%lu actors remain, but none of them need to be interleaved (depth %zu).", state->get_actor_count(),
158                stack_.size() + 1);
159
160       if (state->get_actor_count() == 0) {
161         get_remote_app().finalize_app();
162         XBT_VERB("Execution came to an end at %s (state: %ld, depth: %zu)", get_record_trace().to_string().c_str(),
163                  state->get_num(), stack_.size());
164       }
165
166       this->backtrack();
167       continue;
168     }
169
170     if (XBT_LOG_ISENABLED(mc_dfs, xbt_log_priority_verbose)) {
171       XBT_VERB("Sleep set actually containing:");
172       for (const auto& [aid, transition] : state->get_sleep_set())
173         XBT_VERB("  <%ld,%s>", aid, transition->to_string().c_str());
174     }
175
176     auto todo = state->get_actors_list().at(next).get_transition();
177     XBT_DEBUG("wanna execute %ld: %.60s", next, todo->to_string().c_str());
178
179     /* Actually answer the request: let's execute the selected request (MCed does one step) */
180     auto executed_transition = state->execute_next(next, get_remote_app());
181     on_transition_execute_signal(state->get_transition_out().get(), get_remote_app());
182
183     // If there are processes to interleave and the maximum depth has not been
184     // reached then perform one step of the exploration algorithm.
185     XBT_VERB("Executed %ld: %.60s (stack depth: %zu, state: %ld, %zu interleaves)", state->get_transition_out()->aid_,
186              state->get_transition_out()->to_string().c_str(), stack_.size(), state->get_num(), state->count_todo());
187
188     /* Create the new expanded state (copy the state of MCed into our MCer data) */
189     auto next_state = std::make_shared<State>(get_remote_app(), state);
190     on_state_creation_signal(next_state.get(), get_remote_app());
191
192     if (reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
193       // With ODPOR, after taking a step forward, we must assign a copy of that subtree to the next state.
194       //
195       // NOTE: We only add actions to the sleep set AFTER we've regenerated states. We must perform the search
196       // fully down a single path before we consider adding any elements to the sleep set according to the pseudocode
197       next_state->sprout_tree_from_parent_state();
198     } else {
199       /* Sleep set procedure:
200        * adding the taken transition to the sleep set of the original state.
201        * <!> Since the parent sleep set is used to compute the child sleep set, this need to be
202        * done after next_state creation */
203       XBT_DEBUG("Marking Transition >>%s<< of process %ld done and adding it to the sleep set",
204                 state->get_transition_out()->to_string().c_str(), state->get_transition_out()->aid_);
205       state->add_sleep_set(
206           state->get_transition_out()); // Actors are marked done when they are considered in ActorState
207     }
208
209     /* DPOR persistent set procedure:
210      * for each new transition considered, check if it depends on any other previous transition executed before it
211      * on another process. If there exists one, find the more recent, and add its process to the interleave set.
