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 using api = simgrid::mc::Api;
  18
  19 /********* Static functions *********/
  20
  21 namespace simgrid {
  22 namespace mc {
  23
  24 VisitedPair::VisitedPair(int pair_num, xbt_automaton_state_t automaton_state,
  25                          std::shared_ptr<const std::vector<int>> atomic_propositions,
  26                          std::shared_ptr<State> graph_state)
  27     : num(pair_num), automaton_state(automaton_state)
  28 {
  29   this->graph_state = std::move(graph_state);
  30   if (this->graph_state->system_state_ == nullptr)
  31     this->graph_state->system_state_ = std::make_shared<Snapshot>(pair_num);
  32   this->heap_bytes_used     = api::get().get_remote_heap_bytes();
  33   this->actors_count        = api::get().get_actors().size();
  34   this->other_num           = -1;
  35   this->atomic_propositions = std::move(atomic_propositions);
  36 }
  37
  38 static bool evaluate_label(const xbt_automaton_exp_label* l, std::vector<int> const& values)
  39 {
  40   switch (l->type) {
  41     case xbt_automaton_exp_label::AUT_OR:
  42       return evaluate_label(l->u.or_and.left_exp, values) || evaluate_label(l->u.or_and.right_exp, values);
  43     case xbt_automaton_exp_label::AUT_AND:
  44       return evaluate_label(l->u.or_and.left_exp, values) && evaluate_label(l->u.or_and.right_exp, values);
  45     case xbt_automaton_exp_label::AUT_NOT:
  46       return not evaluate_label(l->u.exp_not, values);
  47     case xbt_automaton_exp_label::AUT_PREDICAT:
  48       return values.at(api::get().compare_automaton_exp_label(l)) != 0;
  49     case xbt_automaton_exp_label::AUT_ONE:
  50       return true;
  51     default:
  52       xbt_die("Unexpected value for automaton");
  53   }
  54 }
  55
  56 Pair::Pair(unsigned long expanded_pairs) : num(expanded_pairs) {}
  57
  58 std::shared_ptr<const std::vector<int>> LivenessChecker::get_proposition_values() const
  59 {
  60   auto values = api::get().automaton_propositional_symbol_evaluate();
  61   return std::make_shared<const std::vector<int>>(std::move(values));
  62 }
  63
  64 std::shared_ptr<VisitedPair> LivenessChecker::insert_acceptance_pair(simgrid::mc::Pair* pair)
  65 {
  66   auto new_pair =
  67       std::make_shared<VisitedPair>(pair->num, pair->automaton_state, pair->atomic_propositions, pair->graph_state);
  68
  69   auto res = boost::range::equal_range(acceptance_pairs_, new_pair.get(), api::get().compare_pair());
  70
  71   if (pair->search_cycle)
  72     for (auto i = res.first; i != res.second; ++i) {
  73       std::shared_ptr<simgrid::mc::VisitedPair> const& pair_test = *i;
  74       if (xbt_automaton_state_compare(pair_test->automaton_state, new_pair->automaton_state) != 0 ||
  75           *(pair_test->atomic_propositions) != *(new_pair->atomic_propositions) ||
  76           not api::get().snapshot_equal(pair_test->graph_state->system_state_.get(),
  77                                         new_pair->graph_state->system_state_.get()))
  78         continue;
  79       XBT_INFO("Pair %d already reached (equal to pair %d) !", new_pair->num, pair_test->num);
  80       exploration_stack_.pop_back();
  81       if (dot_output != nullptr)
  82         fprintf(dot_output, "\"%d\" -> \"%d\" [%s];\n", this->previous_pair_, pair_test->num,
  83                 this->previous_request_.c_str());
  84       return nullptr;
  85     }
  86
  87   acceptance_pairs_.insert(res.first, new_pair);
  88   return new_pair;
  89 }
  90
  91 void LivenessChecker::remove_acceptance_pair(int pair_num)
  92 {
  93   for (auto i = acceptance_pairs_.begin(); i != acceptance_pairs_.end(); ++i)
  94     if ((*i)->num == pair_num) {
  95       acceptance_pairs_.erase(i);
  96       break;
  97     }
  98 }
  99
 100 void LivenessChecker::replay()
 101 {
 102   XBT_DEBUG("**** Begin Replay ****");
 103
 104   /* Intermediate backtracking */
 105   if (_sg_mc_checkpoint > 0) {
 106     const Pair* pair = exploration_stack_.back().get();
 107     if (pair->graph_state->system_state_) {
 108       api::get().restore_state(pair->graph_state->system_state_);
 109       return;
 110     }
 111   }
 112
 113   get_session().restore_initial_state();
 114
 115   /* Traverse the stack from the initial state and re-execute the transitions */
 116   int depth = 1;
 117   for (std::shared_ptr<Pair> const& pair : exploration_stack_) {
 118     if (pair == exploration_stack_.back())
 119       break;
 120
 121     std::shared_ptr<State> state = pair->graph_state;
 122
 123     if (pair->exploration_started) {
 124       state->get_transition()->replay();
 125       XBT_DEBUG("Replay (depth = %d) : %s (%p)", depth, state->get_transition()->to_string().c_str(), state.get());
 126     }
 127
 128     /* Update statistics */
 129     visited_pairs_count_++;
 130     depth++;
 131   }
 132   XBT_DEBUG("**** End Replay ****");
 133 }
 134
 135 /**
 136  * @brief Checks whether a given pair has already been visited by the algorithm.
