Merge tag 'pull-request-2022-10-28' of https://gitlab.com/thuth/qemu into staging
[qemu/ar7.git] / docs / devel / tcg-plugins.rst
blob9740a70406438823c7b836668844c47ebfa372bf
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 QEMU TCG Plugins
7 ================
9 QEMU TCG plugins provide a way for users to run experiments taking
10 advantage of the total system control emulation can have over a guest.
11 It provides a mechanism for plugins to subscribe to events during
12 translation and execution and optionally callback into the plugin
13 during these events. TCG plugins are unable to change the system state
14 only monitor it passively. However they can do this down to an
15 individual instruction granularity including potentially subscribing
16 to all load and store operations.
18 Usage
19 -----
21 Any QEMU binary with TCG support has plugins enabled by default.
22 Earlier releases needed to be explicitly enabled with::
24   configure --enable-plugins
26 Once built a program can be run with multiple plugins loaded each with
27 their own arguments::
29   $QEMU $OTHER_QEMU_ARGS \
30       -plugin contrib/plugin/libhowvec.so,inline=on,count=hint \
31       -plugin contrib/plugin/libhotblocks.so
33 Arguments are plugin specific and can be used to modify their
34 behaviour. In this case the howvec plugin is being asked to use inline
35 ops to count and break down the hint instructions by type.
37 Linux user-mode emulation also evaluates the environment variable
38 ``QEMU_PLUGIN``::
40   QEMU_PLUGIN="file=contrib/plugins/libhowvec.so,inline=on,count=hint" $QEMU
42 Writing plugins
43 ---------------
45 API versioning
46 ~~~~~~~~~~~~~~
48 This is a new feature for QEMU and it does allow people to develop
49 out-of-tree plugins that can be dynamically linked into a running QEMU
50 process. However the project reserves the right to change or break the
51 API should it need to do so. The best way to avoid this is to submit
52 your plugin upstream so they can be updated if/when the API changes.
54 All plugins need to declare a symbol which exports the plugin API
55 version they were built against. This can be done simply by::
57   QEMU_PLUGIN_EXPORT int qemu_plugin_version = QEMU_PLUGIN_VERSION;
59 The core code will refuse to load a plugin that doesn't export a
60 ``qemu_plugin_version`` symbol or if plugin version is outside of QEMU's
61 supported range of API versions.
63 Additionally the ``qemu_info_t`` structure which is passed to the
64 ``qemu_plugin_install`` method of a plugin will detail the minimum and
65 current API versions supported by QEMU. The API version will be
66 incremented if new APIs are added. The minimum API version will be
67 incremented if existing APIs are changed or removed.
69 Lifetime of the query handle
70 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
72 Each callback provides an opaque anonymous information handle which
73 can usually be further queried to find out information about a
74 translation, instruction or operation. The handles themselves are only
75 valid during the lifetime of the callback so it is important that any
76 information that is needed is extracted during the callback and saved
77 by the plugin.
79 Plugin life cycle
80 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
82 First the plugin is loaded and the public qemu_plugin_install function
83 is called. The plugin will then register callbacks for various plugin
84 events. Generally plugins will register a handler for the *atexit*
85 if they want to dump a summary of collected information once the
86 program/system has finished running.
88 When a registered event occurs the plugin callback is invoked. The
89 callbacks may provide additional information. In the case of a
90 translation event the plugin has an option to enumerate the
91 instructions in a block of instructions and optionally register
92 callbacks to some or all instructions when they are executed.
94 There is also a facility to add an inline event where code to
95 increment a counter can be directly inlined with the translation.
96 Currently only a simple increment is supported. This is not atomic so
97 can miss counts. If you want absolute precision you should use a
98 callback which can then ensure atomicity itself.
100 Finally when QEMU exits all the registered *atexit* callbacks are
101 invoked.
