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Public GIT Repository
Type consistency.
[simgrid.git] / src / kernel / lmm / maxmin.hpp
1 /* Copyright (c) 2004-2021. 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 #ifndef SURF_MAXMIN_HPP
7 #define SURF_MAXMIN_HPP
8
9 #include "simgrid/kernel/resource/Action.hpp"
10 #include "simgrid/s4u/Link.hpp"
11 #include "src/surf/surf_interface.hpp"
12 #include "xbt/asserts.h"
13 #include "xbt/ex.h"
14 #include "xbt/mallocator.h"
15
16 #include <boost/intrusive/list.hpp>
17 #include <cmath>
18 #include <limits>
19 #include <memory>
20 #include <vector>
21
22 namespace simgrid {
23 namespace kernel {
24 namespace lmm {
25
26 /** @addtogroup SURF_lmm
27  * @details
28  * A linear maxmin solver to resolve inequations systems.
29  *
30  * Most SimGrid model rely on a "fluid/steady-state" modeling that simulate the sharing of resources between actions at
31  * relatively coarse-grain.  Such sharing is generally done by solving a set of linear inequations. Let's take an
32  * example and assume we have the variables \f$x_1\f$, \f$x_2\f$, \f$x_3\f$, and \f$x_4\f$ . Let's say that \f$x_1\f$
33  * and \f$x_2\f$ correspond to activities running and the same CPU \f$A\f$ whose capacity is \f$C_A\f$. In such a
34  * case, we need to enforce:
35  *
36  *   \f[ x_1 + x_2 \leq C_A \f]
37  *
38  * Likewise, if \f$x_3\f$ (resp. \f$x_4\f$) corresponds to a network flow \f$F_3\f$ (resp. \f$F_4\f$) that goes through
39  * a set of links \f$L_1\f$ and \f$L_2\f$ (resp. \f$L_2\f$ and \f$L_3\f$), then we need to enforce:
40  *
41  *   \f[ x_3  \leq C_{L_1} \f]
42  *   \f[ x_3 + x_4 \leq C_{L_2} \f]
43  *   \f[ x_4 \leq C_{L_3} \f]
44  *
45  * One could set every variable to 0 to make sure the constraints are satisfied but this would obviously not be very
46  * realistic. A possible objective is to try to maximize the minimum of the \f$x_i\f$ . This ensures that all the
47  * \f$x_i\f$ are positive and "as large as possible".
48  *
49  * This is called *max-min fairness* and is the most commonly used objective in SimGrid. Another possibility is to
50  * maximize \f$\sum_if(x_i)\f$, where \f$f\f$ is a strictly increasing concave function.
51  *
52  * Constraint:
53  *  - bound (set)
54  *  - shared (set)
55  *  - usage (computed)
56  *
57  * Variable:
58  *  - weight (set)
59  *  - bound (set)
60  *  - value (computed)
61  *
62  * Element:
63  *  - value (set)
64  *
65  * A possible system could be:
66  * - three variables: `var1`, `var2`, `var3`
67  * - two constraints: `cons1`, `cons2`
68  * - four elements linking:
69  *  - `elem1` linking `var1` and `cons1`
70  *  - `elem2` linking `var2` and `cons1`
71  *  - `elem3` linking `var2` and `cons2`
72  *  - `elem4` linking `var3` and `cons2`
73  *
74  * And the corresponding inequations will be:
75  *
76  *     var1.value <= var1.bound
77  *     var2.value <= var2.bound
78  *     var3.value <= var3.bound
79  *     var1.weight * var1.value * elem1.value + var2.weight * var2.value * elem2.value <= cons1.bound
80  *     var2.weight * var2.value * elem3.value + var3.weight * var3.value * elem4.value <= cons2.bound
81  *
82  * where `var1.value`, `var2.value` and `var3.value` are the unknown values.
83  *
84  * If a constraint is not shared, the sum is replaced by a max.
85  * For example, a third non-shared constraint `cons3` and the associated elements `elem5` and `elem6` could write as:
86  *
87  *     max( var1.weight * var1.value * elem5.value  ,  var3.weight * var3.value * elem6.value ) <= cons3.bound
88  *
89  * This is useful for the sharing of resources for various models.
