vgdb: Handle EAGAIN in read_buf
[valgrind.git] / memcheck / docs / mc-tech-docs.xml
blob44bbb8c6ee10a1d1fe2dcffbe5f6f295f883f11d
1 <?xml version="1.0"?> <!-- -*- sgml -*- -->
2 <!DOCTYPE chapter PUBLIC "-//OASIS//DTD DocBook XML V4.5//EN"
3           "http://www.oasis-open.org/docbook/xml/4.5/docbookx.dtd">
6 <chapter id="mc-tech-docs" 
7          xreflabel="The design and implementation of Valgrind">
9 <title>The Design and Implementation of Valgrind</title>
10 <subtitle>Detailed technical notes for hackers, maintainers and
11           the overly-curious</subtitle>
13 <sect1 id="mc-tech-docs.intro" xreflabel="Introduction">
14 <title>Introduction</title>
16 <para>This document contains a detailed, highly-technical description of
17 the internals of Valgrind.  This is not the user manual; if you are an
18 end-user of Valgrind, you do not want to read this.  Conversely, if you
19 really are a hacker-type and want to know how it works, I assume that
20 you have read the user manual thoroughly.</para>
22 <para>You may need to read this document several times, and carefully.
23 Some important things, I only say once.</para>
25 <para>[Note: this document is now very old, and a lot of its contents
26 are out of date, and misleading.]</para>
29 <sect2 id="mc-tech-docs.history" xreflabel="History">
30 <title>History</title>
32 <para>Valgrind came into public view in late Feb 2002.  However, it has
33 been under contemplation for a very long time, perhaps seriously for
34 about five years.  Somewhat over two years ago, I started working on the
35 x86 code generator for the Glasgow Haskell Compiler
36 (http://www.haskell.org/ghc), gaining familiarity with x86 internals on
37 the way.  I then did Cacheprof, gaining further x86 experience.  Some
38 time around Feb 2000 I started experimenting with a user-space x86
39 interpreter for x86-Linux.  This worked, but it was clear that a
40 JIT-based scheme would be necessary to give reasonable performance for
41 Valgrind.  Design work for the JITter started in earnest in Oct 2000,
42 and by early 2001 I had an x86-to-x86 dynamic translator which could run
43 quite large programs.  This translator was in a sense pointless, since
44 it did not do any instrumentation or checking.</para>
46 <para>Most of the rest of 2001 was taken up designing and implementing
47 the instrumentation scheme.  The main difficulty, which consumed a lot
48 of effort, was to design a scheme which did not generate large numbers
49 of false uninitialised-value warnings.  By late 2001 a satisfactory
50 scheme had been arrived at, and I started to test it on ever-larger
51 programs, with an eventual eye to making it work well enough so that it
52 was helpful to folks debugging the upcoming version 3 of KDE.  I've used
53 KDE since before version 1.0, and wanted to Valgrind to be an indirect
54 contribution to the KDE 3 development effort.  At the start of Feb 02
55 the kde-core-devel crew started using it, and gave a huge amount of
56 helpful feedback and patches in the space of three weeks.  Snapshot
57 20020306 is the result.</para>
59 <para>In the best Unix tradition, or perhaps in the spirit of Fred
60 Brooks' depressing-but-completely-accurate epitaph "build one to throw
61 away; you will anyway", much of Valgrind is a second or third rendition
62 of the initial idea.  The instrumentation machinery
63 (<filename>vg_translate.c</filename>, <filename>vg_memory.c</filename>)
64 and core CPU simulation (<filename>vg_to_ucode.c</filename>,
65 <filename>vg_from_ucode.c</filename>) have had three redesigns and
66 rewrites; the register allocator, low-level memory manager
67 (<filename>vg_malloc2.c</filename>) and symbol table reader
68 (<filename>vg_symtab2.c</filename>) are on the second rewrite.  In a
69 sense, this document serves to record some of the knowledge gained as a
70 result.</para>
72 </sect2>
75 <sect2 id="mc-tech-docs.overview" xreflabel="Design overview">
76 <title>Design overview</title>
78 <para>Valgrind is compiled into a Linux shared object,
79 <filename>valgrind.so</filename>, and also a dummy one,
80 <filename>valgrinq.so</filename>, of which more later.  The
81 <filename>valgrind</filename> shell script adds
82 <filename>valgrind.so</filename> to the
83 <computeroutput>LD_PRELOAD</computeroutput> list of extra libraries to
84 be loaded with any dynamically linked library.  This is a standard
85 trick, one which I assume the
86 <computeroutput>LD_PRELOAD</computeroutput> mechanism was developed to
87 support.</para>
89 <para><filename>valgrind.so</filename> is linked with the
90 <option>-z initfirst</option> flag, which
91 requests that its initialisation code is run before that of any
92 other object in the executable image.  When this happens,
93 valgrind gains control.  The real CPU becomes "trapped" in
94 <filename>valgrind.so</filename> and the translations it
95 generates.  The synthetic CPU provided by Valgrind does, however,
96 return from this initialisation function.  So the normal startup
97 actions, orchestrated by the dynamic linker
98 <filename>ld.so</filename>, continue as usual, except on the
99 synthetic CPU, not the real one.  Eventually
100 <function>main</function> is run and returns, and
101 then the finalisation code of the shared objects is run,
102 presumably in inverse order to which they were initialised.
103 Remember, this is still all happening on the simulated CPU.
104 Eventually <filename>valgrind.so</filename>'s own finalisation
105 code is called.  It spots this event, shuts down the simulated
106 CPU, prints any error summaries and/or does leak detection, and
107 returns from the initialisation code on the real CPU.  At this
108 point, in effect the real and synthetic CPUs have merged back
109 into one, Valgrind has lost control of the program, and the
110 program finally <function>exit()s</function> back to
111 the kernel in the usual way.</para>
113 <para>The normal course of activity, once Valgrind has started
114 up, is as follows.  Valgrind never runs any part of your program
115 (usually referred to as the "client"), not a single byte of it,
116 directly.  Instead it uses function
117 <function>VG_(translate)</function> to translate
118 basic blocks (BBs, straight-line sequences of code) into
119 instrumented translations, and those are run instead.  The
120 translations are stored in the translation cache (TC),
121 <computeroutput>vg_tc</computeroutput>, with the translation
122 table (TT), <computeroutput>vg_tt</computeroutput> supplying the
123 original-to-translation code address mapping.  Auxiliary array
124 <computeroutput>VG_(tt_fast)</computeroutput> is used as a
125 direct-map cache for fast lookups in TT; it usually achieves a
126 hit rate of around 98% and facilitates an orig-to-trans lookup in
127 4 x86 insns, which is not bad.</para>
129 <para>Function <function>VG_(dispatch)</function> in
130 <filename>vg_dispatch.S</filename> is the heart of the JIT
131 dispatcher.  Once a translated code address has been found, it is
132 executed simply by an x86 <computeroutput>call</computeroutput>
133 to the translation.  At the end of the translation, the next
134 original code addr is loaded into
135 <computeroutput>%eax</computeroutput>, and the translation then
136 does a <computeroutput>ret</computeroutput>, taking it back to
137 the dispatch loop, with, interestingly, zero branch
138 mispredictions.  The address requested in
139 <computeroutput>%eax</computeroutput> is looked up first in
140 <function>VG_(tt_fast)</function>, and, if not found,
141 by calling C helper
142 <function>VG_(search_transtab)</function>.  If there
143 is still no translation available,
144 <function>VG_(dispatch)</function> exits back to the
145 top-level C dispatcher
146 <function>VG_(toploop)</function>, which arranges for
147 <function>VG_(translate)</function> to make a new
148 translation.  All fairly unsurprising, really.  There are various
149 complexities described below.</para>
151 <para>The translator, orchestrated by
152 <function>VG_(translate)</function>, is complicated
153 but entirely self-contained.  It is described in great detail in
154 subsequent sections.  Translations are stored in TC, with TT
155 tracking administrative information.  The translations are
156 subject to an approximate LRU-based management scheme.  With the
157 current settings, the TC can hold at most about 15MB of
158 translations, and LRU passes prune it to about 13.5MB.  Given
159 that the orig-to-translation expansion ratio is about 13:1 to
160 14:1, this means TC holds translations for more or less a
161 megabyte of original code, which generally comes to about 70000
162 basic blocks for C++ compiled with optimisation on.  Generating
163 new translations is expensive, so it is worth having a large TC
164 to minimise the (capacity) miss rate.</para>
166 <para>The dispatcher,
167 <function>VG_(dispatch)</function>, receives hints
168 from the translations which allow it to cheaply spot all control
169 transfers corresponding to x86
170 <computeroutput>call</computeroutput> and
171 <computeroutput>ret</computeroutput> instructions.  It has to do
172 this in order to spot some special events:</para>
174 <itemizedlist>
175   <listitem>
176     <para>Calls to
177     <function>VG_(shutdown)</function>.  This is
178     Valgrind's cue to exit.  NOTE: actually this is done a
179     different way; it should be cleaned up.</para>
180   </listitem>
182   <listitem>
183     <para>Returns of system call handlers, to the return address
184     <function>VG_(signalreturn_bogusRA)</function>.
185     The signal simulator needs to know when a signal handler is
186     returning, so we spot jumps (returns) to this address.</para>
187   </listitem>
189   <listitem>
190     <para>Calls to <function>vg_trap_here</function>.