103 Exposure of QEMU internals
104 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
106 The plugin architecture actively avoids leaking implementation details
107 about how QEMU's translation works to the plugins. While there are
108 conceptions such as translation time and translation blocks the
109 details are opaque to plugins. The plugin is able to query select
110 details of instructions and system configuration only through the
111 exported *qemu_plugin* functions.
113 Internals
114 ---------
116 Locking
117 ~~~~~~~
119 We have to ensure we cannot deadlock, particularly under MTTCG. For
120 this we acquire a lock when called from plugin code. We also keep the
121 list of callbacks under RCU so that we do not have to hold the lock
122 when calling the callbacks. This is also for performance, since some
123 callbacks (e.g. memory access callbacks) might be called very
124 frequently.
126   * A consequence of this is that we keep our own list of CPUs, so that
127     we do not have to worry about locking order wrt cpu_list_lock.
128   * Use a recursive lock, since we can get registration calls from
129     callbacks.
131 As a result registering/unregistering callbacks is "slow", since it
132 takes a lock. But this is very infrequent; we want performance when
133 calling (or not calling) callbacks, not when registering them. Using
134 RCU is great for this.
136 We support the uninstallation of a plugin at any time (e.g. from
137 plugin callbacks). This allows plugins to remove themselves if they no
138 longer want to instrument the code. This operation is asynchronous
139 which means callbacks may still occur after the uninstall operation is
140 requested. The plugin isn't completely uninstalled until the safe work
141 has executed while all vCPUs are quiescent.
143 Example Plugins
144 ---------------
146 There are a number of plugins included with QEMU and you are
147 encouraged to contribute your own plugins plugins upstream. There is a
148 ``contrib/plugins`` directory where they can go. There are also some
149 basic plugins that are used to test and exercise the API during the
150 ``make check-tcg`` target in ``tests\plugins``.
152 - tests/plugins/empty.c
154 Purely a test plugin for measuring the overhead of the plugins system
155 itself. Does no instrumentation.
157 - tests/plugins/bb.c
159 A very basic plugin which will measure execution in course terms as
160 each basic block is executed. By default the results are shown once
161 execution finishes::
163   $ qemu-aarch64 -plugin tests/plugin/libbb.so \
164       -d plugin ./tests/tcg/aarch64-linux-user/sha1
165   SHA1=15dd99a1991e0b3826fede3deffc1feba42278e6
166   bb's: 2277338, insns: 158483046
168 Behaviour can be tweaked with the following arguments:
170  * inline=true|false
172  Use faster inline addition of a single counter. Not per-cpu and not
173  thread safe.
175  * idle=true|false
177  Dump the current execution stats whenever the guest vCPU idles
179 - tests/plugins/insn.c
181 This is a basic instruction level instrumentation which can count the
182 number of instructions executed on each core/thread::
184   $ qemu-aarch64 -plugin tests/plugin/libinsn.so \
185       -d plugin ./tests/tcg/aarch64-linux-user/threadcount
186   Created 10 threads
187   Done
188   cpu 0 insns: 46765
189   cpu 1 insns: 3694
190   cpu 2 insns: 3694
191   cpu 3 insns: 2994
192   cpu 4 insns: 1497
193   cpu 5 insns: 1497
194   cpu 6 insns: 1497
195   cpu 7 insns: 1497
196   total insns: 63135
198 Behaviour can be tweaked with the following arguments:
200  * inline=true|false
202  Use faster inline addition of a single counter. Not per-cpu and not
203  thread safe.
205  * sizes=true|false
207  Give a summary of the instruction sizes for the execution
209  * match=<string>
211  Only instrument instructions matching the string prefix. Will show
212  some basic stats including how many instructions have executed since
213  the last execution. For example::
215    $ qemu-aarch64 -plugin tests/plugin/libinsn.so,match=bl \
216        -d plugin ./tests/tcg/aarch64-linux-user/sha512-vector
217    ...
