Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Public GIT Repository
d64ed6f12aee0fc20a155b029e41e1bc1828bd98
[simgrid.git] / src / surf / plugins / host_energy.cpp
1 /* Copyright (c) 2010, 2012-2016. 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 <boost/algorithm/string/classification.hpp>
12 #include <boost/algorithm/string/split.hpp>
13 #include <simgrid/s4u/engine.hpp>
14 #include <string>
15 #include <utility>
16 #include <vector>
17
18 /** @addtogroup SURF_plugin_energy
19
20
21 This is the energy plugin, enabling to account not only for computation time,
22 but also for the dissipated energy in the simulated platform.
23
24 The energy consumption of a CPU depends directly of its current load. Specify that consumption in your platform file as
25 follows:
26
27 \verbatim
28 <host id="HostA" power="100.0Mf" cores="8">
29     <prop id="watt_per_state" value="100.0:120.0:200.0" />
30     <prop id="watt_off" value="10" />
31 </host>
32 \endverbatim
33
34 The first property means that when your host is up and running, but without anything to do, it will dissipate 100 Watts.
35 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.
36 The second property means that when your host is turned off, it will dissipate only 10 Watts (please note that these
37 values are arbitrary).
38
39 If your CPU is using pstates, then you can provide one consumption interval per pstate.
40
41 \verbatim
42 <host id="HostB" power="100.0Mf,50.0Mf,20.0Mf" pstate="0" >
43     <prop id="watt_per_state" value="95.0:120.0:200.0, 93.0:115.0:170.0, 90.0:110.0:150.0" />
44     <prop id="watt_off" value="10" />
45 </host>
46 \endverbatim
47
48 That host has 3 levels of performance with the following performance: 100 Mflop/s, 50 Mflop/s or 20 Mflop/s.
49 It starts at pstate 0 (ie, at 100 Mflop/s). In this case, you have to specify one interval per pstate in the
50 watt_per_state property.
51 In this example, the idle consumption is 95 Watts, 93 Watts and 90 Watts in each pstate while the CPU burn consumption
52 are at 200 Watts, 170 Watts, and 150 Watts respectively. If only one core is active, this machine consumes 120 / 115 / 110 watts.
53
54 To change the pstate of a given CPU, use the following functions:
55 #MSG_host_get_nb_pstates(), simgrid#s4u#Host#setPstate(), #MSG_host_get_power_peak_at().
56
57 To simulate the energy-related elements, first call the simgrid#energy#sg_energy_plugin_init() before your #MSG_init(),
58 and then use the following function to retrieve the consumption of a given host: MSG_host_get_consumed_energy().
59  */
60
61 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(surf_energy, surf, "Logging specific to the SURF energy plugin");
62
63 namespace simgrid {
64 namespace energy {
65
66 class PowerRange {
67 public:
68   double idle;
69   double min;
70   double max;
71
72   PowerRange(double idle, double min, double max) : idle(idle), min(min), max(max) {}
73 };
74
75 class HostEnergy {
76 public:
77   static simgrid::xbt::Extension<simgrid::s4u::Host, HostEnergy> EXTENSION_ID;
78
79   explicit HostEnergy(simgrid::s4u::Host* ptr);
80   ~HostEnergy();
81
82   double getCurrentWattsValue(double cpu_load);
83   double getConsumedEnergy();
84   double getWattMinAt(int pstate);
85   double getWattMaxAt(int pstate);
86   void update();
87
88 private:
89   void initWattsRangeList();
90   simgrid::s4u::Host* host = nullptr;
91   std::vector<PowerRange>
92       power_range_watts_list; /*< List of (min_power,max_power) pairs corresponding to each cpu pstate */
93
94   /* We need to keep track of what pstate has been used, as we will sometimes
95    * be notified only *after* a pstate has been used (but we need to update the energy consumption
96    * with the old pstate!)
