OSDN Git Service

Update version for v8.2.0-rc2 release
[qmiga/qemu.git] / docs / devel / tcg-plugins.rst
1 ..
2    Copyright (C) 2017, Emilio G. Cota <cota@braap.org>
3    Copyright (c) 2019, Linaro Limited
4    Written by Emilio Cota and Alex Bennée
5
6 .. _TCG Plugins:
7
8 QEMU TCG Plugins
9 ================
10
11 QEMU TCG plugins provide a way for users to run experiments taking
12 advantage of the total system control emulation can have over a guest.
13 It provides a mechanism for plugins to subscribe to events during
14 translation and execution and optionally callback into the plugin
15 during these events. TCG plugins are unable to change the system state
16 only monitor it passively. However they can do this down to an
17 individual instruction granularity including potentially subscribing
18 to all load and store operations.
19
20 Usage
21 -----
22
23 Any QEMU binary with TCG support has plugins enabled by default.
24 Earlier releases needed to be explicitly enabled with::
25
26   configure --enable-plugins
27
28 Once built a program can be run with multiple plugins loaded each with
29 their own arguments::
30
31   $QEMU $OTHER_QEMU_ARGS \
32       -plugin contrib/plugin/libhowvec.so,inline=on,count=hint \
33       -plugin contrib/plugin/libhotblocks.so
34
35 Arguments are plugin specific and can be used to modify their
36 behaviour. In this case the howvec plugin is being asked to use inline
37 ops to count and break down the hint instructions by type.
38
39 Linux user-mode emulation also evaluates the environment variable
40 ``QEMU_PLUGIN``::
41
42   QEMU_PLUGIN="file=contrib/plugins/libhowvec.so,inline=on,count=hint" $QEMU
43
44 Writing plugins
45 ---------------
46
47 API versioning
48 ~~~~~~~~~~~~~~
49
50 This is a new feature for QEMU and it does allow people to develop
51 out-of-tree plugins that can be dynamically linked into a running QEMU
52 process. However the project reserves the right to change or break the
53 API should it need to do so. The best way to avoid this is to submit
54 your plugin upstream so they can be updated if/when the API changes.
55
56 All plugins need to declare a symbol which exports the plugin API
57 version they were built against. This can be done simply by::
58
59   QEMU_PLUGIN_EXPORT int qemu_plugin_version = QEMU_PLUGIN_VERSION;
60
61 The core code will refuse to load a plugin that doesn't export a
62 ``qemu_plugin_version`` symbol or if plugin version is outside of QEMU's
63 supported range of API versions.
64
65 Additionally the ``qemu_info_t`` structure which is passed to the
66 ``qemu_plugin_install`` method of a plugin will detail the minimum and
67 current API versions supported by QEMU. The API version will be
68 incremented if new APIs are added. The minimum API version will be
69 incremented if existing APIs are changed or removed.
70
71 Lifetime of the query handle
72 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
73
74 Each callback provides an opaque anonymous information handle which
75 can usually be further queried to find out information about a
76 translation, instruction or operation. The handles themselves are only
77 valid during the lifetime of the callback so it is important that any
78 information that is needed is extracted during the callback and saved
79 by the plugin.
80
81 Plugin life cycle
82 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
83
84 First the plugin is loaded and the public qemu_plugin_install function
85 is called. The plugin will then register callbacks for various plugin
86 events. Generally plugins will register a handler for the *atexit*
87 if they want to dump a summary of collected information once the
88 program/system has finished running.
89
90 When a registered event occurs the plugin callback is invoked. The
91 callbacks may provide additional information. In the case of a
92 translation event the plugin has an option to enumerate the
93 instructions in a block of instructions and optionally register
94 callbacks to some or all instructions when they are executed.
95
96 There is also a facility to add an inline event where code to
97 increment a counter can be directly inlined with the translation.
98 Currently only a simple increment is supported. This is not atomic so
99 can miss counts. If you want absolute precision you should use a
100 callback which can then ensure atomicity itself.
101
102 Finally when QEMU exits all the registered *atexit* callbacks are
103 invoked.