191     All <function>malloc</function>,
192     <function>free</function>, etc calls that the
193     client program makes are eventually routed to a call to
194     <function>vg_trap_here</function>, and Valgrind
195     does its own special thing with these calls.  In effect this
196     provides a trapdoor, by which Valgrind can intercept certain
197     calls on the simulated CPU, run the call as it sees fit
198     itself (on the real CPU), and return the result to the
199     simulated CPU, quite transparently to the client
200     program.</para>
201   </listitem>
203 </itemizedlist>
205 <para>Valgrind intercepts the client's
206 <function>malloc</function>,
207 <function>free</function>, etc, calls, so that it can
208 store additional information.  Each block
209 <function>malloc</function>'d by the client gives
210 rise to a shadow block in which Valgrind stores the call stack at
211 the time of the <function>malloc</function> call.
212 When the client calls <function>free</function>,
213 Valgrind tries to find the shadow block corresponding to the
214 address passed to <function>free</function>, and
215 emits an error message if none can be found.  If it is found, the
216 block is placed on the freed blocks queue
217 <computeroutput>vg_freed_list</computeroutput>, it is marked as
218 inaccessible, and its shadow block now records the call stack at
219 the time of the <function>free</function> call.
220 Keeping <computeroutput>free</computeroutput>'d blocks in this
221 queue allows Valgrind to spot all (presumably invalid) accesses
222 to them.  However, once the volume of blocks in the free queue
223 exceeds <function>VG_(clo_freelist_vol)</function>,
224 blocks are finally removed from the queue.</para>
226 <para>Keeping track of <literal>A</literal> and
227 <literal>V</literal> bits (note: if you don't know what these
228 are, you haven't read the user guide carefully enough) for memory
229 is done in <filename>vg_memory.c</filename>.  This implements a
230 sparse array structure which covers the entire 4G address space
231 in a way which is reasonably fast and reasonably space efficient.
232 The 4G address space is divided up into 64K sections, each
233 covering 64Kb of address space.  Given a 32-bit address, the top
234 16 bits are used to select one of the 65536 entries in
235 <function>VG_(primary_map)</function>.  The resulting
236 "secondary" (<computeroutput>SecMap</computeroutput>) holds A and
237 V bits for the 64k of address space chunk corresponding to the
238 lower 16 bits of the address.</para>
240 </sect2>
244 <sect2 id="mc-tech-docs.design" xreflabel="Design decisions">
245 <title>Design decisions</title>
247 <para>Some design decisions were motivated by the need to make
248 Valgrind debuggable.  Imagine you are writing a CPU simulator.
249 It works fairly well.  However, you run some large program, like
250 Netscape, and after tens of millions of instructions, it crashes.
251 How can you figure out where in your simulator the bug is?</para>
253 <para>Valgrind's answer is: cheat.  Valgrind is designed so that
254 it is possible to switch back to running the client program on
255 the real CPU at any point.  Using the
256 <option>--stop-after= </option> flag, you can ask
257 Valgrind to run just some number of basic blocks, and then run
258 the rest of the way on the real CPU.  If you are searching for a
259 bug in the simulated CPU, you can use this to do a binary search,
260 which quickly leads you to the specific basic block which is
261 causing the problem.</para>
263 <para>This is all very handy.  It does constrain the design in
264 certain unimportant ways.  Firstly, the layout of memory, when
265 viewed from the client's point of view, must be identical
266 regardless of whether it is running on the real or simulated CPU.
267 This means that Valgrind can't do pointer swizzling -- well, no
268 great loss -- and it can't run on the same stack as the client --
269 again, no great loss.  Valgrind operates on its own stack,
270 <function>VG_(stack)</function>, which it switches to
271 at startup, temporarily switching back to the client's stack when
272 doing system calls for the client.</para>
274 <para>Valgrind also receives signals on its own stack,
275 <computeroutput>VG_(sigstack)</computeroutput>, but for different
276 gruesome reasons discussed below.</para>
278 <para>This nice clean
279 switch-back-to-the-real-CPU-whenever-you-like story is muddied by
280 signals.  Problem is that signals arrive at arbitrary times and
281 tend to slightly perturb the basic block count, with the result
282 that you can get close to the basic block causing a problem but
283 can't home in on it exactly.  My kludgey hack is to define
284 <computeroutput>SIGNAL_SIMULATION</computeroutput> to 1 towards
285 the bottom of <filename>vg_syscall_mem.c</filename>, so that
286 signal handlers are run on the real CPU and don't change the BB
287 counts.</para>
289 <para>A second hole in the switch-back-to-real-CPU story is that
290 Valgrind's way of delivering signals to the client is different
291 from that of the kernel.  Specifically, the layout of the signal
292 delivery frame, and the mechanism used to detect a sighandler
293 returning, are different.  So you can't expect to make the
294 transition inside a sighandler and still have things working, but
295 in practice that's not much of a restriction.</para>
297 <para>Valgrind's implementation of
298 <function>malloc</function>,
299 <function>free</function>, etc, (in
300 <filename>vg_clientmalloc.c</filename>, not the low-level stuff
301 in <filename>vg_malloc2.c</filename>) is somewhat complicated by
302 the need to handle switching back at arbitrary points.  It does
303 work tho.</para>
305 </sect2>
309 <sect2 id="mc-tech-docs.correctness" xreflabel="Correctness">
310 <title>Correctness</title>
312 <para>There's only one of me, and I have a Real Life (tm) as well
313 as hacking Valgrind [allegedly :-].  That means I don't have time
314 to waste chasing endless bugs in Valgrind.  My emphasis is
315 therefore on doing everything as simply as possible, with
316 correctness, stability and robustness being the number one
317 priority, more important than performance or functionality.  As a
318 result:</para>
320 <itemizedlist>
322   <listitem>
323     <para>The code is absolutely loaded with assertions, and
324     these are <command>permanently enabled.</command> I have no
325     plan to remove or disable them later.  Over the past couple
326     of months, as valgrind has become more widely used, they have
327     shown their worth, pulling up various bugs which would
328     otherwise have appeared as hard-to-find segmentation
329     faults.</para>
331     <para>I am of the view that it's acceptable to spend 5% of
332     the total running time of your valgrindified program doing
333     assertion checks and other internal sanity checks.</para>
334   </listitem>
336   <listitem>
337     <para>Aside from the assertions, valgrind contains various
338     sets of internal sanity checks, which get run at varying
339     frequencies during normal operation.
340     <function>VG_(do_sanity_checks)</function> runs
341     every 1000 basic blocks, which means 500 to 2000 times/second
342     for typical machines at present.  It checks that Valgrind
343     hasn't overrun its private stack, and does some simple checks
344     on the memory permissions maps.  Once every 25 calls it does
345     some more extensive checks on those maps.  Etc, etc.</para>
346     <para>The following components also have sanity check code,
347     which can be enabled to aid debugging:</para>
348     <itemizedlist>
349       <listitem><para>The low-level memory-manager
350         (<computeroutput>VG_(mallocSanityCheckArena)</computeroutput>).
351         This does a complete check of all blocks and chains in an
352         arena, which is very slow.  Is not engaged by default.</para>
353       </listitem>
355       <listitem>
356         <para>The symbol table reader(s): various checks to
357         ensure uniqueness of mappings; see
358         <function>VG_(read_symbols)</function> for a
359         start.  Is permanently engaged.</para>
360       </listitem>
362       <listitem>
363         <para>The A and V bit tracking stuff in
364         <filename>vg_memory.c</filename>.  This can be compiled
365         with cpp symbol
366         <computeroutput>VG_DEBUG_MEMORY</computeroutput> defined,
367         which removes all the fast, optimised cases, and uses
368         simple-but-slow fallbacks instead.  Not engaged by
369         default.</para>
370       </listitem>
372       <listitem>
373         <para>Ditto
374         <computeroutput>VG_DEBUG_LEAKCHECK</computeroutput>.</para>
375       </listitem>
377       <listitem>
378         <para>The JITter parses x86 basic blocks into sequences
379         of UCode instructions.  It then sanity checks each one
380         with <function>VG_(saneUInstr)</function> and
381         sanity checks the sequence as a whole with
382         <function>VG_(saneUCodeBlock)</function>.
383         This stuff is engaged by default, and has caught some
384         way-obscure bugs in the simulated CPU machinery in its
385         time.</para>
386       </listitem>
388       <listitem>
389         <para>The system call wrapper does
390         <function>VG_(first_and_last_secondaries_look_plausible)</function>
391         after every syscall; this is known to pick up bugs in the
392         syscall wrappers.  Engaged by default.</para>
393       </listitem>
395       <listitem>
396         <para>The main dispatch loop, in
397         <function>VG_(dispatch)</function>, checks
398         that translations do not set
399         <computeroutput>%ebp</computeroutput> to any value
400         different from
401         <computeroutput>VG_EBP_DISPATCH_CHECKED</computeroutput>
402         or <computeroutput>&amp; VG_(baseBlock)</computeroutput>.