97    */
98   int pstate = 0;
99
100 public:
101   double watts_off    = 0.0; /*< Consumption when the machine is turned off (shutdown) */
102   double total_energy = 0.0; /*< Total energy consumed by the host */
103   double last_updated;       /*< Timestamp of the last energy update event*/
104 };
105
106 simgrid::xbt::Extension<simgrid::s4u::Host, HostEnergy> HostEnergy::EXTENSION_ID;
107
108 /* Computes the consumption so far.  Called lazily on need. */
109 void HostEnergy::update()
110 {
111   double start_time  = this->last_updated;
112   double finish_time = surf_get_clock();
113   double cpu_load;
114   double current_speed = host->speed();
115   if (current_speed <= 0)
116     // Some users declare a pstate of speed 0 flops (e.g., to model boot time).
117     // We consider that the machine is then fully loaded. That's arbitrary but it avoids a NaN
118     cpu_load = 1;
119   else
120     cpu_load = lmm_constraint_get_usage(host->pimpl_cpu->constraint()) / current_speed;
121
122   /** Divide by the number of cores here **/
123   cpu_load /= host->pimpl_cpu->coreCount();
124
125   if (cpu_load > 1) // A machine with a load > 1 consumes as much as a fully loaded machine, not more
126     cpu_load = 1;
127
128   /* The problem with this model is that the load is always 0 or 1, never something less.
129    * Another possibility could be to model the total energy as
130    *
131    *   X/(X+Y)*W_idle + Y/(X+Y)*W_burn
132    *
133    * where X is the amount of idling cores, and Y the amount of computing cores.
134    */
135
136   double previous_energy = this->total_energy;
137
138   double instantaneous_consumption;
139   if (host->isOff())
140     instantaneous_consumption = this->watts_off;
141   else
142     instantaneous_consumption = this->getCurrentWattsValue(cpu_load);
143
144   double energy_this_step = instantaneous_consumption * (finish_time - start_time);
145
146   this->total_energy = previous_energy + energy_this_step;
147   this->last_updated = finish_time;
148   this->pstate       = host->pstate();
149   XBT_DEBUG(
150       "[update_energy of %s] period=[%.2f-%.2f]; current power peak=%.0E flop/s; consumption change: %.2f J -> %.2f J",
151       host->cname(), start_time, finish_time, host->pimpl_cpu->speed_.peak, previous_energy, energy_this_step);
152 }
153
154 HostEnergy::HostEnergy(simgrid::s4u::Host* ptr) : host(ptr), last_updated(surf_get_clock())
155 {
156   initWattsRangeList();
157
158   const char* off_power_str = host->property("watt_off");
159   if (off_power_str != nullptr) {
160     char* msg       = bprintf("Invalid value for property watt_off of host %s: %%s", host->cname());
161     this->watts_off = xbt_str_parse_double(off_power_str, msg);
162     xbt_free(msg);
163   }
164   /* watts_off is 0 by default */
165 }
166
167 HostEnergy::~HostEnergy() = default;
168
169 double HostEnergy::getWattMinAt(int pstate)
170 {
171   xbt_assert(!power_range_watts_list.empty(), "No power range properties specified for host %s", host->cname());
172   return power_range_watts_list[pstate].min;
173 }
174
175 double HostEnergy::getWattMaxAt(int pstate)
176 {
177   xbt_assert(!power_range_watts_list.empty(), "No power range properties specified for host %s", host->cname());
178   return power_range_watts_list[pstate].max;
179 }
180
181 /** @brief Computes the power consumed by the host according to the current pstate and processor load */
182 double HostEnergy::getCurrentWattsValue(double cpu_load)
183 {
184   xbt_assert(!power_range_watts_list.empty(), "No power range properties specified for host %s", host->cname());
185
186   /* min_power corresponds to the power consumed when only one core is active */
187   /* max_power is the power consumed at 100% cpu load       */
188   auto range           = power_range_watts_list.at(this->pstate);
189   double current_power = 0;
190   double min_power     = 0;
191   double max_power     = 0;
192   double power_slope   = 0;
193
194   if (cpu_load > 0) { /* Something is going on, the machine is not idle */
195     double min_power = range.min;
196     double max_power = range.max;
197
198     /**
199      * The min_power states how much we consume when only one single
200      * core is working. This means that when cpu_load == 1/coreCount, then
201      * current_power == min_power.
