src/mc/explo/LivenessChecker.cpp

   1 /* Copyright (c) 2011-2022. 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/LivenessChecker.hpp"
   7 #include "src/mc/Session.hpp"
   8 #include "src/mc/mc_config.hpp"
   9 #include "src/mc/mc_exit.hpp"
  10 #include "src/mc/mc_private.hpp"
  11
  12 #include <boost/range/algorithm.hpp>
  13 #include <cstring>
  14
  15 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(mc_liveness, mc, "Logging specific to algorithms for liveness properties verification");
  16
  17 /********* Static functions *********/
  18
  19 namespace simgrid {
  20 namespace mc {
  21
  22 VisitedPair::VisitedPair(int pair_num, xbt_automaton_state_t automaton_state,
  23                          std::shared_ptr<const std::vector<int>> atomic_propositions,
  24                          std::shared_ptr<State> graph_state)
  25     : num(pair_num), automaton_state(automaton_state)
  26 {
  27   this->graph_state = std::move(graph_state);
  28   if (this->graph_state->system_state_ == nullptr)
  29     this->graph_state->system_state_ = std::make_shared<Snapshot>(pair_num);
  30   this->heap_bytes_used     = Api::get().get_remote_heap_bytes();
  31   this->actors_count        = Api::get().get_actors().size();
  32   this->other_num           = -1;
  33   this->atomic_propositions = std::move(atomic_propositions);
  34 }
  35
  36 static bool evaluate_label(const xbt_automaton_exp_label* l, std::vector<int> const& values)
  37 {
  38   switch (l->type) {
  39     case xbt_automaton_exp_label::AUT_OR:
  40       return evaluate_label(l->u.or_and.left_exp, values) || evaluate_label(l->u.or_and.right_exp, values);
  41     case xbt_automaton_exp_label::AUT_AND:
  42       return evaluate_label(l->u.or_and.left_exp, values) && evaluate_label(l->u.or_and.right_exp, values);
  43     case xbt_automaton_exp_label::AUT_NOT:
  44       return not evaluate_label(l->u.exp_not, values);
  45     case xbt_automaton_exp_label::AUT_PREDICAT:
  46       return values.at(Api::get().compare_automaton_exp_label(l)) != 0;
  47     case xbt_automaton_exp_label::AUT_ONE:
  48       return true;
  49     default:
  50       xbt_die("Unexpected value for automaton");
  51   }
  52 }
  53
  54 Pair::Pair(unsigned long expanded_pairs) : num(expanded_pairs) {}
  55
  56 std::shared_ptr<const std::vector<int>> LivenessChecker::get_proposition_values() const
  57 {
  58   auto values = Api::get().automaton_propositional_symbol_evaluate();
  59   return std::make_shared<const std::vector<int>>(std::move(values));
  60 }
  61
  62 std::shared_ptr<VisitedPair> LivenessChecker::insert_acceptance_pair(simgrid::mc::Pair* pair)
  63 {
  64   auto new_pair =
  65       std::make_shared<VisitedPair>(pair->num, pair->automaton_state, pair->atomic_propositions, pair->graph_state);
  66
  67   auto res = boost::range::equal_range(acceptance_pairs_, new_pair.get(), Api::get().compare_pair());
  68
  69   if (pair->search_cycle)
  70     for (auto i = res.first; i != res.second; ++i) {
  71       std::shared_ptr<simgrid::mc::VisitedPair> const& pair_test = *i;
  72       if (xbt_automaton_state_compare(pair_test->automaton_state, new_pair->automaton_state) != 0 ||
  73           *(pair_test->atomic_propositions) != *(new_pair->atomic_propositions) ||
  74           not Api::get().snapshot_equal(pair_test->graph_state->system_state_.get(),
  75                                         new_pair->graph_state->system_state_.get()))
  76         continue;
  77       XBT_INFO("Pair %d already reached (equal to pair %d) !", new_pair->num, pair_test->num);
  78       exploration_stack_.pop_back();
  79       if (dot_output != nullptr)
  80         fprintf(dot_output, "\"%d\" -> \"%d\" [%s];\n", this->previous_pair_, pair_test->num,
  81                 this->previous_request_.c_str());
  82       return nullptr;
  83     }
  84
  85   acceptance_pairs_.insert(res.first, new_pair);
  86   return new_pair;
  87 }
  88
  89 void LivenessChecker::remove_acceptance_pair(int pair_num)
  90 {
  91   for (auto i = acceptance_pairs_.begin(); i != acceptance_pairs_.end(); ++i)
