src/mc/LivenessChecker.cpp

   1 /* Copyright (c) 2011-2015. The SimGrid Team.
   2  * All rights reserved.                                                     */
   3
   4 /* This program is free software; you can redistribute it and/or modify it
   5  * under the terms of the license (GNU LGPL) which comes with this package. */
   6
   7 #include <cstring>
   8
   9 #include <algorithm>
  10 #include <memory>
  11 #include <list>
  12
  13 #include <unistd.h>
  14 #include <sys/wait.h>
  15
  16 #include <xbt/automaton.h>
  17 #include <xbt/dynar.h>
  18 #include <xbt/dynar.hpp>
  19 #include <xbt/log.h>
  20 #include <xbt/sysdep.h>
  21
  22 #include "src/mc/mc_request.h"
  23 #include "src/mc/LivenessChecker.hpp"
  24 #include "src/mc/mc_private.h"
  25 #include "src/mc/mc_record.h"
  26 #include "src/mc/mc_smx.h"
  27 #include "src/mc/Client.hpp"
  28 #include "src/mc/mc_private.h"
  29 #include "src/mc/mc_replay.h"
  30 #include "src/mc/mc_safety.h"
  31 #include "src/mc/mc_exit.h"
  32 #include "src/mc/Transition.hpp"
  33 #include "src/mc/Session.hpp"
  34
  35 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(mc_liveness, mc,
  36                                 "Logging specific to algorithms for liveness properties verification");
  37
  38 /********* Static functions *********/
  39
  40 namespace simgrid {
  41 namespace mc {
  42
  43 VisitedPair::VisitedPair(
  44   int pair_num, xbt_automaton_state_t automaton_state,
  45   std::shared_ptr<const std::vector<int>> atomic_propositions,
  46   std::shared_ptr<simgrid::mc::State> graph_state)
  47 {
  48   simgrid::mc::Process* process = &(mc_model_checker->process());
  49
  50   this->graph_state = std::move(graph_state);
  51   if(this->graph_state->system_state == nullptr)
  52     this->graph_state->system_state = simgrid::mc::take_snapshot(pair_num);
  53   this->heap_bytes_used = mmalloc_get_bytes_used_remote(
  54     process->get_heap()->heaplimit,
  55     process->get_malloc_info());
  56
  57   this->nb_processes = mc_model_checker->process().simix_processes().size();
  58
  59   this->automaton_state = automaton_state;
  60   this->num = pair_num;
  61   this->other_num = -1;
  62   this->atomic_propositions = std::move(atomic_propositions);
  63 }
  64
  65 VisitedPair::~VisitedPair()
  66 {
  67 }
  68
  69 static bool evaluate_label(
  70   xbt_automaton_exp_label_t l, std::vector<int> const& values)
  71 {
  72   switch (l->type) {
  73   case xbt_automaton_exp_label::AUT_OR:
  74     return evaluate_label(l->u.or_and.left_exp, values)
  75       || evaluate_label(l->u.or_and.right_exp, values);
  76   case xbt_automaton_exp_label::AUT_AND:
  77     return evaluate_label(l->u.or_and.left_exp, values)
  78       && evaluate_label(l->u.or_and.right_exp, values);
  79   case xbt_automaton_exp_label::AUT_NOT:
  80     return !evaluate_label(l->u.exp_not, values);
  81   case xbt_automaton_exp_label::AUT_PREDICAT:{
  82       unsigned int cursor = 0;
  83       xbt_automaton_propositional_symbol_t p = nullptr;
  84       xbt_dynar_foreach(simgrid::mc::property_automaton->propositional_symbols, cursor, p) {
  85         if (std::strcmp(xbt_automaton_propositional_symbol_get_name(p), l->u.predicat) == 0)
  86           return values[cursor] != 0;
  87       }
  88       xbt_die("Missing predicate");
  89     }
  90   case xbt_automaton_exp_label::AUT_ONE:
  91     return true;
  92   default:
  93     xbt_die("Unexpected vaue for automaton");
  94   }
  95 }
  96
  97 Pair::Pair(unsigned long expanded_pairs) : num(expanded_pairs)
  98 {}
  99
 100 Pair::~Pair() {}
 101
 102 std::shared_ptr<const std::vector<int>> LivenessChecker::getPropositionValues()
 103 {
 104   std::vector<int> values;
 105   unsigned int cursor = 0;
 106   xbt_automaton_propositional_symbol_t ps = nullptr;
 107   xbt_dynar_foreach(simgrid::mc::property_automaton->propositional_symbols, cursor, ps)
 108     values.push_back(xbt_automaton_propositional_symbol_evaluate(ps));
 109   return std::make_shared<const std::vector<int>>(std::move(values));
 110 }
 111
 112 int LivenessChecker::compare(simgrid::mc::VisitedPair* state1, simgrid::mc::VisitedPair* state2)
 113 {
 114   simgrid::mc::Snapshot* s1 = state1->graph_state->system_state.get();
 115   simgrid::mc::Snapshot* s2 = state2->graph_state->system_state.get();
 116   int num1 = state1->num;
 117   int num2 = state2->num;
 118   return simgrid::mc::snapshot_compare(num1, s1, num2, s2);
