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[simgrid.git] / src / mc / explo / odpor / Execution.hpp
index 3b8ebca348d1e339cd296da05bb818c117ccdf90..6d8ca425ac2292915d71516864af344bad4705f5 100644 (file)
@@ -7,36 +7,40 @@
 #define SIMGRID_MC_ODPOR_EXECUTION_HPP
 
 #include "src/mc/api/ClockVector.hpp"
+#include "src/mc/explo/odpor/odpor_forward.hpp"
+#include "src/mc/mc_forward.hpp"
+#include "src/mc/mc_record.hpp"
 #include "src/mc/transition/Transition.hpp"
 
-#include <optonal>
+#include <list>
+#include <optional>
 #include <unordered_set>
 #include <vector>
 
 namespace simgrid::mc::odpor {
 
-using ProcessSequence   = std::list<aid_t>;
-using ExecutionSequence = std::list<const State*>;
-using Hypothetical      = ExecutionSequence;
+std::vector<std::string> get_textual_trace(const PartialExecution& w);
 
 /**
  * @brief The occurrence of a transition in an execution
+ *
+ * An execution is set of *events*, where each element represents
+ * the occurrence or execution of the `i`th step of a particular
+ * actor `j`
  */
 class Event {
-  std::pair<const Transition*, ClockVector> contents_;
+  std::pair<std::shared_ptr<Transition>, ClockVector> contents_;
 
 public:
-  Event()                         = default;
-  Event(Event&&)                  = default;
-  Event(const Event&)             = default;
-  Event& operator=(const Event&)  = default;
-  Event& operator=(const Event&&) = default;
-
-  explicit Event(std::pair<const Transition*, ClockVector> pair) : contents_(std::move(pair)) {}
+  Event()                        = default;
+  Event(Event&&)                 = default;
+  Event(const Event&)            = default;
+  Event& operator=(const Event&) = default;
+  explicit Event(std::pair<std::shared_ptr<Transition>, ClockVector> pair) : contents_(std::move(pair)) {}
 
-  const Transition* get_transition() const { return contents_.get<0>(); }
-  const ClockVector& get_clock_vector() const { return contents_.get<1>(); }
-}
+  std::shared_ptr<Transition> get_transition() const { return std::get<0>(contents_); }
+  const ClockVector& get_clock_vector() const { return std::get<1>(contents_); }
+};
 
 /**
  * @brief An ordered sequence of transitions which describe
@@ -56,8 +60,16 @@ public:
  * In addition to representing an actual steps taken,
  * an execution keeps track of the "happens-before"
  * relation among the transitions in the execution
- * by following the procedure outlined in the
- * original DPOR paper with clock vectors
+ * by following the procedure outlined in section 4 of the
+ * original DPOR paper with clock vectors.
+ * As new transitions are added to the execution, clock vectors are
+ * computed as appropriate and associated with the corresponding position
+ * in the execution. This allows us to determine “happens-before” in
+ * constant-time between points in the execution (called events
+ * [which is unfortunately the same name used in UDPOR for a slightly
+ * different concept]), albeit for an up-front cost of traversing the
+ * execution stack. The happens-before relation is important in many
+ * places in SDPOR and ODPOR.
  *
  * @note: For more nuanced happens-before relations, clock
  * vectors may not always suffice. Clock vectors work
@@ -71,32 +83,263 @@ public:
  * the two concepts are analogous if not identical
  */
 class Execution {
+private:
+  std::vector<Event> contents_;
+  Execution(std::vector<Event>&& contents) : contents_(std::move(contents)) {}
+
 public:
-  using Handle = decltype(contents_)::const_iterator;
+  using EventHandle = uint32_t;
 