  92     if ((*i)->num == pair_num) {
  93       acceptance_pairs_.erase(i);
  94       break;
  95     }
  96 }
  97
  98 void LivenessChecker::replay()
  99 {
 100   XBT_DEBUG("**** Begin Replay ****");
 101
 102   /* Intermediate backtracking */
 103   if (_sg_mc_checkpoint > 0) {
 104     const Pair* pair = exploration_stack_.back().get();
 105     if (pair->graph_state->system_state_) {
 106       Api::get().restore_state(pair->graph_state->system_state_);
 107       return;
 108     }
 109   }
 110
 111   get_session().restore_initial_state();
 112
 113   /* Traverse the stack from the initial state and re-execute the transitions */
 114   int depth = 1;
 115   for (std::shared_ptr<Pair> const& pair : exploration_stack_) {
 116     if (pair == exploration_stack_.back())
 117       break;
 118
 119     std::shared_ptr<State> state = pair->graph_state;
 120
 121     if (pair->exploration_started) {
 122       state->get_transition()->replay();
 123       XBT_DEBUG("Replay (depth = %d) : %s (%p)", depth, state->get_transition()->to_string().c_str(), state.get());
 124     }
 125
 126     /* Update statistics */
 127     visited_pairs_count_++;
 128     depth++;
 129   }
 130   XBT_DEBUG("**** End Replay ****");
 131 }
 132
 133 /**
 134  * @brief Checks whether a given pair has already been visited by the algorithm.
 135  */
 136 int LivenessChecker::insert_visited_pair(std::shared_ptr<VisitedPair> visited_pair, simgrid::mc::Pair* pair)
 137 {
 138   if (_sg_mc_max_visited_states == 0)
 139     return -1;
 140
 141   if (visited_pair == nullptr)
 142     visited_pair =
 143         std::make_shared<VisitedPair>(pair->num, pair->automaton_state, pair->atomic_propositions, pair->graph_state);
 144
 145   auto range = boost::range::equal_range(visited_pairs_, visited_pair.get(), Api::get().compare_pair());
 146
 147   for (auto i = range.first; i != range.second; ++i) {
 148     const VisitedPair* pair_test = i->get();
 149     if (xbt_automaton_state_compare(pair_test->automaton_state, visited_pair->automaton_state) != 0 ||
 150         *(pair_test->atomic_propositions) != *(visited_pair->atomic_propositions) ||
 151         not Api::get().snapshot_equal(pair_test->graph_state->system_state_.get(),
 152                                       visited_pair->graph_state->system_state_.get()))
 153       continue;
 154     if (pair_test->other_num == -1)
 155       visited_pair->other_num = pair_test->num;
 156     else
 157       visited_pair->other_num = pair_test->other_num;
 158     if (dot_output == nullptr)
 159       XBT_DEBUG("Pair %d already visited ! (equal to pair %d)", visited_pair->num, pair_test->num);
 160     else
 161       XBT_DEBUG("Pair %d already visited ! (equal to pair %d (pair %d in dot_output))", visited_pair->num,
 162                 pair_test->num, visited_pair->other_num);
 163     (*i) = std::move(visited_pair);
 164     return (*i)->other_num;
 165   }
 166
 167   visited_pairs_.insert(range.first, std::move(visited_pair));
 168   this->purge_visited_pairs();
 169   return -1;
 170 }
 171
 172 void LivenessChecker::purge_visited_pairs()
 173 {
 174   if (_sg_mc_max_visited_states != 0 && visited_pairs_.size() > (std::size_t)_sg_mc_max_visited_states) {
 175     // Remove the oldest entry with a linear search:
 176     visited_pairs_.erase(
 177         boost::min_element(visited_pairs_, [](std::shared_ptr<VisitedPair> const a,
 178                                               std::shared_ptr<VisitedPair> const& b) { return a->num < b->num; }));
 179   }
 180 }
 181
 182 LivenessChecker::LivenessChecker(Session* session) : Exploration(session) {}
 183
 184 RecordTrace LivenessChecker::get_record_trace() // override
 185 {
 186   RecordTrace res;
 187   for (std::shared_ptr<Pair> const& pair : exploration_stack_)
 188     res.push_back(pair->graph_state->get_transition());
 189   return res;
 190 }
 191
 192 void LivenessChecker::log_state() // override
 193 {
 194   XBT_INFO("Expanded pairs = %lu", expanded_pairs_count_);
 195   XBT_INFO("Visited pairs = %lu", visited_pairs_count_);
