Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Public GIT Repository
5b52fe1e3ea973bf992dddaffd725e8252ad4f05
[simgrid.git] / docs / source / Tutorial_Algorithms.rst
1 .. _usecase_simalgo:
2
3 Simulating Algorithms
4 =====================
5
6 SimGrid was conceived as a tool to study distributed algorithms. Its
7 :ref:`S4U interface <S4U_doc>` makes it easy to assess Cloud,
8 P2P, HPC, IoT, and other similar settings (:ref:`more info <index>`).
9
10 A typical SimGrid simulation is composed of several |Actors|_, that
11 execute user-provided functions. The actors have to explicitly use the
12 S4U interface to express their computation, communication, disk usage,
13 and other |Activities|_ so that they get reflected within the
14 simulator. These activities take place on **Resources** (|Hosts|_,
15 |Links|_, |Disks|_). SimGrid predicts the time taken by each
16 activity and orchestrates accordingly the actors waiting for the
17 completion of these activities.
18
19 Each actor executes a user-provided function on a simulated |Host|_
20 with which it can interact. Communications are not directly sent to
21 actors, but posted onto a |Mailbox|_ that serves as a rendez-vous point
22 between communicating actors.
23
24 .. |Actors| replace:: **Actors**
25 .. _Actors: app_s4u.html#s4u-actor
26
27 .. |Activities| replace:: **Activities**
28 .. _Activities: app_s4u.html#s4u-activity
29
30 .. |Hosts| replace:: **Hosts**
31 .. _Hosts: app_s4u.html#s4u-host
32
33 .. |Links| replace:: **Links**
34 .. _Links: app_s4u.html#s4u-link
35
36 .. |Disks| replace:: **Disks**
37 .. _Disks: app_s4u.html#s4u-disk
38
39 .. |VirtualMachines| replace:: **VirtualMachines**
40 .. _VirtualMachines: app_s4u.html#s4u-virtualmachine
41
42 .. |Host| replace:: **Host**
43 .. _Host: app_s4u.html#s4u-host
44
45 .. |Link| replace:: **Link**
46 .. _Link: app_s4u.html#s4u-link
47
48 .. |Mailbox| replace:: **Mailbox**
49 .. _Mailbox: app_s4u.html#s4u-mailbox
50
51 .. |Barrier| replace:: **Barrier**
52 .. _Barrier: app_s4u.html#s4u-barrier
53
54 .. |ConditionVariable| replace:: **ConditionVariable**
55 .. _ConditionVariable: app_s4u.html#s4u-conditionvariable
56
57 .. |Mutex| replace:: **Mutex**
58 .. _Mutex: app_s4u.html#s4u-mutex
59
60 **In the remainder of this tutorial**, you will discover a simple yet
61 fully-functioning example of SimGrid simulation: the Master/Workers
62 application. We will detail each part of the code and the necessary
63 configuration to make it work.  After this tour, several exercises
64 are proposed to let you discover some of the SimGrid features, hands
65 on the keyboard. This practical session will be given in C++ or Python, 
66 which you are supposed to know beforehand.
67
68
69 Discover the Master/Workers
70 ---------------------------
71
72 This section introduces an example of SimGrid simulation. This
73 simple application is composed of two kinds of actors: the **master**
74 is in charge of distributing some computational tasks to a set of
75 **workers** that execute them.
76
77 .. image:: /tuto_s4u/img/intro.svg
78    :align: center
79
80 The provided code dispatches these tasks in `round-robin scheduling <https://en.wikipedia.org/wiki/Round-robin_scheduling>`_, 
81 i.e. in circular order: tasks are dispatched to each worker one after the other, until all tasks are dispatched.
82 You will improve this scheme later in this tutorial.
83
84 The Actors
85 ..........
86
87 Let's start with the code of the master. It is represented by the
88 *master* function below. This simple function takes at least 3
89 parameters (the number of tasks to dispatch, their computational size
90 in flops to compute, and their communication size in bytes to
91 exchange). Every parameter after the third one must be the name of a
92 host on which a worker is waiting for something to compute.
93
94 Then, the tasks are sent one after the other, each on a mailbox named
95 after the worker's hosts. On the other side, a given worker (which
96 code is given below) waits for incoming tasks on its mailbox.
97
98
99 In the end, once all tasks are dispatched, the master dispatches
100 another task per worker, but this time with a negative amount of flops
101 to compute. Indeed, this application decided by convention, that the
102 workers should stop when encountering such a negative compute_size.
103
104    .. tabs::
105
106       .. group-tab:: C++
107
108          At the end of the day, the only SimGrid specific functions used in
109          this example are :cpp:func:`simgrid::s4u::Mailbox::by_name` (to retrieve or create a mailbox) and
110          :cpp:func:`simgrid::s4u::Mailbox::put` (so send something over a mailbox). Also, :c:macro:`XBT_INFO` is used
111          as a replacement to ``printf()`` or ``std::cout`` to ensure that the messages
112          are nicely logged along with the simulated time and actor name.
