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Begin filling in computations of ex(C) and en(C)
[simgrid.git] / src / mc / explo / UdporChecker.hpp
index 71c5eff..2bcdeb4 100644 (file)
@@ -1,4 +1,4 @@
-/* Copyright (c) 2007-2022. The SimGrid Team.
+/* Copyright (c) 2007-2023. The SimGrid Team.
  * All rights reserved.                                                     */
 
 /* This program is free software; you can redistribute it and/or modify it
 #define SIMGRID_MC_UDPOR_CHECKER_HPP
 
 #include "src/mc/explo/Exploration.hpp"
+#include "src/mc/explo/udpor/Configuration.hpp"
+#include "src/mc/explo/udpor/EventSet.hpp"
+#include "src/mc/explo/udpor/Unfolding.hpp"
+#include "src/mc/explo/udpor/UnfoldingEvent.hpp"
 #include "src/mc/mc_record.hpp"
 
-namespace simgrid::mc {
+#include <functional>
+#include <optional>
 
+namespace simgrid::mc::udpor {
+
+/**
+ * @brief Performs exploration of a concurrent system via the
+ * UDPOR algorithm
+ *
+ * The `UdporChecker` implementation is based primarily off three papers,
+ * herein referred to as [1], [2], and [3] respectively, as well as the
+ * current implementation of `tiny_simgrid`:
+ *
+ * 1. "Unfolding-based Partial Order Reduction" by Rodriguez et al.
+ * 2. Quasi-Optimal Partial Order Reduction by Nguyen et al.
+ * 3. The Anh Pham's Thesis "Exploration efficace de l'espace ..."
+ */
 class XBT_PRIVATE UdporChecker : public Exploration {
 public:
-  explicit UdporChecker(RemoteApp& remote_app);
+  explicit UdporChecker(const std::vector<char*>& args);
+
   void run() override;
   RecordTrace get_record_trace() override;
   std::vector<std::string> get_textual_trace() override;
-  void log_state() override;
-};
 
