rustorch 0.6.29

//! Multi-machine cluster support for distributed training
//! 分散学習用マルチマシンクラスターサポート

use crate::distributed::multi_gpu_validation::ProcessGroup;
use crate::error::{RusTorchError, RusTorchResult};
use serde::{Deserialize, Serialize};
use std::collections::HashMap;
use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;
use std::time::{Duration, Instant};

/// Distributed backend types
/// 分散バックエンドタイプ
#[derive(Debug, Clone)]
pub enum DistributedBackend {
    /// NVIDIA Collective Communications Library
    /// NVIDIA集合通信ライブラリ
    Nccl,
    /// Facebook Gloo collective communications
    /// Facebook Gloo集合通信
    Gloo,
    /// Message Passing Interface
    /// メッセージパッシングインターフェース
    Mpi,
}

/// Cluster configuration for multi-machine training
/// マルチマシン学習用クラスター設定
#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
pub struct ClusterConfig {
    /// Master node address
    /// マスターノードアドレス
    pub master_addr: String,
    /// Master node port
    /// マスターノードポート
    pub master_port: u16,
    /// List of worker nodes
    /// ワーカーノードリスト
    pub worker_nodes: Vec<NodeInfo>,
    /// Cluster topology
    /// クラスタートポロジー
    pub topology: ClusterTopology,
    /// Fault tolerance settings
    /// 障害耐性設定
    pub fault_tolerance: FaultToleranceConfig,
}

/// Node information in the cluster
/// クラスター内のノード情報
#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
pub struct NodeInfo {
    /// Node ID
    /// ノードID
    pub node_id: usize,
    /// Node address
    /// ノードアドレス
    pub address: String,
    /// Node port
    /// ノードポート
    pub port: u16,
    /// Number of GPUs on this node
    /// このノード上のGPU数
    pub gpu_count: usize,
    /// Node capabilities
    /// ノード機能
    pub capabilities: NodeCapabilities,
    /// Node status
    /// ノードステータス
    pub status: NodeStatus,
}

/// Node capabilities
/// ノード機能
#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
pub struct NodeCapabilities {
    /// Available memory (GB)
    /// 利用可能メモリ（GB）
    pub memory_gb: f64,
    /// CPU cores
    /// CPUコア数
    pub cpu_cores: usize,
    /// GPU memory per device (GB)
    /// デバイスあたりGPUメモリ（GB）
    pub gpu_memory_gb: f64,
    /// Network bandwidth (Gbps)
    /// ネットワーク帯域幅（Gbps）
    pub network_bandwidth_gbps: f64,
}

/// Node status
/// ノードステータス
#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq, Serialize, Deserialize)]
pub enum NodeStatus {
    /// Node is available
    /// ノードが利用可能
    Available,
    /// Node is busy
    /// ノードがビジー
    Busy,
    /// Node is offline
    /// ノードがオフライン
    Offline,
    /// Node has failed
    /// ノードが故障
    Failed,
}

/// Cluster topology types
/// クラスタートポロジータイプ
#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
pub enum ClusterTopology {
    /// Flat topology - all nodes communicate directly
    /// フラットトポロジー - 全ノードが直接通信
    Flat,
    /// Tree topology - hierarchical communication
    /// ツリートポロジー - 階層通信
    Tree {
        /// Maximum depth of the tree
        /// ツリーの最大深度
        depth: usize,
    },
    /// Ring topology - ring-based communication
    /// リングトポロジー - リングベース通信
    Ring,
    /// Custom topology with explicit connections
    /// 明示的接続を持つカスタムトポロジー
    Custom {
        /// Map from node ID to list of connected node IDs
        /// ノードIDから接続されたノードIDのリストへのマップ
        connections: HashMap<usize, Vec<usize>>,
    },
}

