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Discard the wakeup tree when ODPOR reaches a disabled transition
[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 state of the  stack refers to that which was taken
69     // as part of the last trace explored by the algorithm. Thus, only the sequence of transitions leading up to,
70     // but not including, the last state must be included when reconstructing the Exploration for SDPOR.
71     for (auto iter = std::next(stack_.begin()); iter != stack_.end(); ++iter) {
72       execution_seq_.push_transition((*iter)->get_transition_in());
73     }
74     XBT_DEBUG("Replaced SDPOR/ODPOR execution to reflect the new stack");
75   }
76 }
77
78 void DFSExplorer::log_state() // override
79 {
80   on_log_state_signal(get_remote_app());
81   XBT_INFO("DFS exploration ended. %ld unique states visited; %lu backtracks (%lu transition replays, %lu states "
82            "visited overall)",
83            State::get_expanded_states(), backtrack_count_, Transition::get_replayed_transitions(),
84            visited_states_count_);
85   Exploration::log_state();
86 }
87
88 void DFSExplorer::run()
89 {
90   on_exploration_start_signal(get_remote_app());
91   /* This function runs the DFS algorithm the state space.
92    * We do so iteratively instead of recursively, dealing with the call stack manually.
93    * This allows one to explore the call stack at will. */
94
95   while (not stack_.empty()) {
96     /* Get current state */
97     auto state = stack_.back();
98
99     XBT_DEBUG("**************************************************");
100     XBT_DEBUG("Exploration depth=%zu (state:#%ld; %zu interleaves todo)", stack_.size(), state->get_num(),
101               state->count_todo());
102
103     visited_states_count_++;
104
105     // Backtrack if we reached the maximum depth
106     if (stack_.size() > (std::size_t)_sg_mc_max_depth) {
107       if (reduction_mode_ == ReductionMode::dpor) {
108         XBT_ERROR("/!\\ Max depth of %d reached! THIS WILL PROBABLY BREAK the dpor reduction /!\\",
109                   _sg_mc_max_depth.get());
110         XBT_ERROR("/!\\ If bad things happen, disable dpor with --cfg=model-check/reduction:none /!\\");
111       } else if (reduction_mode_ == ReductionMode::sdpor || reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
112         XBT_ERROR("/!\\ Max depth of %d reached! THIS **WILL** BREAK the reduction, which is not sound "
113                   "when stopping at a fixed depth /!\\",
114                   _sg_mc_max_depth.get());
115         XBT_ERROR("/!\\ If bad things happen, disable the reduction with --cfg=model-check/reduction:none /!\\");
116       } else {
117         XBT_WARN("/!\\ Max depth reached ! /!\\ ");
118       }
119       this->backtrack();
120       continue;
121     }
122
123     if (reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
124       // In the case of ODPOR, the wakeup tree for this state may be empty if we're exploring new territory
125       // (rather than following the partial execution of a wakeup tree). This corresponds to lines 9 to 13 of
126       // the ODPOR pseudocode
127       //
128       // INVARIANT: The execution sequence should be consistent with the state when seeding the tree. If the sequence
129       // gets out of sync with the state, selection will not work as we intend
130       state->seed_wakeup_tree_if_needed(execution_seq_);
131     }
132
133     // Search for the next transition
134     // next_transition returns a pair<aid_t, int>
135     // in case we want to consider multiple states (eg. during backtrack)
136     const aid_t next = reduction_mode_ == ReductionMode::odpor ? state->next_odpor_transition()
137                                                                : std::get<0>(state->next_transition_guided());
138
139     if (next < 0) {
140       // If there is no more transition in the current state ), backtrace
141       XBT_VERB("%lu actors remain, but none of them need to be interleaved (depth %zu).", state->get_actor_count(),
142                stack_.size() + 1);
143
144       if (state->get_actor_count() == 0) {
