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Fix SemWai::ReversibleRace()
[simgrid.git] / src / mc / explo / DFSExplorer.cpp
1 /* Copyright (c) 2016-2023. 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 "src/mc/explo/DFSExplorer.hpp"
7 #include "src/mc/mc_config.hpp"
8 #include "src/mc/mc_exit.hpp"
9 #include "src/mc/mc_private.hpp"
10 #include "src/mc/mc_record.hpp"
11 #include "src/mc/transition/Transition.hpp"
12
13 #include "xbt/log.h"
14 #include "xbt/string.hpp"
15 #include "xbt/sysdep.h"
16
17 #include <cassert>
18 #include <cstdio>
19
20 #include <algorithm>
21 #include <memory>
22 #include <string>
23 #include <unordered_set>
24 #include <vector>
25
26 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(mc_dfs, mc, "DFS exploration algorithm of the model-checker");
27
28 namespace simgrid::mc {
29
30 xbt::signal<void(RemoteApp&)> DFSExplorer::on_exploration_start_signal;
31 xbt::signal<void(RemoteApp&)> DFSExplorer::on_backtracking_signal;
32
33 xbt::signal<void(State*, RemoteApp&)> DFSExplorer::on_state_creation_signal;
34
35 xbt::signal<void(State*, RemoteApp&)> DFSExplorer::on_restore_system_state_signal;
36 xbt::signal<void(RemoteApp&)> DFSExplorer::on_restore_initial_state_signal;
37 xbt::signal<void(Transition*, RemoteApp&)> DFSExplorer::on_transition_replay_signal;
38 xbt::signal<void(Transition*, RemoteApp&)> DFSExplorer::on_transition_execute_signal;
39
40 xbt::signal<void(RemoteApp&)> DFSExplorer::on_log_state_signal;
41
42 RecordTrace DFSExplorer::get_record_trace() // override
43 {
44   RecordTrace res;
45
46   if (const auto trans = stack_.back()->get_transition_out(); trans != nullptr)
47     res.push_back(trans.get());
48   for (const auto* state = stack_.back().get(); state != nullptr; state = state->get_parent_state().get())
49     if (state->get_transition_in() != nullptr)
50       res.push_front(state->get_transition_in().get());
51
52   return res;
53 }
54
55 void DFSExplorer::restore_stack(std::shared_ptr<State> state)
56 {
57   stack_.clear();
58   execution_seq_     = odpor::Execution();
59   auto current_state = state;
60   stack_.emplace_front(current_state);
61   // condition corresponds to reaching initial state
62   while (current_state->get_parent_state() != nullptr) {
63     current_state = current_state->get_parent_state();
64     stack_.emplace_front(current_state);
65   }
66   XBT_DEBUG("Replaced stack by %s", get_record_trace().to_string().c_str());
67   if (reduction_mode_ == ReductionMode::sdpor || reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
68     // NOTE: The outgoing transition for the top-most state of the  stack refers to that which was taken
69     // as part of the last trace explored by the algorithm. Thus, only the sequence of transitions leading up to,
70     // but not including, the last state must be included when reconstructing the Exploration for SDPOR.
71     for (auto iter = std::next(stack_.begin()); iter != stack_.end(); ++iter) {
72       execution_seq_.push_transition((*iter)->get_transition_in());
73     }
74     XBT_DEBUG("Replaced SDPOR/ODPOR execution to reflect the new stack");
75   }
76 }
77
78 void DFSExplorer::log_state() // override
79 {
80   on_log_state_signal(get_remote_app());
81   XBT_INFO("DFS exploration ended. %ld unique states visited; %lu backtracks (%lu transition replays, %lu states "
82            "visited overall)",
83            State::get_expanded_states(), backtrack_count_, Transition::get_replayed_transitions(),
84            visited_states_count_);
85   Exploration::log_state();
86 }
87
88 void DFSExplorer::run()
89 {
90   on_exploration_start_signal(get_remote_app());
91   /* This function runs the DFS algorithm the state space.
92    * We do so iteratively instead of recursively, dealing with the call stack manually.