403         In effect this test is free, and is permanently
404         engaged.</para>
405       </listitem>
407       <listitem>
408         <para>There are a couple of ifdefed-out consistency
409         checks I inserted whilst debugging the new register
410         allocater,
411         <computeroutput>vg_do_register_allocation</computeroutput>.</para>
412       </listitem>
413     </itemizedlist>
414   </listitem>
416   <listitem>
417     <para>I try to avoid techniques, algorithms, mechanisms, etc,
418     for which I can supply neither a convincing argument that
419     they are correct, nor sanity-check code which might pick up
420     bugs in my implementation.  I don't always succeed in this,
421     but I try.  Basically the idea is: avoid techniques which
422     are, in practice, unverifiable, in some sense.  When doing
423     anything, always have in mind: "how can I verify that this is
424     correct?"</para>
425   </listitem>
427 </itemizedlist>
430 <para>Some more specific things are:</para>
431 <itemizedlist>
432   <listitem>
433     <para>Valgrind runs in the same namespace as the client, at
434     least from <filename>ld.so</filename>'s point of view, and it
435     therefore absolutely had better not export any symbol with a
436     name which could clash with that of the client or any of its
437     libraries.  Therefore, all globally visible symbols exported
438     from <filename>valgrind.so</filename> are defined using the
439     <computeroutput>VG_</computeroutput> CPP macro.  As you'll
440     see from <filename>vg_constants.h</filename>, this appends
441     some arbitrary prefix to the symbol, in order that it be, we
442     hope, globally unique.  Currently the prefix is
443     <computeroutput>vgPlain_</computeroutput>.  For convenience
444     there are also <computeroutput>VGM_</computeroutput>,
445     <computeroutput>VGP_</computeroutput> and
446     <computeroutput>VGOFF_</computeroutput>.  All locally defined
447     symbols are declared <computeroutput>static</computeroutput>
448     and do not appear in the final shared object.</para>
450     <para>To check this, I periodically do <computeroutput>nm
451     valgrind.so | grep " T "</computeroutput>, which shows you
452     all the globally exported text symbols.  They should all have
453     an approved prefix, except for those like
454     <function>malloc</function>,
455     <function>free</function>, etc, which we
456     deliberately want to shadow and take precedence over the same
457     names exported from <filename>glibc.so</filename>, so that
458     valgrind can intercept those calls easily.  Similarly,
459     <computeroutput>nm valgrind.so | grep " D "</computeroutput>
460     allows you to find any rogue data-segment symbol
461     names.</para>
462   </listitem>
464   <listitem>
465     <para>Valgrind tries, and almost succeeds, in being
466     completely independent of all other shared objects, in
467     particular of <filename>glibc.so</filename>.  For example, we
468     have our own low-level memory manager in
469     <filename>vg_malloc2.c</filename>, which is a fairly standard
470     malloc/free scheme augmented with arenas, and
471     <filename>vg_mylibc.c</filename> exports reimplementations of
472     various bits and pieces you'd normally get from the C
473     library.</para>
475     <para>Why all the hassle?  Because imagine the potential
476     chaos of both the simulated and real CPUs executing in
477     <filename>glibc.so</filename>.  It just seems simpler and
478     cleaner to be completely self-contained, so that only the
479     simulated CPU visits <filename>glibc.so</filename>.  In
480     practice it's not much hassle anyway.  Also, valgrind starts
481     up before glibc has a chance to initialise itself, and who
482     knows what difficulties that could lead to.  Finally, glibc
483     has definitions for some types, specifically
484     <computeroutput>sigset_t</computeroutput>, which conflict
485     (are different from) the Linux kernel's idea of same.  When
486     Valgrind wants to fiddle around with signal stuff, it wants
487     to use the kernel's definitions, not glibc's definitions.  So
488     it's simplest just to keep glibc out of the picture
489     entirely.</para>
491     <para>To find out which glibc symbols are used by Valgrind,
492     reinstate the link flags <option>-nostdlib
493     -Wl,-no-undefined</option>.  This causes linking to
494     fail, but will tell you what you depend on.  I have mostly,
495     but not entirely, got rid of the glibc dependencies; what
496     remains is, IMO, fairly harmless.  AFAIK the current
497     dependencies are: <computeroutput>memset</computeroutput>,
498     <computeroutput>memcmp</computeroutput>,
499     <computeroutput>stat</computeroutput>,
500     <computeroutput>system</computeroutput>,
501     <computeroutput>sbrk</computeroutput>,
502     <computeroutput>setjmp</computeroutput> and
503     <computeroutput>longjmp</computeroutput>.</para>
504   </listitem>
506   <listitem>
507     <para>Similarly, valgrind should not really import any
508     headers other than the Linux kernel headers, since it knows
509     of no API other than the kernel interface to talk to.  At the
510     moment this is really not in a good state, and
511     <computeroutput>vg_syscall_mem</computeroutput> imports, via
512     <filename>vg_unsafe.h</filename>, a significant number of
513     C-library headers so as to know the sizes of various structs
514     passed across the kernel boundary.  This is of course
515     completely bogus, since there is no guarantee that the C
516     library's definitions of these structs matches those of the
517     kernel.  I have started to sort this out using
518     <filename>vg_kerneliface.h</filename>, into which I had
519     intended to copy all kernel definitions which valgrind could
520     need, but this has not gotten very far.  At the moment it
521     mostly contains definitions for
522     <computeroutput>sigset_t</computeroutput> and
523     <computeroutput>struct sigaction</computeroutput>, since the
524     kernel's definition for these really does clash with glibc's.
525     I plan to use a <computeroutput>vki_</computeroutput> prefix
526     on all these types and constants, to denote the fact that
527     they pertain to <command>V</command>algrind's
528     <command>K</command>ernel
529     <command>I</command>nterface.</para>
531     <para>Another advantage of having a
532     <filename>vg_kerneliface.h</filename> file is that it makes
533     it simpler to interface to a different kernel.  Once can, for
534     example, easily imagine writing a new
535     <filename>vg_kerneliface.h</filename> for FreeBSD, or x86
536     NetBSD.</para>
537   </listitem>
539 </itemizedlist>
541 </sect2>
545 <sect2 id="mc-tech-docs.limits" xreflabel="Current limitations">
546 <title>Current limitations</title>
548 <para>Support for weird (non-POSIX) signal stuff is patchy.  Does
549 anybody care?</para>
551 </sect2>
553 </sect1>
559 <sect1 id="mc-tech-docs.jitter" xreflabel="The instrumenting JITter">
560 <title>The instrumenting JITter</title>
562 <para>This really is the heart of the matter.  We begin with
563 various side issues.</para>
566 <sect2 id="mc-tech-docs.storage" 
567        xreflabel="Run-time storage, and the use of host registers">
568 <title>Run-time storage, and the use of host registers</title>
570 <para>Valgrind translates client (original) basic blocks into
571 instrumented basic blocks, which live in the translation cache
572 TC, until either the client finishes or the translations are
573 ejected from TC to make room for newer ones.</para>
575 <para>Since it generates x86 code in memory, Valgrind has
576 complete control of the use of registers in the translations.
577 Now pay attention.  I shall say this only once, and it is
578 important you understand this.  In what follows I will refer to
579 registers in the host (real) cpu using their standard names,
580 <computeroutput>%eax</computeroutput>,
581 <computeroutput>%edi</computeroutput>, etc.  I refer to registers
582 in the simulated CPU by capitalising them:
583 <computeroutput>%EAX</computeroutput>,
584 <computeroutput>%EDI</computeroutput>, etc.  These two sets of
585 registers usually bear no direct relationship to each other;
586 there is no fixed mapping between them.  This naming scheme is
587 used fairly consistently in the comments in the sources.</para>
589 <para>Host registers, once things are up and running, are used as
590 follows:</para>
592 <itemizedlist>
593   <listitem>
594     <para><computeroutput>%esp</computeroutput>, the real stack
595     pointer, points somewhere in Valgrind's private stack area,
596     <computeroutput>VG_(stack)</computeroutput> or, transiently,
597     into its signal delivery stack,
598     <computeroutput>VG_(sigstack)</computeroutput>.</para>
599   </listitem>
601   <listitem>
602     <para><computeroutput>%edi</computeroutput> is used as a
603     temporary in code generation; it is almost always dead,
604     except when used for the
605     <computeroutput>Left</computeroutput> value-tag operations.</para>
606   </listitem>
608   <listitem>
609     <para><computeroutput>%eax</computeroutput>,
610     <computeroutput>%ebx</computeroutput>,
611     <computeroutput>%ecx</computeroutput>,
612     <computeroutput>%edx</computeroutput> and
613     <computeroutput>%esi</computeroutput> are available to
614     Valgrind's register allocator.  They are dead (carry
615     unimportant values) in between translations, and are live
616     only in translations.  The one exception to this is
617     <computeroutput>%eax</computeroutput>, which, as mentioned
618     far above, has a special significance to the dispatch loop
619     <computeroutput>VG_(dispatch)</computeroutput>: when a
620     translation returns to the dispatch loop,
621     <computeroutput>%eax</computeroutput> is expected to contain
622     the original-code-address of the next translation to run.