 137  */
 138 int LivenessChecker::insert_visited_pair(std::shared_ptr<VisitedPair> visited_pair, simgrid::mc::Pair* pair)
 139 {
 140   if (_sg_mc_max_visited_states == 0)
 141     return -1;
 142
 143   if (visited_pair == nullptr)
 144     visited_pair =
 145         std::make_shared<VisitedPair>(pair->num, pair->automaton_state, pair->atomic_propositions, pair->graph_state);
 146
 147   auto range = boost::range::equal_range(visited_pairs_, visited_pair.get(), api::get().compare_pair());
 148
 149   for (auto i = range.first; i != range.second; ++i) {
 150     const VisitedPair* pair_test = i->get();
 151     if (xbt_automaton_state_compare(pair_test->automaton_state, visited_pair->automaton_state) != 0 ||
 152         *(pair_test->atomic_propositions) != *(visited_pair->atomic_propositions) ||
 153         not api::get().snapshot_equal(pair_test->graph_state->system_state_.get(),
 154                                       visited_pair->graph_state->system_state_.get()))
 155       continue;
 156     if (pair_test->other_num == -1)
 157       visited_pair->other_num = pair_test->num;
 158     else
 159       visited_pair->other_num = pair_test->other_num;
 160     if (dot_output == nullptr)
 161       XBT_DEBUG("Pair %d already visited ! (equal to pair %d)", visited_pair->num, pair_test->num);
 162     else
 163       XBT_DEBUG("Pair %d already visited ! (equal to pair %d (pair %d in dot_output))", visited_pair->num,
 164                 pair_test->num, visited_pair->other_num);
 165     (*i) = std::move(visited_pair);
 166     return (*i)->other_num;
 167   }
 168
 169   visited_pairs_.insert(range.first, std::move(visited_pair));
 170   this->purge_visited_pairs();
 171   return -1;
 172 }
 173
 174 void LivenessChecker::purge_visited_pairs()
 175 {
 176   if (_sg_mc_max_visited_states != 0 && visited_pairs_.size() > (std::size_t)_sg_mc_max_visited_states) {
 177     // Remove the oldest entry with a linear search:
 178     visited_pairs_.erase(
 179         boost::min_element(visited_pairs_, [](std::shared_ptr<VisitedPair> const a,
 180                                               std::shared_ptr<VisitedPair> const& b) { return a->num < b->num; }));
 181   }
 182 }
 183
 184 LivenessChecker::LivenessChecker(Session* session) : Exploration(session) {}
 185
 186 RecordTrace LivenessChecker::get_record_trace() // override
 187 {
 188   RecordTrace res;
 189   for (std::shared_ptr<Pair> const& pair : exploration_stack_)
 190     res.push_back(pair->graph_state->get_transition());
 191   return res;
 192 }
 193
 194 void LivenessChecker::log_state() // override
 195 {
 196   XBT_INFO("Expanded pairs = %lu", expanded_pairs_count_);
 197   XBT_INFO("Visited pairs = %lu", visited_pairs_count_);
 198   XBT_INFO("Executed transitions = %lu", Transition::get_executed_transitions());
 199 }
 200
 201 void LivenessChecker::show_acceptance_cycle(std::size_t depth)
 202 {
 203   XBT_INFO("*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*");
 204   XBT_INFO("|             ACCEPTANCE CYCLE            |");
 205   XBT_INFO("*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*");
 206   XBT_INFO("Counter-example that violates formula:");
 207   for (auto const& s : this->get_textual_trace())
 208     XBT_INFO("  %s", s.c_str());
 209   XBT_INFO("Path = %s", get_record_trace().to_string().c_str());
 210   log_state();
 211   XBT_INFO("Counter-example depth: %zu", depth);
 212 }
 213
 214 std::vector<std::string> LivenessChecker::get_textual_trace() // override
 215 {
 216   std::vector<std::string> trace;
 217   for (std::shared_ptr<Pair> const& pair : exploration_stack_)