93    * This allows one to explore the call stack at will. */
94
95   while (not stack_.empty()) {
96     /* Get current state */
97     auto state = stack_.back();
98
99     XBT_DEBUG("**************************************************");
100     XBT_DEBUG("Exploration depth=%zu (state:#%ld; %zu interleaves todo)", stack_.size(), state->get_num(),
101               state->count_todo());
102
103     visited_states_count_++;
104
105     // Backtrack if we reached the maximum depth
106     if (stack_.size() > (std::size_t)_sg_mc_max_depth) {
107       if (reduction_mode_ == ReductionMode::dpor) {
108         XBT_ERROR("/!\\ Max depth of %d reached! THIS WILL PROBABLY BREAK the dpor reduction /!\\",
109                   _sg_mc_max_depth.get());
110         XBT_ERROR("/!\\ If bad things happen, disable dpor with --cfg=model-check/reduction:none /!\\");
111       } else if (reduction_mode_ == ReductionMode::sdpor || reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
112         XBT_ERROR("/!\\ Max depth of %d reached! THIS **WILL** BREAK the reduction, which is not sound "
113                   "when stopping at a fixed depth /!\\",
114                   _sg_mc_max_depth.get());
115         XBT_ERROR("/!\\ If bad things happen, disable the reduction with --cfg=model-check/reduction:none /!\\");
116       } else {
117         XBT_WARN("/!\\ Max depth reached ! /!\\ ");
118       }
119       this->backtrack();
120       continue;
121     }
122
123     if (reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
124       // In the case of ODPOR, the wakeup tree for this state may be empty if we're exploring new territory
125       // (rather than following the partial execution of a wakeup tree). This corresponds to lines 9 to 13 of
126       // the ODPOR pseudocode
127       //
128       // INVARIANT: The execution sequence should be consistent with the state when seeding the tree. If the sequence
129       // gets out of sync with the state, selection will not work as we intend
130       state->seed_wakeup_tree_if_needed(execution_seq_);
131     }
132
133     // Search for the next transition
134     // next_transition returns a pair<aid_t, int>
135     // in case we want to consider multiple states (eg. during backtrack)
136     const aid_t next = reduction_mode_ == ReductionMode::odpor ? state->next_odpor_transition()
137                                                                : std::get<0>(state->next_transition_guided());
138
139     if (next < 0) { // If there is no more transition in the current state, backtrack.
140       XBT_VERB("%lu actors remain, but none of them need to be interleaved (depth %zu).", state->get_actor_count(),
141                stack_.size() + 1);
142
143       if (state->get_actor_count() == 0) {
144         get_remote_app().finalize_app();
145         XBT_VERB("Execution came to an end at %s (state: %ld, depth: %zu)", get_record_trace().to_string().c_str(),
146                  state->get_num(), stack_.size());
147       }
148
149       this->backtrack();
150       continue;
151     }
152
153     if (XBT_LOG_ISENABLED(mc_dfs, xbt_log_priority_verbose)) {
154       XBT_VERB("Sleep set actually containing:");
155       for (const auto& [aid, transition] : state->get_sleep_set())
156         XBT_VERB("  <%ld,%s>", aid, transition->to_string().c_str());
157     }
158
159     auto todo = state->get_actors_list().at(next).get_transition();
160     XBT_DEBUG("wanna execute %ld: %.60s", next, todo->to_string().c_str());
161
162     /* Actually answer the request: let's execute the selected request (MCed does one step) */
163     auto executed_transition = state->execute_next(next, get_remote_app());
164     on_transition_execute_signal(state->get_transition_out().get(), get_remote_app());
165
166     // If there are processes to interleave and the maximum depth has not been
167     // reached then perform one step of the exploration algorithm.
168     XBT_VERB("Executed %ld: %.60s (stack depth: %zu, state: %ld, %zu interleaves)", state->get_transition_out()->aid_,
169              state->get_transition_out()->to_string().c_str(), stack_.size(), state->get_num(), state->count_todo());
170
171     /* Create the new expanded state (copy the state of MCed into our MCer data) */
172     auto next_state = std::make_shared<State>(get_remote_app(), state);
173     on_state_creation_signal(next_state.get(), get_remote_app());
174
175     if (reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
176       // With ODPOR, after taking a step forward, we must assign a copy of that subtree to the next state.
177       //
178       // NOTE: We only add actions to the sleep set AFTER we've regenerated states. We must perform the search
179       // fully down a single path before we consider adding any elements to the sleep set according to the pseudocode
180       next_state->sprout_tree_from_parent_state();
181     } else {
182       /* Sleep set procedure:
183        * adding the taken transition to the sleep set of the original state.
