src/surf/cpu_ti.cpp

   1 /* Copyright (c) 2013-2021. 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 "cpu_ti.hpp"
   7 #include "simgrid/kernel/routing/NetZoneImpl.hpp"
   8 #include "simgrid/s4u/Engine.hpp"
   9 #include "src/kernel/EngineImpl.hpp"
  10 #include "src/kernel/resource/profile/Event.hpp"
  11 #include "src/kernel/resource/profile/Profile.hpp"
  12 #include "src/surf/surf_interface.hpp"
  13 #include "surf/surf.hpp"
  14
  15 #include <algorithm>
  16 #include <memory>
  17
  18 constexpr double EPSILON = 0.000000001;
  19
  20 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(cpu_ti, res_cpu, "CPU resource, Trace Integration model");
  21
  22 namespace simgrid {
  23 namespace kernel {
  24 namespace resource {
  25
  26 /*********
  27  * Trace *
  28  *********/
  29
  30 CpuTiProfile::CpuTiProfile(const profile::Profile* profile)
  31 {
  32   double integral    = 0;
  33   double time        = 0;
  34   unsigned long nb_points = profile->get_event_list().size() + 1;
  35   time_points_.reserve(nb_points);
  36   integral_.reserve(nb_points);
  37   for (auto const& val : profile->get_event_list()) {
  38     time_points_.push_back(time);
  39     integral_.push_back(integral);
  40     time += val.date_;
  41     integral += val.date_ * val.value_;
  42   }
  43   time_points_.push_back(time);
  44   integral_.push_back(integral);
  45 }
  46
  47 /**
  48  * @brief Integrate trace
  49  *
  50  * Wrapper around surf_cpu_integrate_trace_simple() to get
  51  * the cyclic effect.
  52  *
  53  * @param a      Begin of interval
  54  * @param b      End of interval
  55  * @return the integrate value. -1 if an error occurs.
  56  */
  57 double CpuTiTmgr::integrate(double a, double b) const
  58 {
  59   xbt_assert(a >= 0.0 && a <= b,
  60              "Error, invalid integration interval [%.2f,%.2f]. You probably have a task executing with negative "
  61              "computation amount. Check your code.",
  62              a, b);
  63   if (fabs(a - b) < EPSILON)
  64     return 0.0;
  65
  66   if (type_ == Type::FIXED) {
  67     return (b - a) * value_;
  68   }
  69
  70   double a_index;
  71   if (fabs(ceil(a / last_time_) - a / last_time_) < EPSILON)
  72     a_index = 1 + ceil(a / last_time_);
  73   else
  74     a_index = ceil(a / last_time_);
  75   double b_index = floor(b / last_time_);
  76
  77   if (a_index > b_index) { /* Same chunk */
  78     return profile_->integrate_simple(a - (a_index - 1) * last_time_, b - b_index * last_time_);
  79   }
  80
  81   double first_chunk  = profile_->integrate_simple(a - (a_index - 1) * last_time_, last_time_);
  82   double middle_chunk = (b_index - a_index) * total_;
  83   double last_chunk   = profile_->integrate_simple(0.0, b - b_index * last_time_);
  84
  85   XBT_DEBUG("first_chunk=%.2f  middle_chunk=%.2f  last_chunk=%.2f\n", first_chunk, middle_chunk, last_chunk);
  86
  87   return (first_chunk + middle_chunk + last_chunk);
  88 }
  89
  90 /**
  91  * @brief Auxiliary function to compute the integral between a and b.
  92  *     It simply computes the integrals at point a and b and returns the difference between them.
  93  * @param a  Initial point
  94  * @param b  Final point
  95  */
  96 double CpuTiProfile::integrate_simple(double a, double b) const
  97 {
  98   return integrate_simple_point(b) - integrate_simple_point(a);
  99 }
 100
 101 /**
 102  * @brief Auxiliary function to compute the integral at point a.