212      * If the process is not enabled at this  point, then add every enabled process to the interleave */
213     if (reduction_mode_ == ReductionMode::dpor) {
214       aid_t issuer_id   = state->get_transition_out()->aid_;
215       stack_t tmp_stack = stack_;
216       while (not tmp_stack.empty()) {
217         if (const State* prev_state = tmp_stack.back().get();
218             state->get_transition_out()->aid_ == prev_state->get_transition_out()->aid_) {
219           XBT_DEBUG("Simcall >>%s<< and >>%s<< with same issuer %ld", state->get_transition_out()->to_string().c_str(),
220                     prev_state->get_transition_out()->to_string().c_str(), issuer_id);
221           tmp_stack.pop_back();
222           continue;
223         } else if (prev_state->get_transition_out()->depends(state->get_transition_out().get())) {
224           XBT_VERB("Dependent Transitions:");
225           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", prev_state->get_transition_out()->aid_,
226                    prev_state->get_transition_out()->to_string().c_str(), prev_state->get_num());
227           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", state->get_transition_out()->aid_,
228                    state->get_transition_out()->to_string().c_str(), state->get_num());
229
230           if (prev_state->is_actor_enabled(issuer_id)) {
231             if (not prev_state->is_actor_done(issuer_id)) {
232               prev_state->consider_one(issuer_id);
233               opened_states_.emplace_back(tmp_stack.back());
234             } else
235               XBT_DEBUG("Actor %ld is already in done set: no need to explore it again", issuer_id);
236           } else {
237             XBT_DEBUG("Actor %ld is not enabled: DPOR may be failing. To stay sound, we are marking every enabled "
238                       "transition as todo",
239                       issuer_id);
240             // If we ended up marking at least a transition, explore it at some point
241             if (prev_state->consider_all() > 0)
242               opened_states_.emplace_back(tmp_stack.back());
243           }
244           break;
245         } else {
246           XBT_VERB("INDEPENDENT Transitions:");
247           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", prev_state->get_transition_out()->aid_,
248                    prev_state->get_transition_out()->to_string().c_str(), prev_state->get_num());
249           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", state->get_transition_out()->aid_,
250                    state->get_transition_out()->to_string().c_str(), state->get_num());
251         }
252         tmp_stack.pop_back();
253       }
254     } else if (reduction_mode_ == ReductionMode::sdpor) {
255       /**
256        * SDPOR Source Set Procedure:
257        *
258        * Find "reversible races" in the current execution `E` with respect to the latest action `p`. For each such race,
259        * determine one thread not contained in the backtrack set at the "race point" `r` which "represents" the trace
260        * formed by first executing everything after `r` that doesn't depend on it (`v := notdep(r, E)`) and then `p` to
261        * flip the race.
262        *
263        * The intuition is that some subsequence of `v` may enable `p`, so we want to be sure that search "in that
264        * direction"
265        */
266       execution_seq_.push_transition(std::move(executed_transition));
267       xbt_assert(execution_seq_.get_latest_event_handle().has_value(), "No events are contained in the SDPOR execution "
268                                                                        "even though one was just added");
269
270       const auto next_E_p = execution_seq_.get_latest_event_handle().value();
271       for (const auto e_race : execution_seq_.get_reversible_races_of(next_E_p)) {
272         State* prev_state  = stack_[e_race].get();
273         const auto choices = execution_seq_.get_missing_source_set_actors_from(e_race, prev_state->get_backtrack_set());
274         if (not choices.empty()) {
275           // NOTE: To incorporate the idea of attempting to select the "best" backtrack point into SDPOR, instead of
276           // selecting the `first` initial, we should instead compute all choices and decide which is best
277           //
278           // Here, we choose the actor with the lowest ID to ensure we get deterministic results
279           const auto q =
280               std::min_element(choices.begin(), choices.end(), [](const aid_t a1, const aid_t a2) { return a1 < a2; });
281           prev_state->consider_one(*q);
282           opened_states_.emplace_back(std::move(prev_state));
283         }
284       }
285     } else if (reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
286       // In the case of ODPOR, we simply observe the transition that was executed until we've reached a maximal trace
287       execution_seq_.push_transition(std::move(executed_transition));
288     }
289
290     // Before leaving that state, if the transition we just took can be taken multiple times, we
291     // need to give it to the opened states
292     if (stack_.back()->count_todo_multiples() > 0)
293       opened_states_.emplace_back(stack_.back());
294
295     stack_.emplace_back(std::move(next_state));
296
297     /* If this is a new state (or if we don't care about state-equality reduction) */
298     /* Get an enabled process and insert it in the interleave set of the next state */
299     if (reduction_mode_ == ReductionMode::dpor)
300       stack_.back()->consider_best(); // Take only one transition if DPOR: others may be considered later if required
301     else {
302       stack_.back()->consider_all();
303     }
304
305     dot_output("\"%ld\" -> \"%ld\" [%s];\n", state->get_num(), stack_.back()->get_num(),
306                state->get_transition_out()->dot_string().c_str());
307   }
308   log_state();
309 }
310
311 std::shared_ptr<State> DFSExplorer::best_opened_state()
312 {
313   int best_prio = 0; // cache the value for the best priority found so far (initialized to silence gcc)
314   auto best     = end(opened_states_);   // iterator to the state to explore having the best priority
315   auto valid    = begin(opened_states_); // iterator marking the limit between states still to explore, and already
316                                          // explored ones
317
318   // Keep only still non-explored states (aid != -1), and record the one with the best (greater) priority.
