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304130173fd6072626386cd5ff2f5b07de825890
[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/transition/Transition.hpp"
12
13 #include "xbt/log.h"
14 #include "xbt/string.hpp"
15 #include "xbt/sysdep.h"
16
17 #include <cassert>
18 #include <cstdio>
19
20 #include <algorithm>
21 #include <memory>
22 #include <string>
23 #include <unordered_set>
24 #include <vector>
25
26 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(mc_dfs, mc, "DFS exploration algorithm of the model-checker");
27
28 namespace simgrid::mc {
29
30 xbt::signal<void(RemoteApp&)> DFSExplorer::on_exploration_start_signal;
31 xbt::signal<void(RemoteApp&)> DFSExplorer::on_backtracking_signal;
32
33 xbt::signal<void(State*, RemoteApp&)> DFSExplorer::on_state_creation_signal;
34
35 xbt::signal<void(State*, RemoteApp&)> DFSExplorer::on_restore_system_state_signal;
36 xbt::signal<void(RemoteApp&)> DFSExplorer::on_restore_initial_state_signal;
37 xbt::signal<void(Transition*, RemoteApp&)> DFSExplorer::on_transition_replay_signal;
38 xbt::signal<void(Transition*, RemoteApp&)> DFSExplorer::on_transition_execute_signal;
39
40 xbt::signal<void(RemoteApp&)> DFSExplorer::on_log_state_signal;
41
42 RecordTrace DFSExplorer::get_record_trace() // override
43 {
44   RecordTrace res;
45
46   if (const auto trans = stack_.back()->get_transition_out(); trans != nullptr)
47     res.push_back(trans.get());
48   for (const auto* state = stack_.back().get(); state != nullptr; state = state->get_parent_state().get())
49     if (state->get_transition_in() != nullptr)
50       res.push_front(state->get_transition_in().get());
51
52   return res;
53 }
54
55 void DFSExplorer::restore_stack(std::shared_ptr<State> state)
56 {
57   stack_.clear();
58   execution_seq_     = odpor::Execution();
59   auto current_state = state;
60   stack_.emplace_front(current_state);
61   // condition corresponds to reaching initial state
62   while (current_state->get_parent_state() != nullptr) {
63     current_state = current_state->get_parent_state();
64     stack_.emplace_front(current_state);
65   }
66   XBT_DEBUG("Replaced stack by %s", get_record_trace().to_string().c_str());
67   if (reduction_mode_ == ReductionMode::sdpor || reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
68     // NOTE: The outgoing transition for the top-most
69     // state of the  stack refers to that which was taken
70     // as part of the last trace explored by the algorithm.
71     // Thus, only the sequence of transitions leading up to,
72     // but not including, the last state must be included
73     // when reconstructing the Exploration for SDPOR.
74     for (auto iter = std::next(stack_.begin()); iter != stack_.end(); ++iter) {
75       execution_seq_.push_transition((*iter)->get_transition_in());
76     }
77     XBT_DEBUG("Replaced SDPOR/ODPOR execution to reflect the new stack");
78   }
79 }
80
81 void DFSExplorer::log_state() // override
82 {
83   on_log_state_signal(get_remote_app());
84   XBT_INFO("DFS exploration ended. %ld unique states visited; %lu backtracks (%lu transition replays, %lu states "
85            "visited overall)",
86            State::get_expanded_states(), backtrack_count_, Transition::get_replayed_transitions(),
87            visited_states_count_);
88   Exploration::log_state();
89 }
90
91 void DFSExplorer::run()
92 {
93   on_exploration_start_signal(get_remote_app());
94   /* This function runs the DFS algorithm the state space.
95    * We do so iteratively instead of recursively, dealing with the call stack manually.
