plugins/howvec: adapting to the new argument passing scheme
[qemu.git] / docs / devel / tcg-plugins.rst
blob7b1dece0241726877c554190eb841213827831dc
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
6 ================
7 QEMU TCG Plugins
8 ================
10 QEMU TCG plugins provide a way for users to run experiments taking
11 advantage of the total system control emulation can have over a guest.
12 It provides a mechanism for plugins to subscribe to events during
13 translation and execution and optionally callback into the plugin
14 during these events. TCG plugins are unable to change the system state
15 only monitor it passively. However they can do this down to an
16 individual instruction granularity including potentially subscribing
17 to all load and store operations.
19 API Stability
20 =============
22 This is a new feature for QEMU and it does allow people to develop
23 out-of-tree plugins that can be dynamically linked into a running QEMU
24 process. However the project reserves the right to change or break the
25 API should it need to do so. The best way to avoid this is to submit
26 your plugin upstream so they can be updated if/when the API changes.
28 API versioning
29 --------------
31 All plugins need to declare a symbol which exports the plugin API
32 version they were built against. This can be done simply by::
34   QEMU_PLUGIN_EXPORT int qemu_plugin_version = QEMU_PLUGIN_VERSION;
36 The core code will refuse to load a plugin that doesn't export a
37 ``qemu_plugin_version`` symbol or if plugin version is outside of QEMU's
38 supported range of API versions.
40 Additionally the ``qemu_info_t`` structure which is passed to the
41 ``qemu_plugin_install`` method of a plugin will detail the minimum and
42 current API versions supported by QEMU. The API version will be
43 incremented if new APIs are added. The minimum API version will be
44 incremented if existing APIs are changed or removed.
46 Exposure of QEMU internals
47 --------------------------
49 The plugin architecture actively avoids leaking implementation details
50 about how QEMU's translation works to the plugins. While there are
51 conceptions such as translation time and translation blocks the
52 details are opaque to plugins. The plugin is able to query select
53 details of instructions and system configuration only through the
54 exported *qemu_plugin* functions.
56 Query Handle Lifetime
57 ---------------------
59 Each callback provides an opaque anonymous information handle which
60 can usually be further queried to find out information about a
61 translation, instruction or operation. The handles themselves are only
62 valid during the lifetime of the callback so it is important that any
63 information that is needed is extracted during the callback and saved
64 by the plugin.
66 API
67 ===
69 .. kernel-doc:: include/qemu/qemu-plugin.h
71 Usage
72 =====
74 Any QEMU binary with TCG support has plugins enabled by default.
75 Earlier releases needed to be explicitly enabled with::
77   configure --enable-plugins
79 Once built a program can be run with multiple plugins loaded each with
80 their own arguments::
82   $QEMU $OTHER_QEMU_ARGS \
83       -plugin tests/plugin/libhowvec.so,inline=on,count=hint \
84       -plugin tests/plugin/libhotblocks.so
86 Arguments are plugin specific and can be used to modify their
87 behaviour. In this case the howvec plugin is being asked to use inline
88 ops to count and break down the hint instructions by type.
90 Plugin Life cycle
91 =================
93 First the plugin is loaded and the public qemu_plugin_install function
94 is called. The plugin will then register callbacks for various plugin
95 events. Generally plugins will register a handler for the *atexit*
96 if they want to dump a summary of collected information once the
97 program/system has finished running.
99 When a registered event occurs the plugin callback is invoked. The
100 callbacks may provide additional information. In the case of a
101 translation event the plugin has an option to enumerate the
102 instructions in a block of instructions and optionally register
103 callbacks to some or all instructions when they are executed.
105 There is also a facility to add an inline event where code to
106 increment a counter can be directly inlined with the translation.
107 Currently only a simple increment is supported. This is not atomic so
108 can miss counts. If you want absolute precision you should use a
109 callback which can then ensure atomicity itself.
111 Finally when QEMU exits all the registered *atexit* callbacks are
112 invoked.
114 Internals
115 =========
117 Locking
118 -------
120 We have to ensure we cannot deadlock, particularly under MTTCG. For
121 this we acquire a lock when called from plugin code. We also keep the
122 list of callbacks under RCU so that we do not have to hold the lock
123 when calling the callbacks. This is also for performance, since some
124 callbacks (e.g. memory access callbacks) might be called very
125 frequently.
127   * A consequence of this is that we keep our own list of CPUs, so that
128     we do not have to worry about locking order wrt cpu_list_lock.
