target/s390x: Implement LOAD/STORE TO REAL ADDRESS inline
[qemu/kevin.git] / docs / replay.txt
blobce97c3f72fc82db694741281818435f9a55ccad6
1 Copyright (c) 2010-2015 Institute for System Programming
2                         of the Russian Academy of Sciences.
4 This work is licensed under the terms of the GNU GPL, version 2 or later.
5 See the COPYING file in the top-level directory.
7 Record/replay
8 -------------
10 Record/replay functions are used for the deterministic replay of qemu execution.
11 Execution recording writes a non-deterministic events log, which can be later
12 used for replaying the execution anywhere and for unlimited number of times.
13 It also supports checkpointing for faster rewind to the specific replay moment.
14 Execution replaying reads the log and replays all non-deterministic events
15 including external input, hardware clocks, and interrupts.
17 Deterministic replay has the following features:
18  * Deterministically replays whole system execution and all contents of
19    the memory, state of the hardware devices, clocks, and screen of the VM.
20  * Writes execution log into the file for later replaying for multiple times
21    on different machines.
22  * Supports i386, x86_64, and ARM hardware platforms.
23  * Performs deterministic replay of all operations with keyboard and mouse
24    input devices.
26 Usage of the record/replay:
27  * First, record the execution with the following command line:
28     qemu-system-i386 \
29      -icount shift=7,rr=record,rrfile=replay.bin \
30      -drive file=disk.qcow2,if=none,snapshot,id=img-direct \
31      -drive driver=blkreplay,if=none,image=img-direct,id=img-blkreplay \
32      -device ide-hd,drive=img-blkreplay \
33      -netdev user,id=net1 -device rtl8139,netdev=net1 \
34      -object filter-replay,id=replay,netdev=net1
35  * After recording, you can replay it by using another command line:
36     qemu-system-i386 \
37      -icount shift=7,rr=replay,rrfile=replay.bin \
38      -drive file=disk.qcow2,if=none,snapshot,id=img-direct \
39      -drive driver=blkreplay,if=none,image=img-direct,id=img-blkreplay \
40      -device ide-hd,drive=img-blkreplay \
41      -netdev user,id=net1 -device rtl8139,netdev=net1 \
42      -object filter-replay,id=replay,netdev=net1
43    The only difference with recording is changing the rr option
44    from record to replay.
45  * Block device images are not actually changed in the recording mode,
46    because all of the changes are written to the temporary overlay file.
47    This behavior is enabled by using blkreplay driver. It should be used
48    for every enabled block device, as described in 'Block devices' section.
49  * '-net none' option should be specified when network is not used,
50    because QEMU adds network card by default. When network is needed,
51    it should be configured explicitly with replay filter, as described
52    in 'Network devices' section.
53  * Interaction with audio devices and serial ports are recorded and replayed
54    automatically when such devices are enabled.
56 Academic papers with description of deterministic replay implementation:
57 http://www.computer.org/csdl/proceedings/csmr/2012/4666/00/4666a553-abs.html
58 http://dl.acm.org/citation.cfm?id=2786805.2803179
60 Modifications of qemu include:
61  * wrappers for clock and time functions to save their return values in the log
62  * saving different asynchronous events (e.g. system shutdown) into the log
63  * synchronization of the bottom halves execution
64  * synchronization of the threads from thread pool
65  * recording/replaying user input (mouse, keyboard, and microphone)
66  * adding internal checkpoints for cpu and io synchronization
67  * network filter for recording and replaying the packets
68  * block driver for making block layer deterministic
69  * serial port input record and replay
71 Locking and thread synchronisation
72 ----------------------------------
74 Previously the synchronisation of the main thread and the vCPU thread
75 was ensured by the holding of the BQL. However the trend has been to
76 reduce the time the BQL was held across the system including under TCG
77 system emulation. As it is important that batches of events are kept
78 in sequence (e.g. expiring timers and checkpoints in the main thread
79 while instruction checkpoints are written by the vCPU thread) we need
80 another lock to keep things in lock-step. This role is now handled by
81 the replay_mutex_lock. It used to be held only for each event being
82 written but now it is held for a whole execution period. This results
83 in a deterministic ping-pong between the two main threads.
