src/surf/cpu_ti.cpp

   1 /* Copyright (c) 2013-2021. 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 #include "cpu_ti.hpp"
   7 #include "src/kernel/resource/profile/Event.hpp"
   8 #include "src/kernel/resource/profile/Profile.hpp"
   9 #include "src/surf/surf_interface.hpp"
  10 #include "surf/surf.hpp"
  11
  12 #include <algorithm>
  13 #include <memory>
  14
  15 constexpr double EPSILON = 0.000000001;
  16
  17 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(cpu_ti, res_cpu, "CPU resource, Trace Integration model");
  18
  19 namespace simgrid {
  20 namespace kernel {
  21 namespace resource {
  22
  23 /*********
  24  * Trace *
  25  *********/
  26
  27 CpuTiProfile::CpuTiProfile(const profile::Profile* profile)
  28 {
  29   double integral    = 0;
  30   double time        = 0;
  31   unsigned nb_points = profile->event_list.size() + 1;
  32   time_points_.reserve(nb_points);
  33   integral_.reserve(nb_points);
  34   for (auto const& val : profile->event_list) {
  35     time_points_.push_back(time);
  36     integral_.push_back(integral);
  37     time += val.date_;
  38     integral += val.date_ * val.value_;
  39   }
  40   time_points_.push_back(time);
  41   integral_.push_back(integral);
  42 }
  43
  44 /**
  45  * @brief Integrate trace
  46  *
  47  * Wrapper around surf_cpu_integrate_trace_simple() to get
  48  * the cyclic effect.
  49  *
  50  * @param a      Begin of interval
  51  * @param b      End of interval
  52  * @return the integrate value. -1 if an error occurs.
  53  */
  54 double CpuTiTmgr::integrate(double a, double b) const
  55 {
  56   if ((a < 0.0) || (a > b)) {
  57     xbt_die("Error, invalid integration interval [%.2f,%.2f]. "
  58             "You probably have a task executing with negative computation amount. Check your code.",
  59             a, b);
  60   }
  61   if (fabs(a - b) < EPSILON)
  62     return 0.0;
  63
  64   if (type_ == Type::FIXED) {
  65     return (b - a) * value_;
  66   }
  67
  68   double a_index;
  69   if (fabs(ceil(a / last_time_) - a / last_time_) < EPSILON)
  70     a_index = 1 + ceil(a / last_time_);
  71   else
  72     a_index = ceil(a / last_time_);
  73   double b_index = floor(b / last_time_);
  74
  75   if (a_index > b_index) { /* Same chunk */
  76     return profile_->integrate_simple(a - (a_index - 1) * last_time_, b - b_index * last_time_);
  77   }
  78
  79   double first_chunk  = profile_->integrate_simple(a - (a_index - 1) * last_time_, last_time_);
  80   double middle_chunk = (b_index - a_index) * total_;
  81   double last_chunk   = profile_->integrate_simple(0.0, b - b_index * last_time_);
  82
  83   XBT_DEBUG("first_chunk=%.2f  middle_chunk=%.2f  last_chunk=%.2f\n", first_chunk, middle_chunk, last_chunk);
  84
  85   return (first_chunk + middle_chunk + last_chunk);
  86 }
  87
  88 /**
  89  * @brief Auxiliary function to compute the integral between a and b.
  90  *     It simply computes the integrals at point a and b and returns the difference between them.
  91  * @param a  Initial point
  92  * @param b  Final point
  93  */
  94 double CpuTiProfile::integrate_simple(double a, double b) const
  95 {
  96   return integrate_simple_point(b) - integrate_simple_point(a);
  97 }
  98
  99 /**
 100  * @brief Auxiliary function to compute the integral at point a.