319   for (auto current = begin(opened_states_); current != end(opened_states_); ++current) {
320     auto [aid, prio] = (*current)->next_transition_guided();
321     if (aid == -1)
322       continue;
323     if (valid != current)
324       *valid = std::move(*current);
325     if (best == end(opened_states_) || prio < best_prio) {
326       best_prio = prio;
327       best      = valid;
328     }
329     ++valid;
330   }
331
332   std::shared_ptr<State> best_state;
333   if (best < valid) {
334     // There are non-explored states, and one of them has the best priority.  Remove it from opened_states_ before
335     // returning.
336     best_state = std::move(*best);
337     --valid;
338     if (best != valid)
339       *best = std::move(*valid);
340   }
341   opened_states_.erase(valid, end(opened_states_));
342
343   return best_state;
344 }
345
346 std::shared_ptr<State> DFSExplorer::next_odpor_state()
347 {
348   for (auto iter = stack_.rbegin(); iter != stack_.rend(); ++iter) {
349     const auto& state = *iter;
350     state->do_odpor_unwind();
351     XBT_DEBUG("\tPerformed ODPOR 'clean-up'. Sleep set has:");
352     for (const auto& [aid, transition] : state->get_sleep_set())
353       XBT_DEBUG("\t  <%ld,%s>", aid, transition->to_string().c_str());
354   }
355   return nullptr;
356 }
357
358 void DFSExplorer::backtrack()
359 {
360   if (const auto last_event = execution_seq_.get_latest_event_handle();
361       reduction_mode_ == ReductionMode::odpor and last_event.has_value()) {
362     /**
363      * ODPOR Race Detection Procedure:
364      *
365      * For each reversible race in the current execution, we note if there are any continuations `C` equivalent to that
366      * which would reverse the race that have already either a) been searched by ODPOR or b) been *noted* to be searched
367      * by the wakeup tree at the appropriate reversal point, either as `C` directly or an as equivalent to `C`
368      * ("eventually looks like C", viz. the `~_E` relation)
369      */
370     for (auto e_prime = static_cast<odpor::Execution::EventHandle>(0); e_prime <= last_event.value(); ++e_prime) {
371       XBT_DEBUG("ODPOR: Now considering all possible race with `%u`", e_prime);
372       for (const auto e : execution_seq_.get_reversible_races_of(e_prime)) {
373         XBT_DEBUG("ODPOR: Reversible race detected between events `%u` and `%u`", e, e_prime);
374         State& prev_state = *stack_[e];
375         if (const auto v = execution_seq_.get_odpor_extension_from(e, e_prime, prev_state); v.has_value()) {
376           switch (prev_state.insert_into_wakeup_tree(v.value(), execution_seq_.get_prefix_before(e))) {
377             case odpor::WakeupTree::InsertionResult::root: {
378               XBT_DEBUG("ODPOR: Reversible race with `%u`(%ld: %.20s) unaccounted for in the wakeup tree for "
379                         "the execution prior to event `%u`(%ld: %.20s):",
380                         e_prime, stack_[e_prime]->get_transition_out()->aid_,
381                         stack_[e_prime]->get_transition_out()->to_string(true).c_str(), e,
382                         prev_state.get_transition_out()->aid_,
383                         prev_state.get_transition_out()->to_string(true).c_str());
384               break;
385             }
386             case odpor::WakeupTree::InsertionResult::interior_node: {
387               XBT_DEBUG("ODPOR: Reversible race with `%u` partially accounted for in the wakeup tree for "
388                         "the execution prior to event `%u`:",
389                         e_prime, e);
390               break;
391             }
392             case odpor::WakeupTree::InsertionResult::leaf: {