104
105 Exposure of QEMU internals
106 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
107
108 The plugin architecture actively avoids leaking implementation details
109 about how QEMU's translation works to the plugins. While there are
110 conceptions such as translation time and translation blocks the
111 details are opaque to plugins. The plugin is able to query select
112 details of instructions and system configuration only through the
113 exported *qemu_plugin* functions.
114
115 Internals
116 ---------
117
118 Locking
119 ~~~~~~~
120
121 We have to ensure we cannot deadlock, particularly under MTTCG. For
122 this we acquire a lock when called from plugin code. We also keep the
123 list of callbacks under RCU so that we do not have to hold the lock
124 when calling the callbacks. This is also for performance, since some
125 callbacks (e.g. memory access callbacks) might be called very
126 frequently.
127
128   * A consequence of this is that we keep our own list of CPUs, so that
129     we do not have to worry about locking order wrt cpu_list_lock.
130   * Use a recursive lock, since we can get registration calls from
131     callbacks.
132
133 As a result registering/unregistering callbacks is "slow", since it
134 takes a lock. But this is very infrequent; we want performance when
135 calling (or not calling) callbacks, not when registering them. Using
136 RCU is great for this.
137
138 We support the uninstallation of a plugin at any time (e.g. from
139 plugin callbacks). This allows plugins to remove themselves if they no
140 longer want to instrument the code. This operation is asynchronous
141 which means callbacks may still occur after the uninstall operation is
142 requested. The plugin isn't completely uninstalled until the safe work
143 has executed while all vCPUs are quiescent.
144
145 Example Plugins
146 ---------------
147
148 There are a number of plugins included with QEMU and you are
149 encouraged to contribute your own plugins plugins upstream. There is a
150 ``contrib/plugins`` directory where they can go. There are also some
151 basic plugins that are used to test and exercise the API during the
152 ``make check-tcg`` target in ``tests\plugins``.
153
154 - tests/plugins/empty.c
155
156 Purely a test plugin for measuring the overhead of the plugins system
157 itself. Does no instrumentation.
158
159 - tests/plugins/bb.c
160
161 A very basic plugin which will measure execution in course terms as
162 each basic block is executed. By default the results are shown once
163 execution finishes::
164
165   $ qemu-aarch64 -plugin tests/plugin/libbb.so \
166       -d plugin ./tests/tcg/aarch64-linux-user/sha1
167   SHA1=15dd99a1991e0b3826fede3deffc1feba42278e6
168   bb's: 2277338, insns: 158483046
169
170 Behaviour can be tweaked with the following arguments:
171
172  * inline=true|false
173
174  Use faster inline addition of a single counter. Not per-cpu and not
175  thread safe.
176
177  * idle=true|false
178
179  Dump the current execution stats whenever the guest vCPU idles
180
181 - tests/plugins/insn.c
182
183 This is a basic instruction level instrumentation which can count the
184 number of instructions executed on each core/thread::
185
186   $ qemu-aarch64 -plugin tests/plugin/libinsn.so \
187       -d plugin ./tests/tcg/aarch64-linux-user/threadcount
188   Created 10 threads
189   Done
190   cpu 0 insns: 46765
191   cpu 1 insns: 3694
192   cpu 2 insns: 3694
193   cpu 3 insns: 2994
194   cpu 4 insns: 1497
195   cpu 5 insns: 1497
196   cpu 6 insns: 1497
197   cpu 7 insns: 1497
198   total insns: 63135
199
200 Behaviour can be tweaked with the following arguments:
201
202  * inline=true|false
203
204  Use faster inline addition of a single counter. Not per-cpu and not
205  thread safe.
206
207  * sizes=true|false
208
209  Give a summary of the instruction sizes for the execution
210
211  * match=<string>
212
213  Only instrument instructions matching the string prefix. Will show
214  some basic stats including how many instructions have executed since
215  the last execution. For example::
216
217    $ qemu-aarch64 -plugin tests/plugin/libinsn.so,match=bl \
218        -d plugin ./tests/tcg/aarch64-linux-user/sha512-vector
219    ...