 101  * @param a        point
 102  */
 103 double CpuTiProfile::integrate_simple_point(double a) const
 104 {
 105   double integral = 0;
 106   double a_aux    = a;
 107   int ind         = binary_search(time_points_, a);
 108   integral += integral_[ind];
 109
 110   XBT_DEBUG("a %f ind %d integral %f ind + 1 %f ind %f time +1 %f time %f", a, ind, integral, integral_[ind + 1],
 111             integral_[ind], time_points_[ind + 1], time_points_[ind]);
 112   double_update(&a_aux, time_points_[ind], sg_maxmin_precision * sg_surf_precision);
 113   if (a_aux > 0)
 114     integral +=
 115         ((integral_[ind + 1] - integral_[ind]) / (time_points_[ind + 1] - time_points_[ind])) * (a - time_points_[ind]);
 116   XBT_DEBUG("Integral a %f = %f", a, integral);
 117
 118   return integral;
 119 }
 120
 121 /**
 122  * @brief Computes the time needed to execute "amount" on cpu.
 123  *
 124  * Here, amount can span multiple trace periods
 125  *
 126  * @param a        Initial time
 127  * @param amount  Amount to be executed
 128  * @return  End time
 129  */
 130 double CpuTiTmgr::solve(double a, double amount) const
 131 {
 132   /* Fix very small negative numbers */
 133   if ((a < 0.0) && (a > -EPSILON)) {
 134     a = 0.0;
 135   }
 136   if ((amount < 0.0) && (amount > -EPSILON)) {
 137     amount = 0.0;
 138   }
 139
 140   /* Sanity checks */
 141   if ((a < 0.0) || (amount < 0.0)) {
 142     XBT_CRITICAL("Error, invalid parameters [a = %.2f, amount = %.2f]. "
 143                  "You probably have a task executing with negative computation amount. Check your code.",
 144                  a, amount);
 145     xbt_abort();
 146   }
 147
 148   /* At this point, a and amount are positive */
 149   if (amount < EPSILON)
 150     return a;
 151
 152   /* Is the trace fixed ? */
 153   if (type_ == Type::FIXED) {
 154     return (a + (amount / value_));
 155   }
 156
 157   XBT_DEBUG("amount %f total %f", amount, total_);
 158   /* Reduce the problem to one where amount <= trace_total */
 159   double quotient       = floor(amount / total_);
 160   double reduced_amount = (total_) * ((amount / total_) - floor(amount / total_));
 161   double reduced_a      = a - (last_time_) * static_cast<int>(floor(a / last_time_));
 162
 163   XBT_DEBUG("Quotient: %g reduced_amount: %f reduced_a: %f", quotient, reduced_amount, reduced_a);
 164
 165   /* Now solve for new_amount which is <= trace_total */
 166   double reduced_b;
 167   XBT_DEBUG("Solve integral: [%.2f, amount=%.2f]", reduced_a, reduced_amount);
 168   double amount_till_end = integrate(reduced_a, last_time_);
 169
 170   if (amount_till_end > reduced_amount) {
 171     reduced_b = profile_->solve_simple(reduced_a, reduced_amount);
 172   } else {
 173     reduced_b = last_time_ + profile_->solve_simple(0.0, reduced_amount - amount_till_end);
 174   }
 175
 176   /* Re-map to the original b and amount */
 177   return last_time_ * floor(a / last_time_) + (quotient * last_time_) + reduced_b;
 178 }
 179
 180 /**
 181  * @brief Auxiliary function to solve integral.
 182  *  It returns the date when the requested amount of flops is available
 183  * @param a        Initial point
 184  * @param amount  Amount of flops
 185  * @return The date when amount is available.
 186  */
 187 double CpuTiProfile::solve_simple(double a, double amount) const
 188 {
 189   double integral_a = integrate_simple_point(a);
 190   int ind           = binary_search(integral_, integral_a + amount);
 191   double time       = time_points_[ind];
 192   time += (integral_a + amount - integral_[ind]) /
 193           ((integral_[ind + 1] - integral_[ind]) / (time_points_[ind + 1] - time_points_[ind]));
 194
 195   return time;
 196 }
 197
 198 /**
 199  * @brief Auxiliary function to update the CPU speed scale.
 200  *
 201  *  This function uses the trace structure to return the speed scale at the determined time a.
