Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Public GIT Repository
fix some doc issues
[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 code template is available under ``/source/simgrid-template-s4u.git``
394 in the image. You should copy it to your working directory and
395 recompile it when you first log in:
396
397 .. code-block:: console
398
399    $ cp -r /source/simgrid-template-s4u.git/* /source/tutorial
400    $ cd /source/tutorial
401    $ cmake .
402    $ make
403
404 Using your Computer Natively
405 ............................
406
407 .. tabs::
408
409    .. group-tab:: C++
410
411       To take the tutorial on your machine, you first need to :ref:`install
412       a recent version of SimGrid <install>`, a C++ compiler, and also
413       ``pajeng`` to visualize the traces. You may want to install `Vite
414       <http://vite.gforge.inria.fr/>`_ to get a first glance at the traces.
415       The provided code template requires CMake to compile. On Debian and
416       Ubuntu for example, you can get them as follows:
417
418       .. code-block:: console
419
420          $ sudo apt install simgrid pajeng cmake g++ vite
421
422       An initial version of the source code is provided on framagit. This
423       template compiles with CMake. If SimGrid is correctly installed, you
424       should be able to clone the `repository
425       <https://framagit.org/simgrid/simgrid-template-s4u>`_ and recompile
426       everything as follows:
427
428       .. code-block:: console
429
430          # (exporting SimGrid_PATH is only needed if SimGrid is installed in a non-standard path)
431          $ export SimGrid_PATH=/where/to/simgrid
432
433          $ git clone https://framagit.org/simgrid/simgrid-template-s4u.git
434          $ cd simgrid-template-s4u/
435          $ cmake .
436          $ make
437
438       If you struggle with the compilation, then you should double-check
439       your :ref:`SimGrid installation <install>`.  On need, please refer to
440       the :ref:`Troubleshooting your Project Setup
441       <install_yours_troubleshooting>` section.
442
443    .. group-tab:: Python
444
445       To take the tutorial on your machine, you first need to :ref:`install
446       a recent version of SimGrid <install>` and ``pajeng`` to visualize the 
447       traces. You may want to install `Vite <http://vite.gforge.inria.fr/>`_ to get a first glance at the traces.
448       On Debian and Ubuntu for example, you can get them as follows:
449
450       .. code-block:: console
451
452          $ sudo apt install simgrid pajeng vite
453
454       An initial version of the source code is provided on framagit. 
455       If SimGrid is correctly installed, you should be able to clone the `repository
456       <https://framagit.org/simgrid/simgrid-template-s4u>`_ and execute it as follows:
457
458       .. code-block:: console
459
460          $ git clone https://framagit.org/simgrid/simgrid-template-s4u.git
461          $ cd simgrid-template-s4u/
462          $ python master-workers.py small_platform.xml master-workers_d.xml
463
464       If you get some errors, then you should double-check
465       your :ref:`SimGrid installation <install>`.  On need, please refer to
466       the :ref:`Troubleshooting your Project Setup <install_yours_troubleshooting>` section.
467
468
469 For R analysis of the produced traces, you may want to install R
470 and the `pajengr <https://github.com/schnorr/pajengr#installation/>`_ package.
471
472 .. code-block:: console
473
474    # install R and necessary packages
475    $ sudo apt install r-base r-cran-devtools r-cran-tidyverse
476    # install pajengr dependencies
477    $ sudo apt install git cmake flex bison
478    # install the pajengr R package
479    $ Rscript -e "library(devtools); install_github('schnorr/pajengr');"
480
481
482 Discovering the Provided Code
483 .............................
484
485 .. tabs::
486
487    .. group-tab:: C++
488
489       Please compile and execute the provided simulator as follows:
490
491       .. code-block:: console
492
493          $ make master-workers
494          $ ./master-workers small_platform.xml master-workers_d.xml
495
496    .. group-tab:: Python
497
498       Please execute the provided simulator as follows:
499
500       .. code-block:: console
501
502          $ python master-workers.py small_platform.xml master-workers_d.xml
503
504 For a more "fancy" output, you can use simgrid-colorizer.
505
506 .. code-block:: console
507
508    # Run C++ code
509    $ ./master-workers small_platform.xml master-workers_d.xml 2>&1 | simgrid-colorizer
510
511    # Run Python code
512    $ python master-workers.py small_platform.xml master-workers_d.xml 2>&1 | simgrid-colorizer
513
514 If you installed SimGrid to a non-standard path, you may have to
515 specify the full path to simgrid-colorizer on the above line, such as
516 ``/opt/simgrid/bin/simgrid-colorizer``. If you did not install it at all,
517 you can find it in <simgrid_root_directory>/bin/colorize.