96    * This allows one to explore the call stack at will. */
97
98   while (not stack_.empty()) {
99     /* Get current state */
100     auto state = stack_.back();
101
102     XBT_DEBUG("**************************************************");
103     XBT_DEBUG("Exploration depth=%zu (state:#%ld; %zu interleaves todo)", stack_.size(), state->get_num(),
104               state->count_todo());
105
106     visited_states_count_++;
107
108     // Backtrack if we reached the maximum depth
109     if (stack_.size() > (std::size_t)_sg_mc_max_depth) {
110       if (reduction_mode_ == ReductionMode::dpor) {
111         XBT_ERROR("/!\\ Max depth of %d reached! THIS WILL PROBABLY BREAK the dpor reduction /!\\",
112                   _sg_mc_max_depth.get());
113         XBT_ERROR("/!\\ If bad things happen, disable dpor with --cfg=model-check/reduction:none /!\\");
114       } else if (reduction_mode_ == ReductionMode::sdpor || reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
115         XBT_ERROR("/!\\ Max depth of %d reached! THIS **WILL** BREAK the reduction, which is not sound "
116                   "when stopping at a fixed depth /!\\",
117                   _sg_mc_max_depth.get());
118         XBT_ERROR("/!\\ If bad things happen, disable the reduction with --cfg=model-check/reduction:none /!\\");
119       } else {
120         XBT_WARN("/!\\ Max depth reached ! /!\\ ");
121       }
122       this->backtrack();
123       continue;
124     }
125
126     if (reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
127       // In the case of ODPOR, the wakeup tree for this
128       // state may be empty if we're exploring new territory
129       // (rather than following the partial execution of a
130       // wakeup tree). This corresponds to lines 9 to 13 of
131       // the ODPOR pseudocode
132       //
133       // INVARIANT: The execution sequence should be consistent
134       // with the state when seeding the tree. If the sequence
135       // gets out of sync with the state, selection will not
136       // work as we intend
137       state->seed_wakeup_tree_if_needed(execution_seq_);
138     }
139
140     // Search for the next transition
141     // next_transition returns a pair<aid_t, int>
142     // in case we want to consider multiple states (eg. during backtrack)
143     const aid_t next = reduction_mode_ == ReductionMode::odpor ? state->next_odpor_transition()
144                                                                : std::get<0>(state->next_transition_guided());
145
146     if (next < 0) { // If there is no more transition in the current state, backtrack.
147       XBT_VERB("%lu actors remain, but none of them need to be interleaved (depth %zu).", state->get_actor_count(),
148                stack_.size() + 1);
149
150       if (state->get_actor_count() == 0) {
151         get_remote_app().finalize_app();
152         XBT_VERB("Execution came to an end at %s (state: %ld, depth: %zu)", get_record_trace().to_string().c_str(),
153                  state->get_num(), stack_.size());
154       }
155
156       this->backtrack();
157       continue;
158     }
159
160     if (XBT_LOG_ISENABLED(mc_dfs, xbt_log_priority_verbose)) {
161       XBT_VERB("Sleep set actually containing:");
162       for (const auto& [aid, transition] : state->get_sleep_set())
163         XBT_VERB("  <%ld,%s>", aid, transition->to_string().c_str());
164     }
165
166     auto todo = state->get_actors_list().at(next).get_transition();
167     XBT_DEBUG("wanna execute %ld: %.60s", next, todo->to_string().c_str());
168
169     /* Actually answer the request: let's execute the selected request (MCed does one step) */
170     auto executed_transition = state->execute_next(next, get_remote_app());
171     on_transition_execute_signal(state->get_transition_out().get(), get_remote_app());
172
173     // If there are processes to interleave and the maximum depth has not been
174     // reached then perform one step of the exploration algorithm.
175     XBT_VERB("Executed %ld: %.60s (stack depth: %zu, state: %ld, %zu interleaves)", state->get_transition_out()->aid_,
176              state->get_transition_out()->to_string().c_str(), stack_.size(), state->get_num(), state->count_todo());
177
178     /* Create the new expanded state (copy the state of MCed into our MCer data) */
179     auto next_state = std::make_shared<State>(get_remote_app(), state);
180     on_state_creation_signal(next_state.get(), get_remote_app());
181
182     if (reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
183       // With ODPOR, after taking a step forward, we must
184       // assign a copy of that subtree to the next state.
185       //
186       // NOTE: We only add actions to the sleep set AFTER
187       // we've regenerated states. We must perform the search
188       // fully down a single path before we consider adding
189       // any elements to the sleep set according to the pseudocode
190       next_state->sprout_tree_from_parent_state();
191     } else {
192       /* Sleep set procedure:
193        * adding the taken transition to the sleep set of the original state.
194        * <!> Since the parent sleep set is used to compute the child sleep set, this need to be
195        * done after next_state creation */
196       XBT_DEBUG("Marking Transition >>%s<< of process %ld done and adding it to the sleep set",
197                 state->get_transition_out()->to_string().c_str(), state->get_transition_out()->aid_);
198       state->add_sleep_set(
199           state->get_transition_out()); // Actors are marked done when they are considered in ActorState
200     }
201
202     /* DPOR persistent set procedure:
203      * for each new transition considered, check if it depends on any other previous transition executed before it
204      * on another process. If there exists one, find the more recent, and add its process to the interleave set.