85 As the BQL is now a finer grained lock than the replay_lock it is almost
86 certainly a bug, and a source of deadlocks, to take the
87 replay_mutex_lock while the BQL is held. This is enforced by an assert.
88 While the unlocks are usually in the reverse order, this is not
89 necessary; you can drop the replay_lock while holding the BQL, without
90 doing a more complicated unlock_iothread/replay_unlock/lock_iothread
91 sequence.
93 Non-deterministic events
94 ------------------------
96 Our record/replay system is based on saving and replaying non-deterministic
97 events (e.g. keyboard input) and simulating deterministic ones (e.g. reading
98 from HDD or memory of the VM). Saving only non-deterministic events makes
99 log file smaller and simulation faster.
101 The following non-deterministic data from peripheral devices is saved into
102 the log: mouse and keyboard input, network packets, audio controller input,
103 serial port input, and hardware clocks (they are non-deterministic
104 too, because their values are taken from the host machine). Inputs from
105 simulated hardware, memory of VM, software interrupts, and execution of
106 instructions are not saved into the log, because they are deterministic and
107 can be replayed by simulating the behavior of virtual machine starting from
108 initial state.
110 We had to solve three tasks to implement deterministic replay: recording
111 non-deterministic events, replaying non-deterministic events, and checking
112 that there is no divergence between record and replay modes.
114 We changed several parts of QEMU to make event log recording and replaying.
115 Devices' models that have non-deterministic input from external devices were
116 changed to write every external event into the execution log immediately.
117 E.g. network packets are written into the log when they arrive into the virtual
118 network adapter.
120 All non-deterministic events are coming from these devices. But to
121 replay them we need to know at which moments they occur. We specify
122 these moments by counting the number of instructions executed between
123 every pair of consecutive events.
125 Instruction counting
126 --------------------
128 QEMU should work in icount mode to use record/replay feature. icount was
129 designed to allow deterministic execution in absence of external inputs
130 of the virtual machine. We also use icount to control the occurrence of the
131 non-deterministic events. The number of instructions elapsed from the last event
132 is written to the log while recording the execution. In replay mode we
133 can predict when to inject that event using the instruction counter.
135 Timers
136 ------
138 Timers are used to execute callbacks from different subsystems of QEMU
139 at the specified moments of time. There are several kinds of timers:
140  * Real time clock. Based on host time and used only for callbacks that
141    do not change the virtual machine state. For this reason real time
142    clock and timers does not affect deterministic replay at all.
143  * Virtual clock. These timers run only during the emulation. In icount
144    mode virtual clock value is calculated using executed instructions counter.
145    That is why it is completely deterministic and does not have to be recorded.
146  * Host clock. This clock is used by device models that simulate real time
147    sources (e.g. real time clock chip). Host clock is the one of the sources
148    of non-determinism. Host clock read operations should be logged to
149    make the execution deterministic.
150  * Virtual real time clock. This clock is similar to real time clock but
151    it is used only for increasing virtual clock while virtual machine is
152    sleeping. Due to its nature it is also non-deterministic as the host clock
153    and has to be logged too.
155 Checkpoints
156 -----------
158 Replaying of the execution of virtual machine is bound by sources of
159 non-determinism. These are inputs from clock and peripheral devices,
160 and QEMU thread scheduling. Thread scheduling affect on processing events
161 from timers, asynchronous input-output, and bottom halves.
163 Invocations of timers are coupled with clock reads and changing the state
164 of the virtual machine. Reads produce non-deterministic data taken from
165 host clock. And VM state changes should preserve their order. Their relative
166 order in replay mode must replicate the order of callbacks in record mode.
167 To preserve this order we use checkpoints. When a specific clock is processed
168 in record mode we save to the log special "checkpoint" event.
169 Checkpoints here do not refer to virtual machine snapshots. They are just
170 record/replay events used for synchronization.
172 QEMU in replay mode will try to invoke timers processing in random moment
173 of time. That's why we do not process a group of timers until the checkpoint
174 event will be read from the log. Such an event allows synchronizing CPU
175 execution and timer events.
