src/kernel/resource/VirtualMachineImpl.cpp

   1 /* Copyright (c) 2013-2023. 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 <simgrid/Exception.hpp>
   7 #include <simgrid/kernel/routing/NetPoint.hpp>
   8 #include <simgrid/kernel/routing/NetZoneImpl.hpp>
   9 #include <simgrid/s4u/Exec.hpp>
  10
  11 #include "src/kernel/EngineImpl.hpp"
  12 #include "src/kernel/activity/ExecImpl.hpp"
  13 #include "src/kernel/resource/VirtualMachineImpl.hpp"
  14 #include "src/kernel/resource/models/cpu_cas01.hpp"
  15 #include "src/kernel/resource/models/cpu_ti.hpp"
  16 #include "src/simgrid/module.hpp"
  17 #include "src/simgrid/sg_config.hpp"
  18
  19 #include <numeric>
  20
  21 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(res_vm, ker_resource, "Virtual Machines, containing actors and mobile across hosts");
  22
  23 void simgrid_vm_model_init_HL13()
  24 {
  25   auto* cpu_pm_model = simgrid::s4u::Engine::get_instance()->get_netzone_root()->get_impl()->get_cpu_pm_model().get();
  26   auto vm_model = std::make_shared<simgrid::kernel::resource::VMModel>("VM_HL13");
  27   auto* engine  = simgrid::kernel::EngineImpl::get_instance();
  28
  29   engine->add_model(vm_model, {cpu_pm_model});
  30   std::shared_ptr<simgrid::kernel::resource::CpuModel> cpu_model_vm;
  31
  32   if (simgrid::config::get_value<std::string>("cpu/optim") == "TI") {
  33     cpu_model_vm = std::make_shared<simgrid::kernel::resource::CpuTiModel>("VmCpu_TI");
  34   } else {
  35     cpu_model_vm = std::make_shared<simgrid::kernel::resource::CpuCas01Model>("VmCpu_Cas01");
  36   }
  37   engine->add_model(cpu_model_vm, {cpu_pm_model, vm_model.get()});
  38   engine->get_netzone_root()->set_cpu_vm_model(cpu_model_vm);
  39 }
  40
  41 namespace simgrid {
  42 template class xbt::Extendable<kernel::resource::VirtualMachineImpl>;
  43
  44 namespace kernel::resource {
  45
  46 /*********
  47  * Model *
  48  *********/
  49
  50 std::deque<s4u::VirtualMachine*> VirtualMachineImpl::allVms_;
  51
  52 /* In the real world, processes on the guest operating system will be somewhat degraded due to virtualization overhead.
  53  * The total CPU share these processes get is smaller than that of the VM process gets on a host operating system.
  54  * FIXME: add a configuration flag for this
  55  */
  56 const double virt_overhead = 1; // 0.95
  57
  58 static void host_state_change(s4u::Host const& host)
  59 {
  60   if (not host.is_on()) { // just turned off.
