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::mc {
  20
  21 VisitedPair::VisitedPair(int pair_num, xbt_automaton_state_t automaton_state,
  22                          std::shared_ptr<const std::vector<int>> atomic_propositions,
  23                          std::shared_ptr<State> graph_state)
  24     : num(pair_num), automaton_state(automaton_state)
  25 {
  26   this->graph_state = std::move(graph_state);
  27   if (not this->graph_state->get_system_state())
  28     this->graph_state->set_system_state(std::make_shared<Snapshot>(pair_num));
  29   this->heap_bytes_used     = Api::get().get_remote_heap_bytes();
  30   this->actors_count        = mc_model_checker->get_remote_process().actors().size();
  31   this->other_num           = -1;
  32   this->atomic_propositions = std::move(atomic_propositions);
  33 }
  34
  35 static bool evaluate_label(const xbt_automaton_exp_label* l, std::vector<int> const& values)
  36 {
  37   switch (l->type) {
  38     case xbt_automaton_exp_label::AUT_OR:
  39       return evaluate_label(l->u.or_and.left_exp, values) || evaluate_label(l->u.or_and.right_exp, values);
  40     case xbt_automaton_exp_label::AUT_AND:
  41       return evaluate_label(l->u.or_and.left_exp, values) && evaluate_label(l->u.or_and.right_exp, values);
  42     case xbt_automaton_exp_label::AUT_NOT:
  43       return not evaluate_label(l->u.exp_not, values);
  44     case xbt_automaton_exp_label::AUT_PREDICAT:
  45       return values.at(Api::get().compare_automaton_exp_label(l)) != 0;
  46     case xbt_automaton_exp_label::AUT_ONE:
  47       return true;
  48     default:
  49       xbt_die("Unexpected value for automaton");
  50   }
  51 }
  52
  53 Pair::Pair(unsigned long expanded_pairs) : num(expanded_pairs) {}
  54
  55 std::shared_ptr<const std::vector<int>> LivenessChecker::get_proposition_values() const
  56 {
  57   auto values = Api::get().automaton_propositional_symbol_evaluate();
  58   return std::make_shared<const std::vector<int>>(std::move(values));
  59 }
  60
  61 std::shared_ptr<VisitedPair> LivenessChecker::insert_acceptance_pair(simgrid::mc::Pair* pair)
  62 {
  63   auto new_pair =
  64       std::make_shared<VisitedPair>(pair->num, pair->automaton_state, pair->atomic_propositions, pair->graph_state);
  65
  66   auto [res_begin, res_end] = boost::range::equal_range(acceptance_pairs_, new_pair.get(), Api::get().compare_pair());
  67
  68   if (pair->search_cycle)
  69     for (auto i = res_begin; i != res_end; ++i) {
  70       std::shared_ptr<simgrid::mc::VisitedPair> const& pair_test = *i;
  71       if (xbt_automaton_state_compare(pair_test->automaton_state, new_pair->automaton_state) != 0 ||
  72           *(pair_test->atomic_propositions) != *(new_pair->atomic_propositions) ||
  73           not Api::get().snapshot_equal(pair_test->graph_state->get_system_state(),
  74                                         new_pair->graph_state->get_system_state()))
  75         continue;
  76       XBT_INFO("Pair %d already reached (equal to pair %d) !", new_pair->num, pair_test->num);
  77       exploration_stack_.pop_back();
  78       if (dot_output != nullptr)
  79         fprintf(dot_output, "\"%d\" -> \"%d\" [%s];\n", this->previous_pair_, pair_test->num,
  80                 this->previous_request_.c_str());
  81       return nullptr;
  82     }
  83
  84   acceptance_pairs_.insert(res_begin, new_pair);
  85   return new_pair;
  86 }
  87
  88 void LivenessChecker::remove_acceptance_pair(int pair_num)
  89 {
  90   for (auto i = acceptance_pairs_.begin(); i != acceptance_pairs_.end(); ++i)
  91     if ((*i)->num == pair_num) {
  92       acceptance_pairs_.erase(i);
  93       break;
  94     }
  95 }
  96
  97 void LivenessChecker::replay()
  98 {
  99   XBT_DEBUG("**** Begin Replay ****");
 100
 101   /* Intermediate backtracking */
 102   if (_sg_mc_checkpoint > 0) {
 103     const Pair* pair = exploration_stack_.back().get();
 104     if (const auto* system_state = pair->graph_state->get_system_state()) {
 105       Api::get().restore_state(system_state);
 106       return;
 107     }
 108   }
 109
 110   get_session().restore_initial_state();
 111
 112   /* Traverse the stack from the initial state and re-execute the transitions */
 113   int depth = 1;
 114   for (std::shared_ptr<Pair> const& pair : exploration_stack_) {
 115     if (pair == exploration_stack_.back())
 116       break;
 117
 118     std::shared_ptr<State> state = pair->graph_state;
 119
 120     if (pair->exploration_started) {
 121       state->get_transition()->replay();
 122       XBT_DEBUG("Replay (depth = %d) : %s (%p)", depth, state->get_transition()->to_string().c_str(), state.get());
 123     }
 124
 125     /* Update statistics */
 126     visited_pairs_count_++;
 127     depth++;
 128   }
 129   XBT_DEBUG("**** End Replay ****");
 130 }
 131
 132 /**
 133  * @brief Checks whether a given pair has already been visited by the algorithm.