177 Two other checkpoints govern the "warping" of the virtual clock.
178 While the virtual machine is idle, the virtual clock increments at
179 1 ns per *real time* nanosecond.  This is done by setting up a timer
180 (called the warp timer) on the virtual real time clock, so that the
181 timer fires at the next deadline of the virtual clock; the virtual clock
182 is then incremented (which is called "warping" the virtual clock) as
183 soon as the timer fires or the CPUs need to go out of the idle state.
184 Two functions are used for this purpose; because these actions change
185 virtual machine state and must be deterministic, each of them creates a
186 checkpoint.  qemu_start_warp_timer checks if the CPUs are idle and if so
187 starts accounting real time to virtual clock.  qemu_account_warp_timer
188 is called when the CPUs get an interrupt or when the warp timer fires,
189 and it warps the virtual clock by the amount of real time that has passed
190 since qemu_start_warp_timer.
192 Bottom halves
193 -------------
195 Disk I/O events are completely deterministic in our model, because
196 in both record and replay modes we start virtual machine from the same
197 disk state. But callbacks that virtual disk controller uses for reading and
198 writing the disk may occur at different moments of time in record and replay
199 modes.
201 Reading and writing requests are created by CPU thread of QEMU. Later these
202 requests proceed to block layer which creates "bottom halves". Bottom
203 halves consist of callback and its parameters. They are processed when
204 main loop locks the global mutex. These locks are not synchronized with
205 replaying process because main loop also processes the events that do not
206 affect the virtual machine state (like user interaction with monitor).
208 That is why we had to implement saving and replaying bottom halves callbacks
209 synchronously to the CPU execution. When the callback is about to execute
210 it is added to the queue in the replay module. This queue is written to the
211 log when its callbacks are executed. In replay mode callbacks are not processed
212 until the corresponding event is read from the events log file.
214 Sometimes the block layer uses asynchronous callbacks for its internal purposes
215 (like reading or writing VM snapshots or disk image cluster tables). In this
216 case bottom halves are not marked as "replayable" and do not saved
217 into the log.
219 Block devices
220 -------------
222 Block devices record/replay module intercepts calls of
223 bdrv coroutine functions at the top of block drivers stack.
224 To record and replay block operations the drive must be configured
225 as following:
226  -drive file=disk.qcow2,if=none,snapshot,id=img-direct
227  -drive driver=blkreplay,if=none,image=img-direct,id=img-blkreplay
228  -device ide-hd,drive=img-blkreplay
230 blkreplay driver should be inserted between disk image and virtual driver
231 controller. Therefore all disk requests may be recorded and replayed.
233 All block completion operations are added to the queue in the coroutines.
234 Queue is flushed at checkpoints and information about processed requests
235 is recorded to the log. In replay phase the queue is matched with
236 events read from the log. Therefore block devices requests are processed
237 deterministically.
239 Snapshotting
240 ------------
242 New VM snapshots may be created in replay mode. They can be used later
243 to recover the desired VM state. All VM states created in replay mode
244 are associated with the moment of time in the replay scenario.
245 After recovering the VM state replay will start from that position.
247 Default starting snapshot name may be specified with icount field
248 rrsnapshot as follows:
249  -icount shift=7,rr=record,rrfile=replay.bin,rrsnapshot=snapshot_name
251 This snapshot is created at start of recording and restored at start
252 of replaying. It also can be loaded while replaying to roll back
253 the execution.
255 'snapshot' flag of the disk image must be removed to save the snapshots
256 in the overlay (or original image) instead of using the temporary overlay.
257  -drive file=disk.ovl,if=none,id=img-direct
258  -drive driver=blkreplay,if=none,image=img-direct,id=img-blkreplay
259  -device ide-hd,drive=img-blkreplay
261 Use QEMU monitor to create additional snapshots. 'savevm <name>' command
262 created the snapshot and 'loadvm <name>' restores it. To prevent corruption
263 of the original disk image, use overlay files linked to the original images.
264 Therefore all new snapshots (including the starting one) will be saved in
265 overlays and the original image remains unchanged.
267 Network devices
268 ---------------
270 Record and replay for network interactions is performed with the network filter.
271 Each backend must have its own instance of the replay filter as follows:
272  -netdev user,id=net1 -device rtl8139,netdev=net1
273  -object filter-replay,id=replay,netdev=net1
275 Replay network filter is used to record and replay network packets. While
276 recording the virtual machine this filter puts all packets coming from
277 the outer world into the log. In replay mode packets from the log are
278 injected into the network device. All interactions with network backend
279 in replay mode are disabled.