 103  * @param a        point
 104  */
 105 double CpuTiProfile::integrate_simple_point(double a) const
 106 {
 107   double integral = 0;
 108   double a_aux    = a;
 109   long ind        = binary_search(time_points_, a);
 110   integral += integral_[ind];
 111
 112   XBT_DEBUG("a %f ind %ld integral %f ind + 1 %f ind %f time +1 %f time %f", a, ind, integral, integral_[ind + 1],
 113             integral_[ind], time_points_[ind + 1], time_points_[ind]);
 114   double_update(&a_aux, time_points_[ind], sg_maxmin_precision * sg_surf_precision);
 115   if (a_aux > 0)
 116     integral +=
 117         ((integral_[ind + 1] - integral_[ind]) / (time_points_[ind + 1] - time_points_[ind])) * (a - time_points_[ind]);
 118   XBT_DEBUG("Integral a %f = %f", a, integral);
 119
 120   return integral;
 121 }
 122
 123 /**
 124  * @brief Computes the time needed to execute "amount" on cpu.
 125  *
 126  * Here, amount can span multiple trace periods
 127  *
 128  * @param a        Initial time
 129  * @param amount  Amount to be executed
 130  * @return  End time
 131  */
 132 double CpuTiTmgr::solve(double a, double amount) const
 133 {
 134   /* Fix very small negative numbers */
 135   if ((a < 0.0) && (a > -EPSILON)) {
 136     a = 0.0;
 137   }
 138   if ((amount < 0.0) && (amount > -EPSILON)) {
 139     amount = 0.0;
 140   }
 141
 142   /* Sanity checks */
 143   xbt_assert(a >= 0.0 && amount >= 0.0,
 144              "Error, invalid parameters [a = %.2f, amount = %.2f]. "
 145              "You probably have a task executing with negative computation amount. Check your code.",
 146              a, amount);
 147
 148   /* At this point, a and amount are positive */
 149   if (amount < EPSILON)
 150     return a;
 151
 152   /* Is the trace fixed ? */
 153   if (type_ == Type::FIXED) {
 154     return (a + (amount / value_));
 155   }
 156
 157   XBT_DEBUG("amount %f total %f", amount, total_);
 158   /* Reduce the problem to one where amount <= trace_total */
 159   double quotient       = floor(amount / total_);
 160   double reduced_amount = total_ * ((amount / total_) - floor(amount / total_));
 161   double reduced_a      = a - last_time_ * static_cast<int>(floor(a / last_time_));
 162
 163   XBT_DEBUG("Quotient: %g reduced_amount: %f reduced_a: %f", quotient, reduced_amount, reduced_a);
 164
 165   /* Now solve for new_amount which is <= trace_total */
 166   double reduced_b;
 167   XBT_DEBUG("Solve integral: [%.2f, amount=%.2f]", reduced_a, reduced_amount);
 168   double amount_till_end = integrate(reduced_a, last_time_);
 169
 170   if (amount_till_end > reduced_amount) {
 171     reduced_b = profile_->solve_simple(reduced_a, reduced_amount);
 172   } else {
 173     reduced_b = last_time_ + profile_->solve_simple(0.0, reduced_amount - amount_till_end);
 174   }
 175
 176   /* Re-map to the original b and amount */
 177   return last_time_ * floor(a / last_time_) + (quotient * last_time_) + reduced_b;
 178 }
 179
 180 /**
 181  * @brief Auxiliary function to solve integral.
 182  *  It returns the date when the requested amount of flops is available
 183  * @param a        Initial point
 184  * @param amount  Amount of flops
 185  * @return The date when amount is available.
 186  */
 187 double CpuTiProfile::solve_simple(double a, double amount) const
 188 {
 189   double integral_a = integrate_simple_point(a);
 190   long ind          = binary_search(integral_, integral_a + amount);
 191   double time       = time_points_[ind];
 192   time += (integral_a + amount - integral_[ind]) /
 193           ((integral_[ind + 1] - integral_[ind]) / (time_points_[ind + 1] - time_points_[ind]));
 194
 195   return time;
 196 }
 197
 198 /**
 199  * @brief Auxiliary function to update the CPU speed scale.