113
114          .. literalinclude:: ../../examples/cpp/app-masterworkers/s4u-app-masterworkers-fun.cpp
115             :language: c++
116             :start-after: master-begin
117             :end-before: master-end
118
119       .. group-tab:: Python
120
121          At the end of the day, the only SimGrid specific functions used in
122          this example are :py:func:`simgrid.Mailbox.by_name` (to retrieve or create a mailbox) and
123          :py:func:`simgrid.Mailbox.put` (so send something over a mailbox). Also, :py:func:`simgrid.this_actor.info` is used
124          as a replacement to `print` to ensure that the messages
125          are nicely logged along with the simulated time and actor name.
126
127          .. literalinclude:: ../../examples/python/app-masterworkers/app-masterworkers.py
128             :language: python
129             :start-after: master-begin
130             :end-before: master-end
131
132 Then comes the code of the worker actors. This function expects no
133 parameter from its vector of strings. Its code is very simple: it
134 expects messages on the mailbox that is named after its host. As long as it gets valid
135 computation requests (whose compute_amount is positive), it computes
136 this task and waits for the next one.
137
138 .. tabs::
139
140    .. group-tab:: C++
141
142       The worker retrieves its own host with
143       :cpp:func:`simgrid::s4u::this_actor::get_host`. The
144       :ref:`simgrid::s4u::this_actor <API_s4u_this_actor>`
145       namespace contains many such helping functions.
146
147       .. literalinclude:: ../../examples/cpp/app-masterworkers/s4u-app-masterworkers-fun.cpp
148          :language: c++
149          :start-after: worker-begin
150          :end-before: worker-end
151
152    .. group-tab:: Python
153
154       The worker retrieves its own host with :py:func:`simgrid.this_actor.get_host`. The
155       :ref:`this_actor <API_s4u_this_actor>` object contains many such helping functions.
156
157       .. literalinclude:: ../../examples/python/app-masterworkers/app-masterworkers.py
158          :language: python
159          :start-after: worker-begin
160          :end-before: worker-end
161
162 Starting the Simulation
163 .......................
164
165 And this is it. In only a few lines, we defined the algorithm of our master/workers example.
166
167 .. tabs::
168
169    .. group-tab:: C++
170
171       That being said, an algorithm alone is not enough to define a
172       simulation: SimGrid is a library, not a program. So you need to define
173       your own ``main()`` function as follows. This function is in charge of
174       creating a SimGrid simulation engine (on line 3), register the actor
175       functions to the engine (on lines 7 and 8), load the simulated platform
176       from its description file (on line 11), map actors onto that platform
177       (on line 12) and run the simulation until its completion on line 15.
178
179       .. literalinclude:: ../../examples/cpp/app-masterworkers/s4u-app-masterworkers-fun.cpp
180          :language: c++
181          :start-after: main-begin
182          :end-before: main-end
183          :linenos:
184
185    .. group-tab:: Python
186
187       That being said, an algorithm alone is not enough to define a simulation: 
188       you need a main block to setup the simulation and its components as follows.
189       This code creates a SimGrid simulation engine (on line 4), registers the actor
190       functions to the engine (on lines 7 and 8), loads the simulated platform
191       from its description file (on line 11), map actors onto that platform
192       (on line 12) and run the simulation until its completion on line 15.
193
194       .. literalinclude:: ../../examples/python/app-masterworkers/app-masterworkers.py
195          :language: python
196          :start-after: main-begin
197          :end-before: main-end
198          :linenos:
199
200 Finally, this example requires a platform file and a deployment file.
201
202 Platform File
203 .............
204
205 Platform files define the simulated platform on which the provided
206 application will take place. It contains one or several **Network
207 Zone** |api_s4u_NetZone|_ that contains both |Host|_ and |Link|_
208 Resources, as well as routing information.
209
210 Such files can get rather long and boring, so the example below is
211 only an excerpt of the full ``examples/platforms/small_platform.xml``
212 file. For example, most routing information is missing, and only the
213 route between the hosts Tremblay and Fafard is given. This path
214 traverses 6 links (named 4, 3, 2, 0, 1, and 8). There are several
215 examples of platforms in the archive under ``examples/platforms``.
216
217 .. |api_s4u_NetZone| image:: /img/extlink.png
218    :align: middle
219    :width: 12
220 .. _api_s4u_NetZone: app_s4u.html#s4u-netzone
221
222 .. |api_s4u_Link| image:: /img/extlink.png
223    :align: middle
224    :width: 12
225 .. _api_s4u_Link: app_s4u.html#s4u-link
226
227 .. literalinclude:: ../../examples/platforms/small_platform.xml
228    :language: xml
229    :lines: 1-10,12-20,56-62,192-
230    :caption: (excerpts of the small_platform.xml file)
231
232 Deployment File
233 ...............
234
235 Deployment files specify the execution scenario: it lists the actors
236 that should be started, along with their parameters. In the following
237 example, we start 6 actors: one master and 5 workers.
238
239 .. literalinclude:: ../../examples/cpp/app-masterworkers/s4u-app-masterworkers_d.xml
240    :language: xml
241
242 Execution Example
243 .................