 202  * @param a        Time
 203  * @return CPU speed scale
 204  */
 205 double CpuTiTmgr::get_power_scale(double a) const
 206 {
 207   double reduced_a                = a - floor(a / last_time_) * last_time_;
 208   int point                       = CpuTiProfile::binary_search(profile_->time_points_, reduced_a);
 209   kernel::profile::DatedValue val = speed_profile_->event_list.at(point);
 210   return val.value_;
 211 }
 212
 213 /**
 214  * @brief Creates a new integration trace from a tmgr_trace_t
 215  *
 216  * @param  speed_trace    CPU availability trace
 217  * @param  value          Percentage of CPU speed available (useful to fixed tracing)
 218  * @return  Integration trace structure
 219  */
 220 CpuTiTmgr::CpuTiTmgr(kernel::profile::Profile* speed_profile, double value) : speed_profile_(speed_profile)
 221 {
 222   double total_time = 0.0;
 223   profile_.reset(nullptr);
 224
 225   /* no availability file, fixed trace */
 226   if (not speed_profile) {
 227     value_ = value;
 228     XBT_DEBUG("No availability trace. Constant value = %f", value);
 229     return;
 230   }
 231
 232   /* only one point available, fixed trace */
 233   if (speed_profile->event_list.size() == 1) {
 234     value_ = speed_profile->event_list.front().value_;
 235     return;
 236   }
 237
 238   type_ = Type::DYNAMIC;
 239
 240   /* count the total time of trace file */
 241   for (auto const& val : speed_profile->event_list)
 242     total_time += val.date_;
 243
 244   profile_   = std::make_unique<CpuTiProfile>(speed_profile);
 245   last_time_ = total_time;
 246   total_     = profile_->integrate_simple(0, total_time);
 247
 248   XBT_DEBUG("Total integral %f, last_time %f ", total_, last_time_);
 249 }
 250
 251 /**
 252  * @brief Binary search in array.
 253  *  It returns the last point of the interval in which "a" is.
 254  * @param array    Array
 255  * @param a        Value to search
 256  * @return Index of point
 257  */
 258 int CpuTiProfile::binary_search(const std::vector<double>& array, double a)
 259 {
 260   if (array[0] > a)
 261     return 0;
 262   auto pos = std::upper_bound(begin(array), end(array), a);
 263   return std::distance(begin(array), pos) - 1;
 264 }
 265
 266 /*********
 267  * Model *
 268  *********/
 269
 270 void CpuTiModel::create_pm_vm_models()
 271 {
 272   xbt_assert(surf_cpu_model_pm == nullptr, "CPU model already initialized. This should not happen.");
 273   xbt_assert(surf_cpu_model_vm == nullptr, "CPU model already initialized. This should not happen.");
 274
 275   surf_cpu_model_pm = new CpuTiModel();
 276   surf_cpu_model_vm = new CpuTiModel();
 277 }
 278
 279 CpuTiModel::CpuTiModel() : CpuModel(Model::UpdateAlgo::FULL)
 280 {
 281   all_existing_models.push_back(this);
 282 }
 283
 284 CpuTiModel::~CpuTiModel()
 285 {
 286   surf_cpu_model_pm = nullptr;
 287 }
 288
 289 Cpu* CpuTiModel::create_cpu(s4u::Host* host, const std::vector<double>& speed_per_pstate)
 290 {
 291   return (new CpuTi(host, speed_per_pstate))->set_model(this);
 292 }
 293
 294 double CpuTiModel::next_occurring_event(double now)
 295 {
 296   double min_action_duration = -1;
 297
 298   /* iterates over modified cpus to update share resources */
 299   for (auto it = std::begin(modified_cpus_); it != std::end(modified_cpus_);) {
 300     CpuTi& cpu = *it;
 301     ++it; // increment iterator here since the following call to ti.update_actions_finish_time() may invalidate it
 302     cpu.update_actions_finish_time(now);
 303   }
 304
 305   /* get the min next event if heap not empty */
 306   if (not get_action_heap().empty())
 307     min_action_duration = get_action_heap().top_date() - now;
 308
 309   XBT_DEBUG("Share resources, min next event date: %f", min_action_duration);