 200  *
 201  *  This function uses the trace structure to return the speed scale at the determined time a.
 202  * @param a        Time
 203  * @return CPU speed scale
 204  */
 205 double CpuTiTmgr::get_power_scale(double a) const
 206 {
 207   double reduced_a        = a - floor(a / last_time_) * last_time_;
 208   long point              = CpuTiProfile::binary_search(profile_->get_time_points(), reduced_a);
 209   profile::DatedValue val = speed_profile_->get_event_list().at(point);
 210   return val.value_;
 211 }
 212
 213 /**
 214  * @brief Creates a new integration trace from a tmgr_trace_t
 215  *
 216  * @param  speed_trace    CPU availability trace
 217  * @param  value          Percentage of CPU speed available (useful to fixed tracing)
 218  * @return  Integration trace structure
 219  */
 220 CpuTiTmgr::CpuTiTmgr(kernel::profile::Profile* speed_profile, double value) : speed_profile_(speed_profile)
 221 {
 222   double total_time = 0.0;
 223   profile_.reset(nullptr);
 224
 225   /* no availability file, fixed trace */
 226   if (not speed_profile) {
 227     value_ = value;
 228     XBT_DEBUG("No availability trace. Constant value = %f", value);
 229     return;
 230   }
 231
 232   /* only one point available, fixed trace */
 233   if (speed_profile->get_event_list().size() == 1) {
 234     value_ = speed_profile->get_event_list().front().value_;
 235     return;
 236   }
 237
 238   type_ = Type::DYNAMIC;
 239
 240   /* count the total time of trace file */
 241   for (auto const& val : speed_profile->get_event_list())
 242     total_time += val.date_;
 243
 244   profile_   = std::make_unique<CpuTiProfile>(speed_profile);
 245   last_time_ = total_time;
 246   total_     = profile_->integrate_simple(0, total_time);
 247
 248   XBT_DEBUG("Total integral %f, last_time %f ", total_, last_time_);
 249 }
 250
 251 /**
 252  * @brief Binary search in array.
 253  *  It returns the last point of the interval in which "a" is.
 254  * @param array    Array
 255  * @param a        Value to search
 256  * @return Index of point
 257  */
 258 long CpuTiProfile::binary_search(const std::vector<double>& array, double a)
 259 {
 260   if (array[0] > a)
 261     return 0;
 262   auto pos = std::upper_bound(begin(array), end(array), a);
 263   return std::distance(begin(array), pos) - 1;
 264 }
 265
 266 /*********
 267  * Model *
 268  *********/
 269
 270 void CpuTiModel::create_pm_models()
 271 {
 272   auto cpu_model_pm = std::make_shared<CpuTiModel>("Cpu_TI");
 273   auto* engine      = EngineImpl::get_instance();
 274   engine->add_model(cpu_model_pm);
 275   engine->get_netzone_root()->set_cpu_pm_model(cpu_model_pm);
 276 }
 277
 278 CpuImpl* CpuTiModel::create_cpu(s4u::Host* host, const std::vector<double>& speed_per_pstate)
 279 {
 280   return (new CpuTi(host, speed_per_pstate))->set_model(this);
 281 }
 282
 283 double CpuTiModel::next_occurring_event(double now)
 284 {
 285   double min_action_duration = -1;
 286
 287   /* iterates over modified cpus to update share resources */
 288   for (auto it = std::begin(modified_cpus_); it != std::end(modified_cpus_);) {
 289     CpuTi& cpu = *it;
 290     ++it; // increment iterator here since the following call to ti.update_actions_finish_time() may invalidate it
 291     cpu.update_actions_finish_time(now);
 292   }
 293
 294   /* get the min next event if heap not empty */
 295   if (not get_action_heap().empty())
 296     min_action_duration = get_action_heap().top_date() - now;
 297
 298   XBT_DEBUG("Share resources, min next event date: %f", min_action_duration);