244
245 This time, we have all parts: once the program is compiled, we can execute it as follows.
246
247 .. tabs::
248
249    .. group-tab:: C++
250
251       Note how the :c:macro:`XBT_INFO` requests turned into informative messages.
252
253       .. "WARNING: non-whitespace stripped by dedent" is expected here as we remove the $ marker this way
254
255       .. literalinclude:: ../../examples/cpp/app-masterworkers/s4u-app-masterworkers.tesh
256          :language: shell
257          :start-after: s4u-app-masterworkers-fun
258          :prepend: $$$ ./masterworkers platform.xml deploy.xml
259          :append: $$$
260          :dedent: 2
261
262    .. group-tab:: Python
263
264       Note how the :py:func:`simgrid.this_actor.info` calls turned into informative messages.
265
266       .. literalinclude:: ../../examples/python/app-masterworkers/app-masterworkers.tesh
267          :language: shell
268          :start-after: app-masterworkers_d.xml
269          :prepend: $$$ python ./app-masterworkers.py platform.xml deploy.xml
270          :append: $$$
271          :dedent: 2
272
273 Each example included in the SimGrid distribution comes with a `tesh`
274 file that presents how to start the example once compiled, along with
275 the expected output. These files are used for the automatic testing of
276 the framework but can be used to see the examples' output without
277 compiling them. See e.g. the file
278 `examples/cpp/app-masterworkers/s4u-app-masterworkers.tesh <https://framagit.org/simgrid/simgrid/-/blob/master/examples/cpp/app-masterworkers/s4u-app-masterworkers.tesh>`_.
279 Lines starting with `$` are the commands to execute;
280 lines starting with `>` are the expected output of each command, while
281 lines starting with `!` are configuration items for the test runner.
282
283
284 Improve it Yourself
285 -------------------
286
287 In this section, you will modify the example presented earlier to
288 explore the quality of the proposed algorithm. It already works, and
289 the simulation prints things, but the truth is that we have no idea of
290 whether this is a good algorithm to dispatch tasks to the workers.
291 This very simple setting raises many interesting questions:
292
293 .. image:: /tuto_s4u/img/question.svg
294    :align: center
295
296 - Which algorithm should the master use? Or should the worker decide
297   by themselves?
298
299     Round Robin is not an efficient algorithm when all tasks are not
300     processed at the same speed.  It would probably be more efficient
301     if the workers were asking for tasks when ready.
302
303 - Should tasks be grouped in batches or sent separately?
304
305     The workers will starve if they don't get the tasks fast
306     enough. One possibility to reduce latency would be to send tasks
307     in pools instead of one by one. But if the pools are too big, the
308     load balancing will likely get uneven, in particular when
309     distributing the last tasks.
310
311 - How does the quality of such an algorithm dependent on the platform
312   characteristics and on the task characteristics?
313
314     Whenever the input communication time is very small compared to
315     processing time and workers are homogeneous, it is likely that the
316     round-robin algorithm performs very well. Would it still hold true
317     when transfer time is not negligible? What if some tasks are
318     performed faster on some specific nodes?
319
320 - The network topology interconnecting the master and the workers
321   may be quite complicated. How does such a topology impact the
322   previous result?
323
324     When data transfers are the bottleneck, it is likely that good
325     modeling of the platform becomes essential. The SimGrid platform
326     models are particularly handy to account for complex platform
327     topologies.
328
329 - What is the best applicative topology?
330
331     Is a flat master-worker deployment sufficient? Should we go for a
332     hierarchical algorithm, with some forwarders taking large pools of
333     tasks from the master, each of them distributing their tasks to a
334     sub-pool of workers? Or should we introduce super-peers,
335     duplicating the master's role in a peer-to-peer manner?  Do the
336     algorithms require a perfect knowledge of the network?
337
338 - How is such an algorithm sensitive to external workload variation?
339
340     What if bandwidth, latency, and computing speed can vary with no
341     warning?  Shouldn't you study whether your algorithm is sensitive
342     to such load variations?
343
344 - Although an algorithm may be more efficient than another, how does
345   it interfere with unrelated applications executing on the same
346   facilities?
347
348 **SimGrid was invented to answer such questions.** Do not believe the
349 fools saying that all you need to study such settings is a simple
350 discrete event simulator. Do you really want to reinvent the wheel,
351 debug and optimize your own tool, and validate its models against real
352 settings for ages, or do you prefer to sit on the shoulders of a
353 giant? With SimGrid, you can focus on your algorithm. The whole
354 simulation mechanism is already working.
355
356 Here is the visualization of a SimGrid simulation of two master-worker
357 applications (one in light gray and the other in dark gray) running in
358 concurrence and showing resource usage over a long period of time. It
359 was obtained with the Triva software.
360
361 .. image:: /tuto_s4u/img/result.png
362    :align: center
363
364 Using Docker
365 ............
366
367 The easiest way to take the tutorial is to use the dedicated Docker image. 
368 Once you `installed Docker itself <https://docs.docker.com/install/>`_, simply do the following:
369
370 .. code-block:: console
371
372    $ docker pull simgrid/tuto-s4u
373    $ mkdir ~/simgrid-tutorial
374    $ docker run --user $UID:$GID -it --rm --name simgrid --volume ~/simgrid-tutorial:/source/tutorial simgrid/tuto-s4u bash
375
376 This will start a new container with all you need to take this
377 tutorial, and create a ``simgrid-tutorial`` directory in your home on
378 your host machine that will be visible as ``/source/tutorial`` within the
379 container.  You can then edit the files you want with your favorite
380 editor in ``~/simgrid-tutorial``, and compile them within the
381 container to enjoy the provided dependencies.