 134  */
 135 int LivenessChecker::insert_visited_pair(std::shared_ptr<VisitedPair> visited_pair, simgrid::mc::Pair* pair)
 136 {
 137   if (_sg_mc_max_visited_states == 0)
 138     return -1;
 139
 140   if (visited_pair == nullptr)
 141     visited_pair =
 142         std::make_shared<VisitedPair>(pair->num, pair->automaton_state, pair->atomic_propositions, pair->graph_state);
 143
 144   auto [range_begin, range_end] =
 145       boost::range::equal_range(visited_pairs_, visited_pair.get(), Api::get().compare_pair());
 146
 147   for (auto i = range_begin; i != range_end; ++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->get_system_state(),
 152                                       visited_pair->graph_state->get_system_state()))
 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_begin, 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>(get_session());
 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 const& [aid, _] : next_pair->graph_state->get_actors_list())
 235     if (next_pair->graph_state->is_actor_enabled(aid))
 236       next_pair->graph_state->mark_todo(aid);
 237
 238   next_pair->requests = next_pair->graph_state->count_todo();
 239   /* FIXME : get search_cycle value for each accepting state */
 240   if (next_pair->automaton_state->type == 1 || (current_pair && current_pair->search_cycle))
 241     next_pair->search_cycle = true;
 242   else
 243     next_pair->search_cycle = false;
 244   return next_pair;
 245 }
 246
 247 void LivenessChecker::backtrack()
 248 {
 249   /* Traverse the stack backwards until a pair with a non empty interleave
 250      set is found, deleting all the pairs that have it empty in the way. */
 251   while (not exploration_stack_.empty()) {
 252     std::shared_ptr<simgrid::mc::Pair> current_pair = exploration_stack_.back();
 253     exploration_stack_.pop_back();
 254     if (current_pair->requests > 0) {
 255       /* We found a backtracking point */
 256       XBT_DEBUG("Backtracking to depth %d", current_pair->depth);
 257       exploration_stack_.push_back(std::move(current_pair));
 258       this->replay();
 259       XBT_DEBUG("Backtracking done");
 260       break;
 261     } else {
 262       XBT_DEBUG("Delete pair %d at depth %d", current_pair->num, current_pair->depth);
 263       if (current_pair->automaton_state->type == 1)
 264         this->remove_acceptance_pair(current_pair->num);
 265     }
 266   }
 267 }
 268
 269 void LivenessChecker::run()
 270 {
 271   XBT_INFO("Check the liveness property %s", _sg_mc_property_file.get().c_str());
 272   Api::get().automaton_load(_sg_mc_property_file.get().c_str());
 273
 274   XBT_DEBUG("Starting the liveness algorithm");
 275   get_session().take_initial_snapshot();
 276
 277   /* Initialize */
 278   this->previous_pair_ = 0;
 279
 280   std::shared_ptr<const std::vector<int>> propos = this->get_proposition_values();
 281
 282   // For each initial state of the property automaton, push a
 283   // (application_state, automaton_state) pair to the exploration stack:
 284   auto automaton_stack = Api::get().get_automaton_state();
 285   for (auto* automaton_state : automaton_stack) {
 286     if (automaton_state->type == -1)
 287       exploration_stack_.push_back(this->create_pair(nullptr, automaton_state, propos));
 288   }
 289
 290   /* Actually run the double DFS search for counter-examples */
 291   while (not exploration_stack_.empty()) {
 292     std::shared_ptr<Pair> current_pair = exploration_stack_.back();
 293
 294     /* Update current state in buchi automaton */
 295     Api::get().set_property_automaton(current_pair->automaton_state);
 296
 297     XBT_DEBUG(