145         get_remote_app().finalize_app();
146         XBT_VERB("Execution came to an end at %s (state: %ld, depth: %zu)", get_record_trace().to_string().c_str(),
147                  state->get_num(), stack_.size());
148       }
149
150       this->backtrack();
151       continue;
152     }
153     if (not state->is_actor_enabled(next)) {
154       // if ODPOR picked an actor that is not enabled -- ReversibleRace is an overapproximation
155       xbt_assert(reduction_mode_ == ReductionMode::odpor,
156                  "Only ODPOR should be fool enough to try to execute a disabled transition");
157       XBT_VERB("Preventing ODPOR exploration from executing a disabled transition. The reversibility of the race "
158                "must have been overapproximated");
159
160       state->remove_subtree_at_aid(next);
161       state->add_sleep_set(state->get_actors_list().at(next).get_transition());
162       XBT_VERB("%lu actors remain, but none of them need to be interleaved (depth %zu).", state->get_actor_count(),
163                stack_.size() + 1);
164
165       if (state->get_actor_count() == 0) {
166         get_remote_app().finalize_app();
167         XBT_VERB("Execution came to an end at %s (state: %ld, depth: %zu)", get_record_trace().to_string().c_str(),
168                  state->get_num(), stack_.size());
169       }
170
171       this->backtrack();
172       continue;
173     }
174
175     if (XBT_LOG_ISENABLED(mc_dfs, xbt_log_priority_verbose)) {
176       XBT_VERB("Sleep set actually containing:");
177       for (const auto& [aid, transition] : state->get_sleep_set())
178         XBT_VERB("  <%ld,%s>", aid, transition->to_string().c_str());
179     }
180
181     auto todo = state->get_actors_list().at(next).get_transition();
182     XBT_DEBUG("wanna execute %ld: %.60s", next, todo->to_string().c_str());
183
184     /* Actually answer the request: let's execute the selected request (MCed does one step) */
185     auto executed_transition = state->execute_next(next, get_remote_app());
186     on_transition_execute_signal(state->get_transition_out().get(), get_remote_app());
187
188     // If there are processes to interleave and the maximum depth has not been
189     // reached then perform one step of the exploration algorithm.
190     XBT_VERB("Executed %ld: %.60s (stack depth: %zu, state: %ld, %zu interleaves)", state->get_transition_out()->aid_,
191              state->get_transition_out()->to_string().c_str(), stack_.size(), state->get_num(), state->count_todo());
192
193     /* Create the new expanded state (copy the state of MCed into our MCer data) */
194     auto next_state = std::make_shared<State>(get_remote_app(), state);
195     on_state_creation_signal(next_state.get(), get_remote_app());
196
197     if (reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
198       // With ODPOR, after taking a step forward, we must assign a copy of that subtree to the next state.
199       //
200       // NOTE: We only add actions to the sleep set AFTER we've regenerated states. We must perform the search
201       // fully down a single path before we consider adding any elements to the sleep set according to the pseudocode
202       next_state->sprout_tree_from_parent_state();
203     } else {
204       /* Sleep set procedure:
205        * adding the taken transition to the sleep set of the original state.
206        * <!> Since the parent sleep set is used to compute the child sleep set, this need to be
207        * done after next_state creation */
208       XBT_DEBUG("Marking Transition >>%s<< of process %ld done and adding it to the sleep set",
209                 state->get_transition_out()->to_string().c_str(), state->get_transition_out()->aid_);
210       state->add_sleep_set(
211           state->get_transition_out()); // Actors are marked done when they are considered in ActorState
212     }
213
214     /* DPOR persistent set procedure:
215      * for each new transition considered, check if it depends on any other previous transition executed before it
216      * on another process. If there exists one, find the more recent, and add its process to the interleave set.
