OSDN Git Service

[docs] Scudo documentation minor update
[android-x86/external-llvm.git] / docs / XRayExample.rst
1 ===================
2 Debugging with XRay
3 ===================
4
5 This document shows an example of how you would go about analyzing applications
6 built with XRay instrumentation. Here we will attempt to debug ``llc``
7 compiling some sample LLVM IR generated by Clang.
8
9 .. contents::
10   :local:
11
12 Building with XRay
13 ------------------
14
15 To debug an application with XRay instrumentation, we need to build it with a
16 Clang that supports the ``-fxray-instrument`` option. See `XRay <XRay.html>`_
17 for more technical details of how XRay works for background information.
18
19 In our example, we need to add ``-fxray-instrument`` to the list of flags
20 passed to Clang when building a binary. Note that we need to link with Clang as
21 well to get the XRay runtime linked in appropriately. For building ``llc`` with
22 XRay, we do something similar below for our LLVM build:
23
24 ::
25
26   $ mkdir -p llvm-build && cd llvm-build
27   # Assume that the LLVM sources are at ../llvm
28   $ cmake -GNinja ../llvm -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release \
29       -DCMAKE_C_FLAGS_RELEASE="-fxray-instrument" -DCMAKE_CXX_FLAGS="-fxray-instrument" \
30   # Once this finishes, we should build llc
31   $ ninja llc
32
33
34 To verify that we have an XRay instrumented binary, we can use ``objdump`` to
35 look for the ``xray_instr_map`` section.
36
37 ::
38
39   $ objdump -h -j xray_instr_map ./bin/llc
40   ./bin/llc:     file format elf64-x86-64
41   
42   Sections:
43   Idx Name          Size      VMA               LMA               File off  Algn
44    14 xray_instr_map 00002fc0  00000000041516c6  00000000041516c6  03d516c6  2**0
45                     CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
46
47 Getting Traces
48 --------------
49
50 By default, XRay does not write out the trace files or patch the application
51 before main starts. If we just run ``llc`` it should just work like a normally
52 built binary. However, if we want to get a full trace of the application's
53 operations (of the functions we do end up instrumenting with XRay) then we need
54 to enable XRay at application start. To do this, XRay checks the
55 ``XRAY_OPTIONS`` environment variable.
56
57 ::
58
59   # The following doesn't create an XRay trace by default.
60   $ ./bin/llc input.ll
61
62   # We need to set the XRAY_OPTIONS to enable some features.
63   $ XRAY_OPTIONS="patch_premain=true xray_mode=xray-basic verbosity=1" ./bin/llc input.ll
64   ==69819==XRay: Log file in 'xray-log.llc.m35qPB'
65
66 At this point we now have an XRay trace we can start analysing.
67
68 The ``llvm-xray`` Tool
69 ----------------------
70
71 Having a trace then allows us to do basic accounting of the functions that were
72 instrumented, and how much time we're spending in parts of the code. To make
73 sense of this data, we use the ``llvm-xray`` tool which has a few subcommands
74 to help us understand our trace.
75
76 One of the simplest things we can do is to get an accounting of the functions
77 that have been instrumented. We can see an example accounting with ``llvm-xray
78 account``:
79
80 ::
81
82   $ llvm-xray account xray-log.llc.m35qPB -top=10 -sort=sum -sortorder=dsc -instr_map ./bin/llc
83   Functions with latencies: 29
84      funcid      count [      min,       med,       90p,       99p,       max]       sum  function
85         187        360 [ 0.000000,  0.000001,  0.000014,  0.000032,  0.000075]  0.001596  LLLexer.cpp:446:0: llvm::LLLexer::LexIdentifier()
86          85        130 [ 0.000000,  0.000000,  0.000018,  0.000023,  0.000156]  0.000799  X86ISelDAGToDAG.cpp:1984:0: (anonymous namespace)::X86DAGToDAGISel::Select(llvm::SDNode*)
87         138        130 [ 0.000000,  0.000000,  0.000017,  0.000155,  0.000155]  0.000774  SelectionDAGISel.cpp:2963:0: llvm::SelectionDAGISel::SelectCodeCommon(llvm::SDNode*, unsigned char const*, unsigned int)
88         188        103 [ 0.000000,  0.000000,  0.000003,  0.000123,  0.000214]  0.000737  LLParser.cpp:2692:0: llvm::LLParser::ParseValID(llvm::ValID&, llvm::LLParser::PerFunctionState*)
