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[simgrid.git] / src / include / surf / maxmin.hpp
1 /* Copyright (c) 2004-2017. 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 #ifndef SURF_MAXMIN_HPP
7 #define SURF_MAXMIN_HPP
8
9 #include "src/internal_config.h"
10 #include "src/surf/surf_interface.hpp"
11 #include "surf/surf.hpp"
12 #include "xbt/asserts.h"
13 #include "xbt/mallocator.h"
14 #include "xbt/misc.h"
15 #include "xbt/swag.h"
16 #include <cmath>
17 #include <limits>
18 #include <vector>
19
20 /** @addtogroup SURF_lmm
21  * @details
22  * A linear maxmin solver to resolve inequations systems.
23  *
24  * Most SimGrid model rely on a "fluid/steady-state" modeling that simulate the sharing of resources between actions at
25  * relatively coarse-grain.  Such sharing is generally done by solving a set of linear inequations. Let's take an
26  * example and assume we have the variables \f$x_1\f$, \f$x_2\f$, \f$x_3\f$, and \f$x_4\f$ . Let's say that \f$x_1\f$
27  * and \f$x_2\f$ correspond to activities running and the same CPU \f$A\f$ whose capacity is \f$C_A\f$. In such a
28  * case, we need to enforce:
29  *
30  *   \f[ x_1 + x_2 \leq C_A \f]
31  *
32  * Likewise, if \f$x_3\f$ (resp. \f$x_4\f$) corresponds to a network flow \f$F_3\f$ (resp. \f$F_4\f$) that goes through
33  * a set of links \f$L_1\f$ and \f$L_2\f$ (resp. \f$L_2\f$ and \f$L_3\f$), then we need to enforce:
34  *
35  *   \f[ x_3  \leq C_{L_1} \f]
36  *   \f[ x_3 + x_4 \leq C_{L_2} \f]
37  *   \f[ x_4 \leq C_{L_3} \f]
38  *
39  * One could set every variable to 0 to make sure the constraints are satisfied but this would obviously not be very
40  * realistic. A possible objective is to try to maximize the minimum of the \f$x_i\f$ . This ensures that all the
41  * \f$x_i\f$ are positive and "as large as possible".
42  *
43  * This is called *max-min fairness* and is the most commonly used objective in SimGrid. Another possibility is to
44  * maximize \f$\sum_if(x_i)\f$, where \f$f\f$ is a strictly increasing concave function.
45  *
46  * Constraint:
47  *  - bound (set)
48  *  - shared (set)
49  *  - usage (computed)
50  *
51  * Variable:
52  *  - weight (set)
53  *  - bound (set)
54  *  - value (computed)
55  *
56  * Element:
57  *  - value (set)
58  *
59  * A possible system could be:
60  * - three variables: `var1`, `var2`, `var3`
61  * - two constraints: `cons1`, `cons2`
62  * - four elements linking:
63  *  - `elem1` linking `var1` and `cons1`
64  *  - `elem2` linking `var2` and `cons1`
65  *  - `elem3` linking `var2` and `cons2`
66  *  - `elem4` linking `var3` and `cons2`
67  *
68  * And the corresponding inequations will be:
69  *
70  *     var1.value <= var1.bound
71  *     var2.value <= var2.bound
72  *     var3.value <= var3.bound
73  *     var1.weight * var1.value * elem1.value + var2.weight * var2.value * elem2.value <= cons1.bound
74  *     var2.weight * var2.value * elem3.value + var3.weight * var3.value * elem4.value <= cons2.bound
75  *
76  * where `var1.value`, `var2.value` and `var3.value` are the unknown values.
77  *
78  * If a constraint is not shared, the sum is replaced by a max.
79  * For example, a third non-shared constraint `cons3` and the associated elements `elem5` and `elem6` could write as:
80  *
81  *     max( var1.weight * var1.value * elem5.value  ,  var3.weight * var3.value * elem6.value ) <= cons3.bound
82  *
83  * This is usefull for the sharing of resources for various models.
84  * For instance, for the network model, each link is associated to a constraint and each communication to a variable.