 310
 311   return min_action_duration;
 312 }
 313
 314 void CpuTiModel::update_actions_state(double now, double /*delta*/)
 315 {
 316   while (not get_action_heap().empty() && double_equals(get_action_heap().top_date(), now, sg_surf_precision)) {
 317     auto* action = static_cast<CpuTiAction*>(get_action_heap().pop());
 318     XBT_DEBUG("Action %p: finish", action);
 319     action->finish(Action::State::FINISHED);
 320     /* update remaining amount of all actions */
 321     action->cpu_->update_remaining_amount(surf_get_clock());
 322   }
 323 }
 324
 325 /************
 326  * Resource *
 327  ************/
 328 CpuTi::CpuTi(s4u::Host* host, const std::vector<double>& speed_per_pstate) : Cpu(host, speed_per_pstate)
 329 {
 330   speed_.peak = speed_per_pstate.front();
 331   XBT_DEBUG("CPU create: peak=%f", speed_.peak);
 332
 333   speed_integrated_trace_ = new CpuTiTmgr(nullptr, 1 /*scale*/);
 334 }
 335
 336 CpuTi::~CpuTi()
 337 {
 338   set_modified(false);
 339   delete speed_integrated_trace_;
 340 }
 341
 342 void CpuTi::set_speed_profile(kernel::profile::Profile* profile)
 343 {
 344   delete speed_integrated_trace_;
 345   speed_integrated_trace_ = new CpuTiTmgr(profile, speed_.scale);
 346
 347   /* add a fake trace event if periodicity == 0 */
 348   if (profile && profile->event_list.size() > 1) {
 349     kernel::profile::DatedValue val = profile->event_list.back();
 350     if (val.date_ < 1e-12) {
 351       auto* prof   = new kernel::profile::Profile();
 352       speed_.event = prof->schedule(&profile::future_evt_set, this);
 353     }
 354   }
 355 }
 356
 357 void CpuTi::apply_event(kernel::profile::Event* event, double value)
 358 {
 359   if (event == speed_.event) {
 360     XBT_DEBUG("Speed changed in trace! New fixed value: %f", value);
 361
 362     /* update remaining of actions and put in modified cpu list */
 363     update_remaining_amount(surf_get_clock());
 364
 365     set_modified(true);
 366
 367     delete speed_integrated_trace_;
 368     speed_integrated_trace_ = new CpuTiTmgr(value);
 369
 370     speed_.scale = value;
 371     tmgr_trace_event_unref(&speed_.event);
 372
 373   } else if (event == state_event_) {
 374     if (value > 0) {
 375       if (not is_on()) {
 376         XBT_VERB("Restart actors on host %s", get_iface()->get_cname());
 377         get_iface()->turn_on();
 378       }
 379     } else {
 380       get_iface()->turn_off();
 381       double date = surf_get_clock();
 382
 383       /* put all action running on cpu to failed */
 384       for (CpuTiAction& action : action_set_) {
 385         if (action.get_state() == Action::State::INITED || action.get_state() == Action::State::STARTED ||
 386             action.get_state() == Action::State::IGNORED) {
 387           action.set_finish_time(date);
 388           action.set_state(Action::State::FAILED);
 389           get_model()->get_action_heap().remove(&action);
 390         }
 391       }
 392     }
 393     tmgr_trace_event_unref(&state_event_);
 394
 395   } else {
 396     xbt_die("Unknown event!\n");
 397   }
 398 }
 399
 400 /** Update the actions that are running on this CPU (which was modified recently) */
 401 void CpuTi::update_actions_finish_time(double now)
 402 {
 403   /* update remaining amount of actions */
 404   update_remaining_amount(now);
 405
 406   /* Compute the sum of priorities for the actions running on that CPU */
 407   sum_priority_ = 0.0;
 408   for (CpuTiAction const& action : action_set_) {
 409     /* action not running, skip it */
 410     if (action.get_state_set() != surf_cpu_model_pm->get_started_action_set())
 411       continue;
 412
 413     /* bogus priority, skip it */
