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[simgrid.git] / src / kernel / lmm / bmf.hpp
index 8ede833..3bebff1 100644 (file)
@@ -1,35 +1,98 @@
-/* Copyright (c) 2004-2022. The SimGrid Team. All rights reserved.          */
+/* Copyright (c) 2004-2023. The SimGrid Team. All rights reserved.          */
 
 /* This program is free software; you can redistribute it and/or modify it
  * under the terms of the license (GNU LGPL) which comes with this package. */
 
-#ifndef SURF_BMF_HPP
-#define SURF_BMF_HPP
+#ifndef SIMGRID_KERNEL_LMM_BMF_HPP
+#define SIMGRID_KERNEL_LMM_BMF_HPP
+
+#include "src/kernel/lmm/System.hpp"
+#include "xbt/config.hpp"
+
+#include <set>
+
+#ifdef __clang__
+// Ignore deprecation warnings with Eigen < 4.0 (see https://gitlab.com/libeigen/eigen/-/issues/1850)
+#pragma clang diagnostic push
+#pragma clang diagnostic ignored "-Wdeprecated-declarations"
+#endif
+#include <Eigen/Dense>
+#ifdef __clang__
+#pragma clang diagnostic pop
+#endif
 
-#include "src/kernel/lmm/maxmin.hpp"
-#include <boost/container_hash/hash.hpp>
-#include <eigen3/Eigen/Dense>
 #include <unordered_set>
 
-namespace simgrid {
-namespace kernel {
-namespace lmm {
+namespace simgrid::kernel::lmm {
 
+/** @brief Generate all combinations of valid allocation */
 class XBT_PUBLIC AllocationGenerator {
 public:
   explicit AllocationGenerator(Eigen::MatrixXd A);
 
+  /**
+   * @brief Get next valid allocation
+   *
+   * @param next_alloc Allocation (OUTPUT)
+   * @return true if there's an allocation not tested yet, false otherwise
+   */
   bool next(std::vector<int>& next_alloc);
 
 private:
-  Eigen::MatrixXd A_; //!< A_ji: resource usage matrix, each row j represents a resource and col i a flow/player
+  Eigen::MatrixXd A_;
   std::vector<int> alloc_;
   bool first_ = true;
 };
 
+/**
+ * @beginrst
+ *
+ * Despite the simplicity of BMF fairness definition, it's quite hard to
+ * find a BMF allocation in the general case.
+ *
+ * This solver implements one possible algorithm to find a BMF, as proposed
+ * at: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01552739.
+ *
+ * The idea of this algorithm is that each player/flow "selects" a resource to
+ * saturate. Then, we calculate the rate each flow would have with this allocation.
+ * If the allocation is a valid BMF and no one needs to move, it's over. Otherwise,
+ * each player selects a new resource to saturate based on the minimim rate possible
+ * between all resources.
+ *
+ * The steps:
+ * 1) Given an initial allocation B_i
+ * 2) Build a matrix A'_ji and C'_ji which assures that the player receives the most
+ * share at selected resources
+ * 3) Solve: A'_ji * rho_i = C'_j
+ * 4) Calculate the minimum fair rate for each resource j: f_j. The f_j represents
+ * the maximum each flow can receive at the resource j.
+ * 5) Builds a new vector B'_i = arg min(f_j/A_ji).
+ * 6) Stop if B == B' (nobody needs to move), go to step 2 otherwise
+ *
+ * Despite the overall good performance of this algorithm, which converges in a few
+ * iterations, we don't have any assurance about its convergence. In the worst case,
+ * it may be needed to test all possible combination of allocations (which is exponential).
+ *
+ * @endrst
+ */
 class XBT_PUBLIC BmfSolver {
+  inline static simgrid::config::Flag<int> cfg_bmf_max_iteration{
+      "bmf/max-iterations", "Maximum number of steps to be performed while searching for a BMF allocation", 1000};
+
+  inline static simgrid::config::Flag<double> cfg_bmf_precision{
+      "bmf/precision", {"precision/bmf"}, "Numerical precision used when computing resource sharing", 1E-12};
+
 public:
-  BmfSolver(Eigen::MatrixXd A, Eigen::MatrixXd maxA, Eigen::VectorXd C, Eigen::VectorXd phi);
+  /**
+   * @brief Instantiate the BMF solver
+   *
+   * @param A A_ji: consumption of player i on resource j
+   * @param maxA maxA_ji: consumption of larger player i on resource j
+   * @param C Resource capacity
+   * @param shared Is resource shared between player or each player receives the full capacity (FATPIPE links)
+   * @param phi Bound for each player
+   */
+  BmfSolver(Eigen::MatrixXd A, Eigen::MatrixXd maxA, Eigen::VectorXd C, std::vector<bool> shared, Eigen::VectorXd phi);
   /** @brief Solve equation system to find a fair-sharing of resources */
   Eigen::VectorXd solve();
 
@@ -46,6 +109,21 @@ private:
    * @return Actual resource capacity
    */
   double get_resource_capacity(int resource, const std::vector<int>& bounded_players) const;
+  /**
+   * @brief Get maxmin share of the resource
+   *
+   * @param resource Internal index of resource in C_ vector
+   * @param bounded_players List of players that are externally bounded
+   * @return maxmin share
+   */
+  double get_maxmin_share(int resource, const std::vector<int>& bounded_players) const;
+  /**
+   * @brief Auxiliary method to get list of bounded player from allocation
+   *
+   * @param alloc Current allocation
+   * @return list of bounded players
+   */
+  std::vector<int> get_bounded_players(const allocation_map_t& alloc) const;
 
