Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Public GIT Repository
9a441b93ac8bbc41f52e6300e0f39cde63698e00
[simgrid.git] / src / surf / plugins / host_energy.cpp
1 /* Copyright (c) 2010-2017. 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 "simgrid/plugins/energy.h"
7 #include "simgrid/simix.hpp"
8 #include "src/plugins/vm/VirtualMachineImpl.hpp"
9 #include "src/surf/cpu_interface.hpp"
10
11 #include "simgrid/s4u/Engine.hpp"
12
13 #include <boost/algorithm/string/classification.hpp>
14 #include <boost/algorithm/string/split.hpp>
15 #include <string>
16 #include <utility>
17 #include <vector>
18
19 /** @addtogroup SURF_plugin_energy
20
21
22 This is the energy plugin, enabling to account not only for computation time,
23 but also for the dissipated energy in the simulated platform.
24
25 The energy consumption of a CPU depends directly of its current load. Specify that consumption in your platform file as
26 follows:
27
28 \verbatim
29 <host id="HostA" power="100.0Mf" cores="8">
30     <prop id="watt_per_state" value="100.0:120.0:200.0" />
31     <prop id="watt_off" value="10" />
32 </host>
33 \endverbatim
34
35 The first property means that when your host is up and running, but without anything to do, it will dissipate 100 Watts.
36 If only one care is active, it will dissipate 120 Watts. If it's fully loaded, it will dissipate 200 Watts. If its load is at 50%, then it will dissipate 153.33 Watts.
37 The second property means that when your host is turned off, it will dissipate only 10 Watts (please note that these
38 values are arbitrary).
39
40 If your CPU is using pstates, then you can provide one consumption interval per pstate.
41
42 \verbatim
43 <host id="HostB" power="100.0Mf,50.0Mf,20.0Mf" pstate="0" >
44     <prop id="watt_per_state" value="95.0:120.0:200.0, 93.0:115.0:170.0, 90.0:110.0:150.0" />
45     <prop id="watt_off" value="10" />
46 </host>
47 \endverbatim
48
49 That host has 3 levels of performance with the following performance: 100 Mflop/s, 50 Mflop/s or 20 Mflop/s.
50 It starts at pstate 0 (ie, at 100 Mflop/s). In this case, you have to specify one interval per pstate in the
51 watt_per_state property.
52 In this example, the idle consumption is 95 Watts, 93 Watts and 90 Watts in each pstate while the CPU burn consumption
53 are at 200 Watts, 170 Watts, and 150 Watts respectively. If only one core is active, this machine consumes 120 / 115 / 110 watts.
54
55 To change the pstate of a given CPU, use the following functions:
56 #MSG_host_get_nb_pstates(), simgrid#s4u#Host#setPstate(), #MSG_host_get_power_peak_at().
57
58 To simulate the energy-related elements, first call the simgrid#energy#sg_energy_plugin_init() before your #MSG_init(),
59 and then use the following function to retrieve the consumption of a given host: MSG_host_get_consumed_energy().
60  */
61
62 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(surf_energy, surf, "Logging specific to the SURF energy plugin");
63
64 namespace simgrid {
65 namespace energy {
66
67 class PowerRange {
68 public:
69   double idle;
70   double min;
71   double max;
72
73   PowerRange(double idle, double min, double max) : idle(idle), min(min), max(max) {}
74 };
75
76 class HostEnergy {
77 public:
78   static simgrid::xbt::Extension<simgrid::s4u::Host, HostEnergy> EXTENSION_ID;
79
80   explicit HostEnergy(simgrid::s4u::Host* ptr);
81   ~HostEnergy();
82
83   double getCurrentWattsValue(double cpu_load);
84   double getConsumedEnergy();
85   double getWattMinAt(int pstate);
86   double getWattMaxAt(int pstate);
87   void update();
88
89 private:
90   void initWattsRangeList();
91   simgrid::s4u::Host* host = nullptr;
92   std::vector<PowerRange>
93       power_range_watts_list; /*< List of (min_power,max_power) pairs corresponding to each cpu pstate */
94
95   /* We need to keep track of what pstate has been used, as we will sometimes
96    * be notified only *after* a pstate has been used (but we need to update the energy consumption
97    * with the old pstate!)