 218     trace.push_back(pair->graph_state->get_transition()->to_string());
 219
 220   return trace;
 221 }
 222
 223 std::shared_ptr<Pair> LivenessChecker::create_pair(const Pair* current_pair, xbt_automaton_state_t state,
 224                                                    std::shared_ptr<const std::vector<int>> propositions)
 225 {
 226   ++expanded_pairs_count_;
 227   auto next_pair                 = std::make_shared<Pair>(expanded_pairs_count_);
 228   next_pair->automaton_state     = state;
 229   next_pair->graph_state         = std::make_shared<State>();
 230   next_pair->atomic_propositions = std::move(propositions);
 231   if (current_pair)
 232     next_pair->depth = current_pair->depth + 1;
 233   else
 234     next_pair->depth = 1;
 235   /* Add all enabled actors to the interleave set of the initial state */
 236   for (auto& act : api::get().get_actors()) {
 237     auto actor = act.copy.get_buffer();
 238     if (get_session().actor_is_enabled(actor->get_pid()))
 239       next_pair->graph_state->mark_todo(actor->get_pid());
 240   }
 241
 242   next_pair->requests = next_pair->graph_state->count_todo();
 243   /* FIXME : get search_cycle value for each accepting state */
 244   if (next_pair->automaton_state->type == 1 || (current_pair && current_pair->search_cycle))
 245     next_pair->search_cycle = true;
 246   else
 247     next_pair->search_cycle = false;
 248   return next_pair;
 249 }
 250
 251 void LivenessChecker::backtrack()
 252 {
 253   /* Traverse the stack backwards until a pair with a non empty interleave
 254      set is found, deleting all the pairs that have it empty in the way. */
 255   while (not exploration_stack_.empty()) {
 256     std::shared_ptr<simgrid::mc::Pair> current_pair = exploration_stack_.back();
 257     exploration_stack_.pop_back();
 258     if (current_pair->requests > 0) {
 259       /* We found a backtracking point */
 260       XBT_DEBUG("Backtracking to depth %d", current_pair->depth);
 261       exploration_stack_.push_back(std::move(current_pair));
 262       this->replay();
 263       XBT_DEBUG("Backtracking done");
 264       break;
 265     } else {
 266       XBT_DEBUG("Delete pair %d at depth %d", current_pair->num, current_pair->depth);
 267       if (current_pair->automaton_state->type == 1)
 268         this->remove_acceptance_pair(current_pair->num);
 269     }
 270   }
 271 }
 272
 273 void LivenessChecker::run()
 274 {
 275   XBT_INFO("Check the liveness property %s", _sg_mc_property_file.get().c_str());
 276   api::get().automaton_load(_sg_mc_property_file.get().c_str());
 277
 278   XBT_DEBUG("Starting the liveness algorithm");
 279   get_session().take_initial_snapshot();
 280
 281   /* Initialize */
 282   this->previous_pair_ = 0;
 283
 284   std::shared_ptr<const std::vector<int>> propos = this->get_proposition_values();
 285
 286   // For each initial state of the property automaton, push a
 287   // (application_state, automaton_state) pair to the exploration stack:
 288   auto automaton_stack = api::get().get_automaton_state();
 289   for (auto* automaton_state : automaton_stack) {
 290     if (automaton_state->type == -1)
 291       exploration_stack_.push_back(this->create_pair(nullptr, automaton_state, propos));
 292   }
 293
 294   /* Actually run the double DFS search for counter-examples */
 295   while (not exploration_stack_.empty()) {
 296     std::shared_ptr<Pair> current_pair = exploration_stack_.back();
 297
 298     /* Update current state in buchi automaton */
 299     api::get().set_property_automaton(current_pair->automaton_state);
 300
 301     XBT_DEBUG(
 302         "********************* ( Depth = %d, search_cycle = %d, interleave size = %zu, pair_num = %d, requests = %d)",