218    0x40069c, 'bl #0x4002b0', 10 hits, 1093 match hits, Δ+1257 since last match, 98 avg insns/match
219    0x4006ac, 'bl #0x403690', 10 hits, 1094 match hits, Δ+47 since last match, 98 avg insns/match 
220    0x4037fc, 'bl #0x4002b0', 18 hits, 1095 match hits, Δ+22 since last match, 98 avg insns/match 
221    0x400720, 'bl #0x403690', 10 hits, 1096 match hits, Δ+58 since last match, 98 avg insns/match 
222    0x4037fc, 'bl #0x4002b0', 19 hits, 1097 match hits, Δ+22 since last match, 98 avg insns/match 
223    0x400730, 'bl #0x403690', 10 hits, 1098 match hits, Δ+33 since last match, 98 avg insns/match 
224    0x4037ac, 'bl #0x4002b0', 12 hits, 1099 match hits, Δ+20 since last match, 98 avg insns/match 
225    ...
227 For more detailed execution tracing see the ``execlog`` plugin for
228 other options.
230 - tests/plugins/mem.c
232 Basic instruction level memory instrumentation::
234   $ qemu-aarch64 -plugin tests/plugin/libmem.so,inline=true \
235       -d plugin ./tests/tcg/aarch64-linux-user/sha1
236   SHA1=15dd99a1991e0b3826fede3deffc1feba42278e6
237   inline mem accesses: 79525013
239 Behaviour can be tweaked with the following arguments:
241  * inline=true|false
243  Use faster inline addition of a single counter. Not per-cpu and not
244  thread safe.
246  * callback=true|false
248  Use callbacks on each memory instrumentation.
250  * hwaddr=true|false
252  Count IO accesses (only for system emulation)
254 - tests/plugins/syscall.c
256 A basic syscall tracing plugin. This only works for user-mode. By
257 default it will give a summary of syscall stats at the end of the
258 run::
260   $ qemu-aarch64 -plugin tests/plugin/libsyscall \
261       -d plugin ./tests/tcg/aarch64-linux-user/threadcount
262   Created 10 threads
263   Done
264   syscall no.  calls  errors
265   226          12     0
266   99           11     11
267   115          11     0
268   222          11     0
269   93           10     0
270   220          10     0
271   233          10     0
272   215          8      0
273   214          4      0
274   134          2      0
275   64           2      0
276   96           1      0
277   94           1      0
278   80           1      0
279   261          1      0
280   78           1      0
281   160          1      0
282   135          1      0
284 - contrib/plugins/hotblocks.c
286 The hotblocks plugin allows you to examine the where hot paths of
287 execution are in your program. Once the program has finished you will
288 get a sorted list of blocks reporting the starting PC, translation
289 count, number of instructions and execution count. This will work best
290 with linux-user execution as system emulation tends to generate
291 re-translations as blocks from different programs get swapped in and
292 out of system memory.
294 If your program is single-threaded you can use the ``inline`` option for
295 slightly faster (but not thread safe) counters.
297 Example::
299   $ qemu-aarch64 \
300     -plugin contrib/plugins/libhotblocks.so -d plugin \
301     ./tests/tcg/aarch64-linux-user/sha1
302   SHA1=15dd99a1991e0b3826fede3deffc1feba42278e6
303   collected 903 entries in the hash table
304   pc, tcount, icount, ecount
305   0x0000000041ed10, 1, 5, 66087
306   0x000000004002b0, 1, 4, 66087
307   ...
