Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Public GIT Repository
Resolve misconception with SDPOR pseudocode impl.
[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
98   std::vector<std::string> get_textual_trace() const;
99
100   size_t size() const { return this->contents_.size(); }
101   bool empty() const { return this->contents_.empty(); }
102   auto begin() const { return this->contents_.begin(); }
103   auto end() const { return this->contents_.end(); }
104
105   /**
106    * @brief Computes the "core" portion the SDPOR algorithm,
107    * viz. the intersection of the backtracking set and the
108    * set of initials with respect to the *last* event added
109    * to the execution
110    *
111    * The "core" portion of the SDPOR algorithm is found on
112    * lines 6-9 of the pseudocode:
113    *
114    * 6 | let E' := pre(E, e)
115    * 7 | let v :=  notdep(e, E).p
116    * 8 | if I_[E'](v) ∩ backtrack(E') = empty then
117    * 9 |    --> add some q in I_[E'](v) to backtrack(E')
118    *
119    * This method computes all of the lines simultaneously,
120    * returning some actor `q` if it passes line 8 and exists.
121    * The event `e` and the set `backtrack(E')` are the provided
122    * arguments to the method.
123    *
124    * @param e the event with respect to which to determine
125    * whether a backtrack point needs to be added for the
126    * prefix corresponding to the execution prior to `e`
127    *
128    * @param backtrack_set The set of actors which should
129    * not be considered for selection as an SDPOR initial.
130    * While this set need not necessarily correspond to the
131    * backtrack set `backtrack(E')`, doing so provides what
132    * is expected for SDPOR
133    *
134    * See the SDPOR algorithm pseudocode in [1] for more
135    * details for the context of the function.
136    *
137    * @invariant: This method assumes that events `e` and
138    * `e' := get_latest_event_handle()` are in a *reversible* race
139    * as is explicitly the case in SDPOR
140    *
141    * @returns an actor not contained in `disqualified` which
142    * can serve as an initial to reverse the race between `e`
143    * and `e'`
144    */
145   std::unordered_set<aid_t> get_missing_source_set_actors_from(EventHandle e,
146                                                                const std::unordered_set<aid_t>& backtrack_set) const;
147
148   /**
149    * @brief Computes the analogous lines from the SDPOR algorithm
150    * in the ODPOR algorithm, viz. the intersection of the slee set
151    * and the set of weak initials with respect to the given pair
152    * of racing events
153    *
154    * This method computes lines 4-6 of the ODPOR pseudocode, viz.:
155    *
156    * 4 | let E' := pre(E, e)
157    * 5 | let v := notdep(e, E).e'^
158    * 6 | if sleep(E') ∩ WI_[E'](v) = empty then ...
159    *
160    * The sequence `v` is computed and returned as needed, based on whether
161    * the check on line 6 passes.
162    *
163    * @invariant: This method assumes that events `e` and
164    * `e_prime` are in a *reversible* race as is the case
165    * in ODPOR
166    */
167   std::optional<PartialExecution> get_odpor_extension_from(EventHandle e, EventHandle e_prime,
168                                                            const State& state_at_e) const;
169
170   /**
171    * @brief For a given sequence of actors `v` and a sequence of transitions `w`,
172    * computes the sequence, if any, that should be inserted as a child in wakeup tree for
173    * this execution
174    *
175    * Recall that the procedure for implementing the insertion
176    * is outlined in section 6.2 of Abdulla et al. 2017 as follows:
177    *
178    * | Let `v` be the smallest (w.r.t to "<") sequence in [the tree] B
179    * | such that `v ~_[E] w`. If `v` is a leaf node, the tree can be left
180    * | unmodified.
181    * |
182    * | Otherwise let `w'` be the shortest sequence such that `w [=_[E] v.w'`
183    * | and add `v.w'` as a new leaf, ordered after all already existing nodes
184    * | of the form `v.w''`
185    *
186    * This method computes the result `v.w'` as needed (viz. only if `v ~_[E] w`
187    * with respect to this execution `E`)
188    *
189    * The procedure for determining `v ~_[E] w` is given as Lemma 4.6 of
190    * Abdulla et al. 2017:
191    *
192    * | The relation `v ~_[E] w` holds if either
193    * | (1) v = <>, or
194    * | (2) v := p.v' and either
195    * |     (a) p in I_[E](w) and `v' ~_[E.p] (w \ p)`
196    * |     (b) E ⊢ p ◊ w and `v' ~_[E.p] w`
197    *
198    * @invariant: This method assumes that `E.v` is a valid execution, viz.
199    * that the events of `E` are sufficient to enabled `v_0` and that
200    * `v_0, ..., v_{i - 1}` are sufficient to enable `v_i`. This is the
201    * case when e.g. `v := notdep(e, E).p` for example in ODPOR
202    *
203    * @returns a partial execution `w'` that should be inserted
204    * as a child of a wakeup tree node with the associated sequence `v`.