 119 }
 120
 121 std::shared_ptr<VisitedPair> LivenessChecker::insertAcceptancePair(simgrid::mc::Pair* pair)
 122 {
 123   std::shared_ptr<VisitedPair> new_pair = std::make_shared<VisitedPair>(
 124     pair->num, pair->automaton_state, pair->atomic_propositions,
 125     pair->graph_state);
 126
 127   auto res = std::equal_range(acceptancePairs_.begin(), acceptancePairs_.end(),
 128     new_pair.get(), simgrid::mc::DerefAndCompareByNbProcessesAndUsedHeap());
 129
 130   if (pair->search_cycle) for (auto i = res.first; i != res.second; ++i) {
 131     std::shared_ptr<simgrid::mc::VisitedPair> const& pair_test = *i;
 132     if (xbt_automaton_state_compare(
 133           pair_test->automaton_state, new_pair->automaton_state) != 0
 134         || *(pair_test->atomic_propositions) != *(new_pair->atomic_propositions)
 135         || this->compare(pair_test.get(), new_pair.get()) != 0)
 136       continue;
 137     XBT_INFO("Pair %d already reached (equal to pair %d) !",
 138       new_pair->num, pair_test->num);
 139     explorationStack_.pop_back();
 140     if (dot_output != nullptr)
 141       fprintf(dot_output, "\"%d\" -> \"%d\" [%s];\n",
 142         initial_global_state->prev_pair, pair_test->num,
 143         initial_global_state->prev_req.c_str());
 144     return nullptr;
 145   }
 146
 147   acceptancePairs_.insert(res.first, new_pair);
 148   return new_pair;
 149 }
 150
 151 void LivenessChecker::removeAcceptancePair(int pair_num)
 152 {
 153   for (auto i = acceptancePairs_.begin(); i != acceptancePairs_.end(); ++i)
 154     if ((*i)->num == pair_num) {
 155       acceptancePairs_.erase(i);
 156       break;
 157     }
 158 }
 159
 160 void LivenessChecker::prepare(void)
 161 {
 162   initial_global_state->snapshot = simgrid::mc::take_snapshot(0);
 163   initial_global_state->prev_pair = 0;
 164
 165   std::shared_ptr<const std::vector<int>> propos = this->getPropositionValues();
 166
 167   // For each initial state of the property automaton, push a
 168   // (application_state, automaton_state) pair to the exploration stack:
 169   unsigned int cursor = 0;
 170   xbt_automaton_state_t automaton_state;
 171   xbt_dynar_foreach(simgrid::mc::property_automaton->states, cursor, automaton_state)
 172     if (automaton_state->type == -1)
 173       explorationStack_.push_back(this->newPair(nullptr, automaton_state, propos));
 174 }
 175
 176
 177 void LivenessChecker::replay()
 178 {
 179   XBT_DEBUG("**** Begin Replay ****");
 180
 181   /* Intermediate backtracking */
 182   if(_sg_mc_checkpoint > 0) {
 183     simgrid::mc::Pair* pair = explorationStack_.back().get();
 184     if(pair->graph_state->system_state){
 185       simgrid::mc::restore_snapshot(pair->graph_state->system_state);
 186       return;
 187     }
 188   }
 189
 190   /* Restore the initial state */
 191   simgrid::mc::restore_snapshot(initial_global_state->snapshot);
 192
 193   /* Traverse the stack from the initial state and re-execute the transitions */
 194   int depth = 1;
 195   for (std::shared_ptr<Pair> const& pair : explorationStack_) {
 196     if (pair == explorationStack_.back())
 197       break;
 198
 199     std::shared_ptr<State> state = pair->graph_state;
 200
 201     if (pair->exploration_started) {
 202
 203       int req_num = state->transition.argument;
 204       smx_simcall_t saved_req = &state->executed_req;
 205
 206       smx_simcall_t req = nullptr;
 207
 208       if (saved_req != nullptr) {
 209         /* because we got a copy of the executed request, we have to fetch the
 210              real one, pointed by the request field of the issuer process */
 211         const smx_process_t issuer = MC_smx_simcall_get_issuer(saved_req);
 212         req = &issuer->simcall;
 213
 214         /* Debug information */
 215         XBT_DEBUG("Replay (depth = %d) : %s (%p)",
 216           depth,
 217           simgrid::mc::request_to_string(
 218             req, req_num, simgrid::mc::RequestType::simix).c_str(),
 219           state.get());
 220       }
 221
 222       this->getSession().execute(state->transition);
 223     }
 224
 225     /* Update statistics */
 226     visitedPairsCount_++;
 227     mc_model_checker->executed_transitions++;
 228
 229     depth++;
 230
 231   }
 232
 233   XBT_DEBUG("**** End Replay ****");
 234 }
 235
 236 /**
 237  * \brief Checks whether a given pair has already been visited by the algorithm.