309 - contrib/plugins/hotpages.c
311 Similar to hotblocks but this time tracks memory accesses::
313   $ qemu-aarch64 \
314     -plugin contrib/plugins/libhotpages.so -d plugin \
315     ./tests/tcg/aarch64-linux-user/sha1
316   SHA1=15dd99a1991e0b3826fede3deffc1feba42278e6
317   Addr, RCPUs, Reads, WCPUs, Writes
318   0x000055007fe000, 0x0001, 31747952, 0x0001, 8835161
319   0x000055007ff000, 0x0001, 29001054, 0x0001, 8780625
320   0x00005500800000, 0x0001, 687465, 0x0001, 335857
321   0x0000000048b000, 0x0001, 130594, 0x0001, 355
322   0x0000000048a000, 0x0001, 1826, 0x0001, 11
324 The hotpages plugin can be configured using the following arguments:
326   * sortby=reads|writes|address
328   Log the data sorted by either the number of reads, the number of writes, or
329   memory address. (Default: entries are sorted by the sum of reads and writes)
331   * io=on
333   Track IO addresses. Only relevant to full system emulation. (Default: off)
335   * pagesize=N
337   The page size used. (Default: N = 4096)
339 - contrib/plugins/howvec.c
341 This is an instruction classifier so can be used to count different
342 types of instructions. It has a number of options to refine which get
343 counted. You can give a value to the ``count`` argument for a class of
344 instructions to break it down fully, so for example to see all the system
345 registers accesses::
347   $ qemu-system-aarch64 $(QEMU_ARGS) \
348     -append "root=/dev/sda2 systemd.unit=benchmark.service" \
349     -smp 4 -plugin ./contrib/plugins/libhowvec.so,count=sreg -d plugin
351 which will lead to a sorted list after the class breakdown::
353   Instruction Classes:
354   Class:   UDEF                   not counted
355   Class:   SVE                    (68 hits)
356   Class:   PCrel addr             (47789483 hits)
357   Class:   Add/Sub (imm)          (192817388 hits)
358   Class:   Logical (imm)          (93852565 hits)
359   Class:   Move Wide (imm)        (76398116 hits)
360   Class:   Bitfield               (44706084 hits)
361   Class:   Extract                (5499257 hits)
362   Class:   Cond Branch (imm)      (147202932 hits)
363   Class:   Exception Gen          (193581 hits)
364   Class:     NOP                  not counted
365   Class:   Hints                  (6652291 hits)
366   Class:   Barriers               (8001661 hits)
367   Class:   PSTATE                 (1801695 hits)
368   Class:   System Insn            (6385349 hits)
369   Class:   System Reg             counted individually
370   Class:   Branch (reg)           (69497127 hits)
371   Class:   Branch (imm)           (84393665 hits)
372   Class:   Cmp & Branch           (110929659 hits)
373   Class:   Tst & Branch           (44681442 hits)
374   Class:   AdvSimd ldstmult       (736 hits)
375   Class:   ldst excl              (9098783 hits)
376   Class:   Load Reg (lit)         (87189424 hits)
377   Class:   ldst noalloc pair      (3264433 hits)
378   Class:   ldst pair              (412526434 hits)
379   Class:   ldst reg (imm)         (314734576 hits)
380   Class: Loads & Stores           (2117774 hits)
381   Class: Data Proc Reg            (223519077 hits)
382   Class: Scalar FP                (31657954 hits)
383   Individual Instructions:
384   Instr: mrs x0, sp_el0           (2682661 hits)  (op=0xd5384100/  System Reg)
385   Instr: mrs x1, tpidr_el2        (1789339 hits)  (op=0xd53cd041/  System Reg)
386   Instr: mrs x2, tpidr_el2        (1513494 hits)  (op=0xd53cd042/  System Reg)
387   Instr: mrs x0, tpidr_el2        (1490823 hits)  (op=0xd53cd040/  System Reg)
388   Instr: mrs x1, sp_el0           (933793 hits)   (op=0xd5384101/  System Reg)
389   Instr: mrs x2, sp_el0           (699516 hits)   (op=0xd5384102/  System Reg)
390   Instr: mrs x4, tpidr_el2        (528437 hits)   (op=0xd53cd044/  System Reg)
391   Instr: mrs x30, ttbr1_el1       (480776 hits)   (op=0xd538203e/  System Reg)
392   Instr: msr ttbr1_el1, x30       (480713 hits)   (op=0xd518203e/  System Reg)
393   Instr: msr vbar_el1, x30        (480671 hits)   (op=0xd518c01e/  System Reg)
394   ...