217      * If the process is not enabled at this  point, then add every enabled process to the interleave */
218     if (reduction_mode_ == ReductionMode::dpor) {
219       aid_t issuer_id   = state->get_transition_out()->aid_;
220       stack_t tmp_stack = stack_;
221       while (not tmp_stack.empty()) {
222         if (const State* prev_state = tmp_stack.back().get();
223             state->get_transition_out()->aid_ == prev_state->get_transition_out()->aid_) {
224           XBT_DEBUG("Simcall >>%s<< and >>%s<< with same issuer %ld", state->get_transition_out()->to_string().c_str(),
225                     prev_state->get_transition_out()->to_string().c_str(), issuer_id);
226           tmp_stack.pop_back();
227           continue;
228         } else if (prev_state->get_transition_out()->depends(state->get_transition_out().get())) {
229           XBT_VERB("Dependent Transitions:");
230           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", prev_state->get_transition_out()->aid_,
231                    prev_state->get_transition_out()->to_string().c_str(), prev_state->get_num());
232           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", state->get_transition_out()->aid_,
233                    state->get_transition_out()->to_string().c_str(), state->get_num());
234
235           if (prev_state->is_actor_enabled(issuer_id)) {
236             if (not prev_state->is_actor_done(issuer_id)) {
237               prev_state->consider_one(issuer_id);
238               opened_states_.emplace_back(tmp_stack.back());
239             } else
240               XBT_DEBUG("Actor %ld is already in done set: no need to explore it again", issuer_id);
241           } else {
242             XBT_DEBUG("Actor %ld is not enabled: DPOR may be failing. To stay sound, we are marking every enabled "
243                       "transition as todo",
244                       issuer_id);
245             // If we ended up marking at least a transition, explore it at some point
246             if (prev_state->consider_all() > 0)
247               opened_states_.emplace_back(tmp_stack.back());
248           }
249           break;
250         } else {
251           XBT_VERB("INDEPENDENT Transitions:");
252           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", prev_state->get_transition_out()->aid_,
253                    prev_state->get_transition_out()->to_string().c_str(), prev_state->get_num());
254           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", state->get_transition_out()->aid_,
255                    state->get_transition_out()->to_string().c_str(), state->get_num());
256         }
257         tmp_stack.pop_back();
258       }
259     } else if (reduction_mode_ == ReductionMode::sdpor) {
260       /**
261        * SDPOR Source Set Procedure:
262        *
263        * Find "reversible races" in the current execution `E` with respect to the latest action `p`. For each such race,
264        * determine one thread not contained in the backtrack set at the "race point" `r` which "represents" the trace
265        * formed by first executing everything after `r` that doesn't depend on it (`v := notdep(r, E)`) and then `p` to
266        * flip the race.
267        *
268        * The intuition is that some subsequence of `v` may enable `p`, so we want to be sure that search "in that
269        * direction"
270        */
271       execution_seq_.push_transition(std::move(executed_transition));
272       xbt_assert(execution_seq_.get_latest_event_handle().has_value(), "No events are contained in the SDPOR execution "
273                                                                        "even though one was just added");
274
275       const auto next_E_p = execution_seq_.get_latest_event_handle().value();
276       for (const auto e_race : execution_seq_.get_reversible_races_of(next_E_p)) {
277         State* prev_state  = stack_[e_race].get();
278         const auto choices = execution_seq_.get_missing_source_set_actors_from(e_race, prev_state->get_backtrack_set());
279         if (not choices.empty()) {
280           // NOTE: To incorporate the idea of attempting to select the "best" backtrack point into SDPOR, instead of
281           // selecting the `first` initial, we should instead compute all choices and decide which is best
282           //
283           // Here, we choose the actor with the lowest ID to ensure we get deterministic results
284           const auto q =
285               std::min_element(choices.begin(), choices.end(), [](const aid_t a1, const aid_t a2) { return a1 < a2; });
286           prev_state->consider_one(*q);
287           opened_states_.emplace_back(std::move(prev_state));
288         }
289       }
290     } else if (reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
291       // In the case of ODPOR, we simply observe the transition that was executed until we've reached a maximal trace
292       execution_seq_.push_transition(std::move(executed_transition));
293     }
294
295     // Before leaving that state, if the transition we just took can be taken multiple times, we
296     // need to give it to the opened states
297     if (stack_.back()->count_todo_multiples() > 0)
298       opened_states_.emplace_back(stack_.back());
299
300     stack_.emplace_back(std::move(next_state));
301
302     /* If this is a new state (or if we don't care about state-equality reduction) */
303     /* Get an enabled process and insert it in the interleave set of the next state */
304     if (reduction_mode_ == ReductionMode::dpor)
305       stack_.back()->consider_best(); // Take only one transition if DPOR: others may be considered later if required
306     else {
307       stack_.back()->consider_all();
308     }
309
310     dot_output("\"%ld\" -> \"%ld\" [%s];\n", state->get_num(), stack_.back()->get_num(),
311                state->get_transition_out()->dot_string().c_str());
312   }
313   log_state();
314 }
315
316 std::shared_ptr<State> DFSExplorer::best_opened_state()
317 {
318   int best_prio = 0; // cache the value for the best priority found so far (initialized to silence gcc)
319   auto best     = end(opened_states_);   // iterator to the state to explore having the best priority
320   auto valid    = begin(opened_states_); // iterator marking the limit between states still to explore, and already
321                                          // explored ones
322
323   // Keep only still non-explored states (aid != -1), and record the one with the best (greater) priority.