90  * For instance, for the network model, each link is associated to a constraint and each communication to a variable.
91  *
92  * Implementation details
93  *
94  * For implementation reasons, we are interested in distinguishing variables that actually participate to the
95  * computation of constraints, and those who are part of the equations but are stuck to zero.
96  * We call enabled variables, those which var.weight is strictly positive. Zero-weight variables are called disabled
97  * variables.
98  * Unfortunately this concept of enabled/disabled variables intersects with active/inactive variable.
99  * Semantically, the intent is similar, but the conditions under which a variable is active is slightly more strict
100  * than the conditions for it to be enabled.
101  * A variable is active only if its var.value is non-zero (and, by construction, its var.weight is non-zero).
102  * In general, variables remain disabled after their creation, which often models an initialization phase (e.g. first
103  * packet propagating in the network). Then, it is enabled by the corresponding model. Afterwards, the max-min solver
104  * (lmm_solve()) activates it when appropriate. It is possible that the variable is again disabled, e.g. to model the
105  * pausing of an action.
106  *
107  * Concurrency limit and maximum
108  *
109  * We call concurrency, the number of variables that can be enabled at any time for each constraint.
110  * From a model perspective, this "concurrency" often represents the number of actions that actually compete for one
111  * constraint.
112  * The LMM solver is able to limit the concurrency for each constraint, and to monitor its maximum value.
113  *
114  * One may want to limit the concurrency of constraints for essentially three reasons:
115  *  - Keep LMM system in a size that can be solved (it does not react very well with tens of thousands of variables per
116  *    constraint)
117  *  - Stay within parameters where the fluid model is accurate enough.
118  *  - Model serialization effects
119  *
120  * The concurrency limit can also be set to a negative value to disable concurrency limit. This can improve performance
121  * slightly.
122  *
123  * Overall, each constraint contains three fields related to concurrency:
124  *  - concurrency_limit which is the limit enforced by the solver
125  *  - concurrency_current which is the current concurrency
126  *  - concurrency_maximum which is the observed maximum concurrency
127  *
128  * Variables also have one field related to concurrency: concurrency_share.
129  * In effect, in some cases, one variable is involved multiple times (i.e. two elements) in a constraint.
130  * For example, cross-traffic is modeled using 2 elements per constraint.
131  * concurrency_share formally corresponds to the maximum number of elements that associate the variable and any given
132  * constraint.
133  */
134
135 /** @{ @ingroup SURF_lmm */
136
137 /**
138  * @brief LMM element
139  * Elements can be seen as glue between constraint objects and variable objects.
140  * Basically, each variable will have a set of elements, one for each constraint where it is involved.
141  * Then, it is used to list all variables involved in constraint through constraint's xxx_element_set lists, or
142  * vice-versa list all constraints for a given variable.
143  */
144 class XBT_PUBLIC Element {
145 public:
146   // Use rule-of-three, and implicitely disable the move constructor which should be 'noexcept' according to C++ Core
147   // Guidelines.
148   Element()               = default;
149   Element(const Element&) = default;
150   ~Element()              = default;
151
152   int get_concurrency() const;
153   void decrease_concurrency();
154   void increase_concurrency();
155
156   void make_active();
157   void make_inactive();
158
159   /* hookup to constraint */
160   boost::intrusive::list_member_hook<> enabled_element_set_hook;
161   boost::intrusive::list_member_hook<> disabled_element_set_hook;
162   boost::intrusive::list_member_hook<> active_element_set_hook;
163
164   Constraint* constraint;
165   Variable* variable;
166
167   // consumption_weight: impact of 1 byte or flop of your application onto the resource (in byte or flop)
168   //   - if CPU, then probably 1.
169   //   - If network, then 1 in forward direction and 0.05 backward for the ACKs
170   double consumption_weight;
171 };
172
173 class ConstraintLight {
174 public:
175   double remaining_over_usage;
176   Constraint* cnst;
177 };
178
179 /**
180  * @brief LMM constraint
181  * Each constraint contains several partially overlapping logical sets of elements:
182  * \li Disabled elements which variable's weight is zero. This variables are not at all processed by LMM, but eventually
183  *     the corresponding action will enable it (at least this is the idea).