  61     std::vector<s4u::VirtualMachine*> trash;
  62     /* Find all VMs living on that host */
  63     for (auto* vm : VirtualMachineImpl::allVms_)
  64       if (vm->get_pm() == &host)
  65         trash.push_back(vm);
  66     for (auto* vm : trash)
  67       vm->shutdown();
  68   }
  69 }
  70
  71 static void add_active_exec(s4u::Exec const& task)
  72 {
  73   const s4u::VirtualMachine* vm = dynamic_cast<s4u::VirtualMachine*>(task.get_host());
  74   if (vm != nullptr) {
  75     VirtualMachineImpl* vm_impl = vm->get_vm_impl();
  76     for (int i = 1; i <= task.get_thread_count(); i++)
  77       vm_impl->add_active_exec();
  78     vm_impl->update_action_weight();
  79   }
  80 }
  81
  82 static void remove_active_exec(s4u::Exec const& exec)
  83 {
  84   if (not exec.is_assigned())
  85     return;
  86   const s4u::VirtualMachine* vm = dynamic_cast<s4u::VirtualMachine*>(exec.get_host());
  87   if (vm != nullptr) {
  88     VirtualMachineImpl* vm_impl = vm->get_vm_impl();
  89     for (int i = 1; i <= exec.get_thread_count(); i++)
  90       vm_impl->remove_active_exec();
  91     vm_impl->update_action_weight();
  92   }
  93 }
  94
  95 static s4u::VirtualMachine* get_vm_from_activity(s4u::Activity const& act)
  96 {
  97   auto* exec = dynamic_cast<kernel::activity::ExecImpl const*>(act.get_impl());
  98   return exec != nullptr ? dynamic_cast<s4u::VirtualMachine*>(exec->get_host()) : nullptr;
  99 }
 100
 101 static void add_active_activity(s4u::Activity const& act)
 102 {
 103   const s4u::VirtualMachine* vm = get_vm_from_activity(act);
 104   if (vm != nullptr) {
 105     VirtualMachineImpl* vm_impl = vm->get_vm_impl();
 106     vm_impl->add_active_exec();
 107     vm_impl->update_action_weight();
 108   }
 109 }
 110
 111 static void remove_active_activity(s4u::Activity const& act)
 112 {
 113   const s4u::VirtualMachine* vm = get_vm_from_activity(act);
 114   if (vm != nullptr) {
 115     VirtualMachineImpl* vm_impl = vm->get_vm_impl();
 116     vm_impl->remove_active_exec();
 117     vm_impl->update_action_weight();
 118   }
 119 }
 120
 121 VMModel::VMModel(const std::string& name) : HostModel(name)
 122 {
 123   s4u::Host::on_state_change_cb(host_state_change);
 124   s4u::Exec::on_start_cb(add_active_exec);
 125   s4u::Exec::on_completion_cb(remove_active_exec);
 126   s4u::Activity::on_resume_cb(add_active_activity);
 127   s4u::Activity::on_suspend_cb(remove_active_activity);
 128 }
 129
 130 double VMModel::next_occurring_event(double now)
 131 {
 132   /* TODO: update action's cost with the total cost of processes on the VM. */
 133
 134   /* 1. Now we know how many resource should be assigned to each virtual
 135    * machine. We update constraints of the virtual machine layer.
 136    *
 137    * If we have two virtual machine (VM1 and VM2) on a physical machine (PM1).
 138    *     X1 + X2 = C       (Equation 1)
 139    * where
 140    *    the resource share of VM1: X1
 141    *    the resource share of VM2: X2
 142    *    the capacity of PM1: C
 143    *
 144    * Then, if we have two process (P1 and P2) on VM1.
 145    *     X1_1 + X1_2 = X1  (Equation 2)
 146    * where
 147    *    the resource share of P1: X1_1
 148    *    the resource share of P2: X1_2
 149    *    the capacity of VM1: X1
 150    *
 151    * Equation 1 was solved in the physical machine layer.
 152    * Equation 2 is solved in the virtual machine layer (here).
 153    * X1 must be passed to the virtual machine layer as a constraint value.