518
519 For a classical Gantt-Chart visualization, you can use `Vite
520 <http://vite.gforge.inria.fr/>`_ if you have it installed, as
521 follows. But do not spend too much time installing Vite, because there
522 is a better way to visualize SimGrid traces (see below).
523
524 .. code-block:: console
525
526    # Run C++ code
527    $ ./master-workers small_platform.xml master-workers_d.xml --cfg=tracing:yes --cfg=tracing/actor:yes
528    # Run Python code
529    $ python master-workers.py small_platform.xml master-workers_d.xml --cfg=tracing:yes --cfg=tracing/actor:yes
530
531    # Visualize the produced trace
532    $ vite simgrid.trace
533
534 .. image:: /tuto_s4u/img/vite-screenshot.png
535    :align: center
536
537 .. note::
538
539    If you use an older version of SimGrid (before v3.26), you should use
540    ``--cfg=tracing/msg/process:yes`` instead of ``--cfg=tracing/actor:yes``.
541
542 If you want the full power to visualize SimGrid traces, you need
543 to use R. As a start, you can download this `starter script
544 <https://framagit.org/simgrid/simgrid/raw/master/docs/source/tuto_s4u/draw_gantt.R>`_
545 and use it as follows:
546
547 .. code-block:: console
548
549    # Run C++ code
550    $ ./master-workers small_platform.xml master-workers_d.xml --cfg=tracing:yes --cfg=tracing/actor:yes
551    # Run Python code
552    $ python master-workers.py small_platform.xml master-workers_d.xml --cfg=tracing:yes --cfg=tracing/actor:yes
553
554    # Visualize the produced trace
555    $ Rscript draw_gantt.R simgrid.trace
556
557 It produces a ``Rplots.pdf`` with the following content:
558
559 .. image:: /tuto_s4u/img/Rscript-screenshot.png
560    :align: center
561
562
563 Lab 1: Simpler deployments
564 --------------------------
565
566 .. rst-class:: compact-list
567
568    **Learning goals:** 
569
570    * Get your hands on the code and change the communication pattern
571    * Discover the Mailbox mechanism
572
573 In the provided example, adding more workers quickly becomes a pain:
574 You need to start them (at the bottom of the file) and inform the
575 master of its availability with an extra parameter. This is mandatory
576 if you want to inform the master of where the workers are running. But
577 actually, the master does not need to have this information.
578
579 We could leverage the mailbox mechanism flexibility, and use a sort of
580 yellow page system: Instead of sending data to the worker running on
581 Fafard, the master could send data to the third worker. Ie, instead of
582 using the worker location (which should be filled in two locations),
583 we could use their ID (which should be filled in one location
584 only).
585
586 This could be done with the following deployment file. It's
587 not shorter than the previous one, but it's still simpler because the
588 information is only written once. It thus follows the `DRY
589 <https://en.wikipedia.org/wiki/Don't_repeat_yourself>`_ `SPOT
590 <http://wiki.c2.com/?SinglePointOfTruth>`_ design principle.
591
592 .. literalinclude:: tuto_s4u/deployment1.xml
593    :language: xml
594
595 .. tabs::
596
597    .. group-tab:: C++
598
599       Copy your ``master-workers.cpp`` into ``master-workers-lab1.cpp`` and
600       add a new executable into ``CMakeLists.txt``. Then modify your worker
601       function so that it gets its mailbox name not from the name of its
602       host, but from the string passed as ``args[1]``. The master will send
603       messages to all workers based on their number, for example as follows:
604
605       .. code-block:: cpp
606
607          for (int i = 0; i < tasks_count; i++) {
608             std::string worker_rank          = std::to_string(i % workers_count);
609             std::string mailbox_name         = std::string("worker-") + worker_rank;
610             simgrid::s4u::Mailbox* mailbox = simgrid::s4u::Mailbox::by_name(mailbox_name);
611
612             mailbox->put(...);
613
614             ...
615          }
616
617    .. group-tab:: Python
618
619       Copy your ``master-workers.py`` into ``master-workers-lab1.py`` then
620       modify your worker
621       function so that it gets its mailbox name not from the name of its
622       host, but from the string passed as ``args[0]``. The master will send
623       messages to all workers based on their number, for example as follows:
624
625       .. code-block:: cpp
626
627            for i in range(tasks_count): 
628               mailbox = Mailbox.by_name(str(i % worker_count))
629               mailbox.put(...)
630
631 Wrap up
632 .......