184  * \li Enabled elements which variable's weight is non-zero. They are utilized in some LMM functions.
185  * \li Active elements which variable's weight is non-zero (i.e. it is enabled) AND its element value is non-zero.
186  *     LMM_solve iterates over active elements during resolution, dynamically making them active or inactive.
187  */
188 class XBT_PUBLIC Constraint {
189 public:
190   Constraint() = delete;
191   Constraint(resource::Resource* id_value, double bound_value);
192
193   /** @brief Unshare a constraint. */
194   void unshare() { sharing_policy_ = s4u::Link::SharingPolicy::FATPIPE; }
195
196   /** @brief Set how a constraint is shared  */
197   void set_sharing_policy(s4u::Link::SharingPolicy policy) { sharing_policy_ = policy; }
198   /** @brief Check how a constraint is shared  */
199   s4u::Link::SharingPolicy get_sharing_policy() const { return sharing_policy_; }
200
201   /** @brief Get the usage of the constraint after the last lmm solve */
202   double get_usage() const;
203   int get_variable_amount() const;
204
205   /** @brief Sets the concurrency limit for this constraint */
206   void set_concurrency_limit(int limit)
207   {
208     xbt_assert(limit < 0 || concurrency_maximum_ <= limit,
209                "New concurrency limit should be larger than observed concurrency maximum. Maybe you want to call"
210                " concurrency_maximum_reset() to reset the maximum?");
211     concurrency_limit_ = limit;
212   }
213
214   /** @brief Gets the concurrency limit for this constraint */
215   int get_concurrency_limit() const { return concurrency_limit_; }
216
217   /**
218    * @brief Reset the concurrency maximum for a given variable (we will update the maximum to reflect constraint
219    * evolution).
220    */
221   void reset_concurrency_maximum() { concurrency_maximum_ = 0; }
222
223   /** @brief Get the concurrency maximum for a given constraint (which reflects constraint evolution). */
224   int get_concurrency_maximum() const
225   {
226     xbt_assert(concurrency_limit_ < 0 || concurrency_maximum_ <= concurrency_limit_,
227                "Very bad: maximum observed concurrency is higher than limit. This is a bug of SURF, please report it.");
228     return concurrency_maximum_;
229   }
230
231   int get_concurrency_slack() const
232   {
233     return concurrency_limit_ < 0 ? std::numeric_limits<int>::max() : concurrency_limit_ - concurrency_current_;
234   }
235
236   /**
237    * @brief Get a var associated to a constraint
238    * @details Get the first variable of the next variable of elem if elem is not NULL
239    * @param elem A element of constraint of the constraint or NULL
240    * @return A variable associated to a constraint
241    */
242   Variable* get_variable(const Element** elem) const;
243
244   /**
245    * @brief Get a var associated to a constraint
246    * @details Get the first variable of the next variable of elem if elem is not NULL
247    * @param elem A element of constraint of the constraint or NULL
248    * @param nextelem A element of constraint of the constraint or NULL, the one after elem
249    * @param numelem parameter representing the number of elements to go
250    * @return A variable associated to a constraint
251    */
252   Variable* get_variable_safe(const Element** elem, const Element** nextelem, size_t* numelem) const;
253
254   /**
255    * @brief Get the data associated to a constraint
256    * @return The data associated to the constraint
257    */
258   resource::Resource* get_id() const { return id_; }
259
260   /* hookup to system */
261   boost::intrusive::list_member_hook<> constraint_set_hook_;
262   boost::intrusive::list_member_hook<> active_constraint_set_hook_;
263   boost::intrusive::list_member_hook<> modified_constraint_set_hook_;
264   boost::intrusive::list_member_hook<> saturated_constraint_set_hook_;
265   boost::intrusive::list<Element, boost::intrusive::member_hook<Element, boost::intrusive::list_member_hook<>,
266                                                                 &Element::enabled_element_set_hook>>
267       enabled_element_set_;
268   boost::intrusive::list<Element, boost::intrusive::member_hook<Element, boost::intrusive::list_member_hook<>,
269                                                                 &Element::disabled_element_set_hook>>