220    0x40069c, 'bl #0x4002b0', 10 hits, 1093 match hits, Δ+1257 since last match, 98 avg insns/match
221    0x4006ac, 'bl #0x403690', 10 hits, 1094 match hits, Δ+47 since last match, 98 avg insns/match 
222    0x4037fc, 'bl #0x4002b0', 18 hits, 1095 match hits, Δ+22 since last match, 98 avg insns/match 
223    0x400720, 'bl #0x403690', 10 hits, 1096 match hits, Δ+58 since last match, 98 avg insns/match 
224    0x4037fc, 'bl #0x4002b0', 19 hits, 1097 match hits, Δ+22 since last match, 98 avg insns/match 
225    0x400730, 'bl #0x403690', 10 hits, 1098 match hits, Δ+33 since last match, 98 avg insns/match 
226    0x4037ac, 'bl #0x4002b0', 12 hits, 1099 match hits, Δ+20 since last match, 98 avg insns/match 
227    ...
228
229 For more detailed execution tracing see the ``execlog`` plugin for
230 other options.
231
232 - tests/plugins/mem.c
233
234 Basic instruction level memory instrumentation::
235
236   $ qemu-aarch64 -plugin tests/plugin/libmem.so,inline=true \
237       -d plugin ./tests/tcg/aarch64-linux-user/sha1
238   SHA1=15dd99a1991e0b3826fede3deffc1feba42278e6
239   inline mem accesses: 79525013
240
241 Behaviour can be tweaked with the following arguments:
242
243  * inline=true|false
244
245  Use faster inline addition of a single counter. Not per-cpu and not
246  thread safe.
247
248  * callback=true|false
249
250  Use callbacks on each memory instrumentation.
251
252  * hwaddr=true|false
253
254  Count IO accesses (only for system emulation)
255
256 - tests/plugins/syscall.c
257
258 A basic syscall tracing plugin. This only works for user-mode. By
259 default it will give a summary of syscall stats at the end of the
260 run::
261
262   $ qemu-aarch64 -plugin tests/plugin/libsyscall \
263       -d plugin ./tests/tcg/aarch64-linux-user/threadcount
264   Created 10 threads
265   Done
266   syscall no.  calls  errors
267   226          12     0
268   99           11     11
269   115          11     0
270   222          11     0
271   93           10     0
272   220          10     0
273   233          10     0
274   215          8      0
275   214          4      0
276   134          2      0
277   64           2      0
278   96           1      0
279   94           1      0
280   80           1      0
281   261          1      0
282   78           1      0
283   160          1      0
284   135          1      0
285
286 - contrib/plugins/hotblocks.c
287
288 The hotblocks plugin allows you to examine the where hot paths of
289 execution are in your program. Once the program has finished you will
290 get a sorted list of blocks reporting the starting PC, translation
291 count, number of instructions and execution count. This will work best
292 with linux-user execution as system emulation tends to generate
293 re-translations as blocks from different programs get swapped in and
294 out of system memory.
295
296 If your program is single-threaded you can use the ``inline`` option for
297 slightly faster (but not thread safe) counters.
298
299 Example::
300
301   $ qemu-aarch64 \
302     -plugin contrib/plugins/libhotblocks.so -d plugin \
303     ./tests/tcg/aarch64-linux-user/sha1
304   SHA1=15dd99a1991e0b3826fede3deffc1feba42278e6
305   collected 903 entries in the hash table
306   pc, tcount, icount, ecount
307   0x0000000041ed10, 1, 5, 66087
308   0x000000004002b0, 1, 4, 66087
309   ...
