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[simgrid.git] / src / mc / explo / UdporChecker.cpp
index 868960f..f5c512f 100644 (file)
@@ -6,46 +6,44 @@
 #include "src/mc/explo/UdporChecker.hpp"
 #include "src/mc/api/State.hpp"
 #include "src/mc/explo/udpor/Comb.hpp"
+#include "src/mc/explo/udpor/ExtensionSetCalculator.hpp"
 #include "src/mc/explo/udpor/History.hpp"
 #include "src/mc/explo/udpor/maximal_subsets_iterator.hpp"
 
+#include <numeric>
 #include <xbt/asserts.h>
 #include <xbt/log.h>
+#include <xbt/string.hpp>
 
 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(mc_udpor, mc, "Logging specific to verification using UDPOR");
 
 namespace simgrid::mc::udpor {
 
-UdporChecker::UdporChecker(const std::vector<char*>& args) : Exploration(args)
-{
-  // Initialize the map
-}
+UdporChecker::UdporChecker(const std::vector<char*>& args) : Exploration(args) {}
 
 void UdporChecker::run()
 {
   XBT_INFO("Starting a UDPOR exploration");
-  // NOTE: `A`, `D`, and `C` are derived from the
-  // original UDPOR paper [1], while `prev_exC` arises
-  // from the incremental computation of ex(C) from [3]
-  Configuration C_root;
-
-  // TODO: Move computing the root configuration into a method on the Unfolding
-  auto initial_state      = get_current_state();
-  auto root_event         = std::make_unique<UnfoldingEvent>(EventSet(), std::make_shared<Transition>());
-  auto* root_event_handle = root_event.get();
-  unfolding.insert(std::move(root_event));
-  C_root.add_event(root_event_handle);
-
-  explore(C_root, EventSet(), EventSet(), std::move(initial_state), EventSet());
-
+  state_stack.clear();
+  state_stack.push_back(get_current_state());
+  explore(Configuration(), EventSet(), EventSet(), EventSet());
   XBT_INFO("UDPOR exploration terminated -- model checking completed");
 }
 
-void UdporChecker::explore(const Configuration& C, EventSet D, EventSet A, std::unique_ptr<State> stateC,
-                           EventSet prev_exC)
+void UdporChecker::explore(const Configuration& C, EventSet D, EventSet A, EventSet prev_exC)
 {
-  auto exC       = compute_exC(C, *stateC, prev_exC);
+  auto& stateC   = *state_stack.back();
+  auto exC       = compute_exC(C, stateC, prev_exC);
   const auto enC = compute_enC(C, exC);
+  XBT_DEBUG("explore(C, D, A) with:\n"
+            "C\t := %s \n"
+            "D\t := %s \n"
+            "A\t := %s \n"
+            "ex(C)\t := %s \n"
+            "en(C)\t := %s \n",
+            C.to_string().c_str(), D.to_string().c_str(), A.to_string().c_str(), exC.to_string().c_str(),
+            enC.to_string().c_str());
+  XBT_DEBUG("ex(C) has %zu elements, of which %zu are in en(C)", exC.size(), enC.size());
 
   // If enC is a subset of D, intuitively
   // there aren't any enabled transitions
@@ -53,10 +51,10 @@ void UdporChecker::explore(const Configuration& C, EventSet D, EventSet A, std::
   // exploration would lead to a so-called
   // "sleep-set blocked" trace.
   if (enC.is_subset_of(D)) {
-
-    if (not C.get_events().empty()) {
-      // Report information...
-    }
+    XBT_DEBUG("en(C) is a subset of the sleep set D (size %zu); if we "
+              "kept exploring, we'd hit a sleep-set blocked trace",
+              D.size());
+    XBT_DEBUG("The current configuration has %zu elements", C.get_events().size());
 