-} // namespace simgrid::mc
+  inline std::unique_ptr<State> get_current_state() { return std::make_unique<State>(get_remote_app()); }
+
+private:
+  /**
+   * @brief The "relevant" portions of the unfolding that must be kept around to ensure that
+   * UDPOR properly searches the state space
+   *
+   * The set `U` is a global variable which is maintained by UDPOR
+   * to keep track of "just enough" information about the unfolding
+   * to compute *alternatives* (see the paper for more details).
+   *
+   * @invariant: When a new event is created by UDPOR, it is inserted into
+   * this set. All new events that are created by UDPOR have causes that
+   * also exist in U and are valid for the duration of the search.
+   *
+   * If an event is discarded instead of moved from set `U` to set `G`,
+   * the event and its contents will be discarded.
+   */
+  EventSet U;
+
+  /**
+   * @brief The "irrelevant" portions of the unfolding that do not need to be kept
+   * around to ensure that UDPOR functions correctly
+   *
+   * The set `G` is another global variable maintained by the UDPOR algorithm which
+   * is used to keep track of all events which used to be important to UDPOR
+   */
+  EventSet G;
+
+  /// @brief UDPOR's current "view" of the program it is exploring
+  Unfolding unfolding = Unfolding();
+
+  /**
+   * @brief A collection of specialized functions which can incrementally
+   * compute the extension of a configuration based on the action taken
+   */
+  using ExtensionFunction = std::function<EventSet(const Configuration&, const std::shared_ptr<Transition>)>;
+  std::unordered_map<Transition::Type, ExtensionFunction> incremental_extension_functions =
+      std::unordered_map<Transition::Type, ExtensionFunction>();
+
+  /**
+   * @brief Explores the unfolding of the concurrent system
+   * represented by the ModelChecker instance "mcmodel_checker"
+   *
+   * This function performs the actual search following the
+   * UDPOR algorithm according to [1].
+   *
+   * @param C the current configuration from which UDPOR will be used
+   * to explore expansions of the concurrent system being modeled
+   * @param D the set of events that should not be considered by UDPOR
+   * while performing its searches, in order to avoid sleep-set blocked
+   * executions. See [1] for more details
+   * @param A the set of events to "guide" UDPOR in the correct direction
+   * when it returns back to a node in the unfolding and must decide among
+   * events to select from `ex(C)`. See [1] for more details
+   * @param stateC the state of the program after having executed `C`,
+   * viz. `state(C)`  using the notation of [1]
+   *
+   * TODO: Add the optimization where we can check if e == e_prior
+   * to prevent repeated work when computing ex(C)
+   */
+  void explore(const Configuration& C, EventSet D, EventSet A, std::unique_ptr<State> stateC, EventSet prev_exC);
+
+  /**
+   * @brief Identifies the next event from the unfolding of the concurrent system
+   * that should next be explored as an extension of a configuration with
+   * enabled events `enC`
+   *
+   * @param A The set of events `A` maintained by the UDPOR algorithm to help
+   * determine how events should be selected. See the original paper [1] for more details
+   *
+   * @param enC The set `enC` of enabled events from the extension set `exC` used
+   * by the UDPOR algorithm to select new events to search. See the original
+   * paper [1] for more details
+   */
+  const UnfoldingEvent* select_next_unfolding_event(const EventSet& A, const EventSet& enC);
+
+  /**
+   * @brief Computes the sets `ex(C)` and `en(C)` of the given configuration
+   * `C` as an incremental computation from the the previous computation of `ex(C)`
+   *
+   * A central component to UDPOR is the computation of the set `ex(C)`. The
+   * extension set `ex(C)` of a configuration `C` is defined as the set of events
+   * outside of `C` whose full dependency chain is contained in `C` (see [1]
+   * for more details).
+   *
+   * In general, computing `ex(C)` is very expensive. In paper [3], The Anh Pham
+   * shows a method of incremental computation of the set `ex(C)` under the
+   * conclusions afforded under the computation model in consideration, of which
+   * SimGrid is apart, which allow for `ex(C)` to be computed much more efficiently.
+   * Intuitively, the idea is to take advantage of the fact that you can avoid a lot
+   * of repeated computation by exploiting the aforementioned properties (in [3]) in
+   * what is effectively a dynamic programming optimization. See [3] for more details
+   *
+   * @param C the configuration based on which the two sets `ex(C)` and `en(C)` are
+   * computed
+   * @param stateC the state of the program after having executed C (viz. `state(C)`)
+   * @param prev_exC the previous value of `ex(C)`, viz. that which was computed for
+   * the configuration `C' := C - {e}`
+   * @returns the extension set `ex(C)` of `C`
+   */
+  EventSet compute_exC(const Configuration& C, const State& stateC, const EventSet& prev_exC);
+
+  /**
+   * @brief Computes a portion of the extension set of a configuration given
+   * some action `action`
+   */
+  EventSet compute_exC_by_enumeration(const Configuration& C, const std::shared_ptr<Transition> action);
+
+  EventSet compute_enC(const Configuration& C, const EventSet& exC) const;
+
+  /**
+   *
+   */
+  EventSet compute_partial_alternative(const EventSet& D, const Configuration& C, const unsigned k) const;
+
+  /**
+   *
+   */
+  void move_to_stateCe(State& stateC, const UnfoldingEvent& e);
+
+  /**
+   * @brief Creates a new snapshot of the state of the progam undergoing
+   * model checking
+   *
+   * @returns the handle used to uniquely identify this state later in the
+   * exploration of the unfolding. You provide this handle to an event in the
+   * unfolding to regenerate past states
+   */
+  std::unique_ptr<State> record_current_state();
+
+  /**
+   *
+   */
+  void restore_program_state_to(const State& stateC);
+
+  /**
+   *
+   */
+  void clean_up_explore(const UnfoldingEvent* e, const Configuration& C, const EventSet& D);
+};
+} // namespace simgrid::mc::udpor
 
 #endif