 303         current_pair->depth, current_pair->search_cycle, current_pair->graph_state->count_todo(), current_pair->num,
 304         current_pair->requests);
 305
 306     if (current_pair->requests == 0) {
 307       this->backtrack();
 308       continue;
 309     }
 310
 311     std::shared_ptr<VisitedPair> reached_pair;
 312     if (current_pair->automaton_state->type == 1 && not current_pair->exploration_started) {
 313       reached_pair = this->insert_acceptance_pair(current_pair.get());
 314       if (reached_pair == nullptr) {
 315         this->show_acceptance_cycle(current_pair->depth);
 316         throw LivenessError();
 317       }
 318     }
 319
 320     /* Pair already visited ? stop the exploration on the current path */
 321     if (not current_pair->exploration_started) {
 322       int visited_num = this->insert_visited_pair(reached_pair, current_pair.get());
 323       if (visited_num != -1) {
 324         if (dot_output != nullptr) {
 325           fprintf(dot_output, "\"%d\" -> \"%d\" [%s];\n", this->previous_pair_, visited_num,
 326                   this->previous_request_.c_str());
 327           fflush(dot_output);
 328         }
 329         XBT_DEBUG("Pair already visited (equal to pair %d), exploration on the current path stopped.", visited_num);
 330         current_pair->requests = 0;
 331         this->backtrack();
 332         continue;
 333       }
 334     }
 335
 336     current_pair->graph_state->execute_next(current_pair->graph_state->next_transition());
 337     XBT_DEBUG("Execute: %s", current_pair->graph_state->get_transition()->to_string().c_str());
 338
 339     if (dot_output != nullptr) {
 340       if (this->previous_pair_ != 0 && this->previous_pair_ != current_pair->num) {
 341         fprintf(dot_output, "\"%d\" -> \"%d\" [%s];\n", this->previous_pair_, current_pair->num,
 342                 this->previous_request_.c_str());
 343         this->previous_request_.clear();
 344       }
 345       this->previous_pair_    = current_pair->num;
 346       this->previous_request_ = current_pair->graph_state->get_transition()->dot_string();
 347       if (current_pair->search_cycle)
 348         fprintf(dot_output, "%d [shape=doublecircle];\n", current_pair->num);
 349       fflush(dot_output);
 350     }
 351
 352     if (not current_pair->exploration_started)
 353       visited_pairs_count_++;
 354
 355     current_pair->requests--;
 356     current_pair->exploration_started = true;
 357
 358     /* Get values of atomic propositions (variables used in the property formula) */
 359     std::shared_ptr<const std::vector<int>> prop_values = this->get_proposition_values();
 360
 361     // For each enabled transition in the property automaton, push a
 362     // (application_state, automaton_state) pair to the exploration stack:
 363     for (int i = xbt_dynar_length(current_pair->automaton_state->out) - 1; i >= 0; i--) {
 364       auto transition_succ_label = api::get().get_automaton_transition_label(current_pair->automaton_state->out, i);
 365       auto transition_succ_dst   = api::get().get_automaton_transition_dst(current_pair->automaton_state->out, i);
 366       if (evaluate_label(transition_succ_label, *prop_values))
 367         exploration_stack_.push_back(this->create_pair(current_pair.get(), transition_succ_dst, prop_values));
 368     }
 369   }
 370
 371   XBT_INFO("No property violation found.");
 372   log_state();
 373 }
 374
 375 Exploration* create_liveness_checker(Session* session)
 376 {
 377   return new LivenessChecker(session);
 378 }
 379
 380 } // namespace mc
 381 } // namespace simgrid