205    */
206   std::optional<PartialExecution> get_shortest_odpor_sq_subset_insertion(const PartialExecution& v,
207                                                                          const PartialExecution& w) const;
208
209   /**
210    * @brief For a given sequence `w`, determines whether p in I_[E](w)
211    *
212    * @note: You may notice that some of the other methods compute this
213    * value as well. What we notice, though, in those cases is that
214    * we are repeatedly asking about initials with respect to an execution.
215    * It is better, then, to bunch the work together in those cases to
216    * get asymptotically better results (e.g. instead of calling with all
217    * `N` actors, we can process them "in-parallel" as is done with the
218    * computation of SDPOR initials)
219    */
220   bool is_initial_after_execution_of(const PartialExecution& w, aid_t p) const;
221
222   /**
223    * @brief Determines whether `E ⊢ p ◊ w` given the next action taken by `p`
224    */
225   bool is_independent_with_execution_of(const PartialExecution& w, std::shared_ptr<Transition> next_E_p) const;
226
227   /**
228    * @brief Determines the event associated with
229    * the given handle `handle`
230    */
231   const Event& get_event_with_handle(EventHandle handle) const { return contents_[handle]; }
232
233   /**
234    * @brief Determines the actor associated with
235    * the given event handle `handle`
236    */
237   aid_t get_actor_with_handle(EventHandle handle) const { return get_event_with_handle(handle).get_transition()->aid_; }
238
239   /**
240    * @brief Determines the transition associated with the given handle `handle`
241    */
242   const Transition* get_transition_for_handle(EventHandle handle) const
243   {
244     return get_event_with_handle(handle).get_transition().get();
245   }
246
247   /**
248    * @brief Returns a handle to the newest event of the execution,
249    * if such an event exists
250    */
251   std::optional<EventHandle> get_latest_event_handle() const
252   {
253     return contents_.empty() ? std::nullopt : std::optional<EventHandle>{static_cast<EventHandle>(size() - 1)};
254   }
255
256   /**
257    * @brief Returns a set of events which are in
258    * "immediate conflict" (according to the definition given
259    * in the ODPOR paper) with the given event
260    *
261    * Two events `e` and `e'` in an execution `E` are said to
262    * race iff
263    *
264    * 1. `proc(e) != proc(e')`; that is, the events correspond to
265    * the execution of different actors
266    * 2. `e -->_E e'` and there is no `e''` in `E` such that
267    *  `e -->_E e''` and `e'' -->_E e'`; that is, the two events
268    * "happen-before" one another in `E` and no other event in
269    * `E` "happens-between" `e` and `e'`
270    *
271    * @param handle the event with respect to which races are
272    * computed
273    * @returns a set of event handles from which race with `handle`
274    */
275   std::unordered_set<EventHandle> get_racing_events_of(EventHandle handle) const;
276
277   /**
278    * @brief Returns a set of events which are in a reversible
279    * race with the given event handle `handle`
280    *
281    * Two events `e` and `e'` in an execution `E` are said to
282    * be in a reversible race iff
283    *
284    * 1. `e` and `e'` race
285    * 2. In any equivalent execution sequence `E'` to `E`
286    * where `e` occurs immediately before `e'`, the actor
287    * running `e'` was enabled in the state prior to `e`
288    *
289    * @param handle the event with respect to which
290    * reversible races are computed
291    * @returns a set of event handles from which are in a reversible
292    * race with `handle`
293    */
294   std::unordered_set<EventHandle> get_reversible_races_of(EventHandle handle) const;
295
296   /**
297    * @brief Computes `pre(e, E)` as described in ODPOR [1]
298    *
299    * The execution `pre(e, E)` for an event `e` in an
300    * execution `E` is the contiguous prefix of events
301    * `E' <= E` up to by excluding the event `e` itself.
302    * The prefix intuitively represents the "history" of
303    * causes that permitted event `e` to exist (roughly
304    * speaking)
305    */
306   Execution get_prefix_before(EventHandle) const;
307
308   /**
309    * @brief Whether the event represented by `e1`
310    * "happens-before" the event represented by
311    * `e2` in the context of this execution
312    *
313    * In the terminology of the ODPOR paper,
314    * this function computes
315    *
316    * `e1 --->_E e2`
317    *
318    * where `E` is this execution
319    *
320    * @note: The happens-before relation computed by this
321    * execution is "coarse" in the sense that context-sensitive
322    * independence is not exploited. To include such context-sensitive
323    * dependencies requires a new method of keeping track of
324    * the happens-before procedure, which is nontrivial...
325    */
326   bool happens_before(EventHandle e1, EventHandle e2) const;
327
328   /**
329    * @brief Extends the execution by one more step
330    *
331    * Intutively, pushing a transition `t` onto execution `E`
332    * is equivalent to making the execution become (using the
333    * notation of [1]) `E.proc(t)` where `proc(t)` is the
334    * actor which executed transition `t`.
335    */
336   void push_transition(std::shared_ptr<Transition>);
337 };
338
339 } // namespace simgrid::mc::odpor
340 #endif