     // When `en(C)` is empty, intuitively this means that there
     // are no enabled transitions that can be executed from the
@@ -66,23 +64,24 @@ void UdporChecker::explore(const Configuration& C, EventSet D, EventSet A, std::
     // possibility is that we've finished running everything, and
     // we wouldn't be in deadlock then)
     if (enC.empty()) {
+      XBT_VERB("**************************");
+      XBT_VERB("*** TRACE INVESTIGATED ***");
+      XBT_VERB("**************************");
+      XBT_VERB("Execution sequence:");
+      for (auto const& s : get_textual_trace())
+        XBT_VERB("  %s", s.c_str());
       get_remote_app().check_deadlock();
     }
 
     return;
   }
-
-  // TODO: Add verbose logging about which event is being explored
-
-  const UnfoldingEvent* e = select_next_unfolding_event(A, enC);
+  UnfoldingEvent* e = select_next_unfolding_event(A, enC);
   xbt_assert(e != nullptr, "\n\n****** INVARIANT VIOLATION ******\n"
                            "UDPOR guarantees that an event will be chosen at each point in\n"
                            "the search, yet no events were actually chosen\n"
                            "*********************************\n\n");
-
-  // Move the application into stateCe and make note of that state
-  move_to_stateCe(*stateC, *e);
-  auto stateCe = record_current_state();
+  XBT_DEBUG("Selected event `%s` (%zu dependencies) to extend the configuration", e->to_string().c_str(),
+            e->get_immediate_causes().size());
 
   // Ce := C + {e}
   Configuration Ce = C;
@@ -92,21 +91,48 @@ void UdporChecker::explore(const Configuration& C, EventSet D, EventSet A, std::
   exC.remove(e);
 
   // Explore(C + {e}, D, A \ {e})
-  explore(Ce, D, std::move(A), std::move(stateCe), std::move(exC));
+
+  // Move the application into stateCe (i.e. `state(C + {e})`) and make note of that state
+  move_to_stateCe(&stateC, e);
+  state_stack.push_back(record_current_state());
+
+  explore(Ce, D, std::move(A), std::move(exC));
+
+  // Prepare to move the application back one state.
+  // We need only remove the state from the stack here: if we perform
+  // another `Explore()` after computing an alternative, at that
+  // point we'll actually create a fresh RemoteProcess
+  state_stack.pop_back();
 
   // D <-- D + {e}
   D.insert(e);
 
-  constexpr unsigned K = 10;
-  if (auto J_minus_C = compute_k_partial_alternative(D, C, K); J_minus_C.has_value()) {
+  XBT_DEBUG("Checking for the existence of an alternative...");
+  if (auto J = C.compute_alternative_to(D, this->unfolding); J.has_value()) {
     // Before searching the "right half", we need to make
     // sure the program actually reflects the fact
-    // that we are searching again from `stateC` (the recursive
-    // search moved the program into `stateCe`)
-    restore_program_state_to(*stateC);
+    // that we are searching again from `state(C)`. While the
+    // stack of states is properly adjusted to represent
+    // `state(C)` all together, the RemoteApp is currently sitting
+    // at some *future* state with respect to `state(C)` since the
+    // recursive calls had moved it there.
+    restore_program_state_with_current_stack();
 
     // Explore(C, D + {e}, J \ C)
-    explore(C, D, std::move(J_minus_C.value()), std::move(stateC), std::move(prev_exC));
+    auto J_minus_C = J.value().get_events().subtracting(C.get_events());
+
+    XBT_DEBUG("Alternative detected! The alternative is:\n"
+              "J\t := %s \n"
+              "J / C := %s\n"
+              "UDPOR is going to explore it...",
+              J.value().to_string().c_str(), J_minus_C.to_string().c_str());
+    explore(C, D, std::move(J_minus_C), std::move(prev_exC));
+  } else {
+    XBT_DEBUG("No alternative detected with:\n"
+              "C\t := %s \n"
+              "D\t := %s \n"
+              "A\t := %s \n",
+              C.to_string().c_str(), D.to_string().c_str(), A.to_string().c_str());
   }
 