324   for (auto current = begin(opened_states_); current != end(opened_states_); ++current) {
325     auto [aid, prio] = (*current)->next_transition_guided();
326     if (aid == -1)
327       continue;
328     if (valid != current)
329       *valid = std::move(*current);
330     if (best == end(opened_states_) || prio < best_prio) {
331       best_prio = prio;
332       best      = valid;
333     }
334     ++valid;
335   }
336
337   std::shared_ptr<State> best_state;
338   if (best < valid) {
339     // There are non-explored states, and one of them has the best priority.  Remove it from opened_states_ before
340     // returning.
341     best_state = std::move(*best);
342     --valid;
343     if (best != valid)
344       *best = std::move(*valid);
345   }
346   opened_states_.erase(valid, end(opened_states_));
347
348   return best_state;
349 }
350
351 std::shared_ptr<State> DFSExplorer::next_odpor_state()
352 {
353   for (auto iter = stack_.rbegin(); iter != stack_.rend(); ++iter) {
354     const auto& state = *iter;
355     state->do_odpor_unwind();
356     XBT_DEBUG("\tPerformed ODPOR 'clean-up'. Sleep set has:");
357     for (const auto& [aid, transition] : state->get_sleep_set())
358       XBT_DEBUG("\t  <%ld,%s>", aid, transition->to_string().c_str());
359   }
360   return nullptr;
361 }
362
363 void DFSExplorer::backtrack()
364 {
365   if (const auto last_event = execution_seq_.get_latest_event_handle();
366       reduction_mode_ == ReductionMode::odpor and last_event.has_value()) {
367     /**
368      * ODPOR Race Detection Procedure:
369      *
370      * For each reversible race in the current execution, we note if there are any continuations `C` equivalent to that
371      * which would reverse the race that have already either a) been searched by ODPOR or b) been *noted* to be searched
372      * by the wakeup tree at the appropriate reversal point, either as `C` directly or an as equivalent to `C`
373      * ("eventually looks like C", viz. the `~_E` relation)
374      */
375     for (auto e_prime = static_cast<odpor::Execution::EventHandle>(0); e_prime <= last_event.value(); ++e_prime) {
376       XBT_DEBUG("ODPOR: Now considering all possible race with `%u`", e_prime);
377       for (const auto e : execution_seq_.get_reversible_races_of(e_prime)) {
378         XBT_DEBUG("ODPOR: Reversible race detected between events `%u` and `%u`", e, e_prime);
379         State& prev_state = *stack_[e];
380         if (const auto v = execution_seq_.get_odpor_extension_from(e, e_prime, prev_state); v.has_value()) {
381           switch (prev_state.insert_into_wakeup_tree(v.value(), execution_seq_.get_prefix_before(e))) {
382             case odpor::WakeupTree::InsertionResult::root: {
383               XBT_DEBUG("ODPOR: Reversible race with `%u`(%ld: %.20s) unaccounted for in the wakeup tree for "
384                         "the execution prior to event `%u`(%ld: %.20s):",
385                         e_prime, stack_[e_prime]->get_transition_out()->aid_,
386                         stack_[e_prime]->get_transition_out()->to_string(true).c_str(), e,
387                         prev_state.get_transition_out()->aid_,
388                         prev_state.get_transition_out()->to_string(true).c_str());
389               break;
390             }
391             case odpor::WakeupTree::InsertionResult::interior_node: {
392               XBT_DEBUG("ODPOR: Reversible race with `%u` partially accounted for in the wakeup tree for "
393                         "the execution prior to event `%u`:",
394                         e_prime, e);
395               break;
396             }
397             case odpor::WakeupTree::InsertionResult::leaf: {