85  *
86  * Implementation details
87  *
88  * For implementation reasons, we are interested in distinguishing variables that actually participate to the
89  * computation of constraints, and those who are part of the equations but are stuck to zero.
90  * We call enabled variables, those which var.weight is strictly positive. Zero-weight variables are called disabled
91  * variables.
92  * Unfortunately this concept of enabled/disabled variables intersects with active/inactive variable.
93  * Semantically, the intent is similar, but the conditions under which a variable is active is slightly more strict
94  * than the conditions for it to be enabled.
95  * A variable is active only if its var.value is non-zero (and, by construction, its var.weight is non-zero).
96  * In general, variables remain disabled after their creation, which often models an initialization phase (e.g. first
97  * packet propagating in the network). Then, it is enabled by the corresponding model. Afterwards, the max-min solver
98  * (lmm_solve()) activates it when appropriate. It is possible that the variable is again disabled, e.g. to model the
99  * pausing of an action.
100  *
101  * Concurrency limit and maximum
102  *
103  * We call concurrency, the number of variables that can be enabled at any time for each constraint.
104  * From a model perspective, this "concurrency" often represents the number of actions that actually compete for one
105  * constraint.
106  * The LMM solver is able to limit the concurrency for each constraint, and to monitor its maximum value.
107  *
108  * One may want to limit the concurrency of constraints for essentially three reasons:
109  *  - Keep LMM system in a size that can be solved (it does not react very well with tens of thousands of variables per
110  *    constraint)
111  *  - Stay within parameters where the fluid model is accurate enough.
112  *  - Model serialization effects
113  *
114  * The concurrency limit can also be set to a negative value to disable concurrency limit. This can improve performance
115  * slightly.
116  *
117  * Overall, each constraint contains three fields related to concurrency:
118  *  - concurrency_limit which is the limit enforced by the solver
119  *  - concurrency_current which is the current concurrency
120  *  - concurrency_maximum which is the observed maximum concurrency
121  *
122  * Variables also have one field related to concurrency: concurrency_share.
123  * In effect, in some cases, one variable is involved multiple times (i.e. two elements) in a constraint.
124  * For example, cross-traffic is modeled using 2 elements per constraint.
125  * concurrency_share formally corresponds to the maximum number of elements that associate the variable and any given
126  * constraint.
127  */
128
129 /** @{ @ingroup SURF_lmm */
130
131 /**
132  * @brief Solve the lmm system
133  * @param sys The lmm system to solve
134  */
135 XBT_PUBLIC(void) lmm_solve(lmm_system_t sys);
136
137 XBT_PUBLIC(void) lagrange_solve(lmm_system_t sys);
138 XBT_PUBLIC(void) bottleneck_solve(lmm_system_t sys);
139
140 /** Default functions associated to the chosen protocol. When using the lagrangian approach. */
141
142 XBT_PUBLIC(void)
143 lmm_set_default_protocol_function(double (*func_f)(lmm_variable_t var, double x),
144                                   double (*func_fp)(lmm_variable_t var, double x),
145                                   double (*func_fpi)(lmm_variable_t var, double x));
146
147 XBT_PUBLIC(double) func_reno_f(lmm_variable_t var, double x);
148 XBT_PUBLIC(double) func_reno_fp(lmm_variable_t var, double x);
149 XBT_PUBLIC(double) func_reno_fpi(lmm_variable_t var, double x);
150
151 XBT_PUBLIC(double) func_reno2_f(lmm_variable_t var, double x);
152 XBT_PUBLIC(double) func_reno2_fp(lmm_variable_t var, double x);
153 XBT_PUBLIC(double) func_reno2_fpi(lmm_variable_t var, double x);
154
155 XBT_PUBLIC(double) func_vegas_f(lmm_variable_t var, double x);
156 XBT_PUBLIC(double) func_vegas_fp(lmm_variable_t var, double x);
157 XBT_PUBLIC(double) func_vegas_fpi(lmm_variable_t var, double x);
158
159 /**
160  * @brief LMM element
161  * Elements can be seen as glue between constraint objects and variable objects.
162  * Basically, each variable will have a set of elements, one for each constraint where it is involved.