 154    **/
 155
 156   /* iterate for all virtual machines */
 157   for (auto const* ws_vm : VirtualMachineImpl::allVms_) {
 158     if (ws_vm->get_state() == s4u::VirtualMachine::State::SUSPENDED) // Ignore suspended VMs
 159       continue;
 160
 161     const kernel::resource::CpuImpl* cpu = ws_vm->get_cpu();
 162
 163     // solved_value below is X1 in comment above: what this VM got in the sharing on the PM
 164     double solved_value = ws_vm->get_vm_impl()->get_action()->get_rate();
 165     XBT_DEBUG("assign %f to vm %s @ pm %s", solved_value, ws_vm->get_cname(), ws_vm->get_pm()->get_cname());
 166
 167     lmm::System* vcpu_system = cpu->get_model()->get_maxmin_system();
 168     vcpu_system->update_constraint_bound(cpu->get_constraint(), virt_overhead * solved_value);
 169   }
 170   /* actual next occurring event is determined by VM CPU model at EngineImpl::solve */
 171   return -1.0;
 172 }
 173
 174 Action* VMModel::execute_thread(const s4u::Host* host, double flops_amount, int thread_count)
 175 {
 176   auto cpu = host->get_cpu();
 177   return cpu->execution_start(thread_count * flops_amount, thread_count, -1);
 178 }
 179
 180 /************
 181  * Resource *
 182  ************/
 183
 184 VirtualMachineImpl::VirtualMachineImpl(const std::string& name, s4u::VirtualMachine* piface,
 185                                        simgrid::s4u::Host* host_PM, int core_amount, size_t ramsize)
 186     : VirtualMachineImpl(name, host_PM, core_amount, ramsize)
 187 {
 188   set_piface(piface);
 189 }
 190
 191 VirtualMachineImpl::VirtualMachineImpl(const std::string& name, simgrid::s4u::Host* host_PM, int core_amount,
 192                                        size_t ramsize)
 193     : HostImpl(name), physical_host_(host_PM), core_amount_(core_amount), ramsize_(ramsize)
 194 {
 195   /* We create cpu_action corresponding to a VM process on the host operating system. */
 196   /* TODO: we have to periodically input GUESTOS_NOISE to the system? how ?
 197    * The value for GUESTOS_NOISE corresponds to the cost of the global action associated to the VM.  It corresponds to
 198    * the cost of a VM running no tasks.
 199    */
 200   action_ = physical_host_->get_cpu()->execution_start(0, core_amount_, 0);
 201
 202   // It's empty for now, so it should not request resources in the PM
 203   update_action_weight();
 204   XBT_VERB("Create VM(%s)@PM(%s)", name.c_str(), physical_host_->get_cname());
 205 }
 206
 207 void VirtualMachineImpl::set_piface(s4u::VirtualMachine* piface)
 208 {
 209   xbt_assert(not piface_, "Pointer to interface already configured for this VM (%s)", get_cname());
 210   piface_ = piface;
 211   /* Register this VM to the list of all VMs */
 212   allVms_.push_back(piface);
 213 }
 214
 215 /** @brief A physical host does not disappear in the current SimGrid code, but a VM may disappear during a simulation */
 216 void VirtualMachineImpl::vm_destroy()
 217 {
 218   /* I was already removed from the allVms set if the VM was destroyed cleanly */
 219   if (auto iter = find(allVms_.begin(), allVms_.end(), piface_); iter != allVms_.end())
 220     allVms_.erase(iter);
 221
 222   /* Free the cpu_action of the VM. */
 223   XBT_ATTRIB_UNUSED bool ret = action_->unref();
 224   xbt_assert(ret, "Bug: some resource still remains");
 225
 226   // VM uses the host's netpoint, clean but don't destroy it
 227   get_iface()->set_netpoint(nullptr);
 228   // Take a temporary copy to delete iface safely after impl is destroy'ed
 229   const auto* iface = get_iface();
 230   // calls the HostImpl() destroy, it'll delete the impl object
 231   destroy();
 232
 233   delete iface;
 234 }
 235
 236 void VirtualMachineImpl::start()
 237 {
 238   s4u::VirtualMachine::on_start(*get_iface());
 239   s4u::VmHostExt::ensureVmExtInstalled();
 240
 241   if (physical_host_->extension<s4u::VmHostExt>() == nullptr)
 242     physical_host_->extension_set(new s4u::VmHostExt());
 243
 244   if (size_t pm_ramsize = physical_host_->extension<s4u::VmHostExt>()->ramsize;
 245       pm_ramsize &&