/// Fault tolerance configuration
/// 障害耐性設定
#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
pub struct FaultToleranceConfig {
    /// Enable automatic failover
    /// 自動フェイルオーバーを有効化
    pub enable_failover: bool,
    /// Heartbeat interval (seconds)
    /// ハートビート間隔（秒）
    pub heartbeat_interval: u64,
    /// Node timeout (seconds)
    /// ノードタイムアウト（秒）
    pub node_timeout: u64,
    /// Maximum retry attempts
    /// 最大再試行回数
    pub max_retries: usize,
    /// Checkpoint frequency for recovery
    /// 復旧用チェックポイント頻度
    pub checkpoint_frequency: usize,
}

/// Cluster manager for coordinating distributed training
/// 分散学習を調整するクラスターマネージャー
pub struct ClusterManager {
    /// Cluster configuration
    /// クラスター設定
    config: ClusterConfig,
    /// Active nodes in the cluster
    /// クラスター内のアクティブノード
    active_nodes: Arc<Mutex<HashMap<usize, NodeInfo>>>,
    /// Process groups for different training jobs
    /// 異なる学習ジョブ用のプロセスグループ
    process_groups: HashMap<String, ProcessGroup>,
    /// Heartbeat monitor
    /// ハートビートモニター
    heartbeat_monitor: Option<HeartbeatMonitor>,
    /// Resource scheduler
    /// リソーススケジューラー
    resource_scheduler: ResourceScheduler,
}

/// Heartbeat monitor for node health checking
/// ノードヘルスチェック用ハートビートモニター
pub struct HeartbeatMonitor {
    /// Active nodes
    /// アクティブノード
    nodes: Arc<Mutex<HashMap<usize, NodeInfo>>>,
    /// Last heartbeat timestamps
    /// 最後のハートビートタイムスタンプ
    last_heartbeat: Arc<Mutex<HashMap<usize, Instant>>>,
    /// Monitoring thread handle
    /// モニタリングスレッドハンドル
    monitor_handle: Option<thread::JoinHandle<()>>,
    /// Shutdown signal
    /// シャットダウンシグナル
    shutdown: Arc<Mutex<bool>>,
}

/// Resource scheduler for optimal job placement
/// 最適なジョブ配置用リソーススケジューラー
pub struct ResourceScheduler {
    /// Available resources per node
    /// ノードあたりの利用可能リソース
    node_resources: HashMap<usize, NodeCapabilities>,
    /// Current resource usage
    /// 現在のリソース使用量
    resource_usage: HashMap<usize, ResourceUsage>,
    /// Scheduling strategy
    /// スケジューリング戦略
    strategy: SchedulingStrategy,
}

/// Current resource usage on a node
/// ノード上の現在のリソース使用量
#[derive(Debug, Clone)]
pub struct ResourceUsage {
    /// Used memory (GB)
    /// 使用メモリ（GB）
    pub memory_used_gb: f64,
    /// Used CPU cores
    /// 使用CPUコア数
    pub cpu_cores_used: usize,
    /// Used GPU memory (GB)
    /// 使用GPUメモリ（GB）
    pub gpu_memory_used_gb: f64,
    /// Active jobs
    /// アクティブジョブ数
    pub active_jobs: usize,
}

/// Scheduling strategies
/// スケジューリング戦略
#[derive(Debug, Clone, Copy)]
pub enum SchedulingStrategy {
    /// First-fit scheduling
    /// ファーストフィットスケジューリング
    FirstFit,
    /// Best-fit scheduling
    /// ベストフィットスケジューリング
    BestFit,
    /// Load balancing
    /// 負荷分散
    LoadBalancing,
    /// Locality-aware scheduling
    /// 局所性を考慮したスケジューリング
    LocalityAware,
}

impl ClusterManager {
    /// Create new cluster manager
    /// 新しいクラスターマネージャーを作成
    pub fn new(config: ClusterConfig) -> RusTorchResult<Self> {
        let active_nodes: Arc<Mutex<HashMap<usize, NodeInfo>>> =
            Arc::new(Mutex::new(HashMap::new()));

