Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Public GIT Repository
BMF: undo weight adding.
[simgrid.git] / src / kernel / lmm / bmf.hpp
1 /* Copyright (c) 2004-2022. 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 #ifndef SIMGRID_KERNEL_LMM_BMF_HPP
7 #define SIMGRID_KERNEL_LMM_BMF_HPP
8
9 #include "src/kernel/lmm/System.hpp"
10 #include <Eigen/Dense>
11 #include <unordered_set>
12
13 namespace simgrid {
14 namespace kernel {
15 namespace lmm {
16
17 /** @brief Generate all combinations of valid allocation */
18 class XBT_PUBLIC AllocationGenerator {
19 public:
20   explicit AllocationGenerator(Eigen::MatrixXd A);
21
22   /**
23    * @brief Get next valid allocation
24    *
25    * @param next_alloc Allocation (OUTPUT)
26    * @return true if there's an allocation not tested yet, false otherwise
27    */
28   bool next(std::vector<int>& next_alloc);
29
30 private:
31   Eigen::MatrixXd A_;
32   std::vector<int> alloc_;
33   bool first_ = true;
34 };
35
36 /**
37  * @beginrst
38  *
39  * Despite the simplicity of BMF fairness definition, it's quite hard to
40  * find a BMF allocation in the general case.
41  *
42  * This solver implements one possible algorithm to find a BMF, as proposed
43  * at: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01552739.
44  *
45  * The idea of this algorithm is that each player/flow "selects" a resource to
46  * saturate. Then, we calculate the rate each flow would have with this allocation.
47  * If the allocation is a valid BMF and no one needs to move, it's over. Otherwise,
48  * each player selects a new resource to saturate based on the minimim rate possible
49  * between all resources.
50  *
51  * The steps:
52  * 1) Given an initial allocation B_i
53  * 2) Build a matrix A'_ji and C'_ji which assures that the player receives the most
54  * share at selected resources
55  * 3) Solve: A'_ji * rho_i = C'_j
56  * 4) Calculate the minimum fair rate for each resource j: f_j. The f_j represents
57  * the maximum each flow can receive at the resource j.
58  * 5) Builds a new vector B'_i = arg min(f_j/A_ji).
59  * 6) Stop if B == B' (nobody needs to move), go to step 2 otherwise
60  *
61  * Despite the overall good performance of this algorithm, which converges in a few
62  * iterations, we don't have any assurance about its convergence. In the worst case,
63  * it may be needed to test all possible combination of allocations (which is exponential).
64  *
65  * @endrst
66  */
67 class XBT_PUBLIC BmfSolver {
68 public:
69   /**
70    * @brief Instantiate the BMF solver
71    *
72    * @param A A_ji: consumption of player i on resource j
73    * @param maxA maxA_ji: consumption of larger player i on resource j
74    * @param C Resource capacity
75    * @param shared Is resource shared between player or each player receives the full capacity (FATPIPE links)
76    * @param phi Bound for each player
77    */
78   BmfSolver(Eigen::MatrixXd A, Eigen::MatrixXd maxA, Eigen::VectorXd C, std::vector<bool> shared, Eigen::VectorXd phi);
79   /** @brief Solve equation system to find a fair-sharing of resources */
80   Eigen::VectorXd solve();
81
82 private:
83   using allocation_map_t = std::unordered_map<int, std::unordered_set<int>>;
84   /**
85    * @brief Get actual resource capacity considering bounded players
86    *
87    * Calculates the resource capacity considering that some players on it may be bounded by user,
88    * i.e. an explicit limit in speed was configured
89    *
90    * @param resource Internal index of resource in C_ vector
91    * @param bounded_players List of players that are externally bounded
92    * @return Actual resource capacity
93    */
94   double get_resource_capacity(int resource, const std::vector<int>& bounded_players) const;
95   /**
96    * @brief Get maxmin share of the resource
97    *
98    * @param resource Internal index of resource in C_ vector
99    * @param bounded_players List of players that are externally bounded
100    * @return maxmin share
101    */
102   double get_maxmin_share(int resource, const std::vector<int>& bounded_players) const;
103   /**
104    * @brief Auxiliary method to get list of bounded player from allocation
105    *
106    * @param alloc Current allocation
107    * @return list of bounded players
108    */
109   std::vector<int> get_bounded_players(const allocation_map_t& alloc) const;
110
111   /**
112    * @brief Given an allocation calculates the speed/rho for each player
113    *
114    * Do the magic!!