129   * Use a recursive lock, since we can get registration calls from
130     callbacks.
132 As a result registering/unregistering callbacks is "slow", since it
133 takes a lock. But this is very infrequent; we want performance when
134 calling (or not calling) callbacks, not when registering them. Using
135 RCU is great for this.
137 We support the uninstallation of a plugin at any time (e.g. from
138 plugin callbacks). This allows plugins to remove themselves if they no
139 longer want to instrument the code. This operation is asynchronous
140 which means callbacks may still occur after the uninstall operation is
141 requested. The plugin isn't completely uninstalled until the safe work
142 has executed while all vCPUs are quiescent.
144 Example Plugins
145 ===============
147 There are a number of plugins included with QEMU and you are
148 encouraged to contribute your own plugins plugins upstream. There is a
149 ``contrib/plugins`` directory where they can go.
151 - tests/plugins
153 These are some basic plugins that are used to test and exercise the
154 API during the ``make check-tcg`` target.
156 - contrib/plugins/hotblocks.c
158 The hotblocks plugin allows you to examine the where hot paths of
159 execution are in your program. Once the program has finished you will
160 get a sorted list of blocks reporting the starting PC, translation
161 count, number of instructions and execution count. This will work best
162 with linux-user execution as system emulation tends to generate
163 re-translations as blocks from different programs get swapped in and
164 out of system memory.
166 If your program is single-threaded you can use the ``inline`` option for
167 slightly faster (but not thread safe) counters.
169 Example::
171   ./aarch64-linux-user/qemu-aarch64 \
172     -plugin contrib/plugins/libhotblocks.so -d plugin \
173     ./tests/tcg/aarch64-linux-user/sha1
174   SHA1=15dd99a1991e0b3826fede3deffc1feba42278e6
175   collected 903 entries in the hash table
176   pc, tcount, icount, ecount
177   0x0000000041ed10, 1, 5, 66087
178   0x000000004002b0, 1, 4, 66087
179   ...
181 - contrib/plugins/hotpages.c
183 Similar to hotblocks but this time tracks memory accesses::
185   ./aarch64-linux-user/qemu-aarch64 \
186     -plugin contrib/plugins/libhotpages.so -d plugin \
187     ./tests/tcg/aarch64-linux-user/sha1
188   SHA1=15dd99a1991e0b3826fede3deffc1feba42278e6
189   Addr, RCPUs, Reads, WCPUs, Writes
190   0x000055007fe000, 0x0001, 31747952, 0x0001, 8835161
191   0x000055007ff000, 0x0001, 29001054, 0x0001, 8780625
192   0x00005500800000, 0x0001, 687465, 0x0001, 335857
193   0x0000000048b000, 0x0001, 130594, 0x0001, 355
194   0x0000000048a000, 0x0001, 1826, 0x0001, 11
196 The hotpages plugin can be configured using the following arguments:
198   * sortby=reads|writes|address
200   Log the data sorted by either the number of reads, the number of writes, or
201   memory address. (Default: entries are sorted by the sum of reads and writes)
203   * io=on
205   Track IO addresses. Only relevant to full system emulation. (Default: off)
207   * pagesize=N
209   The page size used. (Default: N = 4096)
211 - contrib/plugins/howvec.c
213 This is an instruction classifier so can be used to count different
214 types of instructions. It has a number of options to refine which get
215 counted. You can give a value to the `count` argument for a class of
216 instructions to break it down fully, so for example to see all the system
217 registers accesses::
219   ./aarch64-softmmu/qemu-system-aarch64 $(QEMU_ARGS) \
220     -append "root=/dev/sda2 systemd.unit=benchmark.service" \
221     -smp 4 -plugin ./contrib/plugins/libhowvec.so,count=sreg -d plugin
223 which will lead to a sorted list after the class breakdown::
225   Instruction Classes:
226   Class:   UDEF                   not counted
227   Class:   SVE                    (68 hits)
228   Class:   PCrel addr             (47789483 hits)
229   Class:   Add/Sub (imm)          (192817388 hits)
230   Class:   Logical (imm)          (93852565 hits)
231   Class:   Move Wide (imm)        (76398116 hits)
232   Class:   Bitfield               (44706084 hits)