98    */
99   int pstate = 0;
100
101 public:
102   double watts_off    = 0.0; /*< Consumption when the machine is turned off (shutdown) */
103   double total_energy = 0.0; /*< Total energy consumed by the host */
104   double last_updated;       /*< Timestamp of the last energy update event*/
105 };
106
107 simgrid::xbt::Extension<simgrid::s4u::Host, HostEnergy> HostEnergy::EXTENSION_ID;
108
109 /* Computes the consumption so far.  Called lazily on need. */
110 void HostEnergy::update()
111 {
112   double start_time  = this->last_updated;
113   double finish_time = surf_get_clock();
114   double cpu_load;
115   double current_speed = host->speed();
116   if (current_speed <= 0)
117     // Some users declare a pstate of speed 0 flops (e.g., to model boot time).
118     // We consider that the machine is then fully loaded. That's arbitrary but it avoids a NaN
119     cpu_load = 1;
120   else
121     cpu_load = lmm_constraint_get_usage(host->pimpl_cpu->constraint()) / current_speed;
122
123   /** Divide by the number of cores here **/
124   cpu_load /= host->pimpl_cpu->coreCount();
125
126   if (cpu_load > 1) // A machine with a load > 1 consumes as much as a fully loaded machine, not more
127     cpu_load = 1;
128
129   /* The problem with this model is that the load is always 0 or 1, never something less.
130    * Another possibility could be to model the total energy as
131    *
132    *   X/(X+Y)*W_idle + Y/(X+Y)*W_burn
133    *
134    * where X is the amount of idling cores, and Y the amount of computing cores.
135    */
136
137   double previous_energy = this->total_energy;
138
139   double instantaneous_consumption;
140   if (this->pstate == -1) // The host was off at the beginning of this time interval
141     instantaneous_consumption = this->watts_off;
142   else
143     instantaneous_consumption = this->getCurrentWattsValue(cpu_load);
144
145   double energy_this_step = instantaneous_consumption * (finish_time - start_time);
146
147   //TODO Trace: Trace energy_this_step from start_time to finish_time in host->name()
148
149   this->total_energy = previous_energy + energy_this_step;
150   this->last_updated = finish_time;
151
152   XBT_DEBUG(
153       "[update_energy of %s] period=[%.2f-%.2f]; current power peak=%.0E flop/s; consumption change: %.2f J -> %.2f J",
154       host->cname(), start_time, finish_time, host->pimpl_cpu->speed_.peak, previous_energy, energy_this_step);
155
156   /* Save data for the upcoming time interval: whether it's on/off and the pstate if it's on */
157   this->pstate = host->isOn() ? host->pstate() : -1;
158 }
159
160 HostEnergy::HostEnergy(simgrid::s4u::Host* ptr) : host(ptr), last_updated(surf_get_clock())
161 {
162   initWattsRangeList();
163
164   const char* off_power_str = host->property("watt_off");
165   if (off_power_str != nullptr) {
166     char* msg       = bprintf("Invalid value for property watt_off of host %s: %%s", host->cname());
167     this->watts_off = xbt_str_parse_double(off_power_str, msg);
168     xbt_free(msg);
169   }
170   /* watts_off is 0 by default */
171 }
172
173 HostEnergy::~HostEnergy() = default;
174
175 double HostEnergy::getWattMinAt(int pstate)
176 {
177   xbt_assert(not power_range_watts_list.empty(), "No power range properties specified for host %s", host->cname());
178   return power_range_watts_list[pstate].min;
179 }
180
181 double HostEnergy::getWattMaxAt(int pstate)
182 {
183   xbt_assert(not power_range_watts_list.empty(), "No power range properties specified for host %s", host->cname());
184   return power_range_watts_list[pstate].max;
185 }
186
187 /** @brief Computes the power consumed by the host according to the current pstate and processor load */
188 double HostEnergy::getCurrentWattsValue(double cpu_load)
189 {
190   xbt_assert(not power_range_watts_list.empty(), "No power range properties specified for host %s", host->cname());
191
192   /* min_power corresponds to the power consumed when only one core is active */
193   /* max_power is the power consumed at 100% cpu load       */
194   auto range           = power_range_watts_list.at(this->pstate);
195   double current_power = 0;
196   double min_power     = 0;
197   double max_power     = 0;
198   double power_slope   = 0;
199
200   if (cpu_load > 0) { /* Something is going on, the machine is not idle */
201     double min_power = range.min;
202     double max_power = range.max;
203
204     /**
205      * The min_power states how much we consume when only one single
206      * core is working. This means that when cpu_load == 1/coreCount, then
207      * current_power == min_power.