   Execution()                            = default;
   Execution(const Execution&)            = default;
   Execution& operator=(Execution const&) = default;
   Execution(Execution&&)                 = default;
+  Execution(const PartialExecution&);
+
+  std::vector<std::string> get_textual_trace() const;
+
+  size_t size() const { return this->contents_.size(); }
+  bool empty() const { return this->contents_.empty(); }
+  auto begin() const { return this->contents_.begin(); }
+  auto end() const { return this->contents_.end(); }
+
+  /**
+   * @brief Computes the "core" portion the SDPOR algorithm,
+   * viz. the intersection of the backtracking set and the
+   * set of initials with respect to the *last* event added
+   * to the execution
+   *
+   * The "core" portion of the SDPOR algorithm is found on
+   * lines 6-9 of the pseudocode:
+   *
+   * 6 | let E' := pre(E, e)
+   * 7 | let v :=  notdep(e, E).p
+   * 8 | if I_[E'](v) ∩ backtrack(E') = empty then
+   * 9 |    --> add some q in I_[E'](v) to backtrack(E')
+   *
+   * This method computes all of the lines simultaneously,
+   * returning the set `I_[E'](v)` if condition on line 8 holds.
+   * The event `e` and the set `backtrack(E')` are the provided
+   * arguments to the method.
+   *
+   * @param e the event with respect to which to determine
+   * whether a backtrack point needs to be added for the
+   * prefix corresponding to the execution prior to `e`
+   *
+   * @param backtrack_set The set of actors which should
+   * not be considered for selection as an SDPOR initial.
+   * While this set need not necessarily correspond to the
+   * backtrack set `backtrack(E')`, doing so provides what
+   * is expected for SDPOR
+   *
+   * See the SDPOR algorithm pseudocode in [1] for more
+   * details for the context of the function.
+   *
+   * @precondition: This method assumes that events `e` and
+   * `e' := get_latest_event_handle()` are in a *reversible* race,
+   * as is explicitly the case in SDPOR
+   *
+   * @returns a set of actors not already contained in `backtrack_set`
+   * which serve as an initials to reverse the race between `e`
+   * and `e' := get_latest_event_handle()`; that is, an initial that is
+   * not already contained in the set `backtrack_set`.
+   */
+  std::unordered_set<aid_t> get_missing_source_set_actors_from(EventHandle e,
+                                                               const std::unordered_set<aid_t>& backtrack_set) const;
+
+  /**
+   * @brief Computes the analogous lines from the SDPOR algorithm
+   * in the ODPOR algorithm, viz. the intersection of the sleep set
+   * and the set of weak initials with respect to the given pair
+   * of racing events
+   *
+   * This method computes lines 4-6 of the ODPOR pseudocode, viz.:
+   *
+   * 4 | let E' := pre(E, e)
+   * 5 | let v := notdep(e, E).e'^
+   * 6 | if sleep(E') ∩ WI_[E'](v) = empty then
+   * 7 |   --> wut(E') := insert_[E'](v, wut(E'))
+   *
+   * The sequence `v` is computed and returned as needed, based on whether
+   * the check on line 6 passes.
+   *
+   * @precondition: This method assumes that events `e` and
+   * `e_prime` are in a *reversible* race, as is the case
+   * in ODPOR.
+   *
+   * @returns a partial execution `v := notdep(e, E)` (where `E` refers
+   * to this execution) that should be inserted into a wakeup tree with
+   * respect to this execution if `sleep(E') ∩ WI_[E'](v) = empty`, and
+   * `std::nullopt` otherwise
+   */
+  std::optional<PartialExecution> get_odpor_extension_from(EventHandle e, EventHandle e_prime,
+                                                           const State& state_at_e) const;
+
+  /**
+   * @brief For a given sequence of actors `v` and a sequence of transitions `w`,
+   * computes the sequence, if any, that should be inserted as a child in wakeup tree for
+   * this execution
+   *
+   * Recall that the procedure for implementing the insertion
+   * is outlined in section 6.2 of Abdulla et al. 2017 as follows:
+   *
+   * | Let `v` be the smallest (w.r.t to "<") sequence in [the tree] B
+   * | such that `v ~_[E] w`. If `v` is a leaf node, the tree can be left
+   * | unmodified.
+   * |
+   * | Otherwise let `w'` be the shortest sequence such that `w [=_[E] v.w'`
+   * | and add `v.w'` as a new leaf, ordered after all already existing nodes
+   * | of the form `v.w''`
+   *
+   * The procedure for determining whether `v ~_[E] w` is given as Lemma 4.6 of
+   * Abdulla et al. 2017:
+   *
+   * | The relation `v ~_[E] w` holds if either
+   * | (1) v = <>, or
+   * | (2) v := p.v' and either
+   * |     (a) p in I_[E](w) and `v' ~_[E.p] (w \ p)`
+   * |     (b) E ⊢ p ◊ w and `v' ~_[E.p] w`
+   *
+   * This method computes the result `v.w'` as needed (viz. only if `v ~_[E] w`
+   * with respect to this execution `E`). The implementation takes advantage
+   * of the fact that determining whether `v ~_[E] w` yields "for free" the
+   * the shortest such `w'` we are looking for; if we ultimately determine
+   * that `v ~_[E] w`, the work we did to do so leaves us precisely with `w'`,
+   * so we can simply prepend `v` to it and call it a day
+   *
+   * @precondition: This method assumes that `E.v` is a valid execution, viz.
+   * that the events of `E` are sufficient to enabled `v_0` and that
+   * `v_0, ..., v_{i - 1}` are sufficient to enable `v_i`. This is the
+   * case when e.g. `v := notdep(e, E).p` for example in ODPOR
+   *
+   * @returns a partial execution `v.w'` that should be inserted
+   * as a child of a wakeup tree node representing the sequence `v`
+   * if `v ~_[E] w`, or `std::nullopt` if that relation does not hold
+   * between the two sequences `v` and `w`
+   */
+  std::optional<PartialExecution> get_shortest_odpor_sq_subset_insertion(const PartialExecution& v,
+                                                                         const PartialExecution& w) const;
+
+  /**
+   * @brief For a given sequence `w`, determines whether p in I_[E](w)
+   *
+   * @note: You may notice that some of the other methods compute this
+   * value as well. What we notice, though, in those cases is that
+   * we are repeatedly asking about initials with respect to an execution.
+   * It is better, then, to bunch the work together in those cases to
+   * get asymptotically better results (e.g. instead of calling with all
+   * `N` actors, we can process them "in-parallel" as is done with the
+   * computation of SDPOR initials)
+   */
+  bool is_initial_after_execution_of(const PartialExecution& w, aid_t p) const;
+
+  /**
+   * @brief Determines whether `E ⊢ p ◊ w` given the next action taken by `p`
+   */
+  bool is_independent_with_execution_of(const PartialExecution& w, std::shared_ptr<Transition> next_E_p) const;
+
+  /**
+   * @brief Determines the event associated with the given handle `handle`
+   */
+  const Event& get_event_with_handle(EventHandle handle) const { return contents_[handle]; }
+
+  /**
+   * @brief Determines the actor associated with the given event handle `handle`
+   */
+  aid_t get_actor_with_handle(EventHandle handle) const { return get_event_with_handle(handle).get_transition()->aid_; }
 