205      * If the process is not enabled at this  point, then add every enabled process to the interleave */
206     if (reduction_mode_ == ReductionMode::dpor) {
207       aid_t issuer_id   = state->get_transition_out()->aid_;
208       stack_t tmp_stack = stack_;
209       while (not tmp_stack.empty()) {
210         if (const State* prev_state = tmp_stack.back().get();
211             state->get_transition_out()->aid_ == prev_state->get_transition_out()->aid_) {
212           XBT_DEBUG("Simcall >>%s<< and >>%s<< with same issuer %ld", state->get_transition_out()->to_string().c_str(),
213                     prev_state->get_transition_out()->to_string().c_str(), issuer_id);
214           tmp_stack.pop_back();
215           continue;
216         } else if (prev_state->get_transition_out()->depends(state->get_transition_out().get())) {
217           XBT_VERB("Dependent Transitions:");
218           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", prev_state->get_transition_out()->aid_,
219                    prev_state->get_transition_out()->to_string().c_str(), prev_state->get_num());
220           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", state->get_transition_out()->aid_,
221                    state->get_transition_out()->to_string().c_str(), state->get_num());
222
223           if (prev_state->is_actor_enabled(issuer_id)) {
224             if (not prev_state->is_actor_done(issuer_id)) {
225               prev_state->consider_one(issuer_id);
226               opened_states_.emplace_back(tmp_stack.back());
227             } else
228               XBT_DEBUG("Actor %ld is already in done set: no need to explore it again", issuer_id);
229           } else {
230             XBT_DEBUG("Actor %ld is not enabled: DPOR may be failing. To stay sound, we are marking every enabled "
231                       "transition as todo",
232                       issuer_id);
233             // If we ended up marking at least a transition, explore it at some point
234             if (prev_state->consider_all() > 0)
235               opened_states_.emplace_back(tmp_stack.back());
236           }
237           break;
238         } else {
239           XBT_VERB("INDEPENDENT Transitions:");
240           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", prev_state->get_transition_out()->aid_,
241                    prev_state->get_transition_out()->to_string().c_str(), prev_state->get_num());
242           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", state->get_transition_out()->aid_,
243                    state->get_transition_out()->to_string().c_str(), state->get_num());
244         }
245         tmp_stack.pop_back();
246       }
247     } else if (reduction_mode_ == ReductionMode::sdpor) {
248       /**
249        * SDPOR Source Set Procedure:
250        *
251        * Find "reversible races" in the current execution `E` with respect
252        * to the latest action `p`. For each such race, determine one thread
253        * not contained in the backtrack set at the "race point" `r` which
254        * "represents" the trace formed by first executing everything after
255        * `r` that doesn't depend on it (`v := notdep(r, E)`) and then `p` to
256        * flip the race.
257        *
258        * The intuition is that some subsequence of `v` may enable `p`, so
259        * we want to be sure that search "in that direction"
260        */
261       execution_seq_.push_transition(std::move(executed_transition));
262       xbt_assert(execution_seq_.get_latest_event_handle().has_value(), "No events are contained in the SDPOR execution "
263                                                                        "even though one was just added");
264
265       const auto next_E_p = execution_seq_.get_latest_event_handle().value();
266       for (const auto e_race : execution_seq_.get_reversible_races_of(next_E_p)) {
267         State* prev_state  = stack_[e_race].get();
268         const auto choices = execution_seq_.get_missing_source_set_actors_from(e_race, prev_state->get_backtrack_set());
269         if (not choices.empty()) {
270           // NOTE: To incorporate the idea of attempting to select the "best"
271           // backtrack point into SDPOR, instead of selecting the `first` initial,
272           // we should instead compute all choices and decide which is best
273           //
274           // Here, we choose the actor with the lowest ID to ensure
275           // we get deterministic results
276           const auto q =
277               std::min_element(choices.begin(), choices.end(), [](const aid_t a1, const aid_t a2) { return a1 < a2; });
278           prev_state->consider_one(*q);
279           opened_states_.emplace_back(std::move(prev_state));
280         }
281       }