202      *
203      * The maximum must be reached when all cores are working (but 1 core was
204      * already accounted for by min_power)
205      * i.e., we need min_power + (maxCpuLoad-1/coreCount)*power_slope == max_power
206      * (maxCpuLoad is by definition 1)
207      */
208     double power_slope;
209     int coreCount         = host->coreCount();
210     double coreReciprocal = static_cast<double>(1) / static_cast<double>(coreCount);
211     if (coreCount > 1)
212       power_slope = (max_power - min_power) / (1 - coreReciprocal);
213     else
214       power_slope = 0; // Should be 0, since max_power == min_power (in this case)
215
216     current_power = min_power + (cpu_load - coreReciprocal) * power_slope;
217   } else { /* Our machine is idle, take the dedicated value! */
218     current_power = range.idle;
219   }
220
221   XBT_DEBUG("[get_current_watts] min_power=%f, max_power=%f, slope=%f", min_power, max_power, power_slope);
222   XBT_DEBUG("[get_current_watts] Current power (watts) = %f, load = %f", current_power, cpu_load);
223
224   return current_power;
225 }
226
227 double HostEnergy::getConsumedEnergy()
228 {
229   if (last_updated < surf_get_clock()) // We need to simcall this as it modifies the environment
230     simgrid::simix::kernelImmediate(std::bind(&HostEnergy::update, this));
231
232   return total_energy;
233 }
234
235 void HostEnergy::initWattsRangeList()
236 {
237   const char* all_power_values_str = host->property("watt_per_state");
238   if (all_power_values_str == nullptr)
239     return;
240
241   std::vector<std::string> all_power_values;
242   boost::split(all_power_values, all_power_values_str, boost::is_any_of(","));
243
244   int i = 0;
245   for (auto current_power_values_str : all_power_values) {
246     /* retrieve the power values associated with the current pstate */
247     std::vector<std::string> current_power_values;
248     boost::split(current_power_values, current_power_values_str, boost::is_any_of(":"));
249     xbt_assert(current_power_values.size() == 3, "Power properties incorrectly defined - "
250                                                  "could not retrieve idle, min and max power values for host %s",
251                host->cname());
252
253     /* min_power corresponds to the idle power (cpu load = 0) */
254     /* max_power is the power consumed at 100% cpu load       */
255     char* msg_idle = bprintf("Invalid idle value for pstate %d on host %s: %%s", i, host->cname());
256     char* msg_min  = bprintf("Invalid min value for pstate %d on host %s: %%s", i, host->cname());
257     char* msg_max  = bprintf("Invalid max value for pstate %d on host %s: %%s", i, host->cname());
258     PowerRange range(xbt_str_parse_double((current_power_values.at(0)).c_str(), msg_idle),
259                      xbt_str_parse_double((current_power_values.at(1)).c_str(), msg_min),
260                      xbt_str_parse_double((current_power_values.at(2)).c_str(), msg_max));
261     power_range_watts_list.push_back(range);
262     xbt_free(msg_idle);
263     xbt_free(msg_min);
264     xbt_free(msg_max);
265     i++;
266   }
267 }
268 }
269 }
270
271 using simgrid::energy::HostEnergy;
272
273 /* **************************** events  callback *************************** */
274 static void onCreation(simgrid::s4u::Host& host)
275 {
276   if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(&host)) // Ignore virtual machines
277     return;
278   host.extension_set(new HostEnergy(&host));
279 }
280
281 static void onActionStateChange(simgrid::surf::CpuAction* action, simgrid::surf::Action::State previous)
282 {
283   for (simgrid::surf::Cpu* cpu : action->cpus()) {
284     simgrid::s4u::Host* host = cpu->getHost();
285     if (host != nullptr) {
286
287       // If it's a VM, take the corresponding PM
288       simgrid::s4u::VirtualMachine* vm = dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(host);
289       if (vm) // If it's a VM, take the corresponding PM
290         host = vm->pimpl_vm_->getPm();
291
292       // Get the host_energy extension for the relevant host
293       HostEnergy* host_energy = host->extension<HostEnergy>();
294