 299
 300   return min_action_duration;
 301 }
 302
 303 void CpuTiModel::update_actions_state(double now, double /*delta*/)
 304 {
 305   while (not get_action_heap().empty() && double_equals(get_action_heap().top_date(), now, sg_surf_precision)) {
 306     auto* action = static_cast<CpuTiAction*>(get_action_heap().pop());
 307     XBT_DEBUG("Action %p: finish", action);
 308     action->finish(Action::State::FINISHED);
 309     /* update remaining amount of all actions */
 310     action->cpu_->update_remaining_amount(surf_get_clock());
 311   }
 312 }
 313
 314 /************
 315  * Resource *
 316  ************/
 317 CpuTi::CpuTi(s4u::Host* host, const std::vector<double>& speed_per_pstate) : CpuImpl(host, speed_per_pstate)
 318 {
 319   speed_.peak = speed_per_pstate.front();
 320   XBT_DEBUG("CPU create: peak=%f", speed_.peak);
 321
 322   speed_integrated_trace_ = new CpuTiTmgr(nullptr, 1 /*scale*/);
 323 }
 324
 325 CpuTi::~CpuTi()
 326 {
 327   set_modified(false);
 328   delete speed_integrated_trace_;
 329 }
 330
 331 CpuImpl* CpuTi::set_speed_profile(kernel::profile::Profile* profile)
 332 {
 333   delete speed_integrated_trace_;
 334   speed_integrated_trace_ = new CpuTiTmgr(profile, speed_.scale);
 335
 336   /* add a fake trace event if periodicity == 0 */
 337   if (profile && profile->get_event_list().size() > 1) {
 338     kernel::profile::DatedValue val = profile->get_event_list().back();
 339     if (val.date_ < 1e-12) {
 340       auto* prof   = new kernel::profile::Profile();
 341       speed_.event = prof->schedule(&profile::future_evt_set, this);
 342     }
 343   }
 344   return this;
 345 }
 346
 347 void CpuTi::apply_event(kernel::profile::Event* event, double value)
 348 {
 349   if (event == speed_.event) {
 350     XBT_DEBUG("Speed changed in trace! New fixed value: %f", value);
 351
 352     /* update remaining of actions and put in modified cpu list */
 353     update_remaining_amount(surf_get_clock());
 354
 355     set_modified(true);
 356
 357     delete speed_integrated_trace_;
 358     speed_integrated_trace_ = new CpuTiTmgr(value);
 359
 360     speed_.scale = value;
 361     tmgr_trace_event_unref(&speed_.event);
 362
 363   } else if (event == get_state_event()) {
 364     if (value > 0) {
 365       if (not is_on()) {
 366         XBT_VERB("Restart actors on host %s", get_iface()->get_cname());
 367         get_iface()->turn_on();
 368       }
 369     } else {
 370       get_iface()->turn_off();
 371       double date = surf_get_clock();
 372
 373       /* put all action running on cpu to failed */
 374       for (CpuTiAction& action : action_set_) {
 375         if (action.get_state() == Action::State::INITED || action.get_state() == Action::State::STARTED ||
 376             action.get_state() == Action::State::IGNORED) {
 377           action.set_finish_time(date);
 378           action.set_state(Action::State::FAILED);
 379           get_model()->get_action_heap().remove(&action);
 380         }
 381       }
 382     }
 383     unref_state_event();
 384
 385   } else {
 386     xbt_die("Unknown event!\n");
 387   }
 388 }
 389
 390 /** Update the actions that are running on this CPU (which was modified recently) */
 391 void CpuTi::update_actions_finish_time(double now)
 392 {
 393   /* update remaining amount of actions */
 394   update_remaining_amount(now);
 395
 396   /* Compute the sum of priorities for the actions running on that CPU */
 397   sum_priority_ = 0.0;
 398   for (CpuTiAction const& action : action_set_) {
