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Small typos in comments
[simgrid.git] / src / mc / explo / odpor / Execution.hpp
1 /* Copyright (c) 2007-2023. 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 #ifndef SIMGRID_MC_ODPOR_EXECUTION_HPP
7 #define SIMGRID_MC_ODPOR_EXECUTION_HPP
8
9 #include "src/mc/api/ClockVector.hpp"
10 #include "src/mc/explo/odpor/odpor_forward.hpp"
11 #include "src/mc/mc_forward.hpp"
12 #include "src/mc/mc_record.hpp"
13 #include "src/mc/transition/Transition.hpp"
14
15 #include <list>
16 #include <optional>
17 #include <unordered_set>
18 #include <vector>
19
20 namespace simgrid::mc::odpor {
21
22 std::vector<std::string> get_textual_trace(const PartialExecution& w);
23
24 /**
25  * @brief The occurrence of a transition in an execution
26  *
27  * An execution is set of *events*, where each element represents
28  * the occurrence or execution of the `i`th step of a particular
29  * actor `j`
30  */
31 class Event {
32   std::pair<std::shared_ptr<Transition>, ClockVector> contents_;
33
34 public:
35   Event()                        = default;
36   Event(Event&&)                 = default;
37   Event(const Event&)            = default;
38   Event& operator=(const Event&) = default;
39   explicit Event(std::pair<std::shared_ptr<Transition>, ClockVector> pair) : contents_(std::move(pair)) {}
40
41   std::shared_ptr<Transition> get_transition() const { return std::get<0>(contents_); }
42   const ClockVector& get_clock_vector() const { return std::get<1>(contents_); }
43 };
44
45 /**
46  * @brief An ordered sequence of transitions which describe
47  * the evolution of a process undergoing model checking
48  *
49  * An execution conceptually is just a string of actors
50  * ids (e.g. "1.2.3.1.2.2.1.1"), where the `i`th occurrence
51  * of actor id `j` corresponds to the `i`th action executed
52  * by the actor with id `j` (viz. the `i`th step of actor `j`).
53  * Executions can stand alone on their own or can extend
54  * the execution of other sequences
55  *
56  * Executions are conceived based on the following papers:
57  * 1. "Source Sets: A Foundation for Optimal Dynamic Partial Order Reduction"
58  * by Abdulla et al.
59  *
60  * In addition to representing an actual steps taken,
61  * an execution keeps track of the "happens-before"
62  * relation among the transitions in the execution
63  * by following the procedure outlined in section 4 of the
64  * original DPOR paper with clock vectors.
65  * As new transitions are added to the execution, clock vectors are
66  * computed as appropriate and associated with the corresponding position
67  * in the execution. This allows us to determine “happens-before” in
68  * constant-time between points in the execution (called events
69  * [which is unfortunately the same name used in UDPOR for a slightly
70  * different concept]), albeit for an up-front cost of traversing the
71  * execution stack. The happens-before relation is important in many
72  * places in SDPOR and ODPOR.
73  *
74  * @note: For more nuanced happens-before relations, clock
75  * vectors may not always suffice. Clock vectors work
76  * well with transition-based dependencies like that used in
77  * SimGrid; but to have a more refined independence relation,
78  * an event-based dependency approach is needed. See the section 2
79  * in the ODPOR paper [1] concerning event-based dependencies and
80  * how the happens-before relation can be refined in a
81  * computation model much like that of SimGrid. In fact, the same issue
82  * arrises with UDPOR with context-sensitive dependencies:
83  * the two concepts are analogous if not identical
84  */
85 class Execution {
86 private:
87   std::vector<Event> contents_;
88   Execution(std::vector<Event>&& contents) : contents_(std::move(contents)) {}
89
90 public:
91   using EventHandle = uint32_t;
92
93   Execution()                            = default;
94   Execution(const Execution&)            = default;
95   Execution& operator=(Execution const&) = default;
96   Execution(Execution&&)                 = default;
97   Execution(const PartialExecution&);
98
99   std::vector<std::string> get_textual_trace() const;
100
101   size_t size() const { return this->contents_.size(); }
102   bool empty() const { return this->contents_.empty(); }
103   auto begin() const { return this->contents_.begin(); }
104   auto end() const { return this->contents_.end(); }
105
106   /**
107    * @brief Computes the "core" portion the SDPOR algorithm,
108    * viz. the intersection of the backtracking set and the
109    * set of initials with respect to the *last* event added
110    * to the execution
111    *
112    * The "core" portion of the SDPOR algorithm is found on
113    * lines 6-9 of the pseudocode:
114    *
115    * 6 | let E' := pre(E, e)
116    * 7 | let v :=  notdep(e, E).p
117    * 8 | if I_[E'](v) ∩ backtrack(E') = empty then
118    * 9 |    --> add some q in I_[E'](v) to backtrack(E')
119    *
120    * This method computes all of the lines simultaneously,
121    * returning the set `I_[E'](v)` if condition on line 8 holds.
122    * The event `e` and the set `backtrack(E')` are the provided
123    * arguments to the method.