396 To find the argument shorthand for the class you need to examine the
397 source code of the plugin at the moment, specifically the ``*opt``
398 argument in the InsnClassExecCount tables.
400 - contrib/plugins/lockstep.c
402 This is a debugging tool for developers who want to find out when and
403 where execution diverges after a subtle change to TCG code generation.
404 It is not an exact science and results are likely to be mixed once
405 asynchronous events are introduced. While the use of -icount can
406 introduce determinism to the execution flow it doesn't always follow
407 the translation sequence will be exactly the same. Typically this is
408 caused by a timer firing to service the GUI causing a block to end
409 early. However in some cases it has proved to be useful in pointing
410 people at roughly where execution diverges. The only argument you need
411 for the plugin is a path for the socket the two instances will
412 communicate over::
415   $ qemu-system-sparc -monitor none -parallel none \
416     -net none -M SS-20 -m 256 -kernel day11/zImage.elf \
417     -plugin ./contrib/plugins/liblockstep.so,sockpath=lockstep-sparc.sock \
418     -d plugin,nochain
420 which will eventually report::
422   qemu-system-sparc: warning: nic lance.0 has no peer
423   @ 0x000000ffd06678 vs 0x000000ffd001e0 (2/1 since last)
424   @ 0x000000ffd07d9c vs 0x000000ffd06678 (3/1 since last)
425   Δ insn_count @ 0x000000ffd07d9c (809900609) vs 0x000000ffd06678 (809900612)
426     previously @ 0x000000ffd06678/10 (809900609 insns)
427     previously @ 0x000000ffd001e0/4 (809900599 insns)
428     previously @ 0x000000ffd080ac/2 (809900595 insns)
429     previously @ 0x000000ffd08098/5 (809900593 insns)
430     previously @ 0x000000ffd080c0/1 (809900588 insns)
432 - contrib/plugins/hwprofile.c
434 The hwprofile tool can only be used with system emulation and allows
435 the user to see what hardware is accessed how often. It has a number of options:
437  * track=read or track=write
439  By default the plugin tracks both reads and writes. You can use one
440  of these options to limit the tracking to just one class of accesses.
442  * source
444  Will include a detailed break down of what the guest PC that made the
445  access was. Not compatible with the pattern option. Example output::
447    cirrus-low-memory @ 0xfffffd00000a0000
448     pc:fffffc0000005cdc, 1, 256
449     pc:fffffc0000005ce8, 1, 256
450     pc:fffffc0000005cec, 1, 256
452  * pattern
454  Instead break down the accesses based on the offset into the HW
455  region. This can be useful for seeing the most used registers of a
456  device. Example output::
458     pci0-conf @ 0xfffffd01fe000000
459       off:00000004, 1, 1
460       off:00000010, 1, 3
461       off:00000014, 1, 3
462       off:00000018, 1, 2
463       off:0000001c, 1, 2
464       off:00000020, 1, 2
465       ...
467 - contrib/plugins/execlog.c
469 The execlog tool traces executed instructions with memory access. It can be used
470 for debugging and security analysis purposes.
471 Please be aware that this will generate a lot of output.
473 The plugin needs default argument::
475   $ qemu-system-arm $(QEMU_ARGS) \
476     -plugin ./contrib/plugins/libexeclog.so -d plugin
478 which will output an execution trace following this structure::
480   # vCPU, vAddr, opcode, disassembly[, load/store, memory addr, device]...