270       disabled_element_set_;
271   boost::intrusive::list<Element, boost::intrusive::member_hook<Element, boost::intrusive::list_member_hook<>,
272                                                                 &Element::active_element_set_hook>>
273       active_element_set_;
274   double remaining_ = 0.0;
275   double usage_     = 0.0;
276   double bound_;
277   // TODO MARTIN Check maximum value across resources at the end of simulation and give a warning is more than e.g. 500
278   int concurrency_current_ = 0; /* The current concurrency */
279   int concurrency_maximum_ = 0; /* The maximum number of (enabled and disabled) variables associated to the constraint
280                                  * at any given time (essentially for tracing)*/
281
282   s4u::Link::SharingPolicy sharing_policy_ = s4u::Link::SharingPolicy::SHARED;
283   int rank_; // Only used in debug messages to identify the constraint
284   double lambda_               = 0.0;
285   double new_lambda_           = 0.0;
286   ConstraintLight* cnst_light_ = nullptr;
287
288 private:
289   static int next_rank_;  // To give a separate rank_ to each constraint
290   int concurrency_limit_ = sg_concurrency_limit; /* The maximum number of variables that may be enabled at any time
291                                                   * (stage variables if necessary) */
292   resource::Resource* id_;
293 };
294
295 /**
296  * @brief LMM variable
297  *
298  * When something prevents us from enabling a variable, we "stage" the weight that we would have like to set, so that as
299  * soon as possible we enable the variable with desired weight
300  */
301 class XBT_PUBLIC Variable {
302 public:
303   void initialize(resource::Action* id_value, double sharing_penalty, double bound_value, size_t number_of_constraints,
304                   unsigned visited_value);
305
306   /** @brief Get the value of the variable after the last lmm solve */
307   double get_value() const { return value_; }
308
309   /** @brief Get the maximum value of the variable (-1.0 if no specified maximum) */
310   double get_bound() const { return bound_; }
311
312   /**
313    * @brief Set the concurrent share of the variable
314    * @param value The new concurrency share
315    */
316   void set_concurrency_share(short int value) { concurrency_share_ = value; }
317
318   /**
319    * @brief Get the numth constraint associated to the variable
320    * @param num The rank of constraint we want to get
321    * @return The numth constraint
322    */
323   Constraint* get_constraint(unsigned num) const { return num < cnsts_.size() ? cnsts_[num].constraint : nullptr; }
324
325   /**
326    * @brief Get the weight of the numth constraint associated to the variable
327    * @param num The rank of constraint we want to get
328    * @return The numth constraint
329    */
330   double get_constraint_weight(unsigned num) const
331   {
332     return num < cnsts_.size() ? cnsts_[num].consumption_weight : 0.0;
333   }
334
335   /** @brief Get the number of constraint associated to a variable */
336   size_t get_number_of_constraint() const { return cnsts_.size(); }
337
338   /** @brief Get the data associated to a variable */
339   resource::Action* get_id() const { return id_; }
340
341   /** @brief Get the penalty of a variable */
342   double get_penalty() const { return sharing_penalty_; }
343
344   /** @brief Measure the minimum concurrency slack across all constraints where the given var is involved */
345   int get_min_concurrency_slack() const;
346
347   /** @brief Check if a variable can be enabled
348    * Make sure to set staged_penalty before, if your intent is only to check concurrency
349    */
350   bool can_enable() const { return staged_penalty_ > 0 && get_min_concurrency_slack() >= concurrency_share_; }
351
352   /* hookup to system */
353   boost::intrusive::list_member_hook<> variable_set_hook_;
354   boost::intrusive::list_member_hook<> saturated_variable_set_hook_;
355
356   std::vector<Element> cnsts_;
357
358   // sharing_penalty: variable's impact on the resource during the sharing
359   //   if == 0, the variable is not considered by LMM
360   //   on CPU, actions with N threads have a sharing of N
361   //   on network, the actions with higher latency have a lesser sharing_penalty
362   double sharing_penalty_;
363