623     The register allocator is so good at minimising spill code
624     that using five regs and not having to save/restore
625     <computeroutput>%edi</computeroutput> actually gives better
626     code than allocating to <computeroutput>%edi</computeroutput>
627     as well, but then having to push/pop it around special
628     uses.</para>
629   </listitem>
631   <listitem>
632     <para><computeroutput>%ebp</computeroutput> points
633     permanently at
634     <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput>.  Valgrind's
635     translations are position-independent, partly because this is
636     convenient, but also because translations get moved around in
637     TC as part of the LRUing activity.  <command>All</command>
638     static entities which need to be referred to from generated
639     code, whether data or helper functions, are stored starting
640     at <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput> and are
641     therefore reached by indexing from
642     <computeroutput>%ebp</computeroutput>.  There is but one
643     exception, which is that by placing the value
644     <computeroutput>VG_EBP_DISPATCH_CHECKED</computeroutput> in
645     <computeroutput>%ebp</computeroutput> just before a return to
646     the dispatcher, the dispatcher is informed that the next
647     address to run, in <computeroutput>%eax</computeroutput>,
648     requires special treatment.</para>
649   </listitem>
651   <listitem>
652     <para>The real machine's FPU state is pretty much
653     unimportant, for reasons which will become obvious.  Ditto
654     its <computeroutput>%eflags</computeroutput> register.</para>
655   </listitem>
657 </itemizedlist>
659 <para>The state of the simulated CPU is stored in memory, in
660 <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput>, which is a block
661 of 200 words IIRC.  Recall that
662 <computeroutput>%ebp</computeroutput> points permanently at the
663 start of this block.  Function
664 <computeroutput>vg_init_baseBlock</computeroutput> decides what
665 the offsets of various entities in
666 <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput> are to be, and
667 allocates word offsets for them.  The code generator then emits
668 <computeroutput>%ebp</computeroutput> relative addresses to get
669 at those things.  The sequence in which entities are allocated
670 has been carefully chosen so that the 32 most popular entities
671 come first, because this means 8-bit offsets can be used in the
672 generated code.</para>
674 <para>If I was clever, I could make
675 <computeroutput>%ebp</computeroutput> point 32 words along
676 <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput>, so that I'd have
677 another 32 words of short-form offsets available, but that's just
678 complicated, and it's not important -- the first 32 words take
679 99% (or whatever) of the traffic.</para>
681 <para>Currently, the sequence of stuff in
682 <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput> is as
683 follows:</para>
685 <itemizedlist>
686   <listitem>
687     <para>9 words, holding the simulated integer registers,
688     <computeroutput>%EAX</computeroutput>
689     .. <computeroutput>%EDI</computeroutput>, and the simulated
690     flags, <computeroutput>%EFLAGS</computeroutput>.</para>
691   </listitem>
693   <listitem>
694     <para>Another 9 words, holding the V bit "shadows" for the
695     above 9 regs.</para>
696   </listitem>
698   <listitem>
699     <para>The <command>addresses</command> of various helper
700     routines called from generated code:
701     <computeroutput>VG_(helper_value_check4_fail)</computeroutput>,
702     <computeroutput>VG_(helper_value_check0_fail)</computeroutput>,
703     which register V-check failures,
704     <computeroutput>VG_(helperc_STOREV4)</computeroutput>,
705     <computeroutput>VG_(helperc_STOREV1)</computeroutput>,
706     <computeroutput>VG_(helperc_LOADV4)</computeroutput>,
707     <computeroutput>VG_(helperc_LOADV1)</computeroutput>, which
708     do stores and loads of V bits to/from the sparse array which
709     keeps track of V bits in memory, and
710     <computeroutput>VGM_(handle_esp_assignment)</computeroutput>,
711     which messes with memory addressability resulting from
712     changes in <computeroutput>%ESP</computeroutput>.</para>
713   </listitem>
715   <listitem>
716     <para>The simulated <computeroutput>%EIP</computeroutput>.</para>
717   </listitem>
719   <listitem>
720     <para>24 spill words, for when the register allocator can't
721     make it work with 5 measly registers.</para>
722   </listitem>
724   <listitem>
725     <para>Addresses of helpers
726     <computeroutput>VG_(helperc_STOREV2)</computeroutput>,
727     <computeroutput>VG_(helperc_LOADV2)</computeroutput>.  These
728     are here because 2-byte loads and stores are relatively rare,
729     so are placed above the magic 32-word offset boundary.</para>
730   </listitem>
732   <listitem>
733     <para>For similar reasons, addresses of helper functions
734     <computeroutput>VGM_(fpu_write_check)</computeroutput> and
735     <computeroutput>VGM_(fpu_read_check)</computeroutput>, which
736     handle the A/V maps testing and changes required by FPU
737     writes/reads.</para>
738   </listitem>
740   <listitem>
741     <para>Some other boring helper addresses:
742     <computeroutput>VG_(helper_value_check2_fail)</computeroutput>
743     and
744     <computeroutput>VG_(helper_value_check1_fail)</computeroutput>.
745     These are probably never emitted now, and should be
746     removed.</para>
747   </listitem>
749   <listitem>
750     <para>The entire state of the simulated FPU, which I believe
751     to be 108 bytes long.</para>
752   </listitem>
754   <listitem>
755     <para>Finally, the addresses of various other helper
756     functions in <filename>vg_helpers.S</filename>, which deal
757     with rare situations which are tedious or difficult to
758     generate code in-line for.</para>
759   </listitem>
761 </itemizedlist>
763 <para>As a general rule, the simulated machine's state lives
764 permanently in memory at
765 <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput>.  However, the
766 JITter does some optimisations which allow the simulated integer
767 registers to be cached in real registers over multiple simulated
768 instructions within the same basic block.  These are always
769 flushed back into memory at the end of every basic block, so that
770 the in-memory state is up-to-date between basic blocks.  (This
771 flushing is implied by the statement above that the real
772 machine's allocatable registers are dead in between simulated
773 blocks).</para>
775 </sect2>
779 <sect2 id="mc-tech-docs.startup" 
780        xreflabel="Startup, shutdown, and system calls">
781 <title>Startup, shutdown, and system calls</title>
783 <para>Getting into of Valgrind
784 (<computeroutput>VG_(startup)</computeroutput>, called from
785 <filename>valgrind.so</filename>'s initialisation section),
786 really means copying the real CPU's state into
787 <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput>, and then
788 installing our own stack pointer, etc, into the real CPU, and
789 then starting up the JITter.  Exiting valgrind involves copying
790 the simulated state back to the real state.</para>
792 <para>Unfortunately, there's a complication at startup time.
793 Problem is that at the point where we need to take a snapshot of
794 the real CPU's state, the offsets in
795 <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput> are not set up
796 yet, because to do so would involve disrupting the real machine's
797 state significantly.  The way round this is to dump the real
798 machine's state into a temporary, static block of memory,
799 <computeroutput>VG_(m_state_static)</computeroutput>.  We can
800 then set up the <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput>
801 offsets at our leisure, and copy into it from
802 <computeroutput>VG_(m_state_static)</computeroutput> at some
803 convenient later time.  This copying is done by
804 <computeroutput>VG_(copy_m_state_static_to_baseBlock)</computeroutput>.</para>
806 <para>On exit, the inverse transformation is (rather
807 unnecessarily) used: stuff in
808 <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput> is copied to
809 <computeroutput>VG_(m_state_static)</computeroutput>, and the
810 assembly stub then copies from
811 <computeroutput>VG_(m_state_static)</computeroutput> into the
812 real machine registers.</para>
814 <para>Doing system calls on behalf of the client
815 (<filename>vg_syscall.S</filename>) is something of a half-way
816 house.  We have to make the world look sufficiently like that
817 which the client would normally have to make the syscall actually
818 work properly, but we can't afford to lose control.  So the trick
819 is to copy all of the client's state, <command>except its program
820 counter</command>, into the real CPU, do the system call, and
821 copy the state back out.  Note that the client's state includes
822 its stack pointer register, so one effect of this partial
823 restoration is to cause the system call to be run on the client's
824 stack, as it should be.</para>
826 <para>As ever there are complications.  We have to save some of
827 our own state somewhere when restoring the client's state into
828 the CPU, so that we can keep going sensibly afterwards.  In fact
829 the only thing which is important is our own stack pointer, but
830 for paranoia reasons I save and restore our own FPU state as
831 well, even though that's probably pointless.</para>
833 <para>The complication on the above complication is, that for
834 horrible reasons to do with signals, we may have to handle a
835 second client system call whilst the client is blocked inside
836 some other system call (unbelievable!).  That means there's two
837 sets of places to dump Valgrind's stack pointer and FPU state
838 across the syscall, and we decide which to use by consulting
839 <computeroutput>VG_(syscall_depth)</computeroutput>, which is in
840 turn maintained by
841 <computeroutput>VG_(wrap_syscall)</computeroutput>.</para>
843 </sect2>
847 <sect2 id="mc-tech-docs.ucode" xreflabel="Introduction to UCode">
848 <title>Introduction to UCode</title>
850 <para>UCode lies at the heart of the x86-to-x86 JITter.  The
851 basic premise is that dealing with the x86 instruction set head-on
852 is just too darn complicated, so we do the traditional
853 compiler-writer's trick and translate it into a simpler,
854 easier-to-deal-with form.</para>
856 <para>In normal operation, translation proceeds through six
857 stages, coordinated by
858 <computeroutput>VG_(translate)</computeroutput>:</para>
860 <orderedlist>
861   <listitem>
862     <para>Parsing of an x86 basic block into a sequence of UCode
863     instructions (<computeroutput>VG_(disBB)</computeroutput>).</para>
864   </listitem>
866   <listitem>
867     <para>UCode optimisation
868     (<computeroutput>vg_improve</computeroutput>), with the aim
869     of caching simulated registers in real registers over
870     multiple simulated instructions, and removing redundant
871     simulated <computeroutput>%EFLAGS</computeroutput>
872     saving/restoring.</para>
873   </listitem>
875   <listitem>
876     <para>UCode instrumentation
877     (<computeroutput>vg_instrument</computeroutput>), which adds
878     value and address checking code.</para>
879   </listitem>
881   <listitem>
882     <para>Post-instrumentation cleanup
883     (<computeroutput>vg_cleanup</computeroutput>), removing
884     redundant value-check computations.</para>
885   </listitem>
887   <listitem>
888     <para>Register allocation
889     (<computeroutput>vg_do_register_allocation</computeroutput>),
890     which, note, is done on UCode.</para>
891   </listitem>
893   <listitem>
894     <para>Emission of final instrumented x86 code
895     (<computeroutput>VG_(emit_code)</computeroutput>).</para>
896   </listitem>
898 </orderedlist>
900 <para>Notice how steps 2, 3, 4 and 5 are simple UCode-to-UCode
901 transformation passes, all on straight-line blocks of UCode (type
902 <computeroutput>UCodeBlock</computeroutput>).  Steps 2 and 4 are
903 optimisation passes and can be disabled for debugging purposes,
904 with <option>--optimise=no</option> and
905 <option>--cleanup=no</option> respectively.</para>
907 <para>Valgrind can also run in a no-instrumentation mode, given
908 <option>--instrument=no</option>.  This is useful
909 for debugging the JITter quickly without having to deal with the
910 complexity of the instrumentation mechanism too.  In this mode,
911 steps 3 and 4 are omitted.</para>
913 <para>These flags combine, so that
914 <option>--instrument=no</option> together with
915 <option>--optimise=no</option> means only steps
916 1, 5 and 6 are used.