   // D <-- D - {e}
@@ -129,67 +155,41 @@ EventSet UdporChecker::compute_exC(const Configuration& C, const State& stateC,
   EventSet exC                = prev_exC;
   exC.remove(e_cur);
 
+  // IMPORTANT NOTE: In order to have deterministic results, we need to process
+  // the actors in a deterministic manner so that events are discovered by
+  // UDPOR in a deterministic order. The processing done here always processes
+  // actors in a consistent order since `std::map` is by-default ordered using
+  // `std::less<Key>` (see the return type of `State::get_actors_list()`)
   for (const auto& [aid, actor_state] : stateC.get_actors_list()) {
-    for (const auto& transition : actor_state.get_enabled_transitions()) {
-      // First check for a specialized function that can compute the extension
-      // set "quickly" based on its type. Otherwise, fall back to computing
-      // the set "by hand"
-      const auto specialized_extension_function = incremental_extension_functions.find(transition->type_);
-      if (specialized_extension_function != incremental_extension_functions.end()) {
-        exC.form_union((specialized_extension_function->second)(C, transition));
-      } else {
-        exC.form_union(this->compute_exC_by_enumeration(C, transition));
+    const auto& enabled_transitions = actor_state.get_enabled_transitions();
+    if (enabled_transitions.empty()) {
+      XBT_DEBUG("\t Actor `%ld` is disabled: no partial extensions need to be considered", aid);
+    } else {
+      XBT_DEBUG("\t Actor `%ld` is enabled", aid);
+      for (const auto& transition : enabled_transitions) {
+        XBT_DEBUG("\t Considering partial extension for %s", transition->to_string().c_str());
+        EventSet extension = ExtensionSetCalculator::partially_extend(C, &unfolding, transition);
+        exC.form_union(extension);
       }
     }
   }
   return exC;
 }
 
-EventSet UdporChecker::compute_exC_by_enumeration(const Configuration& C, const std::shared_ptr<Transition> action)
-{
-  // Here we're computing the following:
-  //
-  // U{<a, K> : K is maximal, `a` depends on all of K, `a` enabled at config(K) }
-  //
-  // where `a` is the `action` given to us. Note that `a` is presumed to be enabled
-  EventSet incremental_exC;
-
-  for (auto begin =
-           maximal_subsets_iterator(C, {[&](const UnfoldingEvent* e) { return e->is_dependent_with(action.get()); }});
-       begin != maximal_subsets_iterator(); ++begin) {
-    const EventSet& maximal_subset = *begin;
-
-    // Determining if `a` is enabled here might not be possible while looking at `a` opaquely
-    // We leave the implementation as-is to ensure that any addition would be simple
-    // if it were ever added
-    const bool enabled_at_config_k = false;
-
-    if (enabled_at_config_k) {
-      auto candidate_handle = std::make_unique<UnfoldingEvent>(maximal_subset, action);
-      if (auto candidate_event = candidate_handle.get(); not unfolding.contains_event_equivalent_to(candidate_event)) {
-        // This is a new event (i.e. one we haven't yet seen)
-        unfolding.insert(std::move(candidate_handle));
-        incremental_exC.insert(candidate_event);
-      }
-    }
-  }
-  return incremental_exC;
-}
-
 EventSet UdporChecker::compute_enC(const Configuration& C, const EventSet& exC) const
 {
   EventSet enC;
-  for (const auto e : exC) {
-    if (not e->conflicts_with(C)) {
+  for (const auto* e : exC) {
+    if (C.is_compatible_with(e)) {
       enC.insert(e);
     }
   }
   return enC;
 }
 
-void UdporChecker::move_to_stateCe(State& state, const UnfoldingEvent& e)
+void UdporChecker::move_to_stateCe(State* state, UnfoldingEvent* e)
 {
-  const aid_t next_actor = e.get_transition()->aid_;
+  const aid_t next_actor = e->get_transition()->aid_;
 