163  * Then, it is used to list all variables involved in constraint through constraint's xxx_element_set lists, or
164  * vice-versa list all constraints for a given variable.
165  */
166 class s_lmm_element_t {
167 public:
168   int get_concurrency() const;
169   void decrease_concurrency();
170   void increase_concurrency();
171
172   void make_active();
173   void make_inactive();
174
175   /* hookup to constraint */
176   s_xbt_swag_hookup_t enabled_element_set_hookup;
177   s_xbt_swag_hookup_t disabled_element_set_hookup;
178   s_xbt_swag_hookup_t active_element_set_hookup;
179
180   lmm_constraint_t constraint;
181   lmm_variable_t variable;
182
183   // consumption_weight: impact of 1 byte or flop of your application onto the resource (in byte or flop)
184   //   - if CPU, then probably 1.
185   //   - If network, then 1 in forward direction and 0.05 backward for the ACKs
186   double consumption_weight;
187 };
188
189 struct s_lmm_constraint_light_t {
190   double remaining_over_usage;
191   lmm_constraint_t cnst;
192 };
193
194 /**
195  * @brief LMM constraint
196  * Each constraint contains several partially overlapping logical sets of elements:
197  * \li Disabled elements which variable's weight is zero. This variables are not at all processed by LMM, but eventually
198  *     the corresponding action will enable it (at least this is the idea).
199  * \li Enabled elements which variable's weight is non-zero. They are utilized in some LMM functions.
200  * \li Active elements which variable's weight is non-zero (i.e. it is enabled) AND its element value is non-zero.
201  *     LMM_solve iterates over active elements during resolution, dynamically making them active or unactive.
202  */
203 class s_lmm_constraint_t {
204 public:
205   s_lmm_constraint_t() = default;
206   s_lmm_constraint_t(void* id_value, double bound_value);
207
208   /** @brief Share a constraint. FIXME: name is misleading */
209   void shared() { sharing_policy = 0; }
210
211   /**
212    * @brief Check if a constraint is shared (shared by default)
213    * @return 1 if shared, 0 otherwise
214    */
215   int get_sharing_policy() const { return sharing_policy; }
216
217   /**
218    * @brief Get the usage of the constraint after the last lmm solve
219    * @return The usage of the constraint
220    */
221   double get_usage() const;
222   int get_variable_amount() const;
223
224   /**
225    * @brief Sets the concurrency limit for this constraint
226    * @param concurrency_limit The concurrency limit to use for this constraint
227    */
228   void set_concurrency_limit(int limit)
229   {
230     xbt_assert(limit < 0 || concurrency_maximum <= limit,
231                "New concurrency limit should be larger than observed concurrency maximum. Maybe you want to call"
232                " concurrency_maximum_reset() to reset the maximum?");
233     concurrency_limit = limit;
234   }
235
236   /**
237    * @brief Gets the concurrency limit for this constraint
238    * @return The concurrency limit used by this constraint
239    */
240   int get_concurrency_limit() const { return concurrency_limit; }
241
242   /**
243    * @brief Reset the concurrency maximum for a given variable (we will update the maximum to reflect constraint
244    * evolution).
245    */
246   void reset_concurrency_maximum() { concurrency_maximum = 0; }
247
248   /**
249    * @brief Get the concurrency maximum for a given variable (which reflects constraint evolution).