633
634 The mailboxes are a very powerful mechanism in SimGrid, allowing many
635 interesting application settings. They may feel unusual if you are
636 used to BSD sockets or other classical systems, but you will soon
637 appreciate their power. They are only used to match
638 communications but have no impact on the communication
639 timing. ``put()`` and ``get()`` are matched regardless of their
640 initiators' location and then the real communication occurs between
641 the involved parties.
642
643 Please refer to the full `Mailboxes' documentation <app_s4u.html#s4u-mailbox>`_ 
644 for more details.
645
646
647 Lab 2: Using the Whole Platform
648 -------------------------------
649
650 .. rst-class:: compact-list
651
652    **Learning goals:** 
653
654    * Interact with the platform (get the list of all hosts)
655    * Create actors directly from your program instead of the deployment file
656
657 It is now easier to add a new worker, but you still have to do it
658 manually. It would be much easier if the master could start the
659 workers on its own, one per available host in the platform. The new
660 deployment file should be as simple as:
661
662 .. literalinclude:: tuto_s4u/deployment2.xml
663    :language: xml
664
665
666 Creating the workers from the master
667 ....................................
668
669 .. tabs::
670
671    .. group-tab:: C++
672
673       For that, the master needs to retrieve the list of hosts declared in
674       the platform with :cpp:func:`simgrid::s4u::Engine::get_all_hosts`.
675       Then, the master should start the worker actors with
676       :cpp:func:`simgrid::s4u::Actor::create`.
677
678       ``Actor::create(name, host, func, params...)`` is a very flexible
679       function. Its third parameter is the function that the actor should
680       execute. This function can take any kind of parameter, provided that
681       you pass similar parameters to ``Actor::create()``. For example, you
682       could have something like this:
683
684       .. code-block:: cpp
685
686          void my_actor(int param1, double param2, std::string param3) {
687             ...
688          }
689          int main(int argc, char argv**) {
690             ...
691             simgrid::s4u::ActorPtr actor;
692             actor = simgrid::s4u::Actor::create("name", simgrid::s4u::Host::by_name("the_host"),
693                                                 &my_actor, 42, 3.14, "thevalue");
694             ...
695          }
696
697    .. group-tab:: Python
698
699       For that, the master needs to retrieve the list of hosts declared in
700       the platform with :py:func:`simgrid.Engine.get_all_hosts`. Since this method is not static, 
701       you may want to call it on the Engine instance, as in ``Engine.instance().get_all_hosts()``.
702       Then, the master should start the worker actors with :py:func:`simgrid.Actor.create`.
703
704       ``Actor.create(name, host, func, params...)`` is a very flexible
705       function. Its third parameter is the function that the actor should
706       execute. This function can take any kind of parameter, provided that
707       you pass similar parameters to ``Actor.create()``. For example, you
708       could have something like this:
709
710       .. code-block:: python
711
712          def my_actor(param1, param2, param3):
713             # your code comes here
714          actor = simgrid.Actor.create("name", the_host, my_actor, 42, 3.14, "thevalue")
715
716
717 Master-Workers Communication
718 ............................
719
720 Previously, the workers got from their parameter the name of the
721 mailbox they should use. We can still do so: the master should build
722 such a parameter before using it in the ``Actor::create()`` call. The
723 master could even pass directly the mailbox as a parameter to the
724 workers.
725
726 Since we want later to study concurrent applications, it is advised to
727 use a mailbox name that is unique over the simulation even if there is
728 more than one master.
729
730 .. tabs::
731
732    .. group-tab:: C++
733
734       One possibility for that is to use the actor ID (aid) of each worker
735       as a mailbox name. The master can retrieve the aid of the newly
736       created actor with :cpp:func:`simgrid::s4u::Actor::get_pid()` while the actor itself can
737       retrieve its own aid with :cpp:func:`simgrid::s4u::this_actor::get_pid()`.
738       The retrieved value is an :cpp:type:`aid_t`, which is an alias for ``long``.
739
740    .. group-tab:: Python
741
742       One possibility for that is to use the actor ID of each worker
743       as a mailbox name. The master can retrieve the aid of the newly
744       created actor with :py:func:`simgrid.Actor.pid` while the actor itself can
745       retrieve its own aid with :py:func:`simgrid.this_actor.get_pid()`.
746
747 Wrap up
748 .......
749
750 In this exercise, we reduced the amount of configuration that our
751 simulator requests. This is both a good idea and a dangerous
752 trend. This simplification is another application of the good old DRY/SPOT
753 programming principle (`Don't Repeat Yourself / Single Point Of Truth
754 <https://en.wikipedia.org/wiki/Don%27t_repeat_yourself>`_), and you
755 really want your programming artifacts to follow these software
756 engineering principles.