184        * <!> Since the parent sleep set is used to compute the child sleep set, this need to be
185        * done after next_state creation */
186       XBT_DEBUG("Marking Transition >>%s<< of process %ld done and adding it to the sleep set",
187                 state->get_transition_out()->to_string().c_str(), state->get_transition_out()->aid_);
188       state->add_sleep_set(
189           state->get_transition_out()); // Actors are marked done when they are considered in ActorState
190     }
191
192     /* DPOR persistent set procedure:
193      * for each new transition considered, check if it depends on any other previous transition executed before it
194      * on another process. If there exists one, find the more recent, and add its process to the interleave set.
195      * If the process is not enabled at this  point, then add every enabled process to the interleave */
196     if (reduction_mode_ == ReductionMode::dpor) {
197       aid_t issuer_id   = state->get_transition_out()->aid_;
198       stack_t tmp_stack = stack_;
199       while (not tmp_stack.empty()) {
200         if (const State* prev_state = tmp_stack.back().get();
201             state->get_transition_out()->aid_ == prev_state->get_transition_out()->aid_) {
202           XBT_DEBUG("Simcall >>%s<< and >>%s<< with same issuer %ld", state->get_transition_out()->to_string().c_str(),
203                     prev_state->get_transition_out()->to_string().c_str(), issuer_id);
204           tmp_stack.pop_back();
205           continue;
206         } else if (prev_state->get_transition_out()->depends(state->get_transition_out().get())) {
207           XBT_VERB("Dependent Transitions:");
208           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", prev_state->get_transition_out()->aid_,
209                    prev_state->get_transition_out()->to_string().c_str(), prev_state->get_num());
210           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", state->get_transition_out()->aid_,
211                    state->get_transition_out()->to_string().c_str(), state->get_num());
212
213           if (prev_state->is_actor_enabled(issuer_id)) {
214             if (not prev_state->is_actor_done(issuer_id)) {
215               prev_state->consider_one(issuer_id);
216               opened_states_.emplace_back(tmp_stack.back());
217             } else
218               XBT_DEBUG("Actor %ld is already in done set: no need to explore it again", issuer_id);
219           } else {
220             XBT_DEBUG("Actor %ld is not enabled: DPOR may be failing. To stay sound, we are marking every enabled "
221                       "transition as todo",
222                       issuer_id);
223             // If we ended up marking at least a transition, explore it at some point
224             if (prev_state->consider_all() > 0)
225               opened_states_.emplace_back(tmp_stack.back());
226           }
227           break;
228         } else {
229           XBT_VERB("INDEPENDENT Transitions:");
230           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", prev_state->get_transition_out()->aid_,
231                    prev_state->get_transition_out()->to_string().c_str(), prev_state->get_num());
232           XBT_VERB(" #%ld %s (state=%ld)", state->get_transition_out()->aid_,
233                    state->get_transition_out()->to_string().c_str(), state->get_num());
234         }
235         tmp_stack.pop_back();
236       }
237     } else if (reduction_mode_ == ReductionMode::sdpor) {
238       /**
239        * SDPOR Source Set Procedure:
240        *
241        * Find "reversible races" in the current execution `E` with respect to the latest action `p`. For each such race,
242        * determine one thread not contained in the backtrack set at the "race point" `r` which "represents" the trace
243        * formed by first executing everything after `r` that doesn't depend on it (`v := notdep(r, E)`) and then `p` to
244        * flip the race.