 399     /* action not running, skip it */
 400     if (action.get_state_set() != get_model()->get_started_action_set())
 401       continue;
 402
 403     /* bogus priority, skip it */
 404     if (action.get_sharing_penalty() <= 0)
 405       continue;
 406
 407     /* action suspended, skip it */
 408     if (not action.is_running())
 409       continue;
 410
 411     sum_priority_ += 1.0 / action.get_sharing_penalty();
 412   }
 413
 414   for (CpuTiAction& action : action_set_) {
 415     double min_finish = NO_MAX_DURATION;
 416     /* action not running, skip it */
 417     if (action.get_state_set() != get_model()->get_started_action_set())
 418       continue;
 419
 420     /* verify if the action is really running on cpu */
 421     if (action.is_running() && action.get_sharing_penalty() > 0) {
 422       /* total area needed to finish the action. Used in trace integration */
 423       double total_area = (action.get_remains() * sum_priority_ * action.get_sharing_penalty()) / speed_.peak;
 424
 425       action.set_finish_time(speed_integrated_trace_->solve(now, total_area));
 426       /* verify which event will happen before (max_duration or finish time) */
 427       if (action.get_max_duration() != NO_MAX_DURATION &&
 428           action.get_start_time() + action.get_max_duration() < action.get_finish_time())
 429         min_finish = action.get_start_time() + action.get_max_duration();
 430       else
 431         min_finish = action.get_finish_time();
 432     } else {
 433       /* put the max duration time on heap */
 434       if (action.get_max_duration() != NO_MAX_DURATION)
 435         min_finish = action.get_start_time() + action.get_max_duration();
 436     }
 437     /* add in action heap */
 438     if (min_finish != NO_MAX_DURATION)
 439       get_model()->get_action_heap().update(&action, min_finish, ActionHeap::Type::unset);
 440     else
 441       get_model()->get_action_heap().remove(&action);
 442
 443     XBT_DEBUG("Update finish time: Cpu(%s) Action: %p, Start Time: %f Finish Time: %f Max duration %f", get_cname(),
 444               &action, action.get_start_time(), action.get_finish_time(), action.get_max_duration());
 445   }
 446   /* remove from modified cpu */
 447   set_modified(false);
 448 }
 449
 450 bool CpuTi::is_used() const
 451 {
 452   return not action_set_.empty();
 453 }
 454
 455 double CpuTi::get_speed_ratio()
 456 {
 457   speed_.scale = speed_integrated_trace_->get_power_scale(surf_get_clock());
 458   return CpuImpl::get_speed_ratio();
 459 }
 460
 461 /** @brief Update the remaining amount of actions */
 462 void CpuTi::update_remaining_amount(double now)
 463 {
 464   /* already up to date */
 465   if (last_update_ >= now)
 466     return;
 467
 468   /* compute the integration area */
 469   double area_total = speed_integrated_trace_->integrate(last_update_, now) * speed_.peak;
 470   XBT_DEBUG("Flops total: %f, Last update %f", area_total, last_update_);
 471   for (CpuTiAction& action : action_set_) {
 472     /* action not running, skip it */
 473     if (action.get_state_set() != get_model()->get_started_action_set())
 474       continue;
 475
 476     /* bogus priority, skip it */
 477     if (action.get_sharing_penalty() <= 0)
 478       continue;
 479
 480     /* action suspended, skip it */
 481     if (not action.is_running())
 482       continue;
 483
 484     /* action don't need update */
 485     if (action.get_start_time() >= now)
 486       continue;
 487
 488     /* skip action that are finishing now */