757
758 But at the same time, you should be careful in separating your
759 scientific contribution (the master/workers algorithm) and the
760 artifacts used to test it (platform, deployment, and workload). This is
761 why SimGrid forces you to express your platform and deployment files
762 in XML instead of using a programming interface: it forces a clear
763 separation of concerns between things of different nature.
764
765 Lab 3: Fixed Experiment Duration
766 --------------------------------
767
768 .. rst-class:: compact-list
769
770    **Learning goals:** 
771
772    * Forcefully kill actors, and stop the simulation at a given point of time
773    * Control the logging verbosity
774
775 In the current version, the number of tasks is defined through the
776 worker arguments. Hence, tasks are created at the very beginning of
777 the simulation. Instead, have the master dispatching tasks for a
778 predetermined amount of time.  The tasks must now be created on need
779 instead of beforehand.
780
781 Of course, usual time functions like ``gettimeofday`` will give you the
782 time on your real machine, which is pretty useless in the
783 simulation. Instead, retrieve the time in the simulated world with
784 :cpp:func:`simgrid::s4u::Engine::get_clock` (C++) or 
785 :py:func:`simgrid.Engine.get_clock()`) (Python).
786
787 You can still stop your workers with a specific task as previously,
788 or you may kill them forcefully with :cpp:func:`simgrid::s4u::Actor::kill` (C++)
789 :py:func:`simgrid.Actor.kill` (Python).
790
791 Anyway, the new deployment `deployment3.xml` file should thus look
792 like this:
793
794 .. literalinclude:: tuto_s4u/deployment3.xml
795    :language: xml
796
797 Controlling the message verbosity
798 .................................
799
800 Not all messages are equally informative, so you probably want to
801 change some of the *info* messages (C: :c:macro:`XBT_INFO`; Python: :py:func:`simgrid.this_actor.info`) 
802 into *debug* messages`(C: :c:macro:`XBT_DEBUG`; Python: :py:func:`simgrid.this_actor.debug`) so that they are
803 hidden by default. For example, you may want to use an *info* message once
804 every 100 tasks and *debug* when sending all the other tasks. Or
805 you could show only the total number of tasks processed by
806 default. You can still see the debug messages as follows:
807
808 .. code-block:: console
809
810    $ ./master-workers-lab3 small_platform.xml deployment3.xml --log=s4u_app_masterworker.thres:debug
811
812 Lab 4: What-if analysis
813 -----------------------
814
815 .. rst-class:: compact-list
816
817    **Learning goals:** 
818
819    * Change the platform characteristics during the simulation.
820    * Explore other communication patterns.
821
822 Computational speed
823 ...................
824
825 Attach a profile to your hosts, so that their computational speed automatically vary over time, modeling an external load on these machines.
826 This can be done with :cpp:func:`simgrid::s4u::Host::set_speed_profile` (C++) or :py:func:`simgrid.Host.set_speed_profile` (Python). 
827
828 Make it so that one of the hosts get really really slow, and observe how your whole application performance decreases.
829 This is because one slow host slows down the whole process. Instead of a round-robin dispatch push, 
830 you should completely reorganize your application in a First-Come First-Served manner (FCFS).
831 Actors should pull a task whenever they are ready, so that fast actors can overpass slow ones in the queue.
832
833 There is two ways to implement that: either the workers request a task to the master by sending their name to a specific mailbox,
834 or the master directly pushes the tasks to a centralized mailbox from which the workers pull their work. The first approach is closer
835 to what would happen with communications based on BSD sockets while the second is closer to message queues. You could also decide to
836 model your socket application in the second manner if you want to neglect these details and keep your simulator simple. It's your decision.
837
838 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 
839 increase the amount of tasks handled over time here. Things may be different with another platform file.
840
841 Communication speed
842 ...................
843
844 Let's now modify the communication speed between hosts.
845
846 Retrieve a link from its name with :cpp:func:`simgrid::s4u::Link::by_name()` (C++) or :py:func:`simgrid.Link.by_name()` (python).
847
848 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).
849
850 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).
851
852 Modify the bandwidth of a given link with :cpp:func:`simgrid::s4u::Link::set_bandwidth` (C++) or :py:func:`simgrid.Link.set_bandwidth` (python).
853 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).