250    * @return the maximum concurrency of the constraint
251    */
252   int get_concurrency_maximum() const
253   {
254     xbt_assert(concurrency_limit < 0 || concurrency_maximum <= concurrency_limit,
255                "Very bad: maximum observed concurrency is higher than limit. This is a bug of SURF, please report it.");
256     return concurrency_maximum;
257   }
258
259   int get_concurrency_slack() const
260   {
261     return concurrency_limit < 0 ? std::numeric_limits<int>::max() : concurrency_limit - concurrency_current;
262   }
263
264   /**
265    * @brief Get a var associated to a constraint
266    * @details Get the first variable of the next variable of elem if elem is not NULL
267    * @param elem A element of constraint of the constraint or NULL
268    * @return A variable associated to a constraint
269    */
270   lmm_variable_t get_variable(lmm_element_t* elem) const;
271
272   /**
273    * @brief Get a var associated to a constraint
274    * @details Get the first variable of the next variable of elem if elem is not NULL
275    * @param elem A element of constraint of the constraint or NULL
276    * @param nextelem A element of constraint of the constraint or NULL, the one after elem
277    * @param numelem parameter representing the number of elements to go
278    * @return A variable associated to a constraint
279    */
280   lmm_variable_t get_variable_safe(lmm_element_t* elem, lmm_element_t* nextelem, int* numelem) const;
281
282   /**
283    * @brief Get the data associated to a constraint
284    * @return The data associated to the constraint
285    */
286   void* get_id() const { return id; }
287
288   /* hookup to system */
289   s_xbt_swag_hookup_t constraint_set_hookup           = {nullptr, nullptr};
290   s_xbt_swag_hookup_t active_constraint_set_hookup    = {nullptr, nullptr};
291   s_xbt_swag_hookup_t modified_constraint_set_hookup  = {nullptr, nullptr};
292   s_xbt_swag_hookup_t saturated_constraint_set_hookup = {nullptr, nullptr};
293   s_xbt_swag_t enabled_element_set;  /* a list of lmm_element_t */
294   s_xbt_swag_t disabled_element_set; /* a list of lmm_element_t */
295   s_xbt_swag_t active_element_set;   /* a list of lmm_element_t */
296   double remaining;
297   double usage;
298   double bound;
299   // TODO MARTIN Check maximum value across resources at the end of simulation and give a warning is more than e.g. 500
300   int concurrency_current; /* The current concurrency */
301   int concurrency_maximum; /* The maximum number of (enabled and disabled) variables associated to the constraint at any
302                             * given time (essentially for tracing)*/
303
304   int sharing_policy; /* see @e_surf_link_sharing_policy_t (0: FATPIPE, 1: SHARED, 2: FULLDUPLEX) */
305   int id_int;
306   double lambda;
307   double new_lambda;
308   lmm_constraint_light_t cnst_light;
309
310 private:
311   static int Global_debug_id;
312   int concurrency_limit; /* The maximum number of variables that may be enabled at any time (stage variables if
313                           * necessary) */
314   void* id;
315 };
316
317 /**
318  * @brief LMM variable
319  *
320  * When something prevents us from enabling a variable, we "stage" the weight that we would have like to set, so that as
321  * soon as possible we enable the variable with desired weight
322  */
323 class s_lmm_variable_t {
324 public:
325   void initialize(simgrid::surf::Action* id_value, double sharing_weight_value, double bound_value,
326                   int number_of_constraints, unsigned visited_value);
327
328   /**
329    * @brief Get the value of the variable after the last lmm solve
330    * @return The value of the variable
331    */
332   double get_value() const { return value; }
333
334   /**
335    * @brief Get the maximum value of the variable (-1.0 if no maximum value)
336    * @return The bound of the variable
337    */
338   double get_bound() const { return bound; }
339
340   /**
341    * @brief Set the concurrent share of the variable
342    * @param concurrency_share The new concurrency share
343    */
344   void set_concurrency_share(short int value) { concurrency_share = value; }
345
346   /**
347    * @brief Get the numth constraint associated to the variable
348    * @param num The rank of constraint we want to get
349    * @return The numth constraint
350    */
351   lmm_constraint_t get_constraint(unsigned num) const { return num < cnsts.size() ? cnsts[num].constraint : nullptr; }