 238  */
 239 int LivenessChecker::insertVisitedPair(std::shared_ptr<VisitedPair> visited_pair, simgrid::mc::Pair* pair)
 240 {
 241   if (_sg_mc_visited == 0)
 242     return -1;
 243
 244   if (visited_pair == nullptr)
 245     visited_pair = std::make_shared<VisitedPair>(
 246       pair->num, pair->automaton_state, pair->atomic_propositions,
 247       pair->graph_state);
 248
 249   auto range = std::equal_range(visitedPairs_.begin(), visitedPairs_.end(),
 250     visited_pair.get(), simgrid::mc::DerefAndCompareByNbProcessesAndUsedHeap());
 251
 252   for (auto i = range.first; i != range.second; ++i) {
 253     VisitedPair* pair_test = i->get();
 254     if (xbt_automaton_state_compare(
 255           pair_test->automaton_state, visited_pair->automaton_state) != 0
 256         || *(pair_test->atomic_propositions) != *(visited_pair->atomic_propositions)
 257         || this->compare(pair_test, visited_pair.get()) != 0)
 258         continue;
 259     if (pair_test->other_num == -1)
 260       visited_pair->other_num = pair_test->num;
 261     else
 262       visited_pair->other_num = pair_test->other_num;
 263     if (dot_output == nullptr)
 264       XBT_DEBUG("Pair %d already visited ! (equal to pair %d)", visited_pair->num, pair_test->num);
 265     else
 266       XBT_DEBUG("Pair %d already visited ! (equal to pair %d (pair %d in dot_output))",
 267         visited_pair->num, pair_test->num, visited_pair->other_num);
 268     (*i) = std::move(visited_pair);
 269     return (*i)->other_num;
 270   }
 271
 272   visitedPairs_.insert(range.first, std::move(visited_pair));
 273   this->purgeVisitedPairs();
 274   return -1;
 275 }
 276
 277 void LivenessChecker::purgeVisitedPairs()
 278 {
 279   if (_sg_mc_visited != 0 && visitedPairs_.size() > (std::size_t) _sg_mc_visited) {
 280     // Remove the oldest entry with a linear search:
 281     visitedPairs_.erase(std::min_element(
 282       visitedPairs_.begin(), visitedPairs_.end(),
 283       [](std::shared_ptr<VisitedPair> const a, std::shared_ptr<VisitedPair> const& b) {
 284         return a->num < b->num; } ));
 285   }
 286 }
 287
 288 LivenessChecker::LivenessChecker(Session& session) : Checker(session)
 289 {
 290 }
 291
 292 LivenessChecker::~LivenessChecker()
 293 {
 294 }
 295
 296 RecordTrace LivenessChecker::getRecordTrace() // override
 297 {
 298   RecordTrace res;
 299   for (std::shared_ptr<Pair> const& pair : explorationStack_)
 300     res.push_back(pair->graph_state->getTransition());
 301   return res;
 302 }
 303
 304 void LivenessChecker::logState() // override
 305 {
 306   Checker::logState();
 307   XBT_INFO("Expanded pairs = %lu", expandedPairsCount_);
 308   XBT_INFO("Visited pairs = %lu", visitedPairsCount_);
 309   XBT_INFO("Executed transitions = %lu", mc_model_checker->executed_transitions);
 310 }
 311
 312 void LivenessChecker::showAcceptanceCycle(std::size_t depth)
 313 {
 314   XBT_INFO("*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*");
 315   XBT_INFO("|             ACCEPTANCE CYCLE            |");
 316   XBT_INFO("*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*");
 317   XBT_INFO("Counter-example that violates formula :");
 318   simgrid::mc::dumpRecordPath();
 319   for (auto& s : this->getTextualTrace())
 320     XBT_INFO("%s", s.c_str());
 321   simgrid::mc::session->logState();
 322   XBT_INFO("Counter-example depth : %zd", depth);
 323 }
 324
 325 std::vector<std::string> LivenessChecker::getTextualTrace() // override
 326 {
 327   std::vector<std::string> trace;
 328   for (std::shared_ptr<Pair> const& pair : explorationStack_) {
 329     int req_num = pair->graph_state->transition.argument;
 330     smx_simcall_t req = &pair->graph_state->executed_req;