89          88          1 [ 0.000562,  0.000562,  0.000562,  0.000562,  0.000562]  0.000562  X86ISelLowering.cpp:83:0: llvm::X86TargetLowering::X86TargetLowering(llvm::X86TargetMachine const&, llvm::X86Subtarget const&)
90         125        102 [ 0.000001,  0.000003,  0.000010,  0.000017,  0.000049]  0.000471  Verifier.cpp:3714:0: (anonymous namespace)::Verifier::visitInstruction(llvm::Instruction&)
91          90          8 [ 0.000023,  0.000035,  0.000106,  0.000106,  0.000106]  0.000342  X86ISelLowering.cpp:3363:0: llvm::X86TargetLowering::LowerCall(llvm::TargetLowering::CallLoweringInfo&, llvm::SmallVectorImpl<llvm::SDValue>&) const
92         124         32 [ 0.000003,  0.000007,  0.000016,  0.000041,  0.000041]  0.000310  Verifier.cpp:1967:0: (anonymous namespace)::Verifier::visitFunction(llvm::Function const&)
93         123          1 [ 0.000302,  0.000302,  0.000302,  0.000302,  0.000302]  0.000302  LLVMContextImpl.cpp:54:0: llvm::LLVMContextImpl::~LLVMContextImpl()
94         139         46 [ 0.000000,  0.000002,  0.000006,  0.000008,  0.000019]  0.000138  TargetLowering.cpp:506:0: llvm::TargetLowering::SimplifyDemandedBits(llvm::SDValue, llvm::APInt const&, llvm::APInt&, llvm::APInt&, llvm::TargetLowering::TargetLoweringOpt&, unsigned int, bool) const
95
96 This shows us that for our input file, ``llc`` spent the most cumulative time
97 in the lexer (a total of 1 millisecond). If we wanted for example to work with
98 this data in a spreadsheet, we can output the results as CSV using the
99 ``-format=csv`` option to the command for further analysis.
100
101 If we want to get a textual representation of the raw trace we can use the
102 ``llvm-xray convert`` tool to get YAML output. The first few lines of that
103 output for an example trace would look like the following:
104
105 ::
106
107   $ llvm-xray convert -f yaml -symbolize -instr_map=./bin/llc xray-log.llc.m35qPB
108   ---
109   header:          
110     version:         1
111     type:            0
112     constant-tsc:    true
113     nonstop-tsc:     true
114     cycle-frequency: 2601000000
115   records:         
116     - { type: 0, func-id: 110, function: __cxx_global_var_init.8, cpu: 37, thread: 69819, kind: function-enter, tsc: 5434426023268520 }
117     - { type: 0, func-id: 110, function: __cxx_global_var_init.8, cpu: 37, thread: 69819, kind: function-exit, tsc: 5434426023523052 }
118     - { type: 0, func-id: 164, function: __cxx_global_var_init, cpu: 37, thread: 69819, kind: function-enter, tsc: 5434426029925386 }
119     - { type: 0, func-id: 164, function: __cxx_global_var_init, cpu: 37, thread: 69819, kind: function-exit, tsc: 5434426030031128 }
120     - { type: 0, func-id: 142, function: '(anonymous namespace)::CommandLineParser::ParseCommandLineOptions(int, char const* const*, llvm::StringRef, llvm::raw_ostream*)', cpu: 37, thread: 69819, kind: function-enter, tsc: 5434426046951388 }
121     - { type: 0, func-id: 142, function: '(anonymous namespace)::CommandLineParser::ParseCommandLineOptions(int, char const* const*, llvm::StringRef, llvm::raw_ostream*)', cpu: 37, thread: 69819, kind: function-exit, tsc: 5434426047282020 }
122     - { type: 0, func-id: 187, function: 'llvm::LLLexer::LexIdentifier()', cpu: 37, thread: 69819, kind: function-enter, tsc: 5434426047857332 }
123     - { type: 0, func-id: 187, function: 'llvm::LLLexer::LexIdentifier()', cpu: 37, thread: 69819, kind: function-exit, tsc: 5434426047984152 }
124     - { type: 0, func-id: 187, function: 'llvm::LLLexer::LexIdentifier()', cpu: 37, thread: 69819, kind: function-enter, tsc: 5434426048036584 }
125     - { type: 0, func-id: 187, function: 'llvm::LLLexer::LexIdentifier()', cpu: 37, thread: 69819, kind: function-exit, tsc: 5434426048042292 }
126     - { type: 0, func-id: 187, function: 'llvm::LLLexer::LexIdentifier()', cpu: 37, thread: 69819, kind: function-enter, tsc: 5434426048055056 }
127     - { type: 0, func-id: 187, function: 'llvm::LLLexer::LexIdentifier()', cpu: 37, thread: 69819, kind: function-exit, tsc: 5434426048067316 }
128
129 Controlling Fidelity
130 --------------------
131
132 So far in our examples, we haven't been getting full coverage of the functions
133 we have in the binary. To get that, we need to modify the compiler flags so
134 that we can instrument more (if not all) the functions we have in the binary.