   /**
    * @brief Given an allocation calculates the speed/rho for each player
@@ -120,28 +198,67 @@ private:
   Eigen::MatrixXd maxA_; //!< maxA_ji,  similar as A_, but containing the maximum consumption of player i (if player a
                          //!< single flow it's equal to A_)
   Eigen::VectorXd C_;    //!< C_j Capacity of each resource
-  Eigen::VectorXd phi_;  //!< phi_i bound for each player
+  std::vector<bool> C_shared_; //!< shared_j Resource j is shared or not
+  Eigen::VectorXd phi_;        //!< phi_i bound for each player
 
-  std::unordered_set<std::vector<int>, boost::hash<std::vector<int>>> allocations_;
+  std::set<std::vector<int>> allocations_; //!< set of already tested allocations, since last identified loop
   AllocationGenerator gen_;
-  std::vector<int> allocations_age_;
-  static constexpr int NO_RESOURCE = -1;     //!< flag to indicate player has selected no resource
-  int max_iteration_               = sg_bmf_max_iterations; //!< number maximum of iterations of BMF algorithm
+  static constexpr int NO_RESOURCE = -1;                    //!< flag to indicate player has selected no resource
+  int max_iteration_               = cfg_bmf_max_iteration; //!< number maximum of iterations of BMF algorithm
 };
 
+/**
+ * @beginrst
+ *
+ * A BMF (bottleneck max fairness) solver to resolve inequation systems.
+ *
+ * Usually, SimGrid relies on a *max-min fairness* solver to share the resources.
+ * Max-min is great when sharing homogenous resources, however it cannot be used with heterogeneous resources.
+ *
+ * BMF is a natural alternative to max-min, providing a fair-sharing of heterogeneous resources (CPU, network, disk).
+ * It is specially relevant for the implementation of parallel tasks whose sharing involves different
+ * kinds of resources.
+ *
+ * BMF assures that every flow receives the maximum share possible in at least 1 bottleneck (fully used) resource.
+ *
+ * The BMF is characterized by:
+ * - A_ji: a matrix of requirement for flows/player. For each resource j, and flow i, A_ji represents the utilization
+ * of resource j for 1 unit of the flow i.
+ * - rho_i: the rate allocated for flow i (same among all resources)
+ * - C_j: the capacity of each resource (can be bytes/s, flops/s, etc)
+ *
+ * Therefore, these conditions need to satisfied to an allocation be considered a BMF:
+ * 1) All constraints are respected (flows cannot use more than the resource has available)
+ *   - for all resource j and player i: A_ji * rho_i <= C_j
+ * 2) At least 1 resource is fully used (bottleneck).
+ *   - for some resource j: A_ji * rho_i = C_j
+ * 3) Each flow (player) receives the maximum share in at least 1 bottleneck.
+ *   - for all player i: exist a resource j: A_ji * rho_i >= A_jk * rho_k for all other player k
+ *
+ * Despite the prove of existence of a BMF allocation in the general case, it may not
+ * be unique, which leads to possible different rate for the applications.
+ *
+ * More details about BMF can be found at: https://hal.inria.fr/hal-01243985/document
+ *
+ * @endrst
+ */
 /**
  * @brief Bottleneck max-fair system
  */
 class XBT_PUBLIC BmfSystem : public System {
 public:
   using System::System;
-  /** @brief Implements the solve method to calculate a BMF allocation */
-  void solve() final { bmf_solve(); }
 
 private:
+  /** @brief Implements the solve method to calculate a BMF allocation */
+  void do_solve() final;
   using allocation_map_t = std::unordered_map<int, std::unordered_set<int>>;
-  /** @brief Solve equation system to find a fair-sharing of resources */
-  void bmf_solve();
+  /**
+   * @brief Solve equation system to find a fair-sharing of resources
+   *
+   * @param cnst_list Constraint list (modified for selective update or active)
+   */
+  template <class CnstList> void bmf_solve(const CnstList& cnst_list);
   /**
    * @brief Iterates over system and build the consumption matrix A_ji and maxA_ji
    *
@@ -149,24 +266,26 @@ private:
    *
    * Considers only active variables to build the matrix.
    *
+   * @param number_cnsts Number of constraints in the system
    * @param A Consumption matrix (OUTPUT)
    * @param maxA Max subflow consumption matrix (OUTPUT)
    * @param phi Bounds for variables
    */
-  void get_flows_data(Eigen::MatrixXd& A, Eigen::MatrixXd& maxA, Eigen::VectorXd& phi);
+  void get_flows_data(Eigen::Index number_cnsts, Eigen::MatrixXd& A, Eigen::MatrixXd& maxA, Eigen::VectorXd& phi);
   /**
    * @brief Builds the vector C_ with resource's capacity
    *
+   * @param cnst_list Constraint list (modified for selective update or active)
    * @param C Resource capacity vector
+   * @param shared Resource is shared or not (fatpipe links)
    */
-  void get_constraint_data(Eigen::VectorXd& C);
+  template <class CnstList>
+  void get_constraint_data(const CnstList& cnst_list, Eigen::VectorXd& C, std::vector<bool>& shared);
 
   std::unordered_map<int, Variable*> idx2Var_; //!< Map player index (and position in matrices) to system's variable
   std::unordered_map<const Constraint*, int> cnst2idx_; //!< Conversely map constraint to index
 };
 
-} // namespace lmm
-} // namespace kernel
-} // namespace simgrid
+} // namespace simgrid::kernel::lmm
 
-#endif
\ No newline at end of file
+#endif