 489     if (action.get_finish_time() >= 0 && action.get_finish_time() <= now)
 490       continue;
 491
 492     /* update remaining */
 493     action.update_remains(area_total / (sum_priority_ * action.get_sharing_penalty()));
 494     XBT_DEBUG("Update remaining action(%p) remaining %f", &action, action.get_remains_no_update());
 495   }
 496   last_update_ = now;
 497 }
 498
 499 CpuAction* CpuTi::execution_start(double size, double user_bound)
 500 {
 501   XBT_IN("(%s,%g)", get_cname(), size);
 502   xbt_assert(user_bound <= 0, "Invalid user bound (%lf) in CPU TI model", user_bound);
 503   auto* action = new CpuTiAction(this, size);
 504
 505   action_set_.push_back(*action); // Actually start the action
 506
 507   XBT_OUT();
 508   return action;
 509 }
 510
 511 CpuAction* CpuTi::sleep(double duration)
 512 {
 513   if (duration > 0)
 514     duration = std::max(duration, sg_surf_precision);
 515
 516   XBT_IN("(%s,%g)", get_cname(), duration);
 517   auto* action = new CpuTiAction(this, 1.0);
 518
 519   action->set_max_duration(duration);
 520   action->set_suspend_state(Action::SuspendStates::SLEEPING);
 521   if (duration == NO_MAX_DURATION)
 522     action->set_state(Action::State::IGNORED);
 523
 524   action_set_.push_back(*action);
 525
 526   XBT_OUT();
 527   return action;
 528 }
 529
 530 void CpuTi::set_modified(bool modified)
 531 {
 532   CpuTiList& modified_cpus = static_cast<CpuTiModel*>(get_model())->modified_cpus_;
 533   if (modified) {
 534     if (not cpu_ti_hook.is_linked()) {
 535       modified_cpus.push_back(*this);
 536     }
 537   } else {
 538     if (cpu_ti_hook.is_linked())
 539       xbt::intrusive_erase(modified_cpus, *this);
 540   }
 541 }
 542
 543 /**********
 544  * Action *
 545  **********/
 546
 547 CpuTiAction::CpuTiAction(CpuTi* cpu, double cost) : CpuAction(cpu->get_model(), cost, not cpu->is_on()), cpu_(cpu)
 548 {
 549   cpu_->set_modified(true);
 550 }
 551 CpuTiAction::~CpuTiAction()
 552 {
 553   /* remove from action_set */
 554   if (action_ti_hook.is_linked())
 555     xbt::intrusive_erase(cpu_->action_set_, *this);
 556   /* remove from heap */
 557   get_model()->get_action_heap().remove(this);
 558   cpu_->set_modified(true);
 559 }
 560
 561 void CpuTiAction::set_state(Action::State state)
 562 {
 563   CpuAction::set_state(state);
 564   cpu_->set_modified(true);
 565 }
 566
 567 void CpuTiAction::cancel()
 568 {
 569   this->set_state(Action::State::FAILED);
 570   get_model()->get_action_heap().remove(this);
 571   cpu_->set_modified(true);
 572 }
 573
 574 void CpuTiAction::suspend()
 575 {
 576   XBT_IN("(%p)", this);
 577   if (is_running()) {
 578     set_suspend_state(Action::SuspendStates::SUSPENDED);
 579     get_model()->get_action_heap().remove(this);
 580     cpu_->set_modified(true);
 581   }
 582   XBT_OUT();
 583 }
 584
 585 void CpuTiAction::resume()
 586 {
 587   XBT_IN("(%p)", this);
 588   if (is_suspended()) {
 589     set_suspend_state(Action::SuspendStates::RUNNING);
 590     cpu_->set_modified(true);
 591   }
 592   XBT_OUT();
 593 }
 594
 595 void CpuTiAction::set_sharing_penalty(double sharing_penalty)
 596 {
 597   XBT_IN("(%p,%g)", this, sharing_penalty);
 598   set_sharing_penalty_no_update(sharing_penalty);
 599   cpu_->set_modified(true);
 600   XBT_OUT();
 601 }
 602
 603 double CpuTiAction::get_remains()
 604 {
 605   XBT_IN("(%p)", this);
 606   cpu_->update_remaining_amount(surf_get_clock());
 607   XBT_OUT();
 608   return get_remains_no_update();
 609 }
 610
 611 } // namespace resource
 612 } // namespace kernel
 613 } // namespace simgrid