233   Class:   Extract                (5499257 hits)
234   Class:   Cond Branch (imm)      (147202932 hits)
235   Class:   Exception Gen          (193581 hits)
236   Class:     NOP                  not counted
237   Class:   Hints                  (6652291 hits)
238   Class:   Barriers               (8001661 hits)
239   Class:   PSTATE                 (1801695 hits)
240   Class:   System Insn            (6385349 hits)
241   Class:   System Reg             counted individually
242   Class:   Branch (reg)           (69497127 hits)
243   Class:   Branch (imm)           (84393665 hits)
244   Class:   Cmp & Branch           (110929659 hits)
245   Class:   Tst & Branch           (44681442 hits)
246   Class:   AdvSimd ldstmult       (736 hits)
247   Class:   ldst excl              (9098783 hits)
248   Class:   Load Reg (lit)         (87189424 hits)
249   Class:   ldst noalloc pair      (3264433 hits)
250   Class:   ldst pair              (412526434 hits)
251   Class:   ldst reg (imm)         (314734576 hits)
252   Class: Loads & Stores           (2117774 hits)
253   Class: Data Proc Reg            (223519077 hits)
254   Class: Scalar FP                (31657954 hits)
255   Individual Instructions:
256   Instr: mrs x0, sp_el0           (2682661 hits)  (op=0xd5384100/  System Reg)
257   Instr: mrs x1, tpidr_el2        (1789339 hits)  (op=0xd53cd041/  System Reg)
258   Instr: mrs x2, tpidr_el2        (1513494 hits)  (op=0xd53cd042/  System Reg)
259   Instr: mrs x0, tpidr_el2        (1490823 hits)  (op=0xd53cd040/  System Reg)
260   Instr: mrs x1, sp_el0           (933793 hits)   (op=0xd5384101/  System Reg)
261   Instr: mrs x2, sp_el0           (699516 hits)   (op=0xd5384102/  System Reg)
262   Instr: mrs x4, tpidr_el2        (528437 hits)   (op=0xd53cd044/  System Reg)
263   Instr: mrs x30, ttbr1_el1       (480776 hits)   (op=0xd538203e/  System Reg)
264   Instr: msr ttbr1_el1, x30       (480713 hits)   (op=0xd518203e/  System Reg)
265   Instr: msr vbar_el1, x30        (480671 hits)   (op=0xd518c01e/  System Reg)
266   ...
268 To find the argument shorthand for the class you need to examine the
269 source code of the plugin at the moment, specifically the ``*opt``
270 argument in the InsnClassExecCount tables.
272 - contrib/plugins/lockstep.c
274 This is a debugging tool for developers who want to find out when and
275 where execution diverges after a subtle change to TCG code generation.
276 It is not an exact science and results are likely to be mixed once
277 asynchronous events are introduced. While the use of -icount can
278 introduce determinism to the execution flow it doesn't always follow
279 the translation sequence will be exactly the same. Typically this is
280 caused by a timer firing to service the GUI causing a block to end
281 early. However in some cases it has proved to be useful in pointing
282 people at roughly where execution diverges. The only argument you need
283 for the plugin is a path for the socket the two instances will
284 communicate over::
287   ./sparc-softmmu/qemu-system-sparc -monitor none -parallel none \
288     -net none -M SS-20 -m 256 -kernel day11/zImage.elf \
289     -plugin ./contrib/plugins/liblockstep.so,sockpath=lockstep-sparc.sock \
290   -d plugin,nochain
292 which will eventually report::
294   qemu-system-sparc: warning: nic lance.0 has no peer
295   @ 0x000000ffd06678 vs 0x000000ffd001e0 (2/1 since last)
296   @ 0x000000ffd07d9c vs 0x000000ffd06678 (3/1 since last)
297   Δ insn_count @ 0x000000ffd07d9c (809900609) vs 0x000000ffd06678 (809900612)
298     previously @ 0x000000ffd06678/10 (809900609 insns)
299     previously @ 0x000000ffd001e0/4 (809900599 insns)
300     previously @ 0x000000ffd080ac/2 (809900595 insns)
301     previously @ 0x000000ffd08098/5 (809900593 insns)
302     previously @ 0x000000ffd080c0/1 (809900588 insns)
304 - contrib/plugins/hwprofile
306 The hwprofile tool can only be used with system emulation and allows
307 the user to see what hardware is accessed how often. It has a number of options:
309  * track=read or track=write
311  By default the plugin tracks both reads and writes. You can use one
312  of these options to limit the tracking to just one class of accesses.