282     } else if (reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
283       // In the case of ODPOR, we simply observe the transition that was executed
284       // until we've reached a maximal trace
285       execution_seq_.push_transition(std::move(executed_transition));
286     }
287
288     // Before leaving that state, if the transition we just took can be taken multiple times, we
289     // need to give it to the opened states
290     if (stack_.back()->count_todo_multiples() > 0)
291       opened_states_.emplace_back(stack_.back());
292
293     stack_.emplace_back(std::move(next_state));
294
295     /* If this is a new state (or if we don't care about state-equality reduction) */
296     /* Get an enabled process and insert it in the interleave set of the next state */
297     if (reduction_mode_ == ReductionMode::dpor)
298       stack_.back()->consider_best(); // Take only one transition if DPOR: others may be considered later if required
299     else {
300       stack_.back()->consider_all();
301     }
302
303     dot_output("\"%ld\" -> \"%ld\" [%s];\n", state->get_num(), stack_.back()->get_num(),
304                state->get_transition_out()->dot_string().c_str());
305   }
306   log_state();
307 }
308
309 std::shared_ptr<State> DFSExplorer::best_opened_state()
310 {
311   int best_prio = 0; // cache the value for the best priority found so far (initialized to silence gcc)
312   auto best     = end(opened_states_);   // iterator to the state to explore having the best priority
313   auto valid    = begin(opened_states_); // iterator marking the limit between states still to explore, and already
314                                          // explored ones
315
316   // Keep only still non-explored states (aid != -1), and record the one with the best (greater) priority.
317   for (auto current = begin(opened_states_); current != end(opened_states_); ++current) {
318     auto [aid, prio] = (*current)->next_transition_guided();
319     if (aid == -1)
320       continue;
321     if (valid != current)
322       *valid = std::move(*current);
323     if (best == end(opened_states_) || prio < best_prio) {
324       best_prio = prio;
325       best      = valid;
326     }
327     ++valid;
328   }
329
330   std::shared_ptr<State> best_state;
331   if (best < valid) {
332     // There are non-explored states, and one of them has the best priority.  Remove it from opened_states_ before
333     // returning.
334     best_state = std::move(*best);
335     --valid;
336     if (best != valid)
337       *best = std::move(*valid);
338   }
339   opened_states_.erase(valid, end(opened_states_));
340
341   return best_state;
342 }
343
344 std::shared_ptr<State> DFSExplorer::next_odpor_state()
345 {
346   for (auto iter = stack_.rbegin(); iter != stack_.rend(); ++iter) {
347     const auto& state = *iter;
348     state->do_odpor_unwind();
349     XBT_DEBUG("\tPerformed ODPOR 'clean-up'. Sleep set has:");
350     for (const auto& [aid, transition] : state->get_sleep_set())
351       XBT_DEBUG("\t  <%ld,%s>", aid, transition->to_string().c_str());
352     if (not state->has_empty_tree()) {
353       return state;
354     }
355   }
356   return nullptr;
357 }
358
359 void DFSExplorer::backtrack()
360 {
361   if (const auto last_event = execution_seq_.get_latest_event_handle();
362       reduction_mode_ == ReductionMode::odpor and last_event.has_value()) {
363     /**
364      * ODPOR Race Detection Procedure:
365      *
366      * For each reversible race in the current execution, we
367      * note if there are any continuations `C` equivalent to that which
368      * would reverse the race that have already either a) been searched by ODPOR or
369      * b) been *noted* to be searched by the wakeup tree at the
370      * appropriate reversal point, either as `C` directly or
371      * an as equivalent to `C` ("eventually looks like C", viz. the `~_E`
372      * relation)
373      */
374     for (auto e_prime = static_cast<odpor::Execution::EventHandle>(0); e_prime <= last_event.value(); ++e_prime) {
375       for (const auto e : execution_seq_.get_reversible_races_of(e_prime)) {
376         XBT_DEBUG("ODPOR: Reversible race detected between events `%u` and `%u`", e, e_prime);
377         State& prev_state = *stack_[e];
378         if (const auto v = execution_seq_.get_odpor_extension_from(e, e_prime, prev_state); v.has_value()) {
379           switch (prev_state.insert_into_wakeup_tree(v.value(), execution_seq_.get_prefix_before(e))) {
380             case odpor::WakeupTree::InsertionResult::root: {
381               XBT_DEBUG("ODPOR: Reversible race with `%u` unaccounted for in the wakeup tree for "
382                         "the execution prior to event `%u`:",
383                         e_prime, e);
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