382
383 .. warning::
384
385    Any change to the container out of ``/source/tutorial`` will be lost
386    when you log out of the container, so don't edit the other files!
387
388 All needed dependencies are already installed in this container
389 (SimGrid, a C++ compiler, CMake, pajeng, and R). Vite being only
390 optional in this tutorial, it is not installed to reduce the image
391 size.
392
393 The docker does not run as root, so that the files can easily be exchanged between within the container and the outer world.
394 If you need to run a command as root within the container, simply type the following in another terminal to join the same container as root:
395
396 .. code-block:: console
397
398    $ docker container ls
399    # This lists all containers running on your machine. For example:
400    #    CONTAINER ID   IMAGE            COMMAND   CREATED         STATUS         PORTS     NAMES
401    #    7e921b1b18a7   simgrid/stable   "bash"    7 minutes ago   Up 7 minutes             adoring_shamir
402    
403    $ docker exec --user 0:0 -it {container_name} bash
404    # In the previous example, container_name was "adoring_shamir"
405
406 The code template is available under ``/source/simgrid-template-s4u.git``
407 in the image. You should copy it to your working directory and
408 recompile it when you first log in:
409
410 .. code-block:: console
411
412    $ cp -r /source/simgrid-template-s4u.git/* /source/tutorial
413    $ cd /source/tutorial
414    $ cmake .
415    $ make
416
417 Using your Computer Natively
418 ............................
419
420 .. tabs::
421
422    .. group-tab:: C++
423
424       To take the tutorial on your machine, you first need to :ref:`install
425       a recent version of SimGrid <install>`, a C++ compiler, and also
426       ``pajeng`` to visualize the traces. You may want to install `Vite
427       <http://vite.gforge.inria.fr/>`_ to get a first glance at the traces.
428       The provided code template requires CMake to compile. On Debian and
429       Ubuntu for example, you can get them as follows:
430
431       .. code-block:: console
432
433          $ sudo apt install simgrid pajeng cmake g++ vite
434
435       An initial version of the source code is provided on framagit. This
436       template compiles with CMake. If SimGrid is correctly installed, you
437       should be able to clone the `repository
438       <https://framagit.org/simgrid/simgrid-template-s4u>`_ and recompile
439       everything as follows:
440
441       .. code-block:: console
442
443          # (exporting SimGrid_PATH is only needed if SimGrid is installed in a non-standard path)
444          $ export SimGrid_PATH=/where/to/simgrid
445
446          $ git clone https://framagit.org/simgrid/simgrid-template-s4u.git
447          $ cd simgrid-template-s4u/
448          $ cmake .
449          $ make
450
451       If you struggle with the compilation, then you should double-check
452       your :ref:`SimGrid installation <install>`.  On need, please refer to
453       the :ref:`Troubleshooting your Project Setup
454       <install_yours_troubleshooting>` section.
455
456    .. group-tab:: Python
457
458       To take the tutorial on your machine, you first need to :ref:`install
459       a recent version of SimGrid <install>` and ``pajeng`` to visualize the 
460       traces. You may want to install `Vite <http://vite.gforge.inria.fr/>`_ to get a first glance at the traces.
461       On Debian and Ubuntu for example, you can get them as follows:
462
463       .. code-block:: console
464
465          $ sudo apt install simgrid pajeng vite
466
467       An initial version of the source code is provided on framagit. 
468       If SimGrid is correctly installed, you should be able to clone the `repository
469       <https://framagit.org/simgrid/simgrid-template-s4u>`_ and execute it as follows:
470
471       .. code-block:: console
472
473          $ git clone https://framagit.org/simgrid/simgrid-template-s4u.git
474          $ cd simgrid-template-s4u/
475          $ python master-workers.py small_platform.xml master-workers_d.xml
476
477       If you get some errors, then you should double-check
478       your :ref:`SimGrid installation <install>`.  On need, please refer to
479       the :ref:`Troubleshooting your Project Setup <install_yours_troubleshooting>` section.
480
481 .. warning::
482
483    If you use the stable version of Debian 11, Ubuntu 21.04 or Ubuntu 21.10, then you need the right version of this tutorial 
484    (add ``--branch simgrid-v3.25`` as below). These distributions only contain SimGrid v3.25 while the latest version of this
485    tutorial needs at least SimGrid v3.27.
486
487    .. code-block:: console
488
489       $ git clone --branch simgrid-v3.25 https://framagit.org/simgrid/simgrid-template-s4u.git
490
491 For R analysis of the produced traces, you may want to install R
492 and the `pajengr <https://github.com/schnorr/pajengr#installation/>`_ package.
493
494 .. code-block:: console
495
496    # install R and necessary packages
497    $ sudo apt install r-base r-cran-devtools r-cran-tidyverse
498    # install pajengr dependencies
499    $ sudo apt install git cmake flex bison
500    # install the pajengr R package
501    $ Rscript -e "library(devtools); install_github('schnorr/pajengr');"
502
503
504 Discovering the Provided Code
505 .............................