   // TODO: Add the trace if possible for reporting a bug
   xbt_assert(next_actor >= 0, "\n\n****** INVARIANT VIOLATION ******\n"
@@ -197,15 +197,41 @@ void UdporChecker::move_to_stateCe(State& state, const UnfoldingEvent& e)
                               "one transition of the state of an visited event is enabled, yet no\n"
                               "state was actually enabled. Please report this as a bug.\n"
                               "*********************************\n\n");
-  state.execute_next(next_actor);
+  auto latest_transition_by_next_actor = state->execute_next(next_actor, get_remote_app());
+
+  // The transition that is associated with the event was just
+  // executed, so it's possible that the new version of the transition
+  // (i.e. the one after execution) has *more* information than
+  // that which existed *prior* to execution.
+  //
+  //
+  // ------- !!!!! UDPOR INVARIANT !!!!! -------
+  //
+  // At this point, we are leveraging the fact that
+  // UDPOR will not contain more than one copy of any
+  // transition executed by any actor for any
+  // particular step taken by that actor. That is,
+  // if transition `i` of the `j`th actor is contained in the
+  // configuration `C` currently under consideration
+  // by UDPOR, then only one and only one copy exists in `C`
+  //
+  // This means that we can referesh the transitions associated
+  // with each event lazily, i.e. only after we have chosen the
+  // event to continue our execution.
+  e->set_transition(std::move(latest_transition_by_next_actor));
 }
 
-void UdporChecker::restore_program_state_to(const State& stateC)
+void UdporChecker::restore_program_state_with_current_stack()
 {
+  XBT_DEBUG("Restoring state using the current stack");
   get_remote_app().restore_initial_state();
-  // TODO: We need to have the stack of past states available at this
-  // point. Since the method is recursive, we'll need to keep track of
-  // this as we progress
+
+  /* Traverse the stack from the state at position start and re-execute the transitions */
+  for (const std::unique_ptr<State>& state : state_stack) {
+    if (state == state_stack.back()) /* If we are arrived on the target state, don't replay the outgoing transition */
+      break;
+    state->get_transition_out()->replay(get_remote_app());
+  }
 }
 
 std::unique_ptr<State> UdporChecker::record_current_state()
@@ -213,129 +239,115 @@ std::unique_ptr<State> UdporChecker::record_current_state()
   auto next_state = this->get_current_state();
 
   // In UDPOR, we care about all enabled transitions in a given state
-  next_state->mark_all_enabled_todo();
+  next_state->consider_all();
 
   return next_state;
 }
 
-const UnfoldingEvent* UdporChecker::select_next_unfolding_event(const EventSet& A, const EventSet& enC)
+UnfoldingEvent* UdporChecker::select_next_unfolding_event(const EventSet& A, const EventSet& enC)
 {
-  if (!enC.empty()) {
-    return *(enC.begin());
+  if (enC.empty()) {
+    throw std::invalid_argument("There are no unfolding events to select. "
+                                "Are you sure that you checked that en(C) was not "
+                                "empty before attempting to select an event from it?");
   }
 
-  for (const auto& event : A) {
-    if (enC.contains(event)) {
-      return event;
-    }
+  // UDPOR's exploration is non-deterministic (as is DPOR's)
+  // in the sense that at any given point there may
+  // be multiple paths that can be followed. The correctness and optimality
+  // of the algorithm remains unaffected by the route taken by UDPOR when
+  // given multiple choices; but to ensure that SimGrid itself has deterministic
+  // behavior on all platforms, we always pick events with lower id's
+  // to ensure we explore the unfolding deterministically.
+  if (A.empty()) {
+    const auto min_event = std::min_element(enC.begin(), enC.end(),
+                                            [](const auto e1, const auto e2) { return e1->get_id() < e2->get_id(); });
+    return const_cast<UnfoldingEvent*>(*min_event);
+  } else {
+    const auto intersection = A.make_intersection(enC);
+    const auto min_event    = std::min_element(intersection.begin(), intersection.end(),
+                                               [](const auto e1, const auto e2) { return e1->get_id() < e2->get_id(); });
+    return const_cast<UnfoldingEvent*>(*min_event);
   }
-  return nullptr;
 }
 