295       if (host_energy->last_updated < surf_get_clock())
296         host_energy->update();
297     }
298   }
299 }
300
301 /* This callback is fired either when the host changes its state (on/off) ("onStateChange") or its speed
302  * (because the user changed the pstate, or because of external trace events) ("onSpeedChange") */
303 static void onHostChange(simgrid::s4u::Host& host)
304 {
305   if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(&host)) // Ignore virtual machines
306     return;
307
308   HostEnergy* host_energy = host.extension<HostEnergy>();
309
310   host_energy->update();
311 }
312
313 static void onHostDestruction(simgrid::s4u::Host& host)
314 {
315   if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(&host)) // Ignore virtual machines
316     return;
317
318   HostEnergy* host_energy = host.extension<HostEnergy>();
319   host_energy->update();
320   XBT_INFO("Energy consumption of host %s: %f Joules", host.cname(), host_energy->getConsumedEnergy());
321 }
322
323 static void onSimulationEnd()
324 {
325   sg_host_t* host_list     = sg_host_list();
326   int host_count           = sg_host_count();
327   double total_energy      = 0.0; // Total energy consumption (whole platform)
328   double used_hosts_energy = 0.0; // Energy consumed by hosts that computed something
329   for (int i = 0; i < host_count; i++) {
330     if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(host_list[i]) == nullptr) { // Ignore virtual machines
331
332       bool host_was_used = (host_list[i]->extension<HostEnergy>()->last_updated != 0);
333       double energy      = host_list[i]->extension<HostEnergy>()->getConsumedEnergy();
334       total_energy      += energy;
335       if (host_was_used)
336         used_hosts_energy += energy;
337     }
338   }
339   XBT_INFO("Total energy consumption: %f Joules (used hosts: %f Joules; unused/idle hosts: %f)",
340            total_energy, used_hosts_energy, total_energy - used_hosts_energy);
341   xbt_free(host_list);
342 }
343
344 /* **************************** Public interface *************************** */
345 SG_BEGIN_DECL()
346
347 /** \ingroup SURF_plugin_energy
348  * \brief Enable host energy plugin
349  * \details Enable energy plugin to get joules consumption of each cpu. Call this function before #MSG_init().
350  */
351 void sg_host_energy_plugin_init()
352 {
353   if (HostEnergy::EXTENSION_ID.valid())
354     return;
355
356   HostEnergy::EXTENSION_ID = simgrid::s4u::Host::extension_create<HostEnergy>();
357
358   simgrid::s4u::Host::onCreation.connect(&onCreation);
359   simgrid::s4u::Host::onStateChange.connect(&onHostChange);
360   simgrid::s4u::Host::onSpeedChange.connect(&onHostChange);
361   simgrid::s4u::Host::onDestruction.connect(&onHostDestruction);
362   simgrid::s4u::onSimulationEnd.connect(&onSimulationEnd);
363   simgrid::surf::CpuAction::onStateChange.connect(&onActionStateChange);
364 }
365
366 /** @brief Returns the total energy consumed by the host so far (in Joules)
367  *
368  *  See also @ref SURF_plugin_energy.
369  */
370 double sg_host_get_consumed_energy(sg_host_t host)
371 {
372   xbt_assert(HostEnergy::EXTENSION_ID.valid(),
373              "The Energy plugin is not active. Please call sg_energy_plugin_init() during initialization.");
374   return host->extension<HostEnergy>()->getConsumedEnergy();
375 }
376
377 /** @brief Get the amount of watt dissipated at the given pstate when the host is idling */
378 double sg_host_get_wattmin_at(sg_host_t host, int pstate)
379 {
380   xbt_assert(HostEnergy::EXTENSION_ID.valid(),
381              "The Energy plugin is not active. Please call sg_energy_plugin_init() during initialization.");
382   return host->extension<HostEnergy>()->getWattMinAt(pstate);
383 }
384 /** @brief  Returns the amount of watt dissipated at the given pstate when the host burns CPU at 100% */
385 double sg_host_get_wattmax_at(sg_host_t host, int pstate)
386 {
387   xbt_assert(HostEnergy::EXTENSION_ID.valid(),
388              "The Energy plugin is not active. Please call sg_energy_plugin_init() during initialization.");
389   return host->extension<HostEnergy>()->getWattMaxAt(pstate);
390 }
391
392 SG_END_DECL()