352
353   /**
354    * @brief Get the weigth of the numth constraint associated to the variable
355    * @param num The rank of constraint we want to get
356    * @return The numth constraint
357    */
358   double get_constraint_weight(unsigned num) const { return num < cnsts.size() ? cnsts[num].consumption_weight : 0.0; }
359
360   /**
361    * @brief Get the number of constraint associated to a variable
362    * @return The number of constraint associated to the variable
363    */
364   int get_number_of_constraint() const { return cnsts.size(); }
365
366   /**
367    * @brief Get the data associated to a variable
368    * @return The data associated to the variable
369    */
370   simgrid::surf::Action* get_id() const { return id; }
371
372   /**
373    * @brief Get the weight of a variable
374    * @return The weight of the variable
375    */
376   double get_weight() const { return sharing_weight; }
377
378   /** @brief Measure the minimum concurrency slack across all constraints where the given var is involved */
379   int get_min_concurrency_slack() const;
380
381   /** @brief Check if a variable can be enabled
382    * Make sure to set staged_weight before, if your intent is only to check concurrency
383    */
384   int can_enable() const { return staged_weight > 0 && get_min_concurrency_slack() >= concurrency_share; }
385
386   /* hookup to system */
387   s_xbt_swag_hookup_t variable_set_hookup           = {nullptr, nullptr};
388   s_xbt_swag_hookup_t saturated_variable_set_hookup = {nullptr, nullptr};
389
390   std::vector<s_lmm_element_t> cnsts;
391
392   // sharing_weight: variable's impact on the resource during the sharing
393   //   if == 0, the variable is not considered by LMM
394   //   on CPU, actions with N threads have a sharing of N
395   //   on network, the actions with higher latency have a lesser sharing_weight
396   double sharing_weight;
397
398   double staged_weight; /* If non-zero, variable is staged for addition as soon as maxconcurrency constraints will be
399                          * met */
400   double bound;
401   double value;
402   short int concurrency_share; /* The maximum number of elements that variable will add to a constraint */
403   simgrid::surf::Action* id;
404   int id_int;
405   unsigned visited; /* used by lmm_update_modified_set */
406   /* \begin{For Lagrange only} */
407   double mu;
408   double new_mu;
409   double (*func_f)(s_lmm_variable_t* var, double x);   /* (f)    */
410   double (*func_fp)(s_lmm_variable_t* var, double x);  /* (f')    */
411   double (*func_fpi)(s_lmm_variable_t* var, double x); /* (f')^{-1}    */
412   /* \end{For Lagrange only} */
413
414 private:
415   static int Global_debug_id;
416 };
417
418 inline void s_lmm_element_t::make_active()
419 {
420   xbt_swag_insert_at_head(this, &constraint->active_element_set);
421 }
422 inline void s_lmm_element_t::make_inactive()
423 {
424   xbt_swag_remove(this, &constraint->active_element_set);
425 }
426
427 /**
428  * @brief LMM system
429  */
430 class s_lmm_system_t {
431 public:
432   /**
433    * @brief Create a new Linear MaxMim system
434    * @param selective_update whether we should do lazy updates
435    */
436   explicit s_lmm_system_t(bool selective_update);
437   /** @brief Free an existing Linear MaxMin system */
438   ~s_lmm_system_t();
439
440   /**
441    * @brief Create a new Linear MaxMin constraint
442    * @param id Data associated to the constraint (e.g.: a network link)
443    * @param bound_value The bound value of the constraint
444    */
445   lmm_constraint_t constraint_new(void* id, double bound_value);
446
447   /**
448    * @brief Create a new Linear MaxMin variable
449    * @param id Data associated to the variable (e.g.: a network communication)
450    * @param weight_value The weight of the variable (0.0 if not used)
451    * @param bound The maximum value of the variable (-1.0 if no maximum value)
452    * @param number_of_constraints The maximum number of constraint to associate to the variable
453    */
454   lmm_variable_t variable_new(simgrid::surf::Action* id, double weight_value, double bound, int number_of_constraints);
455
456   /**
457    * @brief Free a variable
458    * @param var The variable to free
459    */
460   void variable_free(lmm_variable_t var);
461
462   /**
463    * @brief Associate a variable to a constraint with a coefficient
464    * @param cnst A constraint
465    * @param var A variable