917 <option>--single-step=yes</option> causes each
918 x86 instruction to be treated as a single basic block.  The
919 translations are terrible but this is sometimes instructive.</para>
921 <para>The <option>--stop-after=N</option> flag
922 switches back to the real CPU after
923 <computeroutput>N</computeroutput> basic blocks.  It also re-JITs
924 the final basic block executed and prints the debugging info
925 resulting, so this gives you a way to get a quick snapshot of how
926 a basic block looks as it passes through the six stages mentioned
927 above.  If you want to see full information for every block
928 translated (probably not, but still ...) find, in
929 <computeroutput>VG_(translate)</computeroutput>, the lines</para>
930 <programlisting><![CDATA[
931 dis = True;
932 dis = debugging_translation;]]></programlisting>
934 <para>and comment out the second line.  This will spew out
935 debugging junk faster than you can possibly imagine.</para>
937 </sect2>
941 <sect2 id="mc-tech-docs.tags" xreflabel="UCode operand tags: type 'Tag'">
942 <title>UCode operand tags: type <computeroutput>Tag</computeroutput></title>
944 <para>UCode is, more or less, a simple two-address RISC-like
945 code.  In keeping with the x86 AT&amp;T assembly syntax,
946 generally speaking the first operand is the source operand, and
947 the second is the destination operand, which is modified when the
948 uinstr is notionally executed.</para>
950 <para>UCode instructions have up to three operand fields, each of
951 which has a corresponding <computeroutput>Tag</computeroutput>
952 describing it.  Possible values for the tag are:</para>
954 <itemizedlist>
956   <listitem>
957     <para><computeroutput>NoValue</computeroutput>: indicates
958     that the field is not in use.</para>
959   </listitem>
961   <listitem>
962     <para><computeroutput>Lit16</computeroutput>: the field
963     contains a 16-bit literal.</para>
964   </listitem>
966   <listitem>
967     <para><computeroutput>Literal</computeroutput>: the field
968     denotes a 32-bit literal, whose value is stored in the
969     <computeroutput>lit32</computeroutput> field of the uinstr
970     itself.  Since there is only one
971     <computeroutput>lit32</computeroutput> for the whole uinstr,
972     only one operand field may contain this tag.</para>
973   </listitem>
975   <listitem>
976     <para><computeroutput>SpillNo</computeroutput>: the field
977     contains a spill slot number, in the range 0 to 23 inclusive,
978     denoting one of the spill slots contained inside
979     <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput>.  Such tags
980     only exist after register allocation.</para>
981   </listitem>
983   <listitem>
984     <para><computeroutput>RealReg</computeroutput>: the field
985     contains a number in the range 0 to 7 denoting an integer x86
986     ("real") register on the host.  The number is the Intel
987     encoding for integer registers.  Such tags only exist after
988     register allocation.</para>
989   </listitem>
991   <listitem>
992     <para><computeroutput>ArchReg</computeroutput>: the field
993     contains a number in the range 0 to 7 denoting an integer x86
994     register on the simulated CPU.  In reality this means a
995     reference to one of the first 8 words of
996     <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput>.  Such tags
997     can exist at any point in the translation process.</para>
998   </listitem>
1000   <listitem>
1001     <para>Last, but not least,
1002     <computeroutput>TempReg</computeroutput>.  The field contains
1003     the number of one of an infinite set of virtual (integer)
1004     registers. <computeroutput>TempReg</computeroutput>s are used
1005     everywhere throughout the translation process; you can have
1006     as many as you want.  The register allocator maps as many as
1007     it can into <computeroutput>RealReg</computeroutput>s and
1008     turns the rest into
1009     <computeroutput>SpillNo</computeroutput>s, so
1010     <computeroutput>TempReg</computeroutput>s should not exist
1011     after the register allocation phase.</para>
1013     <para><computeroutput>TempReg</computeroutput>s are always 32
1014     bits long, even if the data they hold is logically shorter.
1015     In that case the upper unused bits are required, and, I
1016     think, generally assumed, to be zero.
1017     <computeroutput>TempReg</computeroutput>s holding V bits for
1018     quantities shorter than 32 bits are expected to have ones in
1019     the unused places, since a one denotes "undefined".</para>
1020   </listitem>
1022 </itemizedlist>
1024 </sect2>
1028 <sect2 id="mc-tech-docs.uinstr" 
1029        xreflabel="UCode instructions: type 'UInstr'">
1030 <title>UCode instructions: type <computeroutput>UInstr</computeroutput></title>
1032 <para>UCode was carefully designed to make it possible to do
1033 register allocation on UCode and then translate the result into
1034 x86 code without needing any extra registers ... well, that was
1035 the original plan, anyway.  Things have gotten a little more
1036 complicated since then.  In what follows, UCode instructions are
1037 referred to as uinstrs, to distinguish them from x86
1038 instructions.  Uinstrs of course have uopcodes which are
1039 (naturally) different from x86 opcodes.</para>
1041 <para>A uinstr (type <computeroutput>UInstr</computeroutput>)
1042 contains various fields, not all of which are used by any one
1043 uopcode:</para>
1045 <itemizedlist>
1047   <listitem>
1048     <para>Three 16-bit operand fields,
1049     <computeroutput>val1</computeroutput>,
1050     <computeroutput>val2</computeroutput> and
1051     <computeroutput>val3</computeroutput>.</para>
1052   </listitem>
1054   <listitem>
1055     <para>Three tag fields,
1056     <computeroutput>tag1</computeroutput>,
1057     <computeroutput>tag2</computeroutput> and
1058     <computeroutput>tag3</computeroutput>.  Each of these has a
1059     value of type <computeroutput>Tag</computeroutput>, and they
1060     describe what the <computeroutput>val1</computeroutput>,
1061     <computeroutput>val2</computeroutput> and
1062     <computeroutput>val3</computeroutput> fields contain.</para>
1063   </listitem>
1065   <listitem>
1066     <para>A 32-bit literal field.</para>
1067   </listitem>
1069   <listitem>
1070     <para>Two <computeroutput>FlagSet</computeroutput>s,
1071     specifying which x86 condition codes are read and written by
1072     the uinstr.</para>
1073   </listitem>
1075   <listitem>
1076     <para>An opcode byte, containing a value of type
1077     <computeroutput>Opcode</computeroutput>.</para>
1078   </listitem>
1080   <listitem>
1081     <para>A size field, indicating the data transfer size
1082     (1/2/4/8/10) in cases where this makes sense, or zero
1083     otherwise.</para>
1084   </listitem>
1086   <listitem>
1087     <para>A condition-code field, which, for jumps, holds a value
1088     of type <computeroutput>Condcode</computeroutput>, indicating
1089     the condition which applies.  The encoding is as it is in the
1090     x86 insn stream, except we add a 17th value
1091     <computeroutput>CondAlways</computeroutput> to indicate an
1092     unconditional transfer.</para>
1093   </listitem>
1095   <listitem>
1096     <para>Various 1-bit flags, indicating whether this insn
1097     pertains to an x86 CALL or RET instruction, whether a
1098     widening is signed or not, etc.</para>
1099   </listitem>
1101 </itemizedlist>
1103 <para>UOpcodes (type <computeroutput>Opcode</computeroutput>) are
1104 divided into two groups: those necessary merely to express the
1105 functionality of the x86 code, and extra uopcodes needed to
1106 express the instrumentation.  The former group contains:</para>
1108 <itemizedlist>
1110   <listitem>
1111     <para><computeroutput>GET</computeroutput> and
1112     <computeroutput>PUT</computeroutput>, which move values from
1113     the simulated CPU's integer registers
1114     (<computeroutput>ArchReg</computeroutput>s) into
1115     <computeroutput>TempReg</computeroutput>s, and back.