310
311 - contrib/plugins/hotpages.c
312
313 Similar to hotblocks but this time tracks memory accesses::
314
315   $ qemu-aarch64 \
316     -plugin contrib/plugins/libhotpages.so -d plugin \
317     ./tests/tcg/aarch64-linux-user/sha1
318   SHA1=15dd99a1991e0b3826fede3deffc1feba42278e6
319   Addr, RCPUs, Reads, WCPUs, Writes
320   0x000055007fe000, 0x0001, 31747952, 0x0001, 8835161
321   0x000055007ff000, 0x0001, 29001054, 0x0001, 8780625
322   0x00005500800000, 0x0001, 687465, 0x0001, 335857
323   0x0000000048b000, 0x0001, 130594, 0x0001, 355
324   0x0000000048a000, 0x0001, 1826, 0x0001, 11
325
326 The hotpages plugin can be configured using the following arguments:
327
328   * sortby=reads|writes|address
329
330   Log the data sorted by either the number of reads, the number of writes, or
331   memory address. (Default: entries are sorted by the sum of reads and writes)
332
333   * io=on
334
335   Track IO addresses. Only relevant to full system emulation. (Default: off)
336
337   * pagesize=N
338
339   The page size used. (Default: N = 4096)
340
341 - contrib/plugins/howvec.c
342
343 This is an instruction classifier so can be used to count different
344 types of instructions. It has a number of options to refine which get
345 counted. You can give a value to the ``count`` argument for a class of
346 instructions to break it down fully, so for example to see all the system
347 registers accesses::
348
349   $ qemu-system-aarch64 $(QEMU_ARGS) \
350     -append "root=/dev/sda2 systemd.unit=benchmark.service" \
351     -smp 4 -plugin ./contrib/plugins/libhowvec.so,count=sreg -d plugin
352
353 which will lead to a sorted list after the class breakdown::
354
355   Instruction Classes:
356   Class:   UDEF                   not counted
357   Class:   SVE                    (68 hits)
358   Class:   PCrel addr             (47789483 hits)
359   Class:   Add/Sub (imm)          (192817388 hits)
360   Class:   Logical (imm)          (93852565 hits)
361   Class:   Move Wide (imm)        (76398116 hits)
362   Class:   Bitfield               (44706084 hits)
363   Class:   Extract                (5499257 hits)
364   Class:   Cond Branch (imm)      (147202932 hits)
365   Class:   Exception Gen          (193581 hits)
366   Class:     NOP                  not counted
367   Class:   Hints                  (6652291 hits)
368   Class:   Barriers               (8001661 hits)
369   Class:   PSTATE                 (1801695 hits)
370   Class:   System Insn            (6385349 hits)
371   Class:   System Reg             counted individually
372   Class:   Branch (reg)           (69497127 hits)
373   Class:   Branch (imm)           (84393665 hits)
374   Class:   Cmp & Branch           (110929659 hits)
375   Class:   Tst & Branch           (44681442 hits)
376   Class:   AdvSimd ldstmult       (736 hits)
377   Class:   ldst excl              (9098783 hits)
378   Class:   Load Reg (lit)         (87189424 hits)
379   Class:   ldst noalloc pair      (3264433 hits)
380   Class:   ldst pair              (412526434 hits)
381   Class:   ldst reg (imm)         (314734576 hits)
382   Class: Loads & Stores           (2117774 hits)
383   Class: Data Proc Reg            (223519077 hits)
384   Class: Scalar FP                (31657954 hits)
385   Individual Instructions:
386   Instr: mrs x0, sp_el0           (2682661 hits)  (op=0xd5384100/  System Reg)
387   Instr: mrs x1, tpidr_el2        (1789339 hits)  (op=0xd53cd041/  System Reg)
388   Instr: mrs x2, tpidr_el2        (1513494 hits)  (op=0xd53cd042/  System Reg)
389   Instr: mrs x0, tpidr_el2        (1490823 hits)  (op=0xd53cd040/  System Reg)
390   Instr: mrs x1, sp_el0           (933793 hits)   (op=0xd5384101/  System Reg)
391   Instr: mrs x2, sp_el0           (699516 hits)   (op=0xd5384102/  System Reg)
392   Instr: mrs x4, tpidr_el2        (528437 hits)   (op=0xd53cd044/  System Reg)
393   Instr: mrs x30, ttbr1_el1       (480776 hits)   (op=0xd538203e/  System Reg)
394   Instr: msr ttbr1_el1, x30       (480713 hits)   (op=0xd518203e/  System Reg)
395   Instr: msr vbar_el1, x30        (480671 hits)   (op=0xd518c01e/  System Reg)
396   ...