481   0, 0xa12, 0xf8012400, "movs r4, #0"
482   0, 0xa14, 0xf87f42b4, "cmp r4, r6"
483   0, 0xa16, 0xd206, "bhs #0xa26"
484   0, 0xa18, 0xfff94803, "ldr r0, [pc, #0xc]", load, 0x00010a28, RAM
485   0, 0xa1a, 0xf989f000, "bl #0xd30"
486   0, 0xd30, 0xfff9b510, "push {r4, lr}", store, 0x20003ee0, RAM, store, 0x20003ee4, RAM
487   0, 0xd32, 0xf9893014, "adds r0, #0x14"
488   0, 0xd34, 0xf9c8f000, "bl #0x10c8"
489   0, 0x10c8, 0xfff96c43, "ldr r3, [r0, #0x44]", load, 0x200000e4, RAM
491 the output can be filtered to only track certain instructions or
492 addresses using the ``ifilter`` or ``afilter`` options. You can stack the
493 arguments if required::
495   $ qemu-system-arm $(QEMU_ARGS) \
496     -plugin ./contrib/plugins/libexeclog.so,ifilter=st1w,afilter=0x40001808 -d plugin
498 - contrib/plugins/cache.c
500 Cache modelling plugin that measures the performance of a given L1 cache
501 configuration, and optionally a unified L2 per-core cache when a given working
502 set is run::
504   $ qemu-x86_64 -plugin ./contrib/plugins/libcache.so \
505       -d plugin -D cache.log ./tests/tcg/x86_64-linux-user/float_convs
507 will report the following::
509     core #, data accesses, data misses, dmiss rate, insn accesses, insn misses, imiss rate
510     0       996695         508             0.0510%  2642799        18617           0.7044%
512     address, data misses, instruction
513     0x424f1e (_int_malloc), 109, movq %rax, 8(%rcx)
514     0x41f395 (_IO_default_xsputn), 49, movb %dl, (%rdi, %rax)
515     0x42584d (ptmalloc_init.part.0), 33, movaps %xmm0, (%rax)
516     0x454d48 (__tunables_init), 20, cmpb $0, (%r8)
517     ...
519     address, fetch misses, instruction
520     0x4160a0 (__vfprintf_internal), 744, movl $1, %ebx
521     0x41f0a0 (_IO_setb), 744, endbr64
522     0x415882 (__vfprintf_internal), 744, movq %r12, %rdi
523     0x4268a0 (__malloc), 696, andq $0xfffffffffffffff0, %rax
524     ...
526 The plugin has a number of arguments, all of them are optional:
528   * limit=N
530   Print top N icache and dcache thrashing instructions along with their
531   address, number of misses, and its disassembly. (default: 32)
533   * icachesize=N
534   * iblksize=B
535   * iassoc=A
537   Instruction cache configuration arguments. They specify the cache size, block
538   size, and associativity of the instruction cache, respectively.
539   (default: N = 16384, B = 64, A = 8)
541   * dcachesize=N
542   * dblksize=B
543   * dassoc=A
545   Data cache configuration arguments. They specify the cache size, block size,
546   and associativity of the data cache, respectively.
547   (default: N = 16384, B = 64, A = 8)
549   * evict=POLICY
551   Sets the eviction policy to POLICY. Available policies are: :code:`lru`,
552   :code:`fifo`, and :code:`rand`. The plugin will use the specified policy for
553   both instruction and data caches. (default: POLICY = :code:`lru`)
555   * cores=N
557   Sets the number of cores for which we maintain separate icache and dcache.
558   (default: for linux-user, N = 1, for full system emulation: N = cores
559   available to guest)
561   * l2=on
563   Simulates a unified L2 cache (stores blocks for both instructions and data)
564   using the default L2 configuration (cache size = 2MB, associativity = 16-way,
565   block size = 64B).
567   * l2cachesize=N
568   * l2blksize=B
569   * l2assoc=A
571   L2 cache configuration arguments. They specify the cache size, block size, and
572   associativity of the L2 cache, respectively. Setting any of the L2
573   configuration arguments implies ``l2=on``.
574   (default: N = 2097152 (2MB), B = 64, A = 16)
579 The following API is generated from the inline documentation in
580 ``include/qemu/qemu-plugin.h``. Please ensure any updates to the API
581 include the full kernel-doc annotations.
583 .. kernel-doc:: include/qemu/qemu-plugin.h