1116     <computeroutput>GETF</computeroutput> and
1117     <computeroutput>PUTF</computeroutput> do the corresponding
1118     thing for the simulated
1119     <computeroutput>%EFLAGS</computeroutput>.  There are no
1120     corresponding insns for the FPU register stack, since we
1121     don't explicitly simulate its registers.</para>
1122   </listitem>
1124   <listitem>
1125     <para><computeroutput>LOAD</computeroutput> and
1126     <computeroutput>STORE</computeroutput>, which, in RISC-like
1127     fashion, are the only uinstrs able to interact with
1128     memory.</para>
1129   </listitem>
1131   <listitem>
1132     <para><computeroutput>MOV</computeroutput> and
1133     <computeroutput>CMOV</computeroutput> allow unconditional and
1134     conditional moves of values between
1135     <computeroutput>TempReg</computeroutput>s.</para>
1136   </listitem>
1138   <listitem>
1139     <para>ALU operations.  Again in RISC-like fashion, these only
1140     operate on <computeroutput>TempReg</computeroutput>s (before
1141     reg-alloc) or <computeroutput>RealReg</computeroutput>s
1142     (after reg-alloc).  These are:
1143     <computeroutput>ADD</computeroutput>,
1144     <computeroutput>ADC</computeroutput>,
1145     <computeroutput>AND</computeroutput>,
1146     <computeroutput>OR</computeroutput>,
1147     <computeroutput>XOR</computeroutput>,
1148     <computeroutput>SUB</computeroutput>,
1149     <computeroutput>SBB</computeroutput>,
1150     <computeroutput>SHL</computeroutput>,
1151     <computeroutput>SHR</computeroutput>,
1152     <computeroutput>SAR</computeroutput>,
1153     <computeroutput>ROL</computeroutput>,
1154     <computeroutput>ROR</computeroutput>,
1155     <computeroutput>RCL</computeroutput>,
1156     <computeroutput>RCR</computeroutput>,
1157     <computeroutput>NOT</computeroutput>,
1158     <computeroutput>NEG</computeroutput>,
1159     <computeroutput>INC</computeroutput>,
1160     <computeroutput>DEC</computeroutput>,
1161     <computeroutput>BSWAP</computeroutput>,
1162     <computeroutput>CC2VAL</computeroutput> and
1163     <computeroutput>WIDEN</computeroutput>.
1164     <computeroutput>WIDEN</computeroutput> does signed or
1165     unsigned value widening.
1166     <computeroutput>CC2VAL</computeroutput> is used to convert
1167     condition codes into a value, zero or one.  The rest are
1168     obvious.</para>
1170     <para>To allow for more efficient code generation, we bend
1171     slightly the restriction at the start of the previous para:
1172     for <computeroutput>ADD</computeroutput>,
1173     <computeroutput>ADC</computeroutput>,
1174     <computeroutput>XOR</computeroutput>,
1175     <computeroutput>SUB</computeroutput> and
1176     <computeroutput>SBB</computeroutput>, we allow the first
1177     (source) operand to also be an
1178     <computeroutput>ArchReg</computeroutput>, that is, one of the
1179     simulated machine's registers.  Also, many of these ALU ops
1180     allow the source operand to be a literal.  See
1181     <computeroutput>VG_(saneUInstr)</computeroutput> for the
1182     final word on the allowable forms of uinstrs.</para>
1183   </listitem>
1185   <listitem>
1186     <para><computeroutput>LEA1</computeroutput> and
1187     <computeroutput>LEA2</computeroutput> are not strictly
1188     necessary, but facilitate better translations.  They
1189     record the fancy x86 addressing modes in a direct way, which
1190     allows those amodes to be emitted back into the final
1191     instruction stream more or less verbatim.</para>
1192   </listitem>
1194   <listitem>
1195     <para><computeroutput>CALLM</computeroutput> calls a
1196     machine-code helper, one of the methods whose address is
1197     stored at some
1198     <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput> offset.
1199     <computeroutput>PUSH</computeroutput> and
1200     <computeroutput>POP</computeroutput> move values to/from
1201     <computeroutput>TempReg</computeroutput> to the real
1202     (Valgrind's) stack, and
1203     <computeroutput>CLEAR</computeroutput> removes values from
1204     the stack.  <computeroutput>CALLM_S</computeroutput> and
1205     <computeroutput>CALLM_E</computeroutput> delimit the
1206     boundaries of call setups and clearings, for the benefit of
1207     the instrumentation passes.  Getting this right is critical,
1208     and so <computeroutput>VG_(saneUCodeBlock)</computeroutput>
1209     makes various checks on the use of these uopcodes.</para>
1211     <para>It is important to understand that these uopcodes have
1212     nothing to do with the x86
1213     <computeroutput>call</computeroutput>,
1214     <computeroutput>return,</computeroutput>
1215     <computeroutput>push</computeroutput> or
1216     <computeroutput>pop</computeroutput> instructions, and are
1217     not used to implement them.  Those guys turn into
1218     combinations of <computeroutput>GET</computeroutput>,
1219     <computeroutput>PUT</computeroutput>,
1220     <computeroutput>LOAD</computeroutput>,
1221     <computeroutput>STORE</computeroutput>,
1222     <computeroutput>ADD</computeroutput>,
1223     <computeroutput>SUB</computeroutput>, and
1224     <computeroutput>JMP</computeroutput>.  What these uopcodes
1225     support is calling of helper functions such as
1226     <computeroutput>VG_(helper_imul_32_64)</computeroutput>,
1227     which do stuff which is too difficult or tedious to emit
1228     inline.</para>
1229   </listitem>
1231   <listitem>
1232     <para><computeroutput>FPU</computeroutput>,
1233     <computeroutput>FPU_R</computeroutput> and
1234     <computeroutput>FPU_W</computeroutput>.  Valgrind doesn't
1235     attempt to simulate the internal state of the FPU at all.
1236     Consequently it only needs to be able to distinguish FPU ops
1237     which read and write memory from those that don't, and for
1238     those which do, it needs to know the effective address and
1239     data transfer size.  This is made easier because the x86 FP
1240     instruction encoding is very regular, basically consisting of
1241     16 bits for a non-memory FPU insn and 11 (IIRC) bits + an
1242     address mode for a memory FPU insn.  So our
1243     <computeroutput>FPU</computeroutput> uinstr carries the 16
1244     bits in its <computeroutput>val1</computeroutput> field.  And
1245     <computeroutput>FPU_R</computeroutput> and
1246     <computeroutput>FPU_W</computeroutput> carry 11 bits in that
1247     field, together with the identity of a
1248     <computeroutput>TempReg</computeroutput> or (later)
1249     <computeroutput>RealReg</computeroutput> which contains the
1250     address.</para>
1251   </listitem>
1253   <listitem>
1254     <para><computeroutput>JIFZ</computeroutput> is unique, in
1255     that it allows a control-flow transfer which is not deemed to
1256     end a basic block.  It causes a jump to a literal (original)
1257     address if the specified argument is zero.</para>
1258   </listitem>
1260   <listitem>
1261     <para>Finally, <computeroutput>INCEIP</computeroutput>
1262     advances the simulated <computeroutput>%EIP</computeroutput>
1263     by the specified literal amount.  This supports lazy
1264     <computeroutput>%EIP</computeroutput> updating, as described
1265     below.</para>
1266   </listitem>
1268 </itemizedlist>
1270 <para>Stages 1 and 2 of the 6-stage translation process mentioned
1271 above deal purely with these uopcodes, and no others.  They are
1272 sufficient to express pretty much all the x86 32-bit
1273 protected-mode instruction set, at least everything understood by
1274 a pre-MMX original Pentium (P54C).</para>
1276 <para>Stages 3, 4, 5 and 6 also deal with the following extra
1277 "instrumentation" uopcodes.  They are used to express all the
1278 definedness-tracking and -checking machinery which valgrind does.
1279 In later sections we show how to create checking code for each of
1280 the uopcodes above.  Note that these instrumentation uopcodes,
1281 although some appearing complicated, have been carefully chosen
1282 so that efficient x86 code can be generated for them.  GNU
1283 superopt v2.5 did a great job helping out here.  Anyways, the
1284 uopcodes are as follows:</para>
1286 <itemizedlist>
1288   <listitem>
1289     <para><computeroutput>GETV</computeroutput> and
1290     <computeroutput>PUTV</computeroutput> are analogues to
1291     <computeroutput>GET</computeroutput> and
1292     <computeroutput>PUT</computeroutput> above.  They are
1293     identical except that they move the V bits for the specified
1294     values back and forth to
1295     <computeroutput>TempRegs</computeroutput>, rather than moving
1296     the values themselves.</para>
1297   </listitem>
1299   <listitem>
1300     <para>Similarly, <computeroutput>LOADV</computeroutput> and
1301     <computeroutput>STOREV</computeroutput> read and write V bits
1302     from the synthesised shadow memory that Valgrind maintains.
1303     In fact they do more than that, since they also do
1304     address-validity checks, and emit complaints if the
1305     read/written addresses are unaddressable.</para>
1306   </listitem>
1308   <listitem>
1309     <para><computeroutput>TESTV</computeroutput>, whose
1310     parameters are a <computeroutput>TempReg</computeroutput> and
1311     a size, tests the V bits in the
1312     <computeroutput>TempReg</computeroutput>, at the specified
1313     operation size (0/1/2/4 byte) and emits an error if any of
1314     them indicate undefinedness.  This is the only uopcode
1315     capable of doing such tests.</para>
1316   </listitem>
1318   <listitem>
1319     <para><computeroutput>SETV</computeroutput>, whose parameters
1320     are also <computeroutput>TempReg</computeroutput> and a size,
1321     makes the V bits in the
1322     <computeroutput>TempReg</computeroutput> indicated
1323     definedness, at the specified operation size.  This is
1324     usually used to generate the correct V bits for a literal
1325     value, which is of course fully defined.</para>
1326   </listitem>
1328   <listitem>
1329     <para><computeroutput>GETVF</computeroutput> and
1330     <computeroutput>PUTVF</computeroutput> are analogues to
1331     <computeroutput>GETF</computeroutput> and
1332     <computeroutput>PUTF</computeroutput>.  They move the single
1333     V bit used to model definedness of
1334     <computeroutput>%EFLAGS</computeroutput> between its home in
1335     <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput> and the
1336     specified <computeroutput>TempReg</computeroutput>.</para>
1337   </listitem>
1339   <listitem>
1340     <para><computeroutput>TAG1</computeroutput> denotes one of a
1341     family of unary operations on
1342     <computeroutput>TempReg</computeroutput>s containing V bits.