208      *
209      * The maximum must be reached when all cores are working (but 1 core was
210      * already accounted for by min_power)
211      * i.e., we need min_power + (maxCpuLoad-1/coreCount)*power_slope == max_power
212      * (maxCpuLoad is by definition 1)
213      */
214     double power_slope;
215     int coreCount         = host->coreCount();
216     double coreReciprocal = static_cast<double>(1) / static_cast<double>(coreCount);
217     if (coreCount > 1)
218       power_slope = (max_power - min_power) / (1 - coreReciprocal);
219     else
220       power_slope = 0; // Should be 0, since max_power == min_power (in this case)
221
222     current_power = min_power + (cpu_load - coreReciprocal) * power_slope;
223   } else { /* Our machine is idle, take the dedicated value! */
224     current_power = range.idle;
225   }
226
227   XBT_DEBUG("[get_current_watts] min_power=%f, max_power=%f, slope=%f", min_power, max_power, power_slope);
228   XBT_DEBUG("[get_current_watts] Current power (watts) = %f, load = %f", current_power, cpu_load);
229
230   return current_power;
231 }
232
233 double HostEnergy::getConsumedEnergy()
234 {
235   if (last_updated < surf_get_clock()) // We need to simcall this as it modifies the environment
236     simgrid::simix::kernelImmediate(std::bind(&HostEnergy::update, this));
237
238   return total_energy;
239 }
240
241 void HostEnergy::initWattsRangeList()
242 {
243   const char* all_power_values_str = host->property("watt_per_state");
244   if (all_power_values_str == nullptr)
245     return;
246
247   std::vector<std::string> all_power_values;
248   boost::split(all_power_values, all_power_values_str, boost::is_any_of(","));
249
250   int i = 0;
251   for (auto current_power_values_str : all_power_values) {
252     /* retrieve the power values associated with the current pstate */
253     std::vector<std::string> current_power_values;
254     boost::split(current_power_values, current_power_values_str, boost::is_any_of(":"));
255     xbt_assert(current_power_values.size() == 3, "Power properties incorrectly defined - "
256                                                  "could not retrieve idle, min and max power values for host %s",
257                host->cname());
258
259     /* min_power corresponds to the idle power (cpu load = 0) */
260     /* max_power is the power consumed at 100% cpu load       */
261     char* msg_idle = bprintf("Invalid idle value for pstate %d on host %s: %%s", i, host->cname());
262     char* msg_min  = bprintf("Invalid min value for pstate %d on host %s: %%s", i, host->cname());
263     char* msg_max  = bprintf("Invalid max value for pstate %d on host %s: %%s", i, host->cname());
264     PowerRange range(xbt_str_parse_double((current_power_values.at(0)).c_str(), msg_idle),
265                      xbt_str_parse_double((current_power_values.at(1)).c_str(), msg_min),
266                      xbt_str_parse_double((current_power_values.at(2)).c_str(), msg_max));
267     power_range_watts_list.push_back(range);
268     xbt_free(msg_idle);
269     xbt_free(msg_min);
270     xbt_free(msg_max);
271     i++;
272   }
273 }
274 }
275 }
276
277 using simgrid::energy::HostEnergy;
278
279 /* **************************** events  callback *************************** */
280 static void onCreation(simgrid::s4u::Host& host)
281 {
282   if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(&host)) // Ignore virtual machines
283     return;
284
285   //TODO Trace: set to zero the energy variable associated to host->name()
286
287   host.extension_set(new HostEnergy(&host));
288 }
289
290 static void onActionStateChange(simgrid::surf::CpuAction* action, simgrid::surf::Action::State previous)
291 {
292   for (simgrid::surf::Cpu* cpu : action->cpus()) {
293     simgrid::s4u::Host* host = cpu->getHost();
294     if (host != nullptr) {
295
296       // If it's a VM, take the corresponding PM
297       simgrid::s4u::VirtualMachine* vm = dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(host);
298       if (vm) // If it's a VM, take the corresponding PM
299         host = vm->pimpl_vm_->getPm();
300
301       // Get the host_energy extension for the relevant host
302       HostEnergy* host_energy = host->extension<HostEnergy>();