854
855 Once implemented, you will notice that slow communications may still result in situations
856 where one worker only works at a given point of time. To overcome that, your master needs 
857 to send data to several workers in parallel, using 
858 :cpp:func:`simgrid::s4u::Mailbox::put_async` (C++) or :py:func:`simgrid.Mailbox.put_async` (Python)
859 to start several communications in parallel, and
860 :cpp:func:`simgrid::s4u::Comm::wait_any` (C++) or and :py:func:`simgrid.Comm.wait_any` (Python) 
861 to react to the completion of one of these communications. Actually, since this code somewhat tricky 
862 to write, it's provided as :ref:`an example <s4u_ex_communication>` in the distribution (search for 
863 ``wait_any`` in that page). 
864
865 Dealing with failures
866 .....................
867
868 Turn a given link off with :cpp:func:`simgrid::s4u::Link::turn_off` (C++) or :py:func:`simgrid.Link.turn_off` (python). 
869 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). 
870
871 If a link fails while you try to use it, ``wait()`` will raise a ``NetworkFailureException`` that you need to catch. 
872 Again, there is a nice example demoing this feature, :ref:`under platform-failures <s4u_ex_communication>`.
873
874 Lab 5: Competing Applications
875 -----------------------------
876
877 .. rst-class:: compact-list
878
879    **Learning goals:** 
880
881    * Advanced vizualization through tracing categories
882
883
884 It is now time to start several applications at once, with the following ``deployment5.xml`` file.
885
886 .. literalinclude:: tuto_s4u/deployment5.xml
887    :language: xml
888
889 Things happen when you do so, but it remains utterly difficult to
890 understand what's happening exactly. Even Gantt visualizations
891 contain too much information to be useful: it is impossible to
892 understand which task belongs to which application. To fix this, we
893 will categorize the tasks.
894
895 Instead of starting the execution in one function call only with
896 ``this_actor::execute(cost)``, you need to
897 create the execution activity, set its tracing category, start it 
898 and wait for its completion, as follows.
899
900 .. tabs::
901
902    .. group-tab:: C++
903
904       Use :cpp:func:`simgrid::s4u::Exec::set_tracing_category` to change the category of an execution.
905
906       .. code-block:: cpp
907
908          simgrid::s4u::ExecPtr exec = simgrid::s4u::this_actor::exec_init(compute_cost);
909          exec->set_tracing_category(category);
910          // exec->start() is optional here as wait() starts the activity on need
911          exec->wait();
912
913       You can shorten this code as follows:
914
915       .. code-block:: cpp
916
917          simgrid::s4u::this_actor::exec_init(compute_cost)->set_tracing_category(category)->wait();
918
919    .. group-tab:: Python
920
921       Use :py:func:`simgrid.Exec.set_tracing_category` to change the category of an execution.
922
923       .. code-block:: python
924
925          exec = simgrid:.this_actor.exec_init(compute_cost)
926          exec.set_tracing_category(category)
927          # exec.start() is optional here as wait() starts the activity on need
928          exec->wait()
929
930       You can shorten this code as follows:
931
932       .. code-block:: python
933
934          simgrid.this_actor.exec_init(compute_cost).set_tracing_category(category).wait()
935
936
937 Visualizing the result
938 .......................
939
940 vite is not enough to understand the situation, because it does not
941 deal with categorization. This time, you absolutely must switch to R,
942 as explained on `this page
943 <https://simgrid.org/contrib/R_visualization.html>`_.
944
945 .. todo::
946
947    Include here the minimal setting to view something in R.
948
949 Further Improvements
950 --------------------
951
952 From this, many things can easily be added. For example, you could:
953
954 - Allow workers to have several pending requests  to overlap
955   communication and computations as much as possible. Non-blocking
956   communication will probably become handy here.
957 - Add a performance measurement mechanism, enabling the master to make smart scheduling choices.
958 - Test your code on other platforms, from the ``examples/platforms``
959   directory in your archive.
960
961   What is the largest number of tasks requiring 50e6 flops and 1e5
962   bytes that you manage to distribute and process in one hour on
963   ``g5k.xml`` ?
964 - Optimize not only for the number of tasks handled but also for the total energy dissipated.
965 - And so on. If you come up with a nice extension, please share
966   it with us so that we can extend this tutorial.
967
968 After this Tutorial
969 -------------------
970
971 This tutorial is now terminated. You could keep reading the online documentation and
972 tutorials, or you could head up to the :ref:`example section <s4u_examples>` to read some code.
973
974 .. todo::
975
976    Things to improve in the future:
977
978    - Propose equivalent exercises and skeleton in Java once we fix the Java binding.
979
980 .. |br| raw:: html
981
982    <br />
983
984 ..  LocalWords:  SimGrid