        // Initialize active nodes from config
        // 設定からアクティブノードを初期化
        {
            let mut nodes = active_nodes.lock().unwrap();
            for node in &config.worker_nodes {
                nodes.insert(node.node_id, node.clone());
            }
        }

        let resource_scheduler = ResourceScheduler::new(SchedulingStrategy::LoadBalancing);

        Ok(Self {
            config,
            active_nodes,
            process_groups: HashMap::new(),
            heartbeat_monitor: None,
            resource_scheduler,
        })
    }

    /// Start cluster services
    /// クラスターサービスを開始
    pub fn start(&mut self) -> RusTorchResult<()> {
        // Start heartbeat monitoring
        // ハートビートモニタリングを開始
        if self.config.fault_tolerance.enable_failover {
            self.start_heartbeat_monitor()?;
        }

        // Initialize cluster topology
        // クラスタートポロジーを初期化
        self.initialize_topology()?;

        // Start resource monitoring
        // リソースモニタリングを開始
        self.resource_scheduler.start_monitoring()?;

        Ok(())
    }

    /// Stop cluster services
    /// クラスターサービスを停止
    pub fn stop(&mut self) -> RusTorchResult<()> {
        // Stop heartbeat monitor
        // ハートビートモニターを停止
        if let Some(monitor) = &mut self.heartbeat_monitor {
            monitor.stop()?;
        }

        // Stop resource monitoring
        // リソースモニタリングを停止
        self.resource_scheduler.stop_monitoring()?;

        Ok(())
    }

    /// Create process group for distributed training
    /// 分散学習用プロセスグループを作成
    pub fn create_process_group(
        &mut self,
        job_id: String,
        world_size: usize,
        _backend: DistributedBackend,
    ) -> RusTorchResult<ProcessGroup> {
        // Schedule nodes for this job
        // このジョブ用のノードをスケジュール
        let _selected_nodes = self.resource_scheduler.schedule_job(world_size)?;

        // Create process group
        // プロセスグループを作成
        let process_group = ProcessGroup {
            rank: 0, // rank will be assigned per process
            world_size,
            backend: Default::default(),
        };

        self.process_groups.insert(job_id, process_group.clone());

        Ok(process_group)
    }

    /// Handle node failure
    /// ノード障害を処理
    pub fn handle_node_failure(&mut self, failed_node_id: usize) -> RusTorchResult<()> {
        // Mark node as failed
        // ノードを故障としてマーク
        {
            let mut nodes = self.active_nodes.lock().unwrap();
            if let Some(node) = nodes.get_mut(&failed_node_id) {
                node.status = NodeStatus::Failed;
            }
        }

        // Trigger failover if enabled
        // 有効な場合フェイルオーバーをトリガー
        if self.config.fault_tolerance.enable_failover {
            self.trigger_failover(failed_node_id)?;
        }

        Ok(())
    }

    /// Trigger failover for failed node
    /// 故障ノードのフェイルオーバーをトリガー
    fn trigger_failover(&mut self, failed_node_id: usize) -> RusTorchResult<()> {
        // Find replacement node
        // 代替ノードを見つける
        let replacement_node = self.find_replacement_node()?;

        // Migrate running jobs
        // 実行中ジョブを移行
        self.migrate_jobs(failed_node_id, replacement_node.node_id)?;

        // Update process groups
        // プロセスグループを更新
        self.update_process_groups_after_failover(failed_node_id, replacement_node.node_id)?;

        Ok(())
    }

    /// Find replacement node for failover
    /// フェイルオーバー用代替ノードを見つける
    fn find_replacement_node(&self) -> RusTorchResult<NodeInfo> {
        let nodes = self.active_nodes.lock().unwrap();

        for node in nodes.values() {
            if node.status == NodeStatus::Available {
                return Ok(node.clone());
            }
        }

        Err(RusTorchError::ClusterError("No available replacement node"))
    }

    /// Migrate jobs from failed node to replacement
    /// 故障ノードから代替ノードへジョブを移行
    fn migrate_jobs(
        &mut self,
        _failed_node: usize,
        _replacement_node: usize,
    ) -> RusTorchResult<()> {
        // Implementation would handle job migration
        // 実装ではジョブ移行を処理
        Ok(())
    }