364   double staged_penalty_; /* If non-zero, variable is staged for addition as soon as maxconcurrency constraints will be
365                             met */
366   double bound_;
367   double value_;
368   short int concurrency_share_; /* The maximum number of elements that variable will add to a constraint */
369   resource::Action* id_;
370   int rank_;         // Only used in debug messages to identify the variable
371   unsigned visited_; /* used by System::update_modified_set() */
372   double mu_;
373
374 private:
375   static int next_rank_; // To give a separate rank_ to each variable
376 };
377
378 inline void Element::make_active()
379 {
380   constraint->active_element_set_.push_front(*this);
381 }
382 inline void Element::make_inactive()
383 {
384   if (active_element_set_hook.is_linked())
385     xbt::intrusive_erase(constraint->active_element_set_, *this);
386 }
387
388 /**
389  * @brief LMM system
390  */
391 class XBT_PUBLIC System {
392 public:
393   /**
394    * @brief Create a new Linear MaxMim system
395    * @param selective_update whether we should do lazy updates
396    */
397   explicit System(bool selective_update);
398   /** @brief Free an existing Linear MaxMin system */
399   virtual ~System();
400
401   /**
402    * @brief Create a new Linear MaxMin constraint
403    * @param id Data associated to the constraint (e.g.: a network link)
404    * @param bound_value The bound value of the constraint
405    */
406   Constraint* constraint_new(resource::Resource* id, double bound_value);
407
408   /**
409    * @brief Create a new Linear MaxMin variable
410    * @param id Data associated to the variable (e.g.: a network communication)
411    * @param sharing_penalty The weight of the variable (0.0 if not used)
412    * @param bound The maximum value of the variable (-1.0 if no maximum value)
413    * @param number_of_constraints The maximum number of constraints to associate to the variable
414    */
415   Variable* variable_new(resource::Action* id, double sharing_penalty, double bound = -1.0,
416                          size_t number_of_constraints = 1);
417
418   /**
419    * @brief Free a variable
420    * @param var The variable to free
421    */
422   void variable_free(Variable * var);
423
424   /** @brief Free all variables */
425   void variable_free_all();
426
427   /**
428    * @brief Associate a variable to a constraint with a coefficient
429    * @param cnst A constraint
430    * @param var A variable
431    * @param value The coefficient associated to the variable in the constraint
432    */
433   void expand(Constraint * cnst, Variable * var, double value);
434
435   /**
436    * @brief Add value to the coefficient between a constraint and a variable or create one
437    * @param cnst A constraint
438    * @param var A variable
439    * @param value The value to add to the coefficient associated to the variable in the constraint
440    */
441   void expand_add(Constraint * cnst, Variable * var, double value);
442
443   /** @brief Update the bound of a variable */
444   void update_variable_bound(Variable * var, double bound);
445
446   /** @brief Update the sharing penalty of a variable */
447   void update_variable_penalty(Variable* var, double penalty);
448
449   /** @brief Update a constraint bound */
450   void update_constraint_bound(Constraint * cnst, double bound);
451
452   int constraint_used(const Constraint* cnst) const { return cnst->active_constraint_set_hook_.is_linked(); }
453
454   /** @brief Print the lmm system */
455   void print() const;
456
457   /** @brief Solve the lmm system */
458   void lmm_solve();
459
460   /** @brief Solve the lmm system. May be specialized in subclasses. */
461   virtual void solve() { lmm_solve(); }
462
463 private:
464   static void* variable_mallocator_new_f();
465   static void variable_mallocator_free_f(void* var);
466
467   void var_free(Variable * var);
468   void cnst_free(Constraint * cnst);
469   Variable* extract_variable()
470   {
471     if (variable_set.empty())
472       return nullptr;
473     Variable* res = &variable_set.front();
474     variable_set.pop_front();
475     return res;
476   }
477   Constraint* extract_constraint()
478   {
479     if (constraint_set.empty())
480       return nullptr;
481     Constraint* res = &constraint_set.front();
482     constraint_set.pop_front();