506
507 .. tabs::
508
509    .. group-tab:: C++
510
511       Please compile and execute the provided simulator as follows:
512
513       .. code-block:: console
514
515          $ make master-workers
516          $ ./master-workers small_platform.xml master-workers_d.xml
517
518       If you get an error message complaining that ``simgrid::s4u::Mailbox::get()`` does not exist, 
519       then your version of SimGrid is too old for the version of the tutorial that you got. Check again previous section.
520
521    .. group-tab:: Python
522
523       Please execute the provided simulator as follows:
524
525       .. code-block:: console
526
527          $ python master-workers.py small_platform.xml master-workers_d.xml
528
529       If you get an error stating that the simgrid module does not exist, you need to get a newer version of SimGrid. 
530       You may want to take the tutorial from the docker to get the newest version.
531
532 For a more "fancy" output, you can use simgrid-colorizer.
533
534 .. code-block:: console
535
536    # Run C++ code
537    $ ./master-workers small_platform.xml master-workers_d.xml 2>&1 | simgrid-colorizer
538
539    # Run Python code
540    $ python master-workers.py small_platform.xml master-workers_d.xml 2>&1 | simgrid-colorizer
541
542 If you installed SimGrid to a non-standard path, you may have to
543 specify the full path to simgrid-colorizer on the above line, such as
544 ``/opt/simgrid/bin/simgrid-colorizer``. If you did not install it at all,
545 you can find it in <simgrid_root_directory>/bin/colorize.
546
547 For a classical Gantt-Chart visualization, you can use `Vite
548 <http://vite.gforge.inria.fr/>`_ if you have it installed, as
549 follows. But do not spend too much time installing Vite, because there
550 is a better way to visualize SimGrid traces (see below).
551
552 .. code-block:: console
553
554    # Run C++ code
555    $ ./master-workers small_platform.xml master-workers_d.xml --cfg=tracing:yes --cfg=tracing/actor:yes
556    # Run Python code
557    $ python master-workers.py small_platform.xml master-workers_d.xml --cfg=tracing:yes --cfg=tracing/actor:yes
558
559    # Visualize the produced trace
560    $ vite simgrid.trace
561
562 .. image:: /tuto_s4u/img/vite-screenshot.png
563    :align: center
564
565 .. note::
566
567    If you use an older version of SimGrid (before v3.26), you should use
568    ``--cfg=tracing/msg/process:yes`` instead of ``--cfg=tracing/actor:yes``.
569
570 If you want the full power to visualize SimGrid traces, you need
571 to use R. As a start, you can download this `starter script
572 <https://framagit.org/simgrid/simgrid/raw/master/docs/source/tuto_s4u/draw_gantt.R>`_
573 and use it as follows:
574
575 .. code-block:: console
576
577    # Run C++ code
578    $ ./master-workers small_platform.xml master-workers_d.xml --cfg=tracing:yes --cfg=tracing/actor:yes
579    # Run Python code
580    $ python master-workers.py small_platform.xml master-workers_d.xml --cfg=tracing:yes --cfg=tracing/actor:yes
581
582    # Visualize the produced trace
583    $ Rscript draw_gantt.R simgrid.trace
584
585 It produces a ``Rplots.pdf`` with the following content:
586
587 .. image:: /tuto_s4u/img/Rscript-screenshot.png
588    :align: center
589
590
591 Lab 1: Simpler deployments
592 --------------------------
593
594 .. rst-class:: compact-list
595
596    **Learning goals:** 
597
598    * Get your hands on the code and change the communication pattern
599    * Discover the Mailbox mechanism
600
601 In the provided example, adding more workers quickly becomes a pain:
602 You need to start them (at the bottom of the file) and inform the
603 master of its availability with an extra parameter. This is mandatory
604 if you want to inform the master of where the workers are running. But
605 actually, the master does not need to have this information.
606
607 We could leverage the mailbox mechanism flexibility, and use a sort of
608 yellow page system: Instead of sending data to the worker running on
609 Fafard, the master could send data to the third worker. Ie, instead of
610 using the worker location (which should be filled in two locations),
611 we could use their ID (which should be filled in one location
612 only).
613
614 This could be done with the following deployment file. It's
615 not shorter than the previous one, but it's still simpler because the
616 information is only written once. It thus follows the `DRY
617 <https://en.wikipedia.org/wiki/Don't_repeat_yourself>`_ `SPOT
618 <http://wiki.c2.com/?SinglePointOfTruth>`_ design principle.
619
620 .. literalinclude:: tuto_s4u/deployment1.xml
621    :language: xml
622
623 .. tabs::
624
625    .. group-tab:: C++
626
627       Copy your ``master-workers.cpp`` into ``master-workers-lab1.cpp`` and
628       add a new executable into ``CMakeLists.txt``. Then modify your worker
629       function so that it gets its mailbox name not from the name of its
630       host, but from the string passed as ``args[1]``. The master will send
631       messages to all workers based on their number, for example as follows:
632
633       .. code-block:: cpp
634
635          for (int i = 0; i < tasks_count; i++) {
636             std::string worker_rank          = std::to_string(i % workers_count);
637             std::string mailbox_name         = std::string("worker-") + worker_rank;
638             simgrid::s4u::Mailbox* mailbox = simgrid::s4u::Mailbox::by_name(mailbox_name);
639
640             mailbox->put(...);
641
642             ...