115    * Builds 2 auxiliares matrices A' and C' and solves the system: rho_i = inv(A'_ji) * C'_j
116    *
117    * All resources in A' and C' are saturated, i.e., sum(A'_j * rho_i) = C'_j.
118    *
119    * The matrix A' is built as follows:
120    * - For each resource j in alloc: copy row A_j to A'
121    * - If 2 players (i, k) share a same resource, assure fairness by adding a row in A' such as:
122    *   -  A_ji*rho_i - Ajk*rho_j = 0
123    *
124    * @param alloc for each resource, players that chose to saturate it
125    * @return Vector rho with "players' speed"
126    */
127   Eigen::VectorXd equilibrium(const allocation_map_t& alloc) const;
128
129   /**
130    * @brief Given a fair_sharing vector, gets the allocation
131    *
132    * The allocation for player i is given by: min(bound, f_j/A_ji).
133    * The minimum between all fair-sharing and the external bound (if any)
134    *
135    * The algorithm dictates a random initial allocation. For simplicity, we opt to use the same
136    * logic with the fair_sharing vector.
137    *
138    * @param fair_sharing Fair sharing vector
139    * @param initial Is this the initial allocation?
140    * @return allocation vector
141    */
142   bool get_alloc(const Eigen::VectorXd& fair_sharing, const allocation_map_t& last_alloc, allocation_map_t& alloc,
143                  bool initial);
144
145   bool disturb_allocation(allocation_map_t& alloc, std::vector<int>& alloc_by_player);
146   /**
147    * @brief Calculates the fair sharing for each resource
148    *
149    * Basically 3 options:
150    * 1) resource in allocation: A_ji*rho_i since all players who selected this resource have the same share
151    * 2) resource not selected by saturated (fully used): divide it by the number of players C_/n_players
152    * 3) resource not selected and not-saturated: no limitation
153    *
154    * @param alloc Allocation map (resource-> players)
155    * @param rho Speed for each player i
156    * @param fair_sharing Output vector, fair sharing for each resource j
157    */
158   void set_fair_sharing(const allocation_map_t& alloc, const Eigen::VectorXd& rho, Eigen::VectorXd& fair_sharing) const;
159
160   /**
161    * @brief Check if allocation is BMF
162    *
163    * To be a bmf allocation it must:
164    * - respect the capacity of all resources
165    * - saturate at least 1 resource
166    * - every player receives maximum share in at least 1 saturated resource
167    * @param rho Allocation
168    * @return true if BMF false otherwise
169    */
170   bool is_bmf(const Eigen::VectorXd& rho) const;
171   std::vector<int> alloc_map_to_vector(const allocation_map_t& alloc) const;
172
173   /**
174    * @brief Set of debug functions to print the different objects
175    */
176   template <typename T> std::string debug_eigen(const T& obj) const;
177   template <typename C> std::string debug_vector(const C& container) const;
178   std::string debug_alloc(const allocation_map_t& alloc) const;
179
180   Eigen::MatrixXd A_;    //!< A_ji: resource usage matrix, each row j represents a resource and col i a flow/player
181   Eigen::MatrixXd maxA_; //!< maxA_ji,  similar as A_, but containing the maximum consumption of player i (if player a
182                          //!< single flow it's equal to A_)
183   Eigen::VectorXd C_;    //!< C_j Capacity of each resource
184   std::vector<bool> C_shared_; //!< shared_j Resource j is shared or not
185   Eigen::VectorXd phi_;        //!< phi_i bound for each player
186
187   std::set<std::vector<int>> allocations_; //!< set of already tested allocations, since last identified loop
188   AllocationGenerator gen_;
189   static constexpr int NO_RESOURCE = -1;                    //!< flag to indicate player has selected no resource
190   int max_iteration_;                                       //!< number maximum of iterations of BMF algorithm
191 };
192
193 /**
194  * @beginrst
195  *
196  * A BMF (bottleneck max fairness) solver to resolve inequation systems.