 331     if (req && req->call != SIMCALL_NONE)
 332       trace.push_back(simgrid::mc::request_to_string(
 333         req, req_num, simgrid::mc::RequestType::executed));
 334   }
 335   return trace;
 336 }
 337
 338 int LivenessChecker::main(void)
 339 {
 340   while (!explorationStack_.empty()){
 341     std::shared_ptr<Pair> current_pair = explorationStack_.back();
 342
 343     /* Update current state in buchi automaton */
 344     simgrid::mc::property_automaton->current_state = current_pair->automaton_state;
 345
 346     XBT_DEBUG("********************* ( Depth = %d, search_cycle = %d, interleave size = %zd, pair_num = %d, requests = %d)",
 347        current_pair->depth, current_pair->search_cycle,
 348        current_pair->graph_state->interleaveSize(),
 349        current_pair->num,
 350        current_pair->requests);
 351
 352     if (current_pair->requests == 0) {
 353       this->backtrack();
 354       continue;
 355     }
 356
 357     std::shared_ptr<VisitedPair> reached_pair;
 358     if (current_pair->automaton_state->type == 1 && !current_pair->exploration_started
 359         && (reached_pair = this->insertAcceptancePair(current_pair.get())) == nullptr) {
 360       this->showAcceptanceCycle(current_pair->depth);
 361       return SIMGRID_MC_EXIT_LIVENESS;
 362     }
 363
 364     /* Pair already visited ? stop the exploration on the current path */
 365     int visited_num = -1;
 366     if ((!current_pair->exploration_started)
 367       && (visited_num = this->insertVisitedPair(
 368         reached_pair, current_pair.get())) != -1) {
 369       if (dot_output != nullptr){
 370         fprintf(dot_output, "\"%d\" -> \"%d\" [%s];\n",
 371           initial_global_state->prev_pair, visited_num,
 372           initial_global_state->prev_req.c_str());
 373         fflush(dot_output);
 374       }
 375       XBT_DEBUG("Pair already visited (equal to pair %d), exploration on the current path stopped.", visited_num);
 376       current_pair->requests = 0;
 377       this->backtrack();
 378       continue;
 379     }
 380
 381     smx_simcall_t req = MC_state_get_request(current_pair->graph_state.get());
 382     int req_num = current_pair->graph_state->transition.argument;
 383
 384     if (dot_output != nullptr) {
 385       if (initial_global_state->prev_pair != 0 && initial_global_state->prev_pair != current_pair->num) {
 386         fprintf(dot_output, "\"%d\" -> \"%d\" [%s];\n",
 387           initial_global_state->prev_pair, current_pair->num,
 388           initial_global_state->prev_req.c_str());
 389         initial_global_state->prev_req.clear();
 390       }
 391       initial_global_state->prev_pair = current_pair->num;
 392       initial_global_state->prev_req = simgrid::mc::request_get_dot_output(req, req_num);
 393       if (current_pair->search_cycle)
 394         fprintf(dot_output, "%d [shape=doublecircle];\n", current_pair->num);
 395       fflush(dot_output);
 396     }
 397
 398     XBT_DEBUG("Execute: %s",
 399       simgrid::mc::request_to_string(
 400         req, req_num, simgrid::mc::RequestType::simix).c_str());
 401
 402     /* Update stats */
 403     mc_model_checker->executed_transitions++;
 404     if (!current_pair->exploration_started)
 405       visitedPairsCount_++;
 406
 407     /* Answer the request */
 408     mc_model_checker->handle_simcall(current_pair->graph_state->transition);
 409
 410     /* Wait for requests (schedules processes) */
 411     mc_model_checker->wait_for_requests();
 412
 413     current_pair->requests--;
 414     current_pair->exploration_started = true;
 415
 416     /* Get values of atomic propositions (variables used in the property formula) */
 417     std::shared_ptr<const std::vector<int>> prop_values = this->getPropositionValues();