-std::vector<const UnfoldingEvent*> UdporChecker::pick_k_partial_alternative_events(const EventSet& D,
-                                                                                   const unsigned k) const
+void UdporChecker::clean_up_explore(const UnfoldingEvent* e, const Configuration& C, const EventSet& D)
 {
-  const unsigned size = std::min(k, static_cast<unsigned>(D.size()));
-  std::vector<const UnfoldingEvent*> D_hat(size);
-
-  // Potentially select intelligently here (e.g. perhaps pick events
-  // with transitions that we know are totally independent)...
+  // The "clean-up set" conceptually represents
+  // those events which will no longer be considered
+  // by UDPOR during its exploration. The concept is
+  // introduced to avoid modification during iteration
+  // over the current unfolding to determine who needs to
+  // be removed. Since sets are unordered, it's quite possible
+  // that e.g. two events `e` and `e'` such that `e < e'`
+  // which are determined eligible for removal are removed
+  // in the order `e` and then `e'`. Determining that `e'`
+  // needs to be removed requires that its history be in
+  // tact to e.g. compute the conflicts with the event.
   //
-  // For now, simply pick the first `k` events (any subset suffices)
-  std::copy_n(D.begin(), size, D_hat.begin());
-  return D_hat;
-}
+  // Thus, we compute the set and remove all of the events
+  // at once in lieu of removing events while iterating over them.
+  // We can hypothesize that processing the events in reverse
+  // topological order would prevent any issues concerning
+  // the order in which are processed
+  EventSet clean_up_set;
 
-std::optional<EventSet> UdporChecker::compute_k_partial_alternative(const EventSet& D, const Configuration& C,
-                                                                    const unsigned k) const
-{
-  // 1. Select k (of |D|, whichever is smaller) arbitrary events e_1, ..., e_k from D
-  const auto D_hat = pick_k_partial_alternative_events(D, k);
+  // Q_(C, D, U) = C u D u U (complicated expression)
+  // See page 9 of "Unfolding-based Partial Order Reduction"
 
-  // 2. Build a U-comb <s_1, ..., s_k> of size k, where spike `s_i` contains
-  // all events in conflict with `e_i`
-  //
-  // 3. EXCEPT those events e' for which [e'] + C is not a configuration or
-  // [e'] intersects D
-  //
-  // NOTE: This is an expensive operation as we must traverse the entire unfolding
-  // and compute `C.is_compatible_with(History)` for every event in the structure :/.
-  // A later performance improvement would be to incorporate the work of Nguyen et al.
-  // into SimGrid. Since that is a rather complicated addition, we defer to the addition
-  // for a later time...
-  Comb comb(k);
-
-  for (const auto* e : this->unfolding) {
-    for (unsigned i = 0; i < k; i++) {
-      const auto& e_i = D_hat[i];
-      if (const auto e_local_config = History(e);
-          e_i->conflicts_with(e) and (not D.contains(e_local_config)) and C.is_compatible_with(e_local_config)) {
-        comb[i].push_back(e);
-      }
-    }
-  }
+  // "C u D" portion
+  const EventSet C_union_D = C.get_events().make_union(D);
 