197  *
198  * Usually, SimGrid relies on a *max-min fairness* solver to share the resources.
199  * Max-min is great when sharing homogenous resources, however it cannot be used with heterogeneous resources.
200  *
201  * BMF is a natural alternative to max-min, providing a fair-sharing of heterogeneous resources (CPU, network, disk).
202  * It is specially relevant for the implementation of parallel tasks whose sharing involves different
203  * kinds of resources.
204  *
205  * BMF assures that every flow receives the maximum share possible in at least 1 bottleneck (fully used) resource.
206  *
207  * The BMF is characterized by:
208  * - A_ji: a matrix of requirement for flows/player. For each resource j, and flow i, A_ji represents the utilization
209  * of resource j for 1 unit of the flow i.
210  * - rho_i: the rate allocated for flow i (same among all resources)
211  * - C_j: the capacity of each resource (can be bytes/s, flops/s, etc)
212  *
213  * Therefore, these conditions need to satisfied to an allocation be considered a BMF:
214  * 1) All constraints are respected (flows cannot use more than the resource has available)
215  *   - for all resource j and player i: A_ji * rho_i <= C_j
216  * 2) At least 1 resource is fully used (bottleneck).
217  *   - for some resource j: A_ji * rho_i = C_j
218  * 3) Each flow (player) receives the maximum share in at least 1 bottleneck.
219  *   - for all player i: exist a resource j: A_ji * rho_i >= A_jk * rho_k for all other player k
220  *
221  * Despite the prove of existence of a BMF allocation in the general case, it may not
222  * be unique, which leads to possible different rate for the applications.
223  *
224  * More details about BMF can be found at: https://hal.inria.fr/hal-01243985/document
225  *
226  * @endrst
227  */
228 /**
229  * @brief Bottleneck max-fair system
230  */
231 class XBT_PUBLIC BmfSystem : public System {
232 public:
233   using System::System;
234
235 private:
236   /** @brief Implements the solve method to calculate a BMF allocation */
237   void do_solve() final;
238   using allocation_map_t = std::unordered_map<int, std::unordered_set<int>>;
239   /**
240    * @brief Solve equation system to find a fair-sharing of resources
241    *
242    * @param cnst_list Constraint list (modified for selective update or active)
243    */
244   template <class CnstList> void bmf_solve(const CnstList& cnst_list);
245   /**
246    * @brief Iterates over system and build the consumption matrix A_ji and maxA_ji
247    *
248    * Each row j represents a resource and each col i a player/flow
249    *
250    * Considers only active variables to build the matrix.
251    *
252    * @param number_cnsts Number of constraints in the system
253    * @param A Consumption matrix (OUTPUT)
254    * @param maxA Max subflow consumption matrix (OUTPUT)
255    * @param phi Bounds for variables
256    */
257   void get_flows_data(Eigen::Index number_cnsts, Eigen::MatrixXd& A, Eigen::MatrixXd& maxA, Eigen::VectorXd& phi);
258   /**
259    * @brief Builds the vector C_ with resource's capacity
260    *
261    * @param cnst_list Constraint list (modified for selective update or active)
262    * @param C Resource capacity vector
263    * @param shared Resource is shared or not (fatpipe links)
264    */
265   template <class CnstList>
266   void get_constraint_data(const CnstList& cnst_list, Eigen::VectorXd& C, std::vector<bool>& shared);
267
268   std::unordered_map<int, Variable*> idx2Var_; //!< Map player index (and position in matrices) to system's variable
269   std::unordered_map<const Constraint*, int> cnst2idx_; //!< Conversely map constraint to index
270 };
271
272 } // namespace lmm
273 } // namespace kernel
274 } // namespace simgrid
275
276 #endif