245        *
246        * The intuition is that some subsequence of `v` may enable `p`, so we want to be sure that search "in that
247        * direction"
248        */
249       execution_seq_.push_transition(std::move(executed_transition));
250       xbt_assert(execution_seq_.get_latest_event_handle().has_value(), "No events are contained in the SDPOR execution "
251                                                                        "even though one was just added");
252
253       const auto next_E_p = execution_seq_.get_latest_event_handle().value();
254       for (const auto e_race : execution_seq_.get_reversible_races_of(next_E_p)) {
255         State* prev_state  = stack_[e_race].get();
256         const auto choices = execution_seq_.get_missing_source_set_actors_from(e_race, prev_state->get_backtrack_set());
257         if (not choices.empty()) {
258           // NOTE: To incorporate the idea of attempting to select the "best" backtrack point into SDPOR, instead of
259           // selecting the `first` initial, we should instead compute all choices and decide which is best
260           //
261           // Here, we choose the actor with the lowest ID to ensure we get deterministic results
262           const auto q =
263               std::min_element(choices.begin(), choices.end(), [](const aid_t a1, const aid_t a2) { return a1 < a2; });
264           prev_state->consider_one(*q);
265           opened_states_.emplace_back(std::move(prev_state));
266         }
267       }
268     } else if (reduction_mode_ == ReductionMode::odpor) {
269       // In the case of ODPOR, we simply observe the transition that was executed until we've reached a maximal trace
270       execution_seq_.push_transition(std::move(executed_transition));
271     }
272
273     // Before leaving that state, if the transition we just took can be taken multiple times, we
274     // need to give it to the opened states
275     if (stack_.back()->count_todo_multiples() > 0)
276       opened_states_.emplace_back(stack_.back());
277
278     stack_.emplace_back(std::move(next_state));
279
280     /* If this is a new state (or if we don't care about state-equality reduction) */
281     /* Get an enabled process and insert it in the interleave set of the next state */
282     if (reduction_mode_ == ReductionMode::dpor)
283       stack_.back()->consider_best(); // Take only one transition if DPOR: others may be considered later if required
284     else {
285       stack_.back()->consider_all();
286     }
287
288     dot_output("\"%ld\" -> \"%ld\" [%s];\n", state->get_num(), stack_.back()->get_num(),
289                state->get_transition_out()->dot_string().c_str());
290   }
291   log_state();
292 }
293
294 std::shared_ptr<State> DFSExplorer::best_opened_state()
295 {
296   int best_prio = 0; // cache the value for the best priority found so far (initialized to silence gcc)
297   auto best     = end(opened_states_);   // iterator to the state to explore having the best priority
298   auto valid    = begin(opened_states_); // iterator marking the limit between states still to explore, and already
299                                          // explored ones
300
301   // Keep only still non-explored states (aid != -1), and record the one with the best (greater) priority.
302   for (auto current = begin(opened_states_); current != end(opened_states_); ++current) {
303     auto [aid, prio] = (*current)->next_transition_guided();
304     if (aid == -1)
305       continue;
306     if (valid != current)
307       *valid = std::move(*current);
308     if (best == end(opened_states_) || prio < best_prio) {
309       best_prio = prio;
310       best      = valid;
311     }
312     ++valid;
313   }
314
315   std::shared_ptr<State> best_state;
316   if (best < valid) {
317     // There are non-explored states, and one of them has the best priority.  Remove it from opened_states_ before
318     // returning.
319     best_state = std::move(*best);
320     --valid;
321     if (best != valid)
322       *best = std::move(*valid);
323   }
324   opened_states_.erase(valid, end(opened_states_));
325
326   return best_state;
327 }
328
329 std::shared_ptr<State> DFSExplorer::next_odpor_state()
330 {
331   for (auto iter = stack_.rbegin(); iter != stack_.rend(); ++iter) {
332     const auto& state = *iter;
333     state->do_odpor_unwind();
334     XBT_DEBUG("\tPerformed ODPOR 'clean-up'. Sleep set has:");
335     for (const auto& [aid, transition] : state->get_sleep_set())
336       XBT_DEBUG("\t  <%ld,%s>", aid, transition->to_string().c_str());
337     if (not state->has_empty_tree()) {
338       return state;
339     }
340   }
341   return nullptr;
342 }
343
344 void DFSExplorer::backtrack()
345 {
346   if (const auto last_event = execution_seq_.get_latest_event_handle();
347       reduction_mode_ == ReductionMode::odpor and last_event.has_value()) {
348     /**
349      * ODPOR Race Detection Procedure:
350      *
351      * For each reversible race in the current execution, we note if there are any continuations `C` equivalent to that
352      * which would reverse the race that have already either a) been searched by ODPOR or b) been *noted* to be searched