-  // 4. Find any such combination <e_1', ..., e_k'> in comb satisfying
-  // ~(e_i' # e_j') for i != j
-  //
-  // NOTE: This is a VERY expensive operation: it enumerates all possible
-  // ways to select an element from each spike. Unfortunately there's no
-  // way around the enumeration, as computing a full alternative in general is
-  // NP-complete (although computing the k-partial alternative is polynomial in n)
-  const auto map_events = [](const std::vector<Spike::const_iterator>& spikes) {
-    std::vector<const UnfoldingEvent*> events;
-    for (const auto& event_in_spike : spikes) {
-      events.push_back(*event_in_spike);
-    }
-    return EventSet(std::move(events));
-  };
-  const auto alternative =
-      std::find_if(comb.combinations_begin(), comb.combinations_end(),
-                   [&map_events](const auto& vector) { return map_events(vector).is_conflict_free(); });
-
-  // No such alternative exists
-  if (alternative == comb.combinations_end()) {
-    return std::nullopt;
-  }
+  // "U (complicated expression)" portion
+  const EventSet conflict_union = std::accumulate(
+      C_union_D.begin(), C_union_D.end(), EventSet(), [&](const EventSet& acc, const UnfoldingEvent* e_prime) {
+        return acc.make_union(unfolding.get_immediate_conflicts_of(e_prime));
+      });
 
-  // 5. J := [e_1] + [e_2] + ... + [e_k] is a k-partial alternative
-  // NOTE: This function computes J / C, which is what is actually used in UDPOR
-  return History(map_events(*alternative)).get_event_diff_with(C);
-}
+  const EventSet Q_CDU = C_union_D.make_union(conflict_union.get_local_config());
 
-void UdporChecker::clean_up_explore(const UnfoldingEvent* e, const Configuration& C, const EventSet& D)
-{
-  const EventSet C_union_D              = C.get_events().make_union(D);
-  const EventSet es_immediate_conflicts = this->unfolding.get_immediate_conflicts_of(e);
-  const EventSet Q_CDU                  = C_union_D.make_union(es_immediate_conflicts.get_local_config());
+  XBT_DEBUG("Computed Q_CDU as '%s'", Q_CDU.to_string().c_str());
 
   // Move {e} \ Q_CDU from U to G
-  if (Q_CDU.contains(e)) {
-    this->unfolding.remove(e);
+  if (not Q_CDU.contains(e)) {
+    XBT_DEBUG("Moving %s from U to G...", e->to_string().c_str());
+    clean_up_set.insert(e);
   }
 
   // foreach ê in #ⁱ_U(e)
-  for (const auto* e_hat : es_immediate_conflicts) {
+  for (const auto* e_hat : this->unfolding.get_immediate_conflicts_of(e)) {
     // Move [ê] \ Q_CDU from U to G
-    const EventSet to_remove = e_hat->get_history().subtracting(Q_CDU);
-    this->unfolding.remove(to_remove);
+    const EventSet to_remove = e_hat->get_local_config().subtracting(Q_CDU);
+    XBT_DEBUG("Moving {%s} from U to G...", to_remove.to_string().c_str());
+    clean_up_set.form_union(to_remove);
   }
+
+  // TODO: We still perhaps need to
+  // figure out how to deal with the fact that the previous
+  // extension sets computed for past configurations
+  // contain events that may be removed from `U`. Perhaps
+  // it would be best to keep them around forever (they
+  // are moved to `G` after all and can be discarded at will,
+  // which means they may never have to be removed at all).
+  //
+  // Of course, the benefit of moving them into the set `G`
+  // is that the computation for immediate conflicts becomes
+  // more efficient (we have to search all of `U` for such conflicts,
+  // and there would be no reason to search those events
+  // that UDPOR has marked as no longer being important)
+  // For now, there appear to be no "obvious" issues (although
+  // UDPOR's behavior is often far from obvious...)
+  this->unfolding.mark_finished(clean_up_set);
 }
 
 RecordTrace UdporChecker::get_record_trace()
 {
   RecordTrace res;
+  for (auto const& state : state_stack)
+    res.push_back(state->get_transition_out().get());
   return res;
 }
 
-std::vector<std::string> UdporChecker::get_textual_trace()
-{
-  // TODO: Topologically sort the events of the latest configuration
-  // and iterate through that topological sorting
-  std::vector<std::string> trace;
-  return trace;
-}
-
 } // namespace simgrid::mc::udpor
 
 namespace simgrid::mc {