314  * source
316  Will include a detailed break down of what the guest PC that made the
317  access was. Not compatible with the pattern option. Example output::
319    cirrus-low-memory @ 0xfffffd00000a0000
320     pc:fffffc0000005cdc, 1, 256
321     pc:fffffc0000005ce8, 1, 256
322     pc:fffffc0000005cec, 1, 256
324  * pattern
326  Instead break down the accesses based on the offset into the HW
327  region. This can be useful for seeing the most used registers of a
328  device. Example output::
330     pci0-conf @ 0xfffffd01fe000000
331       off:00000004, 1, 1
332       off:00000010, 1, 3
333       off:00000014, 1, 3
334       off:00000018, 1, 2
335       off:0000001c, 1, 2
336       off:00000020, 1, 2
337       ...
339 - contrib/plugins/execlog.c
341 The execlog tool traces executed instructions with memory access. It can be used
342 for debugging and security analysis purposes.
343 Please be aware that this will generate a lot of output.
345 The plugin takes no argument::
347   qemu-system-arm $(QEMU_ARGS) \
348     -plugin ./contrib/plugins/libexeclog.so -d plugin
350 which will output an execution trace following this structure::
352   # vCPU, vAddr, opcode, disassembly[, load/store, memory addr, device]...
353   0, 0xa12, 0xf8012400, "movs r4, #0"
354   0, 0xa14, 0xf87f42b4, "cmp r4, r6"
355   0, 0xa16, 0xd206, "bhs #0xa26"
356   0, 0xa18, 0xfff94803, "ldr r0, [pc, #0xc]", load, 0x00010a28, RAM
357   0, 0xa1a, 0xf989f000, "bl #0xd30"
358   0, 0xd30, 0xfff9b510, "push {r4, lr}", store, 0x20003ee0, RAM, store, 0x20003ee4, RAM
359   0, 0xd32, 0xf9893014, "adds r0, #0x14"
360   0, 0xd34, 0xf9c8f000, "bl #0x10c8"
361   0, 0x10c8, 0xfff96c43, "ldr r3, [r0, #0x44]", load, 0x200000e4, RAM
363 - contrib/plugins/cache
365 Cache modelling plugin that measures the performance of a given cache
366 configuration when a given working set is run::
368     qemu-x86_64 -plugin ./contrib/plugins/libcache.so \
369       -d plugin -D cache.log ./tests/tcg/x86_64-linux-user/float_convs
371 will report the following::
373     core #, data accesses, data misses, dmiss rate, insn accesses, insn misses, imiss rate
374     0       996695         508             0.0510%  2642799        18617           0.7044%
376     address, data misses, instruction
377     0x424f1e (_int_malloc), 109, movq %rax, 8(%rcx)
378     0x41f395 (_IO_default_xsputn), 49, movb %dl, (%rdi, %rax)
379     0x42584d (ptmalloc_init.part.0), 33, movaps %xmm0, (%rax)
380     0x454d48 (__tunables_init), 20, cmpb $0, (%r8)
381     ...
383     address, fetch misses, instruction
384     0x4160a0 (__vfprintf_internal), 744, movl $1, %ebx
385     0x41f0a0 (_IO_setb), 744, endbr64
386     0x415882 (__vfprintf_internal), 744, movq %r12, %rdi
387     0x4268a0 (__malloc), 696, andq $0xfffffffffffffff0, %rax
388     ...
390 The plugin has a number of arguments, all of them are optional:
392   * arg="limit=N"
394   Print top N icache and dcache thrashing instructions along with their
395   address, number of misses, and its disassembly. (default: 32)
397   * arg="icachesize=N"
398   * arg="iblksize=B"
399   * arg="iassoc=A"
401   Instruction cache configuration arguments. They specify the cache size, block
402   size, and associativity of the instruction cache, respectively.
403   (default: N = 16384, B = 64, A = 8)
405   * arg="dcachesize=N"
406   * arg="dblksize=B"
407   * arg="dassoc=A"
409   Data cache configuration arguments. They specify the cache size, block size,
410   and associativity of the data cache, respectively.
411   (default: N = 16384, B = 64, A = 8)
413   * arg="evict=POLICY"
415   Sets the eviction policy to POLICY. Available policies are: :code:`lru`,
416   :code:`fifo`, and :code:`rand`. The plugin will use the specified policy for
417   both instruction and data caches. (default: POLICY = :code:`lru`)
419   * arg="cores=N"
421   Sets the number of cores for which we maintain separate icache and dcache.
422   (default: for linux-user, N = 1, for full system emulation: N = cores
423   available to guest)