393               XBT_DEBUG("ODPOR: Reversible race with `%u` accounted for in the wakeup tree for "
394                         "the execution prior to event `%u`:",
395                         e_prime, e);
396               break;
397             }
398           }
399           for (const auto& seq : simgrid::mc::odpor::get_textual_trace(v.value())) {
400             XBT_DEBUG(" %s", seq.c_str());
401           }
402         } else {
403           XBT_DEBUG("ODPOR: Ignoring race: `sleep(E')` intersects `WI_[E'](v := notdep(%u, E))`", e);
404           XBT_DEBUG("Sleep set contains:");
405           for (const auto& [aid, transition] : prev_state.get_sleep_set())
406             XBT_DEBUG("  <%ld,%s>", aid, transition->to_string().c_str());
407         }
408       }
409     }
410   }
411
412   XBT_VERB("Backtracking from %s", get_record_trace().to_string().c_str());
413   XBT_DEBUG("%lu alternatives are yet to be explored:", opened_states_.size());
414
415   on_backtracking_signal(get_remote_app());
416   get_remote_app().check_deadlock();
417
418   // Take the point with smallest distance
419   auto backtracking_point = reduction_mode_ == ReductionMode::odpor ? next_odpor_state() : best_opened_state();
420
421   // if no backtracking point, then set the stack_ to empty so we can end the exploration
422   if (not backtracking_point) {
423     XBT_DEBUG("No more opened point of exploration, the search will end");
424     stack_.clear();
425     return;
426   }
427
428   // We found a backtracking point, let's go to it
429   backtrack_count_++;
430   XBT_DEBUG("Backtracking to state#%ld", backtracking_point->get_num());
431
432   // Search how to restore the backtracking point
433   std::deque<Transition*> replay_recipe;
434   for (auto* s = backtracking_point.get(); s != nullptr; s = s->get_parent_state().get()) {
435     if (s->get_transition_in() != nullptr) // The root has no transition_in
436       replay_recipe.push_front(s->get_transition_in().get());
437   }
438
439   // Restore the initial state if no intermediate state was found
440   get_remote_app().restore_initial_state();
441   on_restore_initial_state_signal(get_remote_app());
442
443   /* if no snapshot, we need to restore the initial state and replay the transitions */
444   /* Traverse the stack from the state at position start and re-execute the transitions */
445   for (auto& transition : replay_recipe) {
446     transition->replay(get_remote_app());
447     on_transition_replay_signal(transition, get_remote_app());
448     visited_states_count_++;
449   }
450   this->restore_stack(backtracking_point);
451 }
452
453 DFSExplorer::DFSExplorer(const std::vector<char*>& args, ReductionMode mode) : Exploration(args), reduction_mode_(mode)
454 {
455   XBT_INFO("Start a DFS exploration. Reduction is: %s.", to_c_str(reduction_mode_));
456
457   auto initial_state = std::make_shared<State>(get_remote_app());
458
459   XBT_DEBUG("**************************************************");
460
461   stack_.emplace_back(std::move(initial_state));
462
463   /* Get an enabled actor and insert it in the interleave set of the initial state */
464   XBT_DEBUG("Initial state. %lu actors to consider", stack_.back()->get_actor_count());
465   if (reduction_mode_ == ReductionMode::dpor)
466     stack_.back()->consider_best();
467   else {
468     stack_.back()->consider_all();
469   }
470   if (stack_.back()->count_todo_multiples() > 1)
471     opened_states_.emplace_back(stack_.back());
472 }
473
474 Exploration* create_dfs_exploration(const std::vector<char*>& args, ReductionMode mode)
475 {
476   return new DFSExplorer(args, mode);
477 }
478
479 } // namespace simgrid::mc