 298         "********************* ( Depth = %d, search_cycle = %d, interleave size = %zu, pair_num = %d, requests = %d)",
 299         current_pair->depth, current_pair->search_cycle, current_pair->graph_state->count_todo(), current_pair->num,
 300         current_pair->requests);
 301
 302     if (current_pair->requests == 0) {
 303       this->backtrack();
 304       continue;
 305     }
 306
 307     std::shared_ptr<VisitedPair> reached_pair;
 308     if (current_pair->automaton_state->type == 1 && not current_pair->exploration_started) {
 309       reached_pair = this->insert_acceptance_pair(current_pair.get());
 310       if (reached_pair == nullptr) {
 311         this->show_acceptance_cycle(current_pair->depth);
 312         throw LivenessError();
 313       }
 314     }
 315
 316     /* Pair already visited ? stop the exploration on the current path */
 317     if (not current_pair->exploration_started) {
 318       int visited_num = this->insert_visited_pair(reached_pair, current_pair.get());
 319       if (visited_num != -1) {
 320         if (dot_output != nullptr) {
 321           fprintf(dot_output, "\"%d\" -> \"%d\" [%s];\n", this->previous_pair_, visited_num,
 322                   this->previous_request_.c_str());
 323           fflush(dot_output);
 324         }
 325         XBT_DEBUG("Pair already visited (equal to pair %d), exploration on the current path stopped.", visited_num);
 326         current_pair->requests = 0;
 327         this->backtrack();
 328         continue;
 329       }
 330     }
 331
 332     current_pair->graph_state->execute_next(current_pair->graph_state->next_transition());
 333     XBT_DEBUG("Execute: %s", current_pair->graph_state->get_transition()->to_string().c_str());
 334
 335     if (dot_output != nullptr) {
 336       if (this->previous_pair_ != 0 && this->previous_pair_ != current_pair->num) {
 337         fprintf(dot_output, "\"%d\" -> \"%d\" [%s];\n", this->previous_pair_, current_pair->num,
 338                 this->previous_request_.c_str());
 339         this->previous_request_.clear();
 340       }
 341       this->previous_pair_    = current_pair->num;
 342       this->previous_request_ = current_pair->graph_state->get_transition()->dot_string();
 343       if (current_pair->search_cycle)
 344         fprintf(dot_output, "%d [shape=doublecircle];\n", current_pair->num);
 345       fflush(dot_output);
 346     }
 347
 348     if (not current_pair->exploration_started)
 349       visited_pairs_count_++;
 350
 351     current_pair->requests--;
 352     current_pair->exploration_started = true;
 353
 354     /* Get values of atomic propositions (variables used in the property formula) */
 355     std::shared_ptr<const std::vector<int>> prop_values = this->get_proposition_values();
 356
 357     // For each enabled transition in the property automaton, push a
 358     // (application_state, automaton_state) pair to the exploration stack:
 359     for (int i = xbt_dynar_length(current_pair->automaton_state->out) - 1; i >= 0; i--) {
 360       const auto* transition_succ_label =
 361           Api::get().get_automaton_transition_label(current_pair->automaton_state->out, i);
 362       auto* transition_succ_dst = Api::get().get_automaton_transition_dst(current_pair->automaton_state->out, i);
 363       if (evaluate_label(transition_succ_label, *prop_values))
 364         exploration_stack_.push_back(this->create_pair(current_pair.get(), transition_succ_dst, prop_values));
 365     }
 366   }
 367
 368   XBT_INFO("No property violation found.");
 369   log_state();
 370 }
 371
 372 Exploration* create_liveness_checker(Session* session)
 373 {
 374   return new LivenessChecker(session);
 375 }
 376
 377 } // namespace simgrid::mc