643          }
644
645    .. group-tab:: Python
646
647       Copy your ``master-workers.py`` into ``master-workers-lab1.py`` then
648       modify your worker
649       function so that it gets its mailbox name not from the name of its
650       host, but from the string passed as ``args[0]``. The master will send
651       messages to all workers based on their number, for example as follows:
652
653       .. code-block:: cpp
654
655            for i in range(tasks_count): 
656               mailbox = Mailbox.by_name(str(i % worker_count))
657               mailbox.put(...)
658
659 Wrap up
660 .......
661
662 The mailboxes are a very powerful mechanism in SimGrid, allowing many
663 interesting application settings. They may feel unusual if you are
664 used to BSD sockets or other classical systems, but you will soon
665 appreciate their power. They are only used to match
666 communications but have no impact on the communication
667 timing. ``put()`` and ``get()`` are matched regardless of their
668 initiators' location and then the real communication occurs between
669 the involved parties.
670
671 Please refer to the full `Mailboxes' documentation <app_s4u.html#s4u-mailbox>`_ 
672 for more details.
673
674
675 Lab 2: Using the Whole Platform
676 -------------------------------
677
678 .. rst-class:: compact-list
679
680    **Learning goals:** 
681
682    * Interact with the platform (get the list of all hosts)
683    * Create actors directly from your program instead of the deployment file
684
685 It is now easier to add a new worker, but you still have to do it
686 manually. It would be much easier if the master could start the
687 workers on its own, one per available host in the platform. The new
688 deployment file should be as simple as:
689
690 .. literalinclude:: tuto_s4u/deployment2.xml
691    :language: xml
692
693
694 Creating the workers from the master
695 ....................................
696
697 .. tabs::
698
699    .. group-tab:: C++
700
701       For that, the master needs to retrieve the list of hosts declared in
702       the platform with :cpp:func:`simgrid::s4u::Engine::get_all_hosts`.
703       Then, the master should start the worker actors with
704       :cpp:func:`simgrid::s4u::Actor::create`.
705
706       ``Actor::create(name, host, func, params...)`` is a very flexible
707       function. Its third parameter is the function that the actor should
708       execute. This function can take any kind of parameter, provided that
709       you pass similar parameters to ``Actor::create()``. For example, you
710       could have something like this:
711
712       .. code-block:: cpp
713
714          void my_actor(int param1, double param2, std::string param3) {
715             ...
716          }
717          int main(int argc, char argv**) {
718             ...
719             simgrid::s4u::ActorPtr actor;
720             actor = simgrid::s4u::Actor::create("name", simgrid::s4u::Host::by_name("the_host"),
721                                                 &my_actor, 42, 3.14, "thevalue");
722             ...
723          }
724
725    .. group-tab:: Python
726
727       For that, the master needs to retrieve the list of hosts declared in
728       the platform with :py:func:`simgrid.Engine.get_all_hosts`. Since this method is not static, 
729       you may want to call it on the Engine instance, as in ``Engine.instance().get_all_hosts()``.
730       Then, the master should start the worker actors with :py:func:`simgrid.Actor.create`.
731
732       ``Actor.create(name, host, func, params...)`` is a very flexible
733       function. Its third parameter is the function that the actor should
734       execute. This function can take any kind of parameter, provided that
735       you pass similar parameters to ``Actor.create()``. For example, you
736       could have something like this:
737
738       .. code-block:: python
739
740          def my_actor(param1, param2, param3):
741             # your code comes here
742          actor = simgrid.Actor.create("name", the_host, my_actor, 42, 3.14, "thevalue")
743
744
745 Master-Workers Communication
746 ............................
747
748 Previously, the workers got from their parameter the name of the
749 mailbox they should use. We can still do so: the master should build
750 such a parameter before using it in the ``Actor::create()`` call. The
751 master could even pass directly the mailbox as a parameter to the
752 workers.
753
754 Since we want later to study concurrent applications, it is advised to
755 use a mailbox name that is unique over the simulation even if there is
756 more than one master.
757
758 .. tabs::
759
760    .. group-tab:: C++
761
762       One possibility for that is to use the actor ID (aid) of each worker
763       as a mailbox name. The master can retrieve the aid of the newly
764       created actor with :cpp:func:`simgrid::s4u::Actor::get_pid()` while the actor itself can
765       retrieve its own aid with :cpp:func:`simgrid::s4u::this_actor::get_pid()`.
766       The retrieved value is an :cpp:type:`aid_t`, which is an alias for ``long``.
767
768    .. group-tab:: Python
769
770       One possibility for that is to use the actor ID of each worker
771       as a mailbox name. The master can retrieve the aid of the newly
772       created actor with :py:func:`simgrid.Actor.pid` while the actor itself can
773       retrieve its own aid with :py:func:`simgrid.this_actor.get_pid()`.