 246       not physical_host_->extension<s4u::VmHostExt>()->overcommit) { /* Need to verify that we don't overcommit */
 247     /* Retrieve the memory occupied by the VMs on that host. Yep, we have to traverse all VMs of all hosts for that */
 248     size_t total_ramsize_of_vms = 0;
 249     for (auto const* ws_vm : allVms_)
 250       if (physical_host_ == ws_vm->get_pm())
 251         total_ramsize_of_vms += ws_vm->get_ramsize();
 252
 253     if (total_ramsize_of_vms + get_ramsize() > pm_ramsize) {
 254       XBT_WARN("cannot start %s@%s due to memory shortage: get_ramsize() %zu, free %zu, pm_ramsize %zu (bytes).",
 255                get_cname(), physical_host_->get_cname(), get_ramsize(), pm_ramsize - total_ramsize_of_vms, pm_ramsize);
 256       throw VmFailureException(XBT_THROW_POINT,
 257                                xbt::string_printf("Memory shortage on host '%s', VM '%s' cannot be started",
 258                                                   physical_host_->get_cname(), get_cname()));
 259     }
 260   }
 261   vm_state_ = s4u::VirtualMachine::State::RUNNING;
 262
 263   s4u::VirtualMachine::on_started(*get_iface());
 264 }
 265
 266 void VirtualMachineImpl::suspend(const actor::ActorImpl* issuer)
 267 {
 268   s4u::VirtualMachine::on_suspend(*get_iface());
 269
 270   if (vm_state_ != s4u::VirtualMachine::State::RUNNING)
 271     throw VmFailureException(XBT_THROW_POINT,
 272                              xbt::string_printf("Cannot suspend VM %s: it is not running.", piface_->get_cname()));
 273   if (issuer->get_host() == piface_)
 274     throw VmFailureException(XBT_THROW_POINT, xbt::string_printf("Actor %s cannot suspend the VM %s in which it runs",
 275                                                                  issuer->get_cname(), piface_->get_cname()));
 276
 277   XBT_DEBUG("suspend VM(%s), where %zu actors exist", piface_->get_cname(), get_actor_count());
 278
 279   action_->suspend();
 280
 281   foreach_actor([](auto& actor) {
 282     XBT_DEBUG("suspend %s", actor.get_cname());
 283     actor.suspend();
 284   });
 285
 286   XBT_DEBUG("suspend all actors on the VM done done");
 287
 288   vm_state_ = s4u::VirtualMachine::State::SUSPENDED;
 289 }
 290
 291 void VirtualMachineImpl::resume()
 292 {
 293   if (vm_state_ != s4u::VirtualMachine::State::SUSPENDED)
 294     throw VmFailureException(XBT_THROW_POINT,
 295                              xbt::string_printf("Cannot resume VM %s: it was not suspended", piface_->get_cname()));
 296
 297   XBT_DEBUG("Resume VM %s, containing %zu actors.", piface_->get_cname(), get_actor_count());
 298
 299   action_->resume();
 300
 301   foreach_actor([](auto& actor) {
 302     XBT_DEBUG("resume %s", actor.get_cname());
 303     actor.resume();
 304   });
 305
 306   vm_state_ = s4u::VirtualMachine::State::RUNNING;
 307   s4u::VirtualMachine::on_resume(*get_iface());
 308 }
 309
 310 /** @brief Power off a VM.
 311  *
 312  * All hosted processes will be killed, but the VM state is preserved on memory.
 313  * It can later be restarted.
 314  *
 315  * @param issuer the actor requesting the shutdown
 316  */
 317 void VirtualMachineImpl::shutdown(actor::ActorImpl* issuer)
 318 {
 319   if (vm_state_ != s4u::VirtualMachine::State::RUNNING)
 320     XBT_VERB("Shutting down the VM %s even if it's not running but in state %s", piface_->get_cname(),
 321              s4u::VirtualMachine::to_c_str(get_state()));
 322
 323   XBT_DEBUG("shutdown VM %s, that contains %zu actors", piface_->get_cname(), get_actor_count());
 324
 325   foreach_actor([issuer](auto& actor) {
 326     XBT_DEBUG("kill %s@%s on behalf of %s which shutdown that VM.", actor.get_cname(), actor.get_host()->get_cname(),
 327               issuer->get_cname());
 328     issuer->kill(&actor);
 329   });
 330
 331   set_state(s4u::VirtualMachine::State::DESTROYED);
 332
 333   s4u::VirtualMachine::on_shutdown(*get_iface());
 334 }
 335
 336 /** @brief Change the physical host on which the given VM is running
 337  *
 338  * This is an instantaneous migration.