135 We have two options for doing that, and we explore both of these below.
136
137 Instruction Threshold
138 `````````````````````
139
140 The first "blunt" way of doing this is by setting the minimum threshold for
141 function bodies to 1. We can do that with the
142 ``-fxray-instruction-threshold=N`` flag when building our binary. We rebuild
143 ``llc`` with this option and observe the results:
144
145 ::
146
147   $ rm CMakeCache.txt
148   $ cmake -GNinja ../llvm -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release \
149       -DCMAKE_C_FLAGS_RELEASE="-fxray-instrument -fxray-instruction-threshold=1" \
150       -DCMAKE_CXX_FLAGS="-fxray-instrument -fxray-instruction-threshold=1"
151   $ ninja llc
152   $ XRAY_OPTIONS="patch_premain=true" ./bin/llc input.ll
153   ==69819==XRay: Log file in 'xray-log.llc.5rqxkU'
154
155   $ llvm-xray account xray-log.llc.5rqxkU -top=10 -sort=sum -sortorder=dsc -instr_map ./bin/llc
156   Functions with latencies: 36652
157    funcid      count [      min,       med,       90p,       99p,       max]       sum  function    
158        75          1 [ 0.672368,  0.672368,  0.672368,  0.672368,  0.672368]  0.672368  llc.cpp:271:0: main
159        78          1 [ 0.626455,  0.626455,  0.626455,  0.626455,  0.626455]  0.626455  llc.cpp:381:0: compileModule(char**, llvm::LLVMContext&)
160    139617          1 [ 0.472618,  0.472618,  0.472618,  0.472618,  0.472618]  0.472618  LegacyPassManager.cpp:1723:0: llvm::legacy::PassManager::run(llvm::Module&)
161    139610          1 [ 0.472618,  0.472618,  0.472618,  0.472618,  0.472618]  0.472618  LegacyPassManager.cpp:1681:0: llvm::legacy::PassManagerImpl::run(llvm::Module&)
162    139612          1 [ 0.470948,  0.470948,  0.470948,  0.470948,  0.470948]  0.470948  LegacyPassManager.cpp:1564:0: (anonymous namespace)::MPPassManager::runOnModule(llvm::Module&)
163    139607          2 [ 0.147345,  0.315994,  0.315994,  0.315994,  0.315994]  0.463340  LegacyPassManager.cpp:1530:0: llvm::FPPassManager::runOnModule(llvm::Module&)
164    139605         21 [ 0.000002,  0.000002,  0.102593,  0.213336,  0.213336]  0.463331  LegacyPassManager.cpp:1491:0: llvm::FPPassManager::runOnFunction(llvm::Function&)
165    139563      26096 [ 0.000002,  0.000002,  0.000037,  0.000063,  0.000215]  0.225708  LegacyPassManager.cpp:1083:0: llvm::PMDataManager::findAnalysisPass(void const*, bool)
166    108055        188 [ 0.000002,  0.000120,  0.001375,  0.004523,  0.062624]  0.159279  MachineFunctionPass.cpp:38:0: llvm::MachineFunctionPass::runOnFunction(llvm::Function&)
167     62635         22 [ 0.000041,  0.000046,  0.000050,  0.126744,  0.126744]  0.127715  X86TargetMachine.cpp:242:0: llvm::X86TargetMachine::getSubtargetImpl(llvm::Function const&) const
168
169
170 Instrumentation Attributes
171 ``````````````````````````
172
173 The other way is to use configuration files for selecting which functions
174 should always be instrumented by the compiler. This gives us a way of ensuring
175 that certain functions are either always or never instrumented by not having to
176 add the attribute to the source.
177
178 To use this feature, you can define one file for the functions to always
179 instrument, and another for functions to never instrument. The format of these
180 files are exactly the same as the SanitizerLists files that control similar
181 things for the sanitizer implementations. For example:
182
183 ::
184
185   # xray-attr-list.txt
186   # always instrument functions that match the following filters:
187   [always]
188   fun:main
189
190   # never instrument functions that match the following filters:
191   [never]
192   fun:__cxx_*
193
194 Given the file above we can re-build by providing it to the
195 ``-fxray-attr-list=`` flag to clang. You can have multiple files, each defining
196 different sets of attribute sets, to be combined into a single list by clang.
197
198 The XRay stack tool
199 -------------------
200
201 Given a trace, and optionally an instrumentation map, the ``llvm-xray stack``
202 command can be used to analyze a call stack graph constructed from the function
203 call timeline.
204
205 The simplest way to use the command is simply to output the top stacks by call
206 count and time spent.