 418
 419     // For each enabled transition in the property automaton, push a
 420     // (application_state, automaton_state) pair to the exploration stack:
 421     int cursor = xbt_dynar_length(current_pair->automaton_state->out) - 1;
 422     while (cursor >= 0) {
 423       xbt_automaton_transition_t transition_succ = (xbt_automaton_transition_t)xbt_dynar_get_as(current_pair->automaton_state->out, cursor, xbt_automaton_transition_t);
 424       if (evaluate_label(transition_succ->label, *prop_values))
 425           explorationStack_.push_back(this->newPair(
 426             current_pair.get(), transition_succ->dst, prop_values));
 427        cursor--;
 428      }
 429
 430   }
 431
 432   XBT_INFO("No property violation found.");
 433   simgrid::mc::session->logState();
 434   return SIMGRID_MC_EXIT_SUCCESS;
 435 }
 436
 437 std::shared_ptr<Pair> LivenessChecker::newPair(Pair* current_pair, xbt_automaton_state_t state, std::shared_ptr<const std::vector<int>> propositions)
 438 {
 439   std::shared_ptr<Pair> next_pair = std::make_shared<Pair>(++expandedPairsCount_);
 440   next_pair->automaton_state = state;
 441   next_pair->graph_state = std::shared_ptr<simgrid::mc::State>(MC_state_new(++expandedStatesCount_));
 442   next_pair->atomic_propositions = std::move(propositions);
 443   if (current_pair)
 444     next_pair->depth = current_pair->depth + 1;
 445   else
 446     next_pair->depth = 1;
 447   /* Get enabled processes and insert them in the interleave set of the next graph_state */
 448   for (auto& p : mc_model_checker->process().simix_processes())
 449     if (simgrid::mc::process_is_enabled(&p.copy))
 450       next_pair->graph_state->interleave(&p.copy);
 451   next_pair->requests = next_pair->graph_state->interleaveSize();
 452   /* FIXME : get search_cycle value for each acceptant state */
 453   if (next_pair->automaton_state->type == 1 ||
 454       (current_pair && current_pair->search_cycle))
 455     next_pair->search_cycle = true;
 456   else
 457     next_pair->search_cycle = false;
 458   return std::move(next_pair);
 459 }
 460
 461 void LivenessChecker::backtrack()
 462 {
 463   /* Traverse the stack backwards until a pair with a non empty interleave
 464      set is found, deleting all the pairs that have it empty in the way. */
 465   while (!explorationStack_.empty()) {
 466     std::shared_ptr<simgrid::mc::Pair> current_pair = explorationStack_.back();
 467     explorationStack_.pop_back();
 468     if (current_pair->requests > 0) {
 469       /* We found a backtracking point */
 470       XBT_DEBUG("Backtracking to depth %d", current_pair->depth);
 471       explorationStack_.push_back(std::move(current_pair));
 472       this->replay();
 473       XBT_DEBUG("Backtracking done");
 474       break;
 475     } else {
 476       XBT_DEBUG("Delete pair %d at depth %d", current_pair->num, current_pair->depth);
 477       if (current_pair->automaton_state->type == 1)
 478         this->removeAcceptancePair(current_pair->num);
 479     }
 480   }
 481 }
 482
 483 int LivenessChecker::run()
 484 {
 485   XBT_INFO("Check the liveness property %s", _sg_mc_property_file);
 486   MC_automaton_load(_sg_mc_property_file);
 487   mc_model_checker->wait_for_requests();
 488
 489   XBT_DEBUG("Starting the liveness algorithm");
 490
 491   /* Create the initial state */
 492   simgrid::mc::initial_global_state = std::unique_ptr<s_mc_global_t>(new s_mc_global_t());
 493
 494   this->prepare();
 495   int res = this->main();
 496   simgrid::mc::initial_global_state = nullptr;
 497
 498   return res;
 499 }
 500
 501 Checker* createLivenessChecker(Session& session)
 502 {
 503   return new LivenessChecker(session);
 504 }
 505
 506 }
 507 }