1343     Similarly, <computeroutput>TAG2</computeroutput> denotes one
1344     in a family of binary operations on V bits.</para>
1345   </listitem>
1347 </itemizedlist>
1350 <para>These 10 uopcodes are sufficient to express Valgrind's
1351 entire definedness-checking semantics.  In fact most of the
1352 interesting magic is done by the
1353 <computeroutput>TAG1</computeroutput> and
1354 <computeroutput>TAG2</computeroutput> suboperations.</para>
1356 <para>First, however, I need to explain about V-vector operation
1357 sizes.  There are 4 sizes: 1, 2 and 4, which operate on groups of
1358 8, 16 and 32 V bits at a time, supporting the usual 1, 2 and 4
1359 byte x86 operations.  However there is also the mysterious size
1360 0, which really means a single V bit.  Single V bits are used in
1361 various circumstances; in particular, the definedness of
1362 <computeroutput>%EFLAGS</computeroutput> is modelled with a
1363 single V bit.  Now might be a good time to also point out that
1364 for V bits, 1 means "undefined" and 0 means "defined".
1365 Similarly, for A bits, 1 means "invalid address" and 0 means
1366 "valid address".  This seems counterintuitive (and so it is), but
1367 testing against zero on x86s saves instructions compared to
1368 testing against all 1s, because many ALU operations set the Z
1369 flag for free, so to speak.</para>
1371 <para>With that in mind, the tag ops are:</para>
1373 <itemizedlist>
1375   <listitem>
1376     <formalpara>
1377     <title>(UNARY) Pessimising casts:</title>
1378     <para><computeroutput>VgT_PCast40</computeroutput>,
1379     <computeroutput>VgT_PCast20</computeroutput>,
1380     <computeroutput>VgT_PCast10</computeroutput>,
1381     <computeroutput>VgT_PCast01</computeroutput>,
1382     <computeroutput>VgT_PCast02</computeroutput> and
1383     <computeroutput>VgT_PCast04</computeroutput>.  A "pessimising
1384     cast" takes a V-bit vector at one size, and creates a new one
1385     at another size, pessimised in the sense that if any of the
1386     bits in the source vector indicate undefinedness, then all
1387     the bits in the result indicate undefinedness.  In this case
1388     the casts are all to or from a single V bit, so for example
1389     <computeroutput>VgT_PCast40</computeroutput> is a pessimising
1390     cast from 32 bits to 1, whereas
1391     <computeroutput>VgT_PCast04</computeroutput> simply copies
1392     the single source V bit into all 32 bit positions in the
1393     result.  Surprisingly, these ops can all be implemented very
1394     efficiently.</para>
1395     </formalpara>
1397     <para>There are also the pessimising casts
1398     <computeroutput>VgT_PCast14</computeroutput>, from 8 bits to
1399     32, <computeroutput>VgT_PCast12</computeroutput>, from 8 bits
1400     to 16, and <computeroutput>VgT_PCast11</computeroutput>, from
1401     8 bits to 8.  This last one seems nonsensical, but in fact it
1402     isn't a no-op because, as mentioned above, any undefined (1)
1403     bits in the source infect the entire result.</para>
1404   </listitem>
1406   <listitem>
1407     <formalpara>
1408     <title>(UNARY) Propagating undefinedness upwards in a
1409     word:</title>
1410     <para><computeroutput>VgT_Left4</computeroutput>,
1411     <computeroutput>VgT_Left2</computeroutput> and
1412     <computeroutput>VgT_Left1</computeroutput>.  These are used
1413     to simulate the worst-case effects of carry propagation in
1414     adds and subtracts.  They return a V vector identical to the
1415     original, except that if the original contained any undefined
1416     bits, then it and all bits above it are marked as undefined
1417     too.  Hence the Left bit in the names.</para></formalpara>
1418   </listitem>
1420   <listitem>
1421     <formalpara>
1422     <title>(UNARY) Signed and unsigned value widening:</title> 
1423     <para><computeroutput>VgT_SWiden14</computeroutput>,
1424     <computeroutput>VgT_SWiden24</computeroutput>,
1425     <computeroutput>VgT_SWiden12</computeroutput>,
1426     <computeroutput>VgT_ZWiden14</computeroutput>,
1427     <computeroutput>VgT_ZWiden24</computeroutput> and
1428     <computeroutput>VgT_ZWiden12</computeroutput>.  These mimic
1429     the definedness effects of standard signed and unsigned
1430     integer widening.  Unsigned widening creates zero bits in the
1431     new positions, so
1432     <computeroutput>VgT_ZWiden*</computeroutput> accordingly park
1433     mark those parts of their argument as defined.  Signed
1434     widening copies the sign bit into the new positions, so
1435     <computeroutput>VgT_SWiden*</computeroutput> copies the
1436     definedness of the sign bit into the new positions.  Because
1437     1 means undefined and 0 means defined, these operations can
1438     (fascinatingly) be done by the same operations which they
1439     mimic.  Go figure.</para>
1440     </formalpara>
1441   </listitem>
1443   <listitem>
1444     <formalpara>
1445     <title>(BINARY) Undefined-if-either-Undefined,
1446     Defined-if-either-Defined:</title>
1447     <para><computeroutput>VgT_UifU4</computeroutput>,
1448     <computeroutput>VgT_UifU2</computeroutput>,
1449     <computeroutput>VgT_UifU1</computeroutput>,
1450     <computeroutput>VgT_UifU0</computeroutput>,
1451     <computeroutput>VgT_DifD4</computeroutput>,
1452     <computeroutput>VgT_DifD2</computeroutput>,
1453     <computeroutput>VgT_DifD1</computeroutput>.  These do simple
1454     bitwise operations on pairs of V-bit vectors, with
1455     <computeroutput>UifU</computeroutput> giving undefined if
1456     either arg bit is undefined, and
1457     <computeroutput>DifD</computeroutput> giving defined if
1458     either arg bit is defined.  Abstract interpretation junkies,
1459     if any make it this far, may like to think of them as meets
1460     and joins (or is it joins and meets) in the definedness
1461     lattices.</para>
1462     </formalpara>
1463   </listitem>
1465   <listitem>
1466     <formalpara>
1467     <title>(BINARY; one value, one V bits) Generate argument
1468     improvement terms for AND and OR</title>
1469     <para><computeroutput>VgT_ImproveAND4_TQ</computeroutput>,
1470     <computeroutput>VgT_ImproveAND2_TQ</computeroutput>,
1471     <computeroutput>VgT_ImproveAND1_TQ</computeroutput>,
1472     <computeroutput>VgT_ImproveOR4_TQ</computeroutput>,
1473     <computeroutput>VgT_ImproveOR2_TQ</computeroutput>,
1474     <computeroutput>VgT_ImproveOR1_TQ</computeroutput>.  These
1475     help out with AND and OR operations.  AND and OR have the
1476     inconvenient property that the definedness of the result
1477     depends on the actual values of the arguments as well as
1478     their definedness.  At the bit level:</para></formalpara>
1479 <programlisting><![CDATA[
1480 1 AND undefined = undefined, but
1481 0 AND undefined = 0, and
1482 similarly 
1483 0 OR undefined = undefined, but
1484 1 OR undefined = 1.]]></programlisting>
1485     
1486     <para>It turns out that gcc (quite legitimately) generates
1487     code which relies on this fact, so we have to model it
1488     properly in order to avoid flooding users with spurious value
1489     errors.  The ultimate definedness result of AND and OR is
1490     calculated using <computeroutput>UifU</computeroutput> on the
1491     definedness of the arguments, but we also
1492     <computeroutput>DifD</computeroutput> in some "improvement"
1493     terms which take into account the above phenomena.</para>
1495     <para><computeroutput>ImproveAND</computeroutput> takes as
1496     its first argument the actual value of an argument to AND
1497     (the T) and the definedness of that argument (the Q), and
1498     returns a V-bit vector which is defined (0) for bits which
1499     have value 0 and are defined; this, when
1500     <computeroutput>DifD</computeroutput> into the final result
1501     causes those bits to be defined even if the corresponding bit
1502     in the other argument is undefined.</para>
1504     <para>The <computeroutput>ImproveOR</computeroutput> ops do
1505     the dual thing for OR arguments.  Note that XOR does not have
1506     this property that one argument can make the other
1507     irrelevant, so there is no need for such complexity for
1508     XOR.</para>
1509   </listitem>
1511 </itemizedlist>
1513 <para>That's all the tag ops.  If you stare at this long enough,
1514 and then run Valgrind and stare at the pre- and post-instrumented
1515 ucode, it should be fairly obvious how the instrumentation
1516 machinery hangs together.</para>
1518 <para>One point, if you do this: in order to make it easy to
1519 differentiate <computeroutput>TempReg</computeroutput>s carrying
1520 values from <computeroutput>TempReg</computeroutput>s carrying V
1521 bit vectors, Valgrind prints the former as (for example)
1522 <computeroutput>t28</computeroutput> and the latter as
1523 <computeroutput>q28</computeroutput>; the fact that they carry