    /// Update process groups after failover
    /// フェイルオーバー後にプロセスグループを更新
    fn update_process_groups_after_failover(
        &mut self,
        _failed_node: usize,
        _replacement_node: usize,
    ) -> RusTorchResult<()> {
        // Implementation would update process group configurations
        // 実装ではプロセスグループ設定を更新
        Ok(())
    }

    /// Start heartbeat monitoring
    /// ハートビートモニタリングを開始
    fn start_heartbeat_monitor(&mut self) -> RusTorchResult<()> {
        let monitor = HeartbeatMonitor::new(
            self.active_nodes.clone(),
            self.config.fault_tolerance.heartbeat_interval,
            self.config.fault_tolerance.node_timeout,
        )?;

        self.heartbeat_monitor = Some(monitor);
        Ok(())
    }

    /// Initialize cluster topology
    /// クラスタートポロジーを初期化
    fn initialize_topology(&self) -> RusTorchResult<()> {
        match &self.config.topology {
            ClusterTopology::Flat => {
                // All-to-all connections
                // 全対全接続
            }
            ClusterTopology::Tree { depth: _ } => {
                // Tree-based connections
                // ツリーベース接続
            }
            ClusterTopology::Ring => {
                // Ring connections
                // リング接続
            }
            ClusterTopology::Custom { connections: _ } => {
                // Custom connections
                // カスタム接続
            }
        }
        Ok(())
    }

    /// Get cluster status
    /// クラスターステータスを取得
    pub fn get_cluster_status(&self) -> ClusterStatus {
        let nodes = self.active_nodes.lock().unwrap();

        let mut available_nodes = 0;
        let mut busy_nodes = 0;
        let mut failed_nodes = 0;
        let mut total_gpus = 0;

        for node in nodes.values() {
            match node.status {
                NodeStatus::Available => available_nodes += 1,
                NodeStatus::Busy => busy_nodes += 1,
                NodeStatus::Failed => failed_nodes += 1,
                NodeStatus::Offline => {}
            }
            total_gpus += node.gpu_count;
        }

        ClusterStatus {
            total_nodes: nodes.len(),
            available_nodes,
            busy_nodes,
            failed_nodes,
            total_gpus,
            active_jobs: self.process_groups.len(),
        }
    }
}

/// Cluster status information
/// クラスターステータス情報
#[derive(Debug, Clone)]
pub struct ClusterStatus {
    /// Total number of nodes
    /// 総ノード数
    pub total_nodes: usize,
    /// Available nodes
    /// 利用可能ノード数
    pub available_nodes: usize,
    /// Busy nodes
    /// ビジーノード数
    pub busy_nodes: usize,
    /// Failed nodes
    /// 故障ノード数
    pub failed_nodes: usize,
    /// Total GPUs
    /// 総GPU数
    pub total_gpus: usize,
    /// Active jobs
    /// アクティブジョブ数
    pub active_jobs: usize,
}

impl HeartbeatMonitor {
    /// Create new heartbeat monitor
    /// 新しいハートビートモニターを作成
    pub fn new(
        nodes: Arc<Mutex<HashMap<usize, NodeInfo>>>,
        heartbeat_interval: u64,
        node_timeout: u64,
    ) -> RusTorchResult<Self> {
        let last_heartbeat: Arc<Mutex<HashMap<usize, Instant>>> =
            Arc::new(Mutex::new(HashMap::new()));
        let shutdown: Arc<Mutex<bool>> = Arc::new(Mutex::new(false));

        // Initialize heartbeat timestamps
        // ハートビートタイムスタンプを初期化
        {
            let nodes_guard = nodes.lock().unwrap();
            let mut heartbeat_guard = last_heartbeat.lock().unwrap();
            let now = Instant::now();

            for node_id in nodes_guard.keys() {
                heartbeat_guard.insert(*node_id, now);
            }
        }

        let mut monitor = Self {
            nodes,
            last_heartbeat,
            monitor_handle: None,
            shutdown,
        };

        monitor.start_monitoring(heartbeat_interval, node_timeout)?;
        Ok(monitor)
    }