398               XBT_DEBUG("ODPOR: Reversible race with `%u` accounted for in the wakeup tree for "
399                         "the execution prior to event `%u`:",
400                         e_prime, e);
401               break;
402             }
403           }
404           for (const auto& seq : simgrid::mc::odpor::get_textual_trace(v.value())) {
405             XBT_DEBUG(" %s", seq.c_str());
406           }
407         } else {
408           XBT_DEBUG("ODPOR: Ignoring race: `sleep(E')` intersects `WI_[E'](v := notdep(%u, E))`", e);
409           XBT_DEBUG("Sleep set contains:");
410           for (const auto& [aid, transition] : prev_state.get_sleep_set())
411             XBT_DEBUG("  <%ld,%s>", aid, transition->to_string().c_str());
412         }
413       }
414     }
415   }
416
417   XBT_VERB("Backtracking from %s", get_record_trace().to_string().c_str());
418   XBT_DEBUG("%lu alternatives are yet to be explored:", opened_states_.size());
419
420   on_backtracking_signal(get_remote_app());
421   get_remote_app().check_deadlock();
422
423   // Take the point with smallest distance
424   auto backtracking_point = reduction_mode_ == ReductionMode::odpor ? next_odpor_state() : best_opened_state();
425
426   // if no backtracking point, then set the stack_ to empty so we can end the exploration
427   if (not backtracking_point) {
428     XBT_DEBUG("No more opened point of exploration, the search will end");
429     stack_.clear();
430     return;
431   }
432
433   // We found a backtracking point, let's go to it
434   backtrack_count_++;
435   XBT_DEBUG("Backtracking to state#%ld", backtracking_point->get_num());
436
437   // Search how to restore the backtracking point
438   std::deque<Transition*> replay_recipe;
439   for (auto* s = backtracking_point.get(); s != nullptr; s = s->get_parent_state().get()) {
440     if (s->get_transition_in() != nullptr) // The root has no transition_in
441       replay_recipe.push_front(s->get_transition_in().get());
442   }
443
444   // Restore the initial state if no intermediate state was found
445   get_remote_app().restore_initial_state();
446   on_restore_initial_state_signal(get_remote_app());
447
448   /* if no snapshot, we need to restore the initial state and replay the transitions */
449   /* Traverse the stack from the state at position start and re-execute the transitions */
450   for (auto& transition : replay_recipe) {
451     transition->replay(get_remote_app());
452     on_transition_replay_signal(transition, get_remote_app());
453     visited_states_count_++;
454   }
455   this->restore_stack(backtracking_point);
456 }
457
458 DFSExplorer::DFSExplorer(const std::vector<char*>& args, ReductionMode mode) : Exploration(args), reduction_mode_(mode)
459 {
460   XBT_INFO("Start a DFS exploration. Reduction is: %s.", to_c_str(reduction_mode_));
461
462   auto initial_state = std::make_shared<State>(get_remote_app());
463
464   XBT_DEBUG("**************************************************");
465
466   stack_.emplace_back(std::move(initial_state));
467
468   /* Get an enabled actor and insert it in the interleave set of the initial state */
469   XBT_DEBUG("Initial state. %lu actors to consider", stack_.back()->get_actor_count());
470   if (reduction_mode_ == ReductionMode::dpor)
471     stack_.back()->consider_best();
472   else {
473     stack_.back()->consider_all();
474   }
475   if (stack_.back()->count_todo_multiples() > 1)
476     opened_states_.emplace_back(stack_.back());
477 }
478
479 Exploration* create_dfs_exploration(const std::vector<char*>& args, ReductionMode mode)
480 {
481   return new DFSExplorer(args, mode);
482 }
483
484 } // namespace simgrid::mc