483     return res;
484   }
485   void insert_constraint(Constraint * cnst) { constraint_set.push_back(*cnst); }
486   void remove_variable(Variable * var)
487   {
488     if (var->variable_set_hook_.is_linked())
489       xbt::intrusive_erase(variable_set, *var);
490     if (var->saturated_variable_set_hook_.is_linked())
491       xbt::intrusive_erase(saturated_variable_set, *var);
492   }
493   void make_constraint_active(Constraint * cnst)
494   {
495     if (not cnst->active_constraint_set_hook_.is_linked())
496       active_constraint_set.push_back(*cnst);
497   }
498   void make_constraint_inactive(Constraint * cnst)
499   {
500     if (cnst->active_constraint_set_hook_.is_linked())
501       xbt::intrusive_erase(active_constraint_set, *cnst);
502     if (cnst->modified_constraint_set_hook_.is_linked())
503       xbt::intrusive_erase(modified_constraint_set, *cnst);
504   }
505
506   void enable_var(Variable * var);
507   void disable_var(Variable * var);
508   void on_disabled_var(Constraint * cnstr);
509
510   /**
511    * @brief Update the value of element linking the constraint and the variable
512    * @param cnst A constraint
513    * @param var A variable
514    * @param value The new value
515    */
516   void update(Constraint * cnst, Variable * var, double value);
517
518   void update_modified_set(Constraint* cnst);
519   void update_modified_set_rec(const Constraint* cnst);
520
521   /** @brief Remove all constraints of the modified_constraint_set. */
522   void remove_all_modified_set();
523   void check_concurrency() const;
524
525   template <class CnstList> void lmm_solve(CnstList& cnst_list);
526
527 public:
528   bool modified_ = false;
529   boost::intrusive::list<Variable, boost::intrusive::member_hook<Variable, boost::intrusive::list_member_hook<>,
530                                                                  &Variable::variable_set_hook_>>
531       variable_set;
532   boost::intrusive::list<Constraint, boost::intrusive::member_hook<Constraint, boost::intrusive::list_member_hook<>,
533                                                                    &Constraint::active_constraint_set_hook_>>
534       active_constraint_set;
535   boost::intrusive::list<Variable, boost::intrusive::member_hook<Variable, boost::intrusive::list_member_hook<>,
536                                                                  &Variable::saturated_variable_set_hook_>>
537       saturated_variable_set;
538   boost::intrusive::list<Constraint, boost::intrusive::member_hook<Constraint, boost::intrusive::list_member_hook<>,
539                                                                    &Constraint::saturated_constraint_set_hook_>>
540       saturated_constraint_set;
541
542   std::unique_ptr<resource::Action::ModifiedSet> modified_set_ = nullptr;
543
544 private:
545   using dyn_light_t = std::vector<int>;
546
547   //Data used in lmm::solve
548   std::vector<ConstraintLight> cnst_light_vec;
549   dyn_light_t saturated_constraints;
550
551   bool selective_update_active; /* flag to update partially the system only selecting changed portions */
552   unsigned visited_counter_ = 1; /* used by System::update_modified_set() and System::remove_all_modified_set() to
553                                   * cleverly (un-)flag the constraints (more details in these functions) */
554   boost::intrusive::list<Constraint, boost::intrusive::member_hook<Constraint, boost::intrusive::list_member_hook<>,
555                                                                    &Constraint::constraint_set_hook_>>
556       constraint_set;
557   boost::intrusive::list<Constraint, boost::intrusive::member_hook<Constraint, boost::intrusive::list_member_hook<>,
558                                                                    &Constraint::modified_constraint_set_hook_>>
559       modified_constraint_set;
560   xbt_mallocator_t variable_mallocator_ =
561       xbt_mallocator_new(65536, System::variable_mallocator_new_f, System::variable_mallocator_free_f, nullptr);
562 };
563
564 class XBT_PUBLIC FairBottleneck : public System {
565 public:
566   using System::System;
567   void solve() final { bottleneck_solve(); }
568
569 private:
570   void bottleneck_solve();
571 };
572
573 /** @} */
574 } // namespace lmm
575 } // namespace kernel
576 } // namespace simgrid
577
578 #endif