    /// Start monitoring thread
    /// モニタリングスレッドを開始
    fn start_monitoring(
        &mut self,
        heartbeat_interval: u64,
        node_timeout: u64,
    ) -> RusTorchResult<()> {
        let nodes = self.nodes.clone();
        let last_heartbeat = self.last_heartbeat.clone();
        let shutdown = self.shutdown.clone();

        let handle = thread::spawn(move || {
            let interval = Duration::from_secs(heartbeat_interval);
            let timeout = Duration::from_secs(node_timeout);

            loop {
                // Check shutdown signal
                // シャットダウンシグナルをチェック
                {
                    let shutdown_guard = shutdown.lock().unwrap();
                    if *shutdown_guard {
                        break;
                    }
                }

                // Check node heartbeats
                // ノードハートビートをチェック
                let now = Instant::now();
                let mut failed_nodes = Vec::new();

                {
                    let heartbeat_guard = last_heartbeat.lock().unwrap();
                    for (node_id, last_time) in heartbeat_guard.iter() {
                        if now.duration_since(*last_time) > timeout {
                            failed_nodes.push(*node_id);
                        }
                    }
                }

                // Handle failed nodes
                // 故障ノードを処理
                if !failed_nodes.is_empty() {
                    let mut nodes_guard = nodes.lock().unwrap();
                    for node_id in failed_nodes {
                        if let Some(node) = nodes_guard.get_mut(&node_id) {
                            node.status = NodeStatus::Failed;
                        }
                    }
                }

                thread::sleep(interval);
            }
        });

        self.monitor_handle = Some(handle);
        Ok(())
    }

    /// Stop monitoring
    /// モニタリングを停止
    pub fn stop(&mut self) -> RusTorchResult<()> {
        // Signal shutdown
        // シャットダウンをシグナル
        {
            let mut shutdown_guard = self.shutdown.lock().unwrap();
            *shutdown_guard = true;
        }

        // Wait for monitoring thread to finish
        // モニタリングスレッドの終了を待機
        if let Some(handle) = self.monitor_handle.take() {
            handle.join().map_err(|_| {
                RusTorchError::ClusterError("Failed to stop heartbeat monitor".to_string())
            })?;
        }

        Ok(())
    }

    /// Update heartbeat for node
    /// ノードのハートビートを更新
    pub fn update_heartbeat(&self, node_id: usize) -> RusTorchResult<()> {
        let mut heartbeat_guard = self.last_heartbeat.lock().unwrap();
        heartbeat_guard.insert(node_id, Instant::now());
        Ok(())
    }
}

impl ResourceScheduler {
    /// Create new resource scheduler
    /// 新しいリソーススケジューラーを作成
    pub fn new(strategy: SchedulingStrategy) -> Self {
        Self {
            node_resources: HashMap::new(),
            resource_usage: HashMap::new(),
            strategy,
        }
    }

    /// Schedule job on available nodes
    /// 利用可能ノードでジョブをスケジュール
    pub fn schedule_job(&mut self, required_nodes: usize) -> RusTorchResult<Vec<usize>> {
        match self.strategy {
            SchedulingStrategy::FirstFit => self.schedule_first_fit(required_nodes),
            SchedulingStrategy::BestFit => self.schedule_best_fit(required_nodes),
            SchedulingStrategy::LoadBalancing => self.schedule_load_balancing(required_nodes),
            SchedulingStrategy::LocalityAware => self.schedule_locality_aware(required_nodes),
        }
    }