124    *
125    * @param e the event with respect to which to determine
126    * whether a backtrack point needs to be added for the
127    * prefix corresponding to the execution prior to `e`
128    *
129    * @param backtrack_set The set of actors which should
130    * not be considered for selection as an SDPOR initial.
131    * While this set need not necessarily correspond to the
132    * backtrack set `backtrack(E')`, doing so provides what
133    * is expected for SDPOR
134    *
135    * See the SDPOR algorithm pseudocode in [1] for more
136    * details for the context of the function.
137    *
138    * @precondition: This method assumes that events `e` and
139    * `e' := get_latest_event_handle()` are in a *reversible* race,
140    * as is explicitly the case in SDPOR
141    *
142    * @returns a set of actors not already contained in `backtrack_set`
143    * which serve as an initials to reverse the race between `e`
144    * and `e' := get_latest_event_handle()`; that is, an initial that is
145    * not already contained in the set `backtrack_set`.
146    */
147   std::unordered_set<aid_t> get_missing_source_set_actors_from(EventHandle e,
148                                                                const std::unordered_set<aid_t>& backtrack_set) const;
149
150   /**
151    * @brief Computes the analogous lines from the SDPOR algorithm
152    * in the ODPOR algorithm, viz. the intersection of the sleep set
153    * and the set of weak initials with respect to the given pair
154    * of racing events
155    *
156    * This method computes lines 4-6 of the ODPOR pseudocode, viz.:
157    *
158    * 4 | let E' := pre(E, e)
159    * 5 | let v := notdep(e, E).e'^
160    * 6 | if sleep(E') ∩ WI_[E'](v) = empty then
161    * 7 |   --> wut(E') := insert_[E'](v, wut(E'))
162    *
163    * The sequence `v` is computed and returned as needed, based on whether
164    * the check on line 6 passes.
165    *
166    * @precondition: This method assumes that events `e` and
167    * `e_prime` are in a *reversible* race, as is the case
168    * in ODPOR.
169    *
170    * @returns a partial execution `v := notdep(e, E)` (where `E` refers
171    * to this execution) that should be inserted into a wakeup tree with
172    * respect to this execution if `sleep(E') ∩ WI_[E'](v) = empty`, and
173    * `std::nullopt` otherwise
174    */
175   std::optional<PartialExecution> get_odpor_extension_from(EventHandle e, EventHandle e_prime,
176                                                            const State& state_at_e) const;
177
178   /**
179    * @brief For a given sequence of actors `v` and a sequence of transitions `w`,
180    * computes the sequence, if any, that should be inserted as a child in wakeup tree for
181    * this execution
182    *
183    * Recall that the procedure for implementing the insertion
184    * is outlined in section 6.2 of Abdulla et al. 2017 as follows:
185    *
186    * | Let `v` be the smallest (w.r.t to "<") sequence in [the tree] B
187    * | such that `v ~_[E] w`. If `v` is a leaf node, the tree can be left
188    * | unmodified.
189    * |
190    * | Otherwise let `w'` be the shortest sequence such that `w [=_[E] v.w'`
191    * | and add `v.w'` as a new leaf, ordered after all already existing nodes
192    * | of the form `v.w''`
193    *
194    * The procedure for determining whether `v ~_[E] w` is given as Lemma 4.6 of
195    * Abdulla et al. 2017:
196    *
197    * | The relation `v ~_[E] w` holds if either
198    * | (1) v = <>, or
199    * | (2) v := p.v' and either
200    * |     (a) p in I_[E](w) and `v' ~_[E.p] (w \ p)`
201    * |     (b) E ⊢ p ◊ w and `v' ~_[E.p] w`
202    *
203    * This method computes the result `v.w'` as needed (viz. only if `v ~_[E] w`
204    * with respect to this execution `E`). The implementation takes advantage
205    * of the fact that determining whether `v ~_[E] w` yields "for free" the
206    * the shortest such `w'` we are looking for; if we ultimately determine
207    * that `v ~_[E] w`, the work we did to do so leaves us precisely with `w'`,
208    * so we can simply prepend `v` to it and call it a day
209    *
210    * @precondition: This method assumes that `E.v` is a valid execution, viz.
211    * that the events of `E` are sufficient to enabled `v_0` and that
212    * `v_0, ..., v_{i - 1}` are sufficient to enable `v_i`. This is the
213    * case when e.g. `v := notdep(e, E).p` for example in ODPOR
214    *
215    * @returns a partial execution `v.w'` that should be inserted
216    * as a child of a wakeup tree node representing the sequence `v`
217    * if `v ~_[E] w`, or `std::nullopt` if that relation does not hold
218    * between the two sequences `v` and `w`
219    */
220   std::optional<PartialExecution> get_shortest_odpor_sq_subset_insertion(const PartialExecution& v,
221                                                                          const PartialExecution& w) const;
222
223   /**
224    * @brief For a given sequence `w`, determines whether p in I_[E](w)
225    *
226    * @note: You may notice that some of the other methods compute this
227    * value as well. What we notice, though, in those cases is that
228    * we are repeatedly asking about initials with respect to an execution.