281 Audio devices
282 -------------
284 Audio data is recorded and replay automatically. The command line for recording
285 and replaying must contain identical specifications of audio hardware, e.g.:
286  -soundhw ac97
288 Serial ports
289 ------------
291 Serial ports input is recorded and replay automatically. The command lines
292 for recording and replaying must contain identical number of ports in record
293 and replay modes, but their backends may differ.
294 E.g., '-serial stdio' in record mode, and '-serial null' in replay mode.
296 Replay log format
297 -----------------
299 Record/replay log consists of the header and the sequence of execution
300 events. The header includes 4-byte replay version id and 8-byte reserved
301 field. Version is updated every time replay log format changes to prevent
302 using replay log created by another build of qemu.
304 The sequence of the events describes virtual machine state changes.
305 It includes all non-deterministic inputs of VM, synchronization marks and
306 instruction counts used to correctly inject inputs at replay.
308 Synchronization marks (checkpoints) are used for synchronizing qemu threads
309 that perform operations with virtual hardware. These operations may change
310 system's state (e.g., change some register or generate interrupt) and
311 therefore should execute synchronously with CPU thread.
313 Every event in the log includes 1-byte event id and optional arguments.
314 When argument is an array, it is stored as 4-byte array length
315 and corresponding number of bytes with data.
316 Here is the list of events that are written into the log:
318  - EVENT_INSTRUCTION. Instructions executed since last event.
319    Argument: 4-byte number of executed instructions.
320  - EVENT_INTERRUPT. Used to synchronize interrupt processing.
321  - EVENT_EXCEPTION. Used to synchronize exception handling.
322  - EVENT_ASYNC. This is a group of events. They are always processed
323    together with checkpoints. When such an event is generated, it is
324    stored in the queue and processed only when checkpoint occurs.
325    Every such event is followed by 1-byte checkpoint id and 1-byte
326    async event id from the following list:
327      - REPLAY_ASYNC_EVENT_BH. Bottom-half callback. This event synchronizes
328        callbacks that affect virtual machine state, but normally called
329        asynchronously.
330        Argument: 8-byte operation id.
331      - REPLAY_ASYNC_EVENT_INPUT. Input device event. Contains
332        parameters of keyboard and mouse input operations
333        (key press/release, mouse pointer movement).
334        Arguments: 9-16 bytes depending of input event.
335      - REPLAY_ASYNC_EVENT_INPUT_SYNC. Internal input synchronization event.
336      - REPLAY_ASYNC_EVENT_CHAR_READ. Character (e.g., serial port) device input
337        initiated by the sender.
338        Arguments: 1-byte character device id.
339                   Array with bytes were read.
340      - REPLAY_ASYNC_EVENT_BLOCK. Block device operation. Used to synchronize
341        operations with disk and flash drives with CPU.
342        Argument: 8-byte operation id.
343      - REPLAY_ASYNC_EVENT_NET. Incoming network packet.
344        Arguments: 1-byte network adapter id.
345                   4-byte packet flags.
346                   Array with packet bytes.
347  - EVENT_SHUTDOWN. Occurs when user sends shutdown event to qemu,
348    e.g., by closing the window.
349  - EVENT_CHAR_WRITE. Used to synchronize character output operations.
350    Arguments: 4-byte output function return value.
351               4-byte offset in the output array.
352  - EVENT_CHAR_READ_ALL. Used to synchronize character input operations,
353    initiated by qemu.
354    Argument: Array with bytes that were read.
355  - EVENT_CHAR_READ_ALL_ERROR. Unsuccessful character input operation,
356    initiated by qemu.
357    Argument: 4-byte error code.
358  - EVENT_CLOCK + clock_id. Group of events for host clock read operations.
359    Argument: 8-byte clock value.
360  - EVENT_CHECKPOINT + checkpoint_id. Checkpoint for synchronization of
361    CPU, internal threads, and asynchronous input events. May be followed
362    by one or more EVENT_ASYNC events.
363  - EVENT_END. Last event in the log.