-  Execution(ExecutionSequence&& seq, std::optional<Handle> base = {});
-  Execution(const ExecutionSequence& seq, std::optional<Handle> base = {});
+  /**
+   * @brief Determines the transition associated with the given handle `handle`
+   */
+  const Transition* get_transition_for_handle(EventHandle handle) const
+  {
+    return get_event_with_handle(handle).get_transition().get();
+  }
+
+  /**
+   * @brief Returns a handle to the newest event of the execution, if such an event exists
+   *
+   * @returns the handle to the last event of the execution.
+   * If the sequence is empty, no such handle exists and the
+   * method returns `std::nullopt`
+   */
+  std::optional<EventHandle> get_latest_event_handle() const
+  {
+    return contents_.empty() ? std::nullopt : std::optional<EventHandle>{static_cast<EventHandle>(size() - 1)};
+  }
+
+  /**
+   * @brief Returns a set of events which are in
+   * "immediate conflict" (according to the definition given
+   * in the ODPOR paper) with the given event
+   *
+   * Two events `e` and `e'` in an execution `E` are said to
+   * *race* iff
+   *
+   * 1. `proc(e) != proc(e')`; that is, the events correspond to
+   * the execution of different actors
+   * 2. `e -->_E e'` and there is no `e''` in `E` such that
+   *  `e -->_E e''` and `e'' -->_E e'`; that is, the two events
+   * "happen-before" one another in `E` and no other event in
+   * `E` "happens-between" `e` and `e'`
+   *
+   * @param handle the event with respect to which races are
+   * computed
+   * @returns a set of event handles, each element of which is an
+   * event in this execution which is in a *race* with event `handle`
+   */
+  std::unordered_set<EventHandle> get_racing_events_of(EventHandle handle) const;
 