774
775 Wrap up
776 .......
777
778 In this exercise, we reduced the amount of configuration that our
779 simulator requests. This is both a good idea and a dangerous
780 trend. This simplification is another application of the good old DRY/SPOT
781 programming principle (`Don't Repeat Yourself / Single Point Of Truth
782 <https://en.wikipedia.org/wiki/Don%27t_repeat_yourself>`_), and you
783 really want your programming artifacts to follow these software
784 engineering principles.
785
786 But at the same time, you should be careful in separating your
787 scientific contribution (the master/workers algorithm) and the
788 artifacts used to test it (platform, deployment, and workload). This is
789 why SimGrid forces you to express your platform and deployment files
790 in XML instead of using a programming interface: it forces a clear
791 separation of concerns between things of different nature.
792
793 Lab 3: Fixed Experiment Duration
794 --------------------------------
795
796 .. rst-class:: compact-list
797
798    **Learning goals:** 
799
800    * Forcefully kill actors, and stop the simulation at a given point of time
801    * Control the logging verbosity
802
803 In the current version, the number of tasks is defined through the
804 worker arguments. Hence, tasks are created at the very beginning of
805 the simulation. Instead, have the master dispatching tasks for a
806 predetermined amount of time.  The tasks must now be created on need
807 instead of beforehand.
808
809 Of course, usual time functions like ``gettimeofday`` will give you the
810 time on your real machine, which is pretty useless in the
811 simulation. Instead, retrieve the time in the simulated world with
812 :cpp:func:`simgrid::s4u::Engine::get_clock` (C++) or 
813 :py:func:`simgrid.Engine.get_clock()`) (Python).
814
815 You can still stop your workers with a specific task as previously,
816 or you may kill them forcefully with :cpp:func:`simgrid::s4u::Actor::kill` (C++)
817 :py:func:`simgrid.Actor.kill` (Python).
818
819 Anyway, the new deployment `deployment3.xml` file should thus look
820 like this:
821
822 .. literalinclude:: tuto_s4u/deployment3.xml
823    :language: xml
824
825 Controlling the message verbosity
826 .................................
827
828 Not all messages are equally informative, so you probably want to
829 change some of the *info* messages (C: :c:macro:`XBT_INFO`; Python: :py:func:`simgrid.this_actor.info`) 
830 into *debug* messages`(C: :c:macro:`XBT_DEBUG`; Python: :py:func:`simgrid.this_actor.debug`) so that they are
831 hidden by default. For example, you may want to use an *info* message once
832 every 100 tasks and *debug* when sending all the other tasks. Or
833 you could show only the total number of tasks processed by
834 default. You can still see the debug messages as follows:
835
836 .. code-block:: console
837
838    $ ./master-workers-lab3 small_platform.xml deployment3.xml --log=s4u_app_masterworker.thres:debug
839
840 Lab 4: What-if analysis
841 -----------------------
842
843 .. rst-class:: compact-list
844
845    **Learning goals:** 
846
847    * Change the platform characteristics during the simulation.
848    * Explore other communication patterns.
849
850 Computational speed
851 ...................
852
853 Attach a profile to your hosts, so that their computational speed automatically vary over time, modeling an external load on these machines.
854 This can be done with :cpp:func:`simgrid::s4u::Host::set_speed_profile` (C++) or :py:func:`simgrid.Host.set_speed_profile` (Python). 
855
856 Make it so that one of the hosts get really really slow, and observe how your whole application performance decreases.
857 This is because one slow host slows down the whole process. Instead of a round-robin dispatch push, 
858 you should completely reorganize your application in a First-Come First-Served manner (FCFS).
859 Actors should pull a task whenever they are ready, so that fast actors can overpass slow ones in the queue.
860
861 There is two ways to implement that: either the workers request a task to the master by sending their name to a specific mailbox,
862 or the master directly pushes the tasks to a centralized mailbox from which the workers pull their work. The first approach is closer
863 to what would happen with communications based on BSD sockets while the second is closer to message queues. You could also decide to
864 model your socket application in the second manner if you want to neglect these details and keep your simulator simple. It's your decision.
865
866 Changing the communication schema can be a bit hairy, but once it works, you will see that such as simple FCFS schema allows one to greatly 
867 increase the amount of tasks handled over time here. Things may be different with another platform file.
868
869 Communication speed
870 ...................
871
872 Let's now modify the communication speed between hosts.
873
874 Retrieve a link from its name with :cpp:func:`simgrid::s4u::Link::by_name()` (C++) or :py:func:`simgrid.Link.by_name()` (python).
875
876 Retrieve all links in the platform with :cpp:func:`simgrid::s4u::Engine::get_all_links()` (C++) or :py:func:`simgrid.Engine.get_all_links()` (python).
877
878 Retrieve the list of links from one host to another with :cpp:func:`simgrid::s4u::Host::route_to` (C++) or :py:func:`simgrid.Host.route_to` (python).
879
880 Modify the bandwidth of a given link with :cpp:func:`simgrid::s4u::Link::set_bandwidth` (C++) or :py:func:`simgrid.Link.set_bandwidth` (python).