 196   XBT_INFO("Executed transitions = %lu", Transition::get_executed_transitions());
 197 }
 198
 199 void LivenessChecker::show_acceptance_cycle(std::size_t depth)
 200 {
 201   XBT_INFO("*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*");
 202   XBT_INFO("|             ACCEPTANCE CYCLE            |");
 203   XBT_INFO("*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*");
 204   XBT_INFO("Counter-example that violates formula:");
 205   for (auto const& s : this->get_textual_trace())
 206     XBT_INFO("  %s", s.c_str());
 207   XBT_INFO("Path = %s", get_record_trace().to_string().c_str());
 208   log_state();
 209   XBT_INFO("Counter-example depth: %zu", depth);
 210 }
 211
 212 std::vector<std::string> LivenessChecker::get_textual_trace() // override
 213 {
 214   std::vector<std::string> trace;
 215   for (std::shared_ptr<Pair> const& pair : exploration_stack_)
 216     trace.push_back(pair->graph_state->get_transition()->to_string());
 217
 218   return trace;
 219 }
 220
 221 std::shared_ptr<Pair> LivenessChecker::create_pair(const Pair* current_pair, xbt_automaton_state_t state,
 222                                                    std::shared_ptr<const std::vector<int>> propositions)
 223 {
 224   ++expanded_pairs_count_;
 225   auto next_pair                 = std::make_shared<Pair>(expanded_pairs_count_);
 226   next_pair->automaton_state     = state;
 227   next_pair->graph_state         = std::make_shared<State>();
 228   next_pair->atomic_propositions = std::move(propositions);
 229   if (current_pair)
 230     next_pair->depth = current_pair->depth + 1;
 231   else
 232     next_pair->depth = 1;
 233   /* Add all enabled actors to the interleave set of the initial state */
 234   for (auto& act : Api::get().get_actors()) {
 235     auto actor = act.copy.get_buffer();
 236     if (get_session().actor_is_enabled(actor->get_pid()))
 237       next_pair->graph_state->mark_todo(actor->get_pid());
 238   }
 239
 240   next_pair->requests = next_pair->graph_state->count_todo();
 241   /* FIXME : get search_cycle value for each accepting state */
 242   if (next_pair->automaton_state->type == 1 || (current_pair && current_pair->search_cycle))
 243     next_pair->search_cycle = true;
 244   else
 245     next_pair->search_cycle = false;
 246   return next_pair;
 247 }
 248
 249 void LivenessChecker::backtrack()
 250 {
 251   /* Traverse the stack backwards until a pair with a non empty interleave
 252      set is found, deleting all the pairs that have it empty in the way. */
 253   while (not exploration_stack_.empty()) {
 254     std::shared_ptr<simgrid::mc::Pair> current_pair = exploration_stack_.back();
 255     exploration_stack_.pop_back();
 256     if (current_pair->requests > 0) {
 257       /* We found a backtracking point */
 258       XBT_DEBUG("Backtracking to depth %d", current_pair->depth);
 259       exploration_stack_.push_back(std::move(current_pair));
 260       this->replay();
 261       XBT_DEBUG("Backtracking done");
 262       break;
 263     } else {
 264       XBT_DEBUG("Delete pair %d at depth %d", current_pair->num, current_pair->depth);
 265       if (current_pair->automaton_state->type == 1)
 266         this->remove_acceptance_pair(current_pair->num);
 267     }
 268   }
 269 }
 270
 271 void LivenessChecker::run()
 272 {
 273   XBT_INFO("Check the liveness property %s", _sg_mc_property_file.get().c_str());
 274   Api::get().automaton_load(_sg_mc_property_file.get().c_str());
 275
 276   XBT_DEBUG("Starting the liveness algorithm");
 277   get_session().take_initial_snapshot();
 278
 279   /* Initialize */
 280   this->previous_pair_ = 0;
 281
 282   std::shared_ptr<const std::vector<int>> propos = this->get_proposition_values();
 283
 284   // For each initial state of the property automaton, push a
 285   // (application_state, automaton_state) pair to the exploration stack:
 286   auto automaton_stack = Api::get().get_automaton_state();
 287   for (auto* automaton_state : automaton_stack) {
 288     if (automaton_state->type == -1)
 289       exploration_stack_.push_back(this->create_pair(nullptr, automaton_state, propos));