 414     if (action.get_sharing_penalty() <= 0)
 415       continue;
 416
 417     /* action suspended, skip it */
 418     if (not action.is_running())
 419       continue;
 420
 421     sum_priority_ += 1.0 / action.get_sharing_penalty();
 422   }
 423
 424   for (CpuTiAction& action : action_set_) {
 425     double min_finish = -1;
 426     /* action not running, skip it */
 427     if (action.get_state_set() != surf_cpu_model_pm->get_started_action_set())
 428       continue;
 429
 430     /* verify if the action is really running on cpu */
 431     if (action.is_running() && action.get_sharing_penalty() > 0) {
 432       /* total area needed to finish the action. Used in trace integration */
 433       double total_area = (action.get_remains() * sum_priority_ * action.get_sharing_penalty()) / speed_.peak;
 434
 435       action.set_finish_time(speed_integrated_trace_->solve(now, total_area));
 436       /* verify which event will happen before (max_duration or finish time) */
 437       if (action.get_max_duration() != NO_MAX_DURATION &&
 438           action.get_start_time() + action.get_max_duration() < action.get_finish_time())
 439         min_finish = action.get_start_time() + action.get_max_duration();
 440       else
 441         min_finish = action.get_finish_time();
 442     } else {
 443       /* put the max duration time on heap */
 444       if (action.get_max_duration() != NO_MAX_DURATION)
 445         min_finish = action.get_start_time() + action.get_max_duration();
 446     }
 447     /* add in action heap */
 448     if (min_finish != NO_MAX_DURATION)
 449       get_model()->get_action_heap().update(&action, min_finish, ActionHeap::Type::unset);
 450     else
 451       get_model()->get_action_heap().remove(&action);
 452
 453     XBT_DEBUG("Update finish time: Cpu(%s) Action: %p, Start Time: %f Finish Time: %f Max duration %f", get_cname(),
 454               &action, action.get_start_time(), action.get_finish_time(), action.get_max_duration());
 455   }
 456   /* remove from modified cpu */
 457   set_modified(false);
 458 }
 459
 460 bool CpuTi::is_used() const
 461 {
 462   return not action_set_.empty();
 463 }
 464
 465 double CpuTi::get_speed_ratio()
 466 {
 467   speed_.scale = speed_integrated_trace_->get_power_scale(surf_get_clock());
 468   return Cpu::get_speed_ratio();
 469 }
 470
 471 /** @brief Update the remaining amount of actions */
 472 void CpuTi::update_remaining_amount(double now)
 473 {
 474   /* already up to date */
 475   if (last_update_ >= now)
 476     return;
 477
 478   /* compute the integration area */
 479   double area_total = speed_integrated_trace_->integrate(last_update_, now) * speed_.peak;
 480   XBT_DEBUG("Flops total: %f, Last update %f", area_total, last_update_);
 481   for (CpuTiAction& action : action_set_) {
 482     /* action not running, skip it */
 483     if (action.get_state_set() != get_model()->get_started_action_set())
 484       continue;
 485
 486     /* bogus priority, skip it */
 487     if (action.get_sharing_penalty() <= 0)
 488       continue;
 489
 490     /* action suspended, skip it */
 491     if (not action.is_running())
 492       continue;
 493
 494     /* action don't need update */
 495     if (action.get_start_time() >= now)
 496       continue;
 497
 498     /* skip action that are finishing now */
 499     if (action.get_finish_time() >= 0 && action.get_finish_time() <= now)
 500       continue;
 501
 502     /* update remaining */
 503     action.update_remains(area_total / (sum_priority_ * action.get_sharing_penalty()));
 504     XBT_DEBUG("Update remaining action(%p) remaining %f", &action, action.get_remains_no_update());
 505   }
 506   last_update_ = now;
 507 }
 508
 509 CpuAction* CpuTi::execution_start(double size)