881 You can even have the bandwidth automatically vary over time with :cpp:func:`simgrid::s4u::Link::set_bandwidth_profile` (C++) or :py:func:`simgrid.Link.set_bandwidth_profile` (python).
882
883 Once implemented, you will notice that slow communications may still result in situations
884 where one worker only works at a given point of time. To overcome that, your master needs 
885 to send data to several workers in parallel, using 
886 :cpp:func:`simgrid::s4u::Mailbox::put_async` (C++) or :py:func:`simgrid.Mailbox.put_async` (Python)
887 to start several communications in parallel, and
888 :cpp:func:`simgrid::s4u::Comm::wait_any` (C++) or and :py:func:`simgrid.Comm.wait_any` (Python) 
889 to react to the completion of one of these communications. Actually, since this code somewhat tricky 
890 to write, it's provided as :ref:`an example <s4u_ex_communication>` in the distribution (search for 
891 ``wait_any`` in that page). 
892
893 Dealing with failures
894 .....................
895
896 Turn a given link off with :cpp:func:`simgrid::s4u::Link::turn_off` (C++) or :py:func:`simgrid.Link.turn_off` (python). 
897 You can even implement churn where a link automatically turn off and on again over time with :cpp:func:`simgrid::s4u::Link::set_state_profile` (C++) or :py:func:`simgrid.Link.set_state_profile` (python). 
898
899 If a link fails while you try to use it, ``wait()`` will raise a ``NetworkFailureException`` that you need to catch. 
900 Again, there is a nice example demoing this feature, :ref:`under platform-failures <s4u_ex_communication>`.
901
902 Lab 5: Competing Applications
903 -----------------------------
904
905 .. rst-class:: compact-list
906
907    **Learning goals:** 
908
909    * Advanced vizualization through tracing categories
910
911
912 It is now time to start several applications at once, with the following ``deployment5.xml`` file.
913
914 .. literalinclude:: tuto_s4u/deployment5.xml
915    :language: xml
916
917 Things happen when you do so, but it remains utterly difficult to
918 understand what's happening exactly. Even Gantt visualizations
919 contain too much information to be useful: it is impossible to
920 understand which task belongs to which application. To fix this, we
921 will categorize the tasks.
922
923 Instead of starting the execution in one function call only with
924 ``this_actor::execute(cost)``, you need to
925 create the execution activity, set its tracing category, start it 
926 and wait for its completion, as follows.
927
928 .. tabs::
929
930    .. group-tab:: C++
931
932       Use :cpp:func:`simgrid::s4u::Exec::set_tracing_category` to change the category of an execution.
933
934       .. code-block:: cpp
935
936          simgrid::s4u::ExecPtr exec = simgrid::s4u::this_actor::exec_init(compute_cost);
937          exec->set_tracing_category(category);
938          // exec->start() is optional here as wait() starts the activity on need
939          exec->wait();
940
941       You can shorten this code as follows:
942
943       .. code-block:: cpp
944
945          simgrid::s4u::this_actor::exec_init(compute_cost)->set_tracing_category(category)->wait();
946
947    .. group-tab:: Python
948
949       Use :py:func:`simgrid.Exec.set_tracing_category` to change the category of an execution.
950
951       .. code-block:: python
952
953          exec = simgrid:.this_actor.exec_init(compute_cost)
954          exec.set_tracing_category(category)
955          # exec.start() is optional here as wait() starts the activity on need
956          exec->wait()
957
958       You can shorten this code as follows:
959
960       .. code-block:: python
961
962          simgrid.this_actor.exec_init(compute_cost).set_tracing_category(category).wait()
963
964
965 Visualizing the result
966 .......................
967
968 vite is not enough to understand the situation, because it does not
969 deal with categorization. This time, you absolutely must switch to R,
970 as explained on `this page
971 <https://simgrid.org/contrib/R_visualization.html>`_.
972
973 .. todo::
974
975    Include here the minimal setting to view something in R.
976
977 Further Improvements
978 --------------------
979
980 From this, many things can easily be added. For example, you could:
981
982 - Allow workers to have several pending requests  to overlap
983   communication and computations as much as possible. Non-blocking
984   communication will probably become handy here.
985 - Add a performance measurement mechanism, enabling the master to make smart scheduling choices.
986 - Test your code on other platforms, from the ``examples/platforms``
987   directory in your archive.
988
989   What is the largest number of tasks requiring 50e6 flops and 1e5
990   bytes that you manage to distribute and process in one hour on
991   ``g5k.xml`` ?
992 - Optimize not only for the number of tasks handled but also for the total energy dissipated.
993 - And so on. If you come up with a nice extension, please share
994   it with us so that we can extend this tutorial.
995
996 After this Tutorial
997 -------------------
998
999 This tutorial is now terminated. You could keep reading the online documentation and
1000 tutorials, or you could head up to the :ref:`example section <s4u_examples>` to read some code.
1001
1002 .. todo::
1003
1004    Things to improve in the future:
1005
1006    - Propose equivalent exercises and skeleton in Java once we fix the Java binding.
1007
1008 .. |br| raw:: html
1009
1010    <br />
1011
1012 ..  LocalWords:  SimGrid