229    * It is better, then, to bunch the work together in those cases to
230    * get asymptotically better results (e.g. instead of calling with all
231    * `N` actors, we can process them "in-parallel" as is done with the
232    * computation of SDPOR initials)
233    */
234   bool is_initial_after_execution_of(const PartialExecution& w, aid_t p) const;
235
236   /**
237    * @brief Determines whether `E ⊢ p ◊ w` given the next action taken by `p`
238    */
239   bool is_independent_with_execution_of(const PartialExecution& w, std::shared_ptr<Transition> next_E_p) const;
240
241   /**
242    * @brief Determines the event associated with the given handle `handle`
243    */
244   const Event& get_event_with_handle(EventHandle handle) const { return contents_[handle]; }
245
246   /**
247    * @brief Determines the actor associated with the given event handle `handle`
248    */
249   aid_t get_actor_with_handle(EventHandle handle) const { return get_event_with_handle(handle).get_transition()->aid_; }
250
251   /**
252    * @brief Determines the transition associated with the given handle `handle`
253    */
254   const Transition* get_transition_for_handle(EventHandle handle) const
255   {
256     return get_event_with_handle(handle).get_transition().get();
257   }
258
259   /**
260    * @brief Returns a handle to the newest event of the execution, if such an event exists
261    *
262    * @returns the handle to the last event of the execution.
263    * If the sequence is empty, no such handle exists and the
264    * method returns `std::nullopt`
265    */
266   std::optional<EventHandle> get_latest_event_handle() const
267   {
268     return contents_.empty() ? std::nullopt : std::optional<EventHandle>{static_cast<EventHandle>(size() - 1)};
269   }
270
271   /**
272    * @brief Returns a set of events which are in
273    * "immediate conflict" (according to the definition given
274    * in the ODPOR paper) with the given event
275    *
276    * Two events `e` and `e'` in an execution `E` are said to
277    * *race* iff
278    *
279    * 1. `proc(e) != proc(e')`; that is, the events correspond to
280    * the execution of different actors
281    * 2. `e -->_E e'` and there is no `e''` in `E` such that
282    *  `e -->_E e''` and `e'' -->_E e'`; that is, the two events
283    * "happen-before" one another in `E` and no other event in
284    * `E` "happens-between" `e` and `e'`
285    *
286    * @param handle the event with respect to which races are
287    * computed
288    * @returns a set of event handles, each element of which is an
289    * event in this execution which is in a *race* with event `handle`
290    */
291   std::unordered_set<EventHandle> get_racing_events_of(EventHandle handle) const;
292
293   /**
294    * @brief Returns a set of events which are in a reversible
295    * race with the given event handle `handle`
296    *
297    * Two events `e` and `e'` in an execution `E` are said to
298    * be in a *reversible race* iff
299    *
300    * 1. `e` and `e'` race
301    * 2. In any equivalent execution sequence `E'` to `E`
302    * where `e` occurs immediately before `e'`, the actor
303    * running `e'` was enabled in the state prior to `e`
304    *
305    * @param handle the event with respect to which
306    * reversible races are computed
307    * @returns a set of event handles, each element of which is an event
308    * in this execution which is in a *reversible race* with event `handle`
309    */
310   std::unordered_set<EventHandle> get_reversible_races_of(EventHandle handle) const;
311
312   /**
313    * @brief Computes `pre(e, E)` as described in ODPOR [1]
314    *
315    * The execution `pre(e, E)` for an event `e` in an
316    * execution `E` is the contiguous prefix of events
317    * `E' <= E` up to but excluding the event `e` itself.
318    * Roughly speaking, the prefix intuitively represents
319    * the "history" of causes which permitted event `e`
320    * to exist
321    */
322   Execution get_prefix_before(EventHandle) const;
323
324   /**
325    * @brief Whether the event represented by `e1`
326    * "happens-before" the event represented by
327    * `e2` in the context of this execution
328    *
329    * In the terminology of the ODPOR paper,
330    * this function computes
331    *
332    * `e1 --->_E e2`
333    *
334    * where `E` is this execution
335    *
336    * @note: The happens-before relation computed by this
337    * execution is "coarse" in the sense that context-sensitive
338    * independence is not exploited. To include such context-sensitive
339    * dependencies requires a new method of keeping track of
340    * the happens-before procedure, which is nontrivial...
341    */
342   bool happens_before(EventHandle e1, EventHandle e2) const;
343
344   /**
345    * @brief Extends the execution by one more step
346    *
347    * Intutively, pushing a transition `t` onto execution `E`
348    * is equivalent to making the execution become (using the
349    * notation of [1]) `E.proc(t)` where `proc(t)` is the
350    * actor which executed transition `t`.
351    */
352   void push_transition(std::shared_ptr<Transition>);
353
354   /**
355    * @brief Extends the execution by a sequence of steps
356    *
357    * This method has the equivalent effect of pushing the
358    * transitions of the partial execution one-by-one onto
359    * the execution
360    */
361   void push_partial_execution(const PartialExecution&);
362 };
363
364 } // namespace simgrid::mc::odpor
365 #endif