397
398 To find the argument shorthand for the class you need to examine the
399 source code of the plugin at the moment, specifically the ``*opt``
400 argument in the InsnClassExecCount tables.
401
402 - contrib/plugins/lockstep.c
403
404 This is a debugging tool for developers who want to find out when and
405 where execution diverges after a subtle change to TCG code generation.
406 It is not an exact science and results are likely to be mixed once
407 asynchronous events are introduced. While the use of -icount can
408 introduce determinism to the execution flow it doesn't always follow
409 the translation sequence will be exactly the same. Typically this is
410 caused by a timer firing to service the GUI causing a block to end
411 early. However in some cases it has proved to be useful in pointing
412 people at roughly where execution diverges. The only argument you need
413 for the plugin is a path for the socket the two instances will
414 communicate over::
415
416
417   $ qemu-system-sparc -monitor none -parallel none \
418     -net none -M SS-20 -m 256 -kernel day11/zImage.elf \
419     -plugin ./contrib/plugins/liblockstep.so,sockpath=lockstep-sparc.sock \
420     -d plugin,nochain
421
422 which will eventually report::
423
424   qemu-system-sparc: warning: nic lance.0 has no peer
425   @ 0x000000ffd06678 vs 0x000000ffd001e0 (2/1 since last)
426   @ 0x000000ffd07d9c vs 0x000000ffd06678 (3/1 since last)
427   Δ insn_count @ 0x000000ffd07d9c (809900609) vs 0x000000ffd06678 (809900612)
428     previously @ 0x000000ffd06678/10 (809900609 insns)
429     previously @ 0x000000ffd001e0/4 (809900599 insns)
430     previously @ 0x000000ffd080ac/2 (809900595 insns)
431     previously @ 0x000000ffd08098/5 (809900593 insns)
432     previously @ 0x000000ffd080c0/1 (809900588 insns)
433
434 - contrib/plugins/hwprofile.c
435
436 The hwprofile tool can only be used with system emulation and allows
437 the user to see what hardware is accessed how often. It has a number of options:
438
439  * track=read or track=write
440
441  By default the plugin tracks both reads and writes. You can use one
442  of these options to limit the tracking to just one class of accesses.
443
444  * source
445
446  Will include a detailed break down of what the guest PC that made the
447  access was. Not compatible with the pattern option. Example output::
448
449    cirrus-low-memory @ 0xfffffd00000a0000
450     pc:fffffc0000005cdc, 1, 256
451     pc:fffffc0000005ce8, 1, 256
452     pc:fffffc0000005cec, 1, 256
453
454  * pattern
455
456  Instead break down the accesses based on the offset into the HW
457  region. This can be useful for seeing the most used registers of a
458  device. Example output::
459
460     pci0-conf @ 0xfffffd01fe000000
461       off:00000004, 1, 1
462       off:00000010, 1, 3
463       off:00000014, 1, 3
464       off:00000018, 1, 2
465       off:0000001c, 1, 2
466       off:00000020, 1, 2
467       ...
468
469 - contrib/plugins/execlog.c
470
471 The execlog tool traces executed instructions with memory access. It can be used
472 for debugging and security analysis purposes.
473 Please be aware that this will generate a lot of output.
474
475 The plugin needs default argument::
476
477   $ qemu-system-arm $(QEMU_ARGS) \
478     -plugin ./contrib/plugins/libexeclog.so -d plugin
479
480 which will output an execution trace following this structure::
481
482   # vCPU, vAddr, opcode, disassembly[, load/store, memory addr, device]...