303
304       if (host_energy->last_updated < surf_get_clock())
305         host_energy->update();
306     }
307   }
308 }
309
310 /* This callback is fired either when the host changes its state (on/off) ("onStateChange") or its speed
311  * (because the user changed the pstate, or because of external trace events) ("onSpeedChange") */
312 static void onHostChange(simgrid::s4u::Host& host)
313 {
314   if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(&host)) // Ignore virtual machines
315     return;
316
317   HostEnergy* host_energy = host.extension<HostEnergy>();
318
319   host_energy->update();
320 }
321
322 static void onHostDestruction(simgrid::s4u::Host& host)
323 {
324   if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(&host)) // Ignore virtual machines
325     return;
326
327   HostEnergy* host_energy = host.extension<HostEnergy>();
328   host_energy->update();
329   XBT_INFO("Energy consumption of host %s: %f Joules", host.cname(), host_energy->getConsumedEnergy());
330 }
331
332 static void onSimulationEnd()
333 {
334   sg_host_t* host_list     = sg_host_list();
335   int host_count           = sg_host_count();
336   double total_energy      = 0.0; // Total energy consumption (whole platform)
337   double used_hosts_energy = 0.0; // Energy consumed by hosts that computed something
338   for (int i = 0; i < host_count; i++) {
339     if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(host_list[i]) == nullptr) { // Ignore virtual machines
340
341       bool host_was_used = (host_list[i]->extension<HostEnergy>()->last_updated != 0);
342       double energy      = host_list[i]->extension<HostEnergy>()->getConsumedEnergy();
343       total_energy      += energy;
344       if (host_was_used)
345         used_hosts_energy += energy;
346     }
347   }
348   XBT_INFO("Total energy consumption: %f Joules (used hosts: %f Joules; unused/idle hosts: %f)",
349            total_energy, used_hosts_energy, total_energy - used_hosts_energy);
350   xbt_free(host_list);
351 }
352
353 /* **************************** Public interface *************************** */
354 SG_BEGIN_DECL()
355
356 /** \ingroup SURF_plugin_energy
357  * \brief Enable host energy plugin
358  * \details Enable energy plugin to get joules consumption of each cpu. Call this function before #MSG_init().
359  */
360 void sg_host_energy_plugin_init()
361 {
362   if (HostEnergy::EXTENSION_ID.valid())
363     return;
364
365   HostEnergy::EXTENSION_ID = simgrid::s4u::Host::extension_create<HostEnergy>();
366
367   simgrid::s4u::Host::onCreation.connect(&onCreation);
368   simgrid::s4u::Host::onStateChange.connect(&onHostChange);
369   simgrid::s4u::Host::onSpeedChange.connect(&onHostChange);
370   simgrid::s4u::Host::onDestruction.connect(&onHostDestruction);
371   simgrid::s4u::onSimulationEnd.connect(&onSimulationEnd);
372   simgrid::surf::CpuAction::onStateChange.connect(&onActionStateChange);
373 }
374
375 /** @brief Returns the total energy consumed by the host so far (in Joules)
376  *
377  *  See also @ref SURF_plugin_energy.
378  */
379 double sg_host_get_consumed_energy(sg_host_t host)
380 {
381   xbt_assert(HostEnergy::EXTENSION_ID.valid(),
382              "The Energy plugin is not active. Please call sg_energy_plugin_init() during initialization.");
383   return host->extension<HostEnergy>()->getConsumedEnergy();
384 }
385
386 /** @brief Get the amount of watt dissipated at the given pstate when the host is idling */
387 double sg_host_get_wattmin_at(sg_host_t host, int pstate)
388 {
389   xbt_assert(HostEnergy::EXTENSION_ID.valid(),
390              "The Energy plugin is not active. Please call sg_energy_plugin_init() during initialization.");
391   return host->extension<HostEnergy>()->getWattMinAt(pstate);
392 }
393 /** @brief  Returns the amount of watt dissipated at the given pstate when the host burns CPU at 100% */
394 double sg_host_get_wattmax_at(sg_host_t host, int pstate)
395 {
396   xbt_assert(HostEnergy::EXTENSION_ID.valid(),
397              "The Energy plugin is not active. Please call sg_energy_plugin_init() during initialization.");
398   return host->extension<HostEnergy>()->getWattMaxAt(pstate);
399 }
400
401 SG_END_DECL()