207
208 ::
209
210   $ llvm-xray stack xray-log.llc.5rqxkU -instr_map ./bin/llc
211
212   Unique Stacks: 3069
213   Top 10 Stacks by leaf sum:
214
215   Sum: 9633790
216   lvl   function                                                            count              sum
217   #0    main                                                                    1         58421550
218   #1    compileModule(char**, llvm::LLVMContext&)                               1         51440360
219   #2    llvm::legacy::PassManagerImpl::run(llvm::Module&)                       1         40535375
220   #3    llvm::FPPassManager::runOnModule(llvm::Module&)                         2         39337525
221   #4    llvm::FPPassManager::runOnFunction(llvm::Function&)                     6         39331465
222   #5    llvm::PMDataManager::verifyPreservedAnalysis(llvm::Pass*)             399         16628590
223   #6    llvm::PMTopLevelManager::findAnalysisPass(void const*)               4584         15155600
224   #7    llvm::PMDataManager::findAnalysisPass(void const*, bool)            32088          9633790
225
226   ..etc..
227
228 In the default mode, identical stacks on different threads are independently
229 aggregated. In a multithreaded program, you may end up having identical call
230 stacks fill your list of top calls.
231
232 To address this, you may specify the ``-aggregate-threads`` or
233 ``-per-thread-stacks`` flags. ``-per-thread-stacks`` treats the thread id as an
234 implicit root in each call stack tree, while ``-aggregate-threads`` combines
235 identical stacks from all threads.
236
237 Flame Graph Generation
238 ----------------------
239
240 The ``llvm-xray stack`` tool may also be used to generate flamegraphs for
241 visualizing your instrumented invocations. The tool does not generate the graphs
242 themselves, but instead generates a format that can be used with Brendan Gregg's
243 FlameGraph tool, currently available on `github
244 <https://github.com/brendangregg/FlameGraph>`_.
245
246 To generate output for a flamegraph, a few more options are necessary.
247
248 - ``-all-stacks`` - Emits all of the stacks instead of just the top stacks.
249 - ``-stack-format`` - Choose the flamegraph output format 'flame'.
250 - ``-aggregation-type`` - Choose the metric to graph.
251
252 You may pipe the command output directly to the flamegraph tool to obtain an
253 svg file.
254
255 ::
256
257   $llvm-xray stack xray-log.llc.5rqxkU -instr_map ./bin/llc -stack-format=flame -aggregation-type=time -all-stacks | \
258   /path/to/FlameGraph/flamegraph.pl > flamegraph.svg
259
260 If you open the svg in a browser, mouse events allow exploring the call stacks.
261
262 Further Exploration
263 -------------------
264
265 The ``llvm-xray`` tool has a few other subcommands that are in various stages
266 of being developed. One interesting subcommand that can highlight a few
267 interesting things is the ``graph`` subcommand. Given for example the following
268 toy program that we build with XRay instrumentation, we can see how the
269 generated graph may be a helpful indicator of where time is being spent for the
270 application.
271
272 .. code-block:: c++
273
274   // sample.cc
275   #include <iostream>
276   #include <thread>
277
278   [[clang::xray_always_instrument]] void f() {
279     std::cerr << '.';
280   }
281
282   [[clang::xray_always_instrument]] void g() {
283     for (int i = 0; i < 1 << 10; ++i) {
284       std::cerr << '-';
285     }
286   }
287
288   int main(int argc, char* argv[]) {
289     std::thread t1([] {
290       for (int i = 0; i < 1 << 10; ++i)
291         f();
292     });
293     std::thread t2([] {
294       g();
295     });
296     t1.join();
297     t2.join();
298     std::cerr << '\n';
299   }
300
301 We then build the above with XRay instrumentation:
302
303 ::
304
305   $ clang++ -o sample -O3 sample.cc -std=c++11 -fxray-instrument -fxray-instruction-threshold=1
306   $ XRAY_OPTIONS="patch_premain=true" ./sample
307
308 We can then explore the graph rendering of the trace generated by this sample
309 application. We assume you have the graphviz toosl available in your system,
310 including both ``unflatten`` and ``dot``. If you prefer rendering or exploring
311 the graph using another tool, then that should be feasible as well. ``llvm-xray
312 graph`` will create DOT format graphs which should be usable in most graph
313 rendering applications. One example invocation of the ``llvm-xray graph``
314 command should yield some interesting insights to the workings of C++
315 applications:
316
317 ::
318
319   $ llvm-xray graph xray-log.sample.* -m sample -color-edges=sum -edge-label=sum \
320       | unflatten -f -l10 | dot -Tsvg -o sample.svg
321
322 Next Steps
323 ----------
324
325 If you have some interesting analyses you'd like to implement as part of the
326 llvm-xray tool, please feel free to propose them on the llvm-dev@ mailing list.
327 The following are some ideas to inspire you in getting involved and potentially
328 making things better.
329
330   - Implement a query/filtering library that allows for finding patterns in the
331     XRay traces.
332   - A conversion from the XRay trace onto something that can be visualised
333     better by other tools (like the Chrome trace viewer for example).
334   - Collecting function call stacks and how often they're encountered in the
335     XRay trace.
336
337