    /// First-fit scheduling
    /// ファーストフィットスケジューリング
    fn schedule_first_fit(&self, required_nodes: usize) -> RusTorchResult<Vec<usize>> {
        let mut selected_nodes = Vec::new();

        for node_id in self.node_resources.keys() {
            if selected_nodes.len() >= required_nodes {
                break;
            }

            if self.is_node_available(*node_id) {
                selected_nodes.push(*node_id);
            }
        }

        if selected_nodes.len() < required_nodes {
            return Err(RusTorchError::ClusterError(format!(
                "Not enough available nodes: need {}, found {}",
                required_nodes,
                selected_nodes.len()
            )));
        }

        Ok(selected_nodes)
    }

    /// Best-fit scheduling
    /// ベストフィットスケジューリング
    fn schedule_best_fit(&self, required_nodes: usize) -> RusTorchResult<Vec<usize>> {
        // Implementation would find nodes with best resource fit
        // 実装では最適なリソースフィットのノードを見つける
        self.schedule_first_fit(required_nodes)
    }

    /// Load balancing scheduling
    /// 負荷分散スケジューリング
    fn schedule_load_balancing(&self, required_nodes: usize) -> RusTorchResult<Vec<usize>> {
        // Implementation would balance load across nodes
        // 実装ではノード間で負荷を分散
        self.schedule_first_fit(required_nodes)
    }

    /// Locality-aware scheduling
    /// 局所性を考慮したスケジューリング
    fn schedule_locality_aware(&self, required_nodes: usize) -> RusTorchResult<Vec<usize>> {
        // Implementation would consider network locality
        // 実装ではネットワーク局所性を考慮
        self.schedule_first_fit(required_nodes)
    }

    /// Check if node is available
    /// ノードが利用可能かチェック
    fn is_node_available(&self, node_id: usize) -> bool {
        if let Some(usage) = self.resource_usage.get(&node_id) {
            usage.active_jobs == 0
        } else {
            true
        }
    }

    /// Start resource monitoring
    /// リソースモニタリングを開始
    pub fn start_monitoring(&mut self) -> RusTorchResult<()> {
        // Implementation would start resource monitoring
        // 実装ではリソースモニタリングを開始
        Ok(())
    }

    /// Stop resource monitoring
    /// リソースモニタリングを停止
    pub fn stop_monitoring(&mut self) -> RusTorchResult<()> {
        // Implementation would stop resource monitoring
        // 実装ではリソースモニタリングを停止
        Ok(())
    }
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn test_cluster_config_creation() {
        let node = NodeInfo {
            node_id: 0,
            address: "192.168.1.100".to_string(),
            port: 12345,
            gpu_count: 4,
            capabilities: NodeCapabilities {
                memory_gb: 64.0,
                cpu_cores: 16,
                gpu_memory_gb: 32.0,
                network_bandwidth_gbps: 10.0,
            },
            status: NodeStatus::Available,
        };

        let config = ClusterConfig {
            master_addr: "192.168.1.1".to_string(),
            master_port: 12345,
            worker_nodes: vec![node],
            topology: ClusterTopology::Flat,
            fault_tolerance: FaultToleranceConfig {
                enable_failover: true,
                heartbeat_interval: 30,
                node_timeout: 120,
                max_retries: 3,
                checkpoint_frequency: 100,
            },
        };

        assert_eq!(config.worker_nodes.len(), 1);
        assert_eq!(config.worker_nodes[0].gpu_count, 4);
    }

    #[test]
    fn test_resource_scheduler() {
        let mut scheduler = ResourceScheduler::new(SchedulingStrategy::FirstFit);

        // Add some mock resources
        // モックリソースを追加
        scheduler.node_resources.insert(
            0,
            NodeCapabilities {
                memory_gb: 64.0,
                cpu_cores: 16,
                gpu_memory_gb: 32.0,
                network_bandwidth_gbps: 10.0,
            },
        );

        scheduler.resource_usage.insert(
            0,
            ResourceUsage {
                memory_used_gb: 0.0,
                cpu_cores_used: 0,
                gpu_memory_used_gb: 0.0,
                active_jobs: 0,
            },
        );

        let result = scheduler.schedule_job(1);
        assert!(result.is_ok());
        assert_eq!(result.unwrap().len(), 1);
    }
}