 339  */
 340 void VirtualMachineImpl::set_physical_host(s4u::Host* destination)
 341 {
 342   std::string vm_name     = piface_->get_name();
 343   std::string pm_name_src = physical_host_->get_name();
 344   std::string pm_name_dst = destination->get_name();
 345
 346   /* update net_elm with that of the destination physical host */
 347   piface_->set_netpoint(destination->get_netpoint());
 348   physical_host_->get_impl()->move_vm(this, destination->get_impl());
 349
 350   /* Adapt the speed, pstate and other physical characteristics to the one of our new physical CPU */
 351   piface_->get_cpu()->reset_vcpu(destination->get_cpu());
 352
 353   physical_host_ = destination;
 354
 355   /* Update vcpu's action for the new pm */
 356   /* create a cpu action bound to the pm model at the destination. */
 357   CpuAction* new_cpu_action = destination->get_cpu()->execution_start(0, this->core_amount_);
 358
 359   if (action_->get_remains_no_update() > 0)
 360     XBT_CRITICAL("FIXME: need copy the state(?), %f", action_->get_remains_no_update());
 361
 362   /* keep the bound value of the cpu action of the VM. */
 363   if (double old_bound = action_->get_bound(); old_bound > 0) {
 364     XBT_DEBUG("migrate VM(%s): set bound (%f) at %s", vm_name.c_str(), old_bound, pm_name_dst.c_str());
 365     new_cpu_action->set_bound(old_bound);
 366   }
 367
 368   XBT_ATTRIB_UNUSED bool ret = action_->unref();
 369   xbt_assert(ret, "Bug: some resource still remains");
 370
 371   action_ = new_cpu_action;
 372
 373   XBT_DEBUG("migrate VM(%s): change PM (%s to %s)", vm_name.c_str(), pm_name_src.c_str(), pm_name_dst.c_str());
 374 }
 375
 376 void VirtualMachineImpl::set_bound(double bound)
 377 {
 378   user_bound_ = bound;
 379   action_->set_user_bound(user_bound_);
 380   update_action_weight();
 381 }
 382
 383 void VirtualMachineImpl::update_action_weight()
 384 {
 385   /* The impact of the VM over its PM is the min between its vCPU amount and the amount of tasks it contains */
 386   int impact = std::min(active_execs_, get_core_amount());
 387
 388   XBT_DEBUG("set the weight of the dummy CPU action of VM%p on PM to %d (#tasks: %u)", this, impact, active_execs_);
 389
 390   if (impact > 0)
 391     action_->set_sharing_penalty(1. / impact);
 392   else
 393     action_->set_sharing_penalty(0.);
 394
 395   action_->set_bound(std::min(impact * physical_host_->get_speed(), user_bound_));
 396 }
 397
 398 void VirtualMachineImpl::start_migration()
 399 {
 400   is_migrating_ = true;
 401   s4u::VirtualMachine::on_migration_start(*get_iface());
 402 }
 403
 404 void VirtualMachineImpl::end_migration()
 405 {
 406   is_migrating_ = false;
 407   s4u::VirtualMachine::on_migration_end(*get_iface());
 408 }
 409
 410 void VirtualMachineImpl::seal()
 411 {
 412   HostImpl::seal();
 413   s4u::VirtualMachine::on_vm_creation(*get_iface());
 414 }
 415
 416 } // namespace kernel::resource
 417 } // namespace simgrid