-  std::unordered_set<aid_t> get_initials_after(const Hypothetical& w) const;
-  std::unordered_set<aid_t> get_weak_initials_after(const Hypothetical& w) const;
+  /**
+   * @brief Returns a set of events which are in a reversible
+   * race with the given event handle `handle`
+   *
+   * Two events `e` and `e'` in an execution `E` are said to
+   * be in a *reversible race* iff
+   *
+   * 1. `e` and `e'` race
+   * 2. In any equivalent execution sequence `E'` to `E`
+   * where `e` occurs immediately before `e'`, the actor
+   * running `e'` was enabled in the state prior to `e`
+   *
+   * @param handle the event with respect to which
+   * reversible races are computed
+   * @returns a set of event handles, each element of which is an event
+   * in this execution which is in a *reversible race* with event `handle`
+   */
+  std::unordered_set<EventHandle> get_reversible_races_of(EventHandle handle) const;
 
-  bool is_initial(aid_t p, const Hypothetical& w) const;
-  bool is_weak_initial(aid_t p, const Hypothetical& w) const;
+  /**
+   * @brief Computes `pre(e, E)` as described in ODPOR [1]
+   *
+   * The execution `pre(e, E)` for an event `e` in an
+   * execution `E` is the contiguous prefix of events
+   * `E' <= E` up to but excluding the event `e` itself.
+   * Roughly speaking, the prefix intuitively represents
+   * the "history" of causes which permitted event `e`
+   * to exist
+   */
+  Execution get_prefix_before(EventHandle) const;
 
   /**
-   * @brief Removes the last event of the execution,
-   * if such an event exists
+   * @brief Whether the event represented by `e1`
+   * "happens-before" the event represented by
+   * `e2` in the context of this execution
    *
-   * @note: When you remove events from an execution, any views
-   * of the execution referring to those removed events
-   * become invalidated
+   * In the terminology of the ODPOR paper,
+   * this function computes
+   *
+   * `e1 --->_E e2`
+   *
+   * where `E` is this execution
+   *
+   * @note: The happens-before relation computed by this
+   * execution is "coarse" in the sense that context-sensitive
+   * independence is not exploited. To include such context-sensitive
+   * dependencies requires a new method of keeping track of
+   * the happens-before procedure, which is nontrivial...
    */
-  void pop_latest();
+  bool happens_before(EventHandle e1, EventHandle e2) const;
 
   /**
    * @brief Extends the execution by one more step
@@ -106,25 +349,16 @@ public:
    * notation of [1]) `E.proc(t)` where `proc(t)` is the
    * actor which executed transition `t`.
    */
-  void push_transition(const Transition*);
-
-  size_t size() const { return this->contents_.size(); }
-  size_t size() const { return this->contents_.size(); }
+  void push_transition(std::shared_ptr<Transition>);
 
-private:
   /**
-   * @brief A pointer into the execution off of which this
-   * execution extends computation
+   * @brief Extends the execution by a sequence of steps
    *
-   * Conceptually, the `prior`
-   */
-  std::optional<Handle> prior;
-
-  /**
-   * @brief The actual steps that are taken by the process
-   * during exploration, relative to the
+   * This method has the equivalent effect of pushing the
+   * transitions of the partial execution one-by-one onto
+   * the execution
    */
-  std::list<Event> contents_;
+  void push_partial_execution(const PartialExecution&);
 };
 
 } // namespace simgrid::mc::odpor