 290   }
 291
 292   /* Actually run the double DFS search for counter-examples */
 293   while (not exploration_stack_.empty()) {
 294     std::shared_ptr<Pair> current_pair = exploration_stack_.back();
 295
 296     /* Update current state in buchi automaton */
 297     Api::get().set_property_automaton(current_pair->automaton_state);
 298
 299     XBT_DEBUG(
 300         "********************* ( Depth = %d, search_cycle = %d, interleave size = %zu, pair_num = %d, requests = %d)",
 301         current_pair->depth, current_pair->search_cycle, current_pair->graph_state->count_todo(), current_pair->num,
 302         current_pair->requests);
 303
 304     if (current_pair->requests == 0) {
 305       this->backtrack();
 306       continue;
 307     }
 308
 309     std::shared_ptr<VisitedPair> reached_pair;
 310     if (current_pair->automaton_state->type == 1 && not current_pair->exploration_started) {
 311       reached_pair = this->insert_acceptance_pair(current_pair.get());
 312       if (reached_pair == nullptr) {
 313         this->show_acceptance_cycle(current_pair->depth);
 314         throw LivenessError();
 315       }
 316     }
 317
 318     /* Pair already visited ? stop the exploration on the current path */
 319     if (not current_pair->exploration_started) {
 320       int visited_num = this->insert_visited_pair(reached_pair, current_pair.get());
 321       if (visited_num != -1) {
 322         if (dot_output != nullptr) {
 323           fprintf(dot_output, "\"%d\" -> \"%d\" [%s];\n", this->previous_pair_, visited_num,
 324                   this->previous_request_.c_str());
 325           fflush(dot_output);
 326         }
 327         XBT_DEBUG("Pair already visited (equal to pair %d), exploration on the current path stopped.", visited_num);
 328         current_pair->requests = 0;
 329         this->backtrack();
 330         continue;
 331       }
 332     }
 333
 334     current_pair->graph_state->execute_next(current_pair->graph_state->next_transition());
 335     XBT_DEBUG("Execute: %s", current_pair->graph_state->get_transition()->to_string().c_str());
 336
 337     if (dot_output != nullptr) {
 338       if (this->previous_pair_ != 0 && this->previous_pair_ != current_pair->num) {
 339         fprintf(dot_output, "\"%d\" -> \"%d\" [%s];\n", this->previous_pair_, current_pair->num,
 340                 this->previous_request_.c_str());
 341         this->previous_request_.clear();
 342       }
 343       this->previous_pair_    = current_pair->num;
 344       this->previous_request_ = current_pair->graph_state->get_transition()->dot_string();
 345       if (current_pair->search_cycle)
 346         fprintf(dot_output, "%d [shape=doublecircle];\n", current_pair->num);
 347       fflush(dot_output);
 348     }
 349
 350     if (not current_pair->exploration_started)
 351       visited_pairs_count_++;
 352
 353     current_pair->requests--;
 354     current_pair->exploration_started = true;
 355
 356     /* Get values of atomic propositions (variables used in the property formula) */
 357     std::shared_ptr<const std::vector<int>> prop_values = this->get_proposition_values();
 358
 359     // For each enabled transition in the property automaton, push a
 360     // (application_state, automaton_state) pair to the exploration stack:
 361     for (int i = xbt_dynar_length(current_pair->automaton_state->out) - 1; i >= 0; i--) {
 362       auto transition_succ_label = Api::get().get_automaton_transition_label(current_pair->automaton_state->out, i);
 363       auto transition_succ_dst   = Api::get().get_automaton_transition_dst(current_pair->automaton_state->out, i);
 364       if (evaluate_label(transition_succ_label, *prop_values))
 365         exploration_stack_.push_back(this->create_pair(current_pair.get(), transition_succ_dst, prop_values));
 366     }
 367   }
 368
 369   XBT_INFO("No property violation found.");
 370   log_state();
 371 }
 372
 373 Exploration* create_liveness_checker(Session* session)
 374 {
 375   return new LivenessChecker(session);
 376 }
 377
 378 } // namespace mc
 379 } // namespace simgrid