 510 {
 511   XBT_IN("(%s,%g)", get_cname(), size);
 512   auto* action = new CpuTiAction(this, size);
 513
 514   action_set_.push_back(*action); // Actually start the action
 515
 516   XBT_OUT();
 517   return action;
 518 }
 519
 520 CpuAction* CpuTi::sleep(double duration)
 521 {
 522   if (duration > 0)
 523     duration = std::max(duration, sg_surf_precision);
 524
 525   XBT_IN("(%s,%g)", get_cname(), duration);
 526   auto* action = new CpuTiAction(this, 1.0);
 527
 528   action->set_max_duration(duration);
 529   action->set_suspend_state(Action::SuspendStates::SLEEPING);
 530   if (duration == NO_MAX_DURATION)
 531     action->set_state(Action::State::IGNORED);
 532
 533   action_set_.push_back(*action);
 534
 535   XBT_OUT();
 536   return action;
 537 }
 538
 539 void CpuTi::set_modified(bool modified)
 540 {
 541   CpuTiList& modified_cpus = static_cast<CpuTiModel*>(get_model())->modified_cpus_;
 542   if (modified) {
 543     if (not cpu_ti_hook.is_linked()) {
 544       modified_cpus.push_back(*this);
 545     }
 546   } else {
 547     if (cpu_ti_hook.is_linked())
 548       xbt::intrusive_erase(modified_cpus, *this);
 549   }
 550 }
 551
 552 /**********
 553  * Action *
 554  **********/
 555
 556 CpuTiAction::CpuTiAction(CpuTi* cpu, double cost) : CpuAction(cpu->get_model(), cost, not cpu->is_on()), cpu_(cpu)
 557 {
 558   cpu_->set_modified(true);
 559 }
 560 CpuTiAction::~CpuTiAction()
 561 {
 562   /* remove from action_set */
 563   if (action_ti_hook.is_linked())
 564     xbt::intrusive_erase(cpu_->action_set_, *this);
 565   /* remove from heap */
 566   get_model()->get_action_heap().remove(this);
 567   cpu_->set_modified(true);
 568 }
 569
 570 void CpuTiAction::set_state(Action::State state)
 571 {
 572   CpuAction::set_state(state);
 573   cpu_->set_modified(true);
 574 }
 575
 576 void CpuTiAction::cancel()
 577 {
 578   this->set_state(Action::State::FAILED);
 579   get_model()->get_action_heap().remove(this);
 580   cpu_->set_modified(true);
 581 }
 582
 583 void CpuTiAction::suspend()
 584 {
 585   XBT_IN("(%p)", this);
 586   if (is_running()) {
 587     set_suspend_state(Action::SuspendStates::SUSPENDED);
 588     get_model()->get_action_heap().remove(this);
 589     cpu_->set_modified(true);
 590   }
 591   XBT_OUT();
 592 }
 593
 594 void CpuTiAction::resume()
 595 {
 596   XBT_IN("(%p)", this);
 597   if (is_suspended()) {
 598     set_suspend_state(Action::SuspendStates::RUNNING);
 599     cpu_->set_modified(true);
 600   }
 601   XBT_OUT();
 602 }
 603
 604 void CpuTiAction::set_max_duration(double duration)
 605 {
 606   double min_finish;
 607
 608   XBT_IN("(%p,%g)", this, duration);
 609
 610   Action::set_max_duration(duration);
 611
 612   if (duration >= 0)
 613     min_finish = (get_start_time() + get_max_duration()) < get_finish_time() ? (get_start_time() + get_max_duration())
 614                                                                              : get_finish_time();
 615   else
 616     min_finish = get_finish_time();
 617
 618   /* add in action heap */
 619   get_model()->get_action_heap().update(this, min_finish, ActionHeap::Type::unset);
 620
 621   XBT_OUT();
 622 }
 623
 624 void CpuTiAction::set_sharing_penalty(double sharing_penalty)
 625 {
 626   XBT_IN("(%p,%g)", this, sharing_penalty);
 627   set_sharing_penalty_no_update(sharing_penalty);
 628   cpu_->set_modified(true);
 629   XBT_OUT();
 630 }
 631
 632 double CpuTiAction::get_remains()
 633 {
 634   XBT_IN("(%p)", this);
 635   cpu_->update_remaining_amount(surf_get_clock());
 636   XBT_OUT();
 637   return get_remains_no_update();
 638 }
 639
 640 } // namespace resource
 641 } // namespace kernel
 642 } // namespace simgrid