466    * @param value The coefficient associated to the variable in the constraint
467    */
468   void expand(lmm_constraint_t cnst, lmm_variable_t var, double value);
469
470   /**
471    * @brief Add value to the coefficient between a constraint and a variable or create one
472    * @param cnst A constraint
473    * @param var A variable
474    * @param value The value to add to the coefficient associated to the variable in the constraint
475    */
476   void expand_add(lmm_constraint_t cnst, lmm_variable_t var, double value);
477
478   /**
479    * @brief Update the bound of a variable
480    * @param var A constraint
481    * @param bound The new bound
482    */
483   void update_variable_bound(lmm_variable_t var, double bound);
484
485   /**
486    * @brief Update the weight of a variable
487    * @param var A variable
488    * @param weight The new weight of the variable
489    */
490   void update_variable_weight(lmm_variable_t var, double weight);
491
492   /**
493    * @brief Update a constraint bound
494    * @param cnst A constraint
495    * @param bound The new bound of the consrtaint
496    */
497   void update_constraint_bound(lmm_constraint_t cnst, double bound);
498
499   /**
500    * @brief [brief description]
501    * @param cnst A constraint
502    * @return [description]
503    */
504   int constraint_used(lmm_constraint_t cnst) { return xbt_swag_belongs(cnst, &active_constraint_set); }
505
506   /** @brief Print the lmm system */
507   void print();
508
509   /** @brief Solve the lmm system */
510   void solve();
511
512 private:
513   static void* variable_mallocator_new_f();
514   static void variable_mallocator_free_f(void* var);
515
516   void var_free(lmm_variable_t var);
517   void cnst_free(lmm_constraint_t cnst);
518   lmm_variable_t extract_variable() { return static_cast<lmm_variable_t>(xbt_swag_extract(&variable_set)); }
519   lmm_constraint_t extract_constraint() { return static_cast<lmm_constraint_t>(xbt_swag_extract(&constraint_set)); }
520   void insert_constraint(lmm_constraint_t cnst) { xbt_swag_insert(cnst, &constraint_set); }
521   void remove_variable(lmm_variable_t var)
522   {
523     xbt_swag_remove(var, &variable_set);
524     xbt_swag_remove(var, &saturated_variable_set);
525   }
526   void make_constraint_active(lmm_constraint_t cnst) { xbt_swag_insert(cnst, &active_constraint_set); }
527   void make_constraint_inactive(lmm_constraint_t cnst)
528   {
529     xbt_swag_remove(cnst, &active_constraint_set);
530     xbt_swag_remove(cnst, &modified_constraint_set);
531   }
532
533   void enable_var(lmm_variable_t var);
534   void disable_var(lmm_variable_t var);
535   void on_disabled_var(lmm_constraint_t cnstr);
536
537   /**
538    * @brief Update the value of element linking the constraint and the variable
539    * @param cnst A constraint
540    * @param var A variable
541    * @param value The new value
542    */
543   void update(lmm_constraint_t cnst, lmm_variable_t var, double value);
544
545   void update_modified_set(lmm_constraint_t cnst);
546   void update_modified_set_rec(lmm_constraint_t cnst);
547
548   /** @brief Remove all constraints of the modified_constraint_set. */
549   void remove_all_modified_set();
550   void check_concurrency();
551
552 public:
553   int modified;
554   s_xbt_swag_t variable_set;             /* a list of lmm_variable_t */
555   s_xbt_swag_t active_constraint_set;    /* a list of lmm_constraint_t */
556   s_xbt_swag_t saturated_variable_set;   /* a list of lmm_variable_t */
557   s_xbt_swag_t saturated_constraint_set; /* a list of lmm_constraint_t */
558
559   simgrid::surf::ActionLmmListPtr keep_track;
560
561   void (*solve_fun)(lmm_system_t self);
562
563 private:
564   bool selective_update_active; /* flag to update partially the system only selecting changed portions */
565   unsigned visited_counter;     /* used by lmm_update_modified_set and lmm_remove_modified_set to cleverly (un-)flag the
566                                  * constraints (more details in these functions) */
567   s_xbt_swag_t constraint_set;  /* a list of lmm_constraint_t */
568   s_xbt_swag_t modified_constraint_set; /* a list of modified lmm_constraint_t */
569   xbt_mallocator_t variable_mallocator;
570 };
571
572 extern XBT_PRIVATE double (*func_f_def)(lmm_variable_t, double);
573 extern XBT_PRIVATE double (*func_fp_def)(lmm_variable_t, double);
574 extern XBT_PRIVATE double (*func_fpi_def)(lmm_variable_t, double);
575
576 /** @} */
577
578 #endif