483   0, 0xa12, 0xf8012400, "movs r4, #0"
484   0, 0xa14, 0xf87f42b4, "cmp r4, r6"
485   0, 0xa16, 0xd206, "bhs #0xa26"
486   0, 0xa18, 0xfff94803, "ldr r0, [pc, #0xc]", load, 0x00010a28, RAM
487   0, 0xa1a, 0xf989f000, "bl #0xd30"
488   0, 0xd30, 0xfff9b510, "push {r4, lr}", store, 0x20003ee0, RAM, store, 0x20003ee4, RAM
489   0, 0xd32, 0xf9893014, "adds r0, #0x14"
490   0, 0xd34, 0xf9c8f000, "bl #0x10c8"
491   0, 0x10c8, 0xfff96c43, "ldr r3, [r0, #0x44]", load, 0x200000e4, RAM
492
493 the output can be filtered to only track certain instructions or
494 addresses using the ``ifilter`` or ``afilter`` options. You can stack the
495 arguments if required::
496
497   $ qemu-system-arm $(QEMU_ARGS) \
498     -plugin ./contrib/plugins/libexeclog.so,ifilter=st1w,afilter=0x40001808 -d plugin
499
500 - contrib/plugins/cache.c
501
502 Cache modelling plugin that measures the performance of a given L1 cache
503 configuration, and optionally a unified L2 per-core cache when a given working
504 set is run::
505
506   $ qemu-x86_64 -plugin ./contrib/plugins/libcache.so \
507       -d plugin -D cache.log ./tests/tcg/x86_64-linux-user/float_convs
508
509 will report the following::
510
511     core #, data accesses, data misses, dmiss rate, insn accesses, insn misses, imiss rate
512     0       996695         508             0.0510%  2642799        18617           0.7044%
513
514     address, data misses, instruction
515     0x424f1e (_int_malloc), 109, movq %rax, 8(%rcx)
516     0x41f395 (_IO_default_xsputn), 49, movb %dl, (%rdi, %rax)
517     0x42584d (ptmalloc_init.part.0), 33, movaps %xmm0, (%rax)
518     0x454d48 (__tunables_init), 20, cmpb $0, (%r8)
519     ...
520
521     address, fetch misses, instruction
522     0x4160a0 (__vfprintf_internal), 744, movl $1, %ebx
523     0x41f0a0 (_IO_setb), 744, endbr64
524     0x415882 (__vfprintf_internal), 744, movq %r12, %rdi
525     0x4268a0 (__malloc), 696, andq $0xfffffffffffffff0, %rax
526     ...
527
528 The plugin has a number of arguments, all of them are optional:
529
530   * limit=N
531
532   Print top N icache and dcache thrashing instructions along with their
533   address, number of misses, and its disassembly. (default: 32)
534
535   * icachesize=N
536   * iblksize=B
537   * iassoc=A
538
539   Instruction cache configuration arguments. They specify the cache size, block
540   size, and associativity of the instruction cache, respectively.
541   (default: N = 16384, B = 64, A = 8)
542
543   * dcachesize=N
544   * dblksize=B
545   * dassoc=A
546
547   Data cache configuration arguments. They specify the cache size, block size,
548   and associativity of the data cache, respectively.
549   (default: N = 16384, B = 64, A = 8)
550
551   * evict=POLICY
552
553   Sets the eviction policy to POLICY. Available policies are: :code:`lru`,
554   :code:`fifo`, and :code:`rand`. The plugin will use the specified policy for
555   both instruction and data caches. (default: POLICY = :code:`lru`)
556
557   * cores=N
558
559   Sets the number of cores for which we maintain separate icache and dcache.
560   (default: for linux-user, N = 1, for full system emulation: N = cores
561   available to guest)
562
563   * l2=on
564
565   Simulates a unified L2 cache (stores blocks for both instructions and data)
566   using the default L2 configuration (cache size = 2MB, associativity = 16-way,
567   block size = 64B).
568
569   * l2cachesize=N
570   * l2blksize=B
571   * l2assoc=A
572
573   L2 cache configuration arguments. They specify the cache size, block size, and
574   associativity of the L2 cache, respectively. Setting any of the L2
575   configuration arguments implies ``l2=on``.
576   (default: N = 2097152 (2MB), B = 64, A = 16)
577
578 API
579 ---
580
581 The following API is generated from the inline documentation in
582 ``include/qemu/qemu-plugin.h``. Please ensure any updates to the API
583 include the full kernel-doc annotations.
584
585 .. kernel-doc:: include/qemu/qemu-plugin.h
586