353      * by the wakeup tree at the appropriate reversal point, either as `C` directly or an as equivalent to `C`
354      * ("eventually looks like C", viz. the `~_E` relation)
355      */
356     for (auto e_prime = static_cast<odpor::Execution::EventHandle>(0); e_prime <= last_event.value(); ++e_prime) {
357       for (const auto e : execution_seq_.get_reversible_races_of(e_prime)) {
358         XBT_DEBUG("ODPOR: Reversible race detected between events `%u` and `%u`", e, e_prime);
359         State& prev_state = *stack_[e];
360         if (const auto v = execution_seq_.get_odpor_extension_from(e, e_prime, prev_state); v.has_value()) {
361           switch (prev_state.insert_into_wakeup_tree(v.value(), execution_seq_.get_prefix_before(e))) {
362             case odpor::WakeupTree::InsertionResult::root: {
363               XBT_DEBUG("ODPOR: Reversible race with `%u` unaccounted for in the wakeup tree for "
364                         "the execution prior to event `%u`:",
365                         e_prime, e);
366               break;
367             }
368             case odpor::WakeupTree::InsertionResult::interior_node: {
369               XBT_DEBUG("ODPOR: Reversible race with `%u` partially accounted for in the wakeup tree for "
370                         "the execution prior to event `%u`:",
371                         e_prime, e);
372               break;
373             }
374             case odpor::WakeupTree::InsertionResult::leaf: {
375               XBT_DEBUG("ODPOR: Reversible race with `%u` accounted for in the wakeup tree for "
376                         "the execution prior to event `%u`:",
377                         e_prime, e);
378               break;
379             }
380           }
381           for (const auto& seq : simgrid::mc::odpor::get_textual_trace(v.value())) {
382             XBT_DEBUG(" %s", seq.c_str());
383           }
384         } else {
385           XBT_DEBUG("ODPOR: Ignoring race: `sleep(E')` intersects `WI_[E'](v := notdep(%u, E))`", e);
386           XBT_DEBUG("Sleep set contains:");
387           for (const auto& [aid, transition] : prev_state.get_sleep_set())
388             XBT_DEBUG("  <%ld,%s>", aid, transition->to_string().c_str());
389         }
390       }
391     }
392   }
393
394   XBT_VERB("Backtracking from %s", get_record_trace().to_string().c_str());
395   XBT_DEBUG("%lu alternatives are yet to be explored:", opened_states_.size());
396
397   on_backtracking_signal(get_remote_app());
398   get_remote_app().check_deadlock();
399
400   // Take the point with smallest distance
401   auto backtracking_point = reduction_mode_ == ReductionMode::odpor ? next_odpor_state() : best_opened_state();
402
403   // if no backtracking point, then set the stack_ to empty so we can end the exploration
404   if (not backtracking_point) {
405     XBT_DEBUG("No more opened point of exploration, the search will end");
406     stack_.clear();
407     return;
408   }
409
410   // We found a backtracking point, let's go to it
411   backtrack_count_++;
412   XBT_DEBUG("Backtracking to state#%ld", backtracking_point->get_num());
413
414   // Search how to restore the backtracking point
415   std::deque<Transition*> replay_recipe;
416   for (auto* s = backtracking_point.get(); s != nullptr; s = s->get_parent_state().get()) {
417     if (s->get_transition_in() != nullptr) // The root has no transition_in
418       replay_recipe.push_front(s->get_transition_in().get());
419   }
420
421   // Restore the initial state if no intermediate state was found
422   get_remote_app().restore_initial_state();
423   on_restore_initial_state_signal(get_remote_app());
424
425   /* if no snapshot, we need to restore the initial state and replay the transitions */
426   /* Traverse the stack from the state at position start and re-execute the transitions */
427   for (auto& transition : replay_recipe) {
428     transition->replay(get_remote_app());
429     on_transition_replay_signal(transition, get_remote_app());
430     visited_states_count_++;
431   }
432   this->restore_stack(backtracking_point);
433 }
434
435 DFSExplorer::DFSExplorer(const std::vector<char*>& args, ReductionMode mode) : Exploration(args), reduction_mode_(mode)
436 {
437   XBT_INFO("Start a DFS exploration. Reduction is: %s.", to_c_str(reduction_mode_));
438
439   auto initial_state = std::make_shared<State>(get_remote_app());
440
441   XBT_DEBUG("**************************************************");
442
443   stack_.emplace_back(std::move(initial_state));
444
445   /* Get an enabled actor and insert it in the interleave set of the initial state */
446   XBT_DEBUG("Initial state. %lu actors to consider", stack_.back()->get_actor_count());
447   if (reduction_mode_ == ReductionMode::dpor)
448     stack_.back()->consider_best();
449   else {
450     stack_.back()->consider_all();
451   }
452   if (stack_.back()->count_todo_multiples() > 1)
453     opened_states_.emplace_back(stack_.back());
454 }
455
456 Exploration* create_dfs_exploration(const std::vector<char*>& args, ReductionMode mode)
457 {
458   return new DFSExplorer(args, mode);
459 }
460
461 } // namespace simgrid::mc