1524 the same number serves to indicate their relationship.  This is
1525 purely for the convenience of the human reader; the register
1526 allocator and code generator don't regard them as
1527 different.</para>
1529 </sect2>
1533 <sect2 id="mc-tech-docs.trans" xreflabel="Translation into UCode">
1534 <title>Translation into UCode</title>
1536 <para><computeroutput>VG_(disBB)</computeroutput> allocates a new
1537 <computeroutput>UCodeBlock</computeroutput> and then uses
1538 <computeroutput>disInstr</computeroutput> to translate x86
1539 instructions one at a time into UCode, dumping the result in the
1540 <computeroutput>UCodeBlock</computeroutput>.  This goes on until
1541 a control-flow transfer instruction is encountered.</para>
1543 <para>Despite the large size of
1544 <filename>vg_to_ucode.c</filename>, this translation is really
1545 very simple.  Each x86 instruction is translated entirely
1546 independently of its neighbours, merrily allocating new
1547 <computeroutput>TempReg</computeroutput>s as it goes.  The idea
1548 is to have a simple translator -- in reality, no more than a
1549 macro-expander -- and the -- resulting bad UCode translation is
1550 cleaned up by the UCode optimisation phase which follows.  To
1551 give you an idea of some x86 instructions and their translations
1552 (this is a complete basic block, as Valgrind sees it):</para>
1553 <programlisting><![CDATA[
1554 0x40435A50:  incl %edx
1555      0: GETL      %EDX, t0
1556      1: INCL      t0  (-wOSZAP)
1557      2: PUTL      t0, %EDX
1559 0x40435A51:  movsbl (%edx),%eax
1560      3: GETL      %EDX, t2
1561      4: LDB       (t2), t2
1562      5: WIDENL_Bs t2
1563      6: PUTL      t2, %EAX
1565 0x40435A54:  testb $0x20, 1(%ecx,%eax,2)
1566      7: GETL      %EAX, t6
1567      8: GETL      %ECX, t8
1568      9: LEA2L     1(t8,t6,2), t4
1569     10: LDB       (t4), t10
1570     11: MOVB      $0x20, t12
1571     12: ANDB      t12, t10  (-wOSZACP)
1572     13: INCEIPo   $9
1574 0x40435A59:  jnz-8 0x40435A50
1575     14: Jnzo      $0x40435A50  (-rOSZACP)
1576     15: JMPo      $0x40435A5B]]></programlisting>
1578 <para>Notice how the block always ends with an unconditional jump
1579 to the next block.  This is a bit unnecessary, but makes many
1580 things simpler.</para>
1582 <para>Most x86 instructions turn into sequences of
1583 <computeroutput>GET</computeroutput>,
1584 <computeroutput>PUT</computeroutput>,
1585 <computeroutput>LEA1</computeroutput>,
1586 <computeroutput>LEA2</computeroutput>,
1587 <computeroutput>LOAD</computeroutput> and
1588 <computeroutput>STORE</computeroutput>.  Some complicated ones
1589 however rely on calling helper bits of code in
1590 <filename>vg_helpers.S</filename>.  The ucode instructions
1591 <computeroutput>PUSH</computeroutput>,
1592 <computeroutput>POP</computeroutput>,
1593 <computeroutput>CALL</computeroutput>,
1594 <computeroutput>CALLM_S</computeroutput> and
1595 <computeroutput>CALLM_E</computeroutput> support this.  The
1596 calling convention is somewhat ad-hoc and is not the C calling
1597 convention.  The helper routines must save all integer registers,
1598 and the flags, that they use.  Args are passed on the stack
1599 underneath the return address, as usual, and if result(s) are to
1600 be returned, it (they) are either placed in dummy arg slots
1601 created by the ucode <computeroutput>PUSH</computeroutput>
1602 sequence, or just overwrite the incoming args.</para>
1604 <para>In order that the instrumentation mechanism can handle
1605 calls to these helpers,
1606 <computeroutput>VG_(saneUCodeBlock)</computeroutput> enforces the
1607 following restrictions on calls to helpers:</para>
1609 <itemizedlist>
1611   <listitem>
1612     <para>Each <computeroutput>CALL</computeroutput> uinstr must
1613     be bracketed by a preceding
1614     <computeroutput>CALLM_S</computeroutput> marker (dummy
1615     uinstr) and a trailing
1616     <computeroutput>CALLM_E</computeroutput> marker.  These
1617     markers are used by the instrumentation mechanism later to
1618     establish the boundaries of the
1619     <computeroutput>PUSH</computeroutput>,
1620     <computeroutput>POP</computeroutput> and
1621     <computeroutput>CLEAR</computeroutput> sequences for the
1622     call.</para>
1623   </listitem>
1625   <listitem>
1626     <para><computeroutput>PUSH</computeroutput>,
1627     <computeroutput>POP</computeroutput> and
1628     <computeroutput>CLEAR</computeroutput> may only appear inside
1629     sections bracketed by
1630     <computeroutput>CALLM_S</computeroutput> and
1631     <computeroutput>CALLM_E</computeroutput>, and nowhere else.</para>
1632   </listitem>
1634   <listitem>
1635     <para>In any such bracketed section, no two
1636     <computeroutput>PUSH</computeroutput> insns may push the same
1637     <computeroutput>TempReg</computeroutput>.  Dually, no two two
1638     <computeroutput>POP</computeroutput>s may pop the same
1639     <computeroutput>TempReg</computeroutput>.</para>
1640   </listitem>
1642   <listitem>
1643     <para>Finally, although this is not checked, args should be
1644     removed from the stack with
1645     <computeroutput>CLEAR</computeroutput>, rather than
1646     <computeroutput>POP</computeroutput>s into a
1647     <computeroutput>TempReg</computeroutput> which is not
1648     subsequently used.  This is because the instrumentation
1649     mechanism assumes that all values
1650     <computeroutput>POP</computeroutput>ped from the stack are
1651     actually used.</para>
1652   </listitem>
1654 </itemizedlist>
1656 <para>Some of the translations may appear to have redundant
1657 <computeroutput>TempReg</computeroutput>-to-<computeroutput>TempReg</computeroutput>
1658 moves.  This helps the next phase, UCode optimisation, to
1659 generate better code.</para>
1661 </sect2>
1665 <sect2 id="mc-tech-docs.optim" xreflabel="UCode optimisation">
1666 <title>UCode optimisation</title>
1668 <para>UCode is then subjected to an improvement pass
1669 (<computeroutput>vg_improve()</computeroutput>), which blurs the
1670 boundaries between the translations of the original x86
1671 instructions.  It's pretty straightforward.  Three
1672 transformations are done:</para>
1674 <itemizedlist>
1676   <listitem>
1677     <para>Redundant <computeroutput>GET</computeroutput>
1678     elimination.  Actually, more general than that -- eliminates
1679     redundant fetches of ArchRegs.  In our running example,
1680     uinstr 3 <computeroutput>GET</computeroutput>s
1681     <computeroutput>%EDX</computeroutput> into
1682     <computeroutput>t2</computeroutput> despite the fact that, by
1683     looking at the previous uinstr, it is already in
1684     <computeroutput>t0</computeroutput>.  The
1685     <computeroutput>GET</computeroutput> is therefore removed,
1686     and <computeroutput>t2</computeroutput> renamed to
1687     <computeroutput>t0</computeroutput>.  Assuming
1688     <computeroutput>t0</computeroutput> is allocated to a host
1689     register, it means the simulated
1690     <computeroutput>%EDX</computeroutput> will exist in a host
1691     CPU register for more than one simulated x86 instruction,
1692     which seems to me to be a highly desirable property.</para>
1694     <para>There is some mucking around to do with subregisters;
1695     <computeroutput>%AL</computeroutput> vs
1696     <computeroutput>%AH</computeroutput>
1697     <computeroutput>%AX</computeroutput> vs
1698     <computeroutput>%EAX</computeroutput> etc.  I can't remember
1699     how it works, but in general we are very conservative, and
1700     these tend to invalidate the caching.</para>
1701   </listitem>
1703   <listitem>
1704     <para>Redundant <computeroutput>PUT</computeroutput>
1705     elimination.  This annuls
1706     <computeroutput>PUT</computeroutput>s of values back to
1707     simulated CPU registers if a later
1708     <computeroutput>PUT</computeroutput> would overwrite the
1709     earlier <computeroutput>PUT</computeroutput> value, and there
1710     is no intervening reads of the simulated register
1711     (<computeroutput>ArchReg</computeroutput>).</para>
1713     <para>As before, we are paranoid when faced with subregister
1714     references.  Also, <computeroutput>PUT</computeroutput>s of
1715     <computeroutput>%ESP</computeroutput> are never annulled,
1716     because it is vital the instrumenter always has an up-to-date
1717     <computeroutput>%ESP</computeroutput> value available,
1718     <computeroutput>%ESP</computeroutput> changes affect
1719     addressability of the memory around the simulated stack
1720     pointer.</para>
1722     <para>The implication of the above paragraph is that the
1723     simulated machine's registers are only lazily updated once
1724     the above two optimisation phases have run, with the
1725     exception of <computeroutput>%ESP</computeroutput>.
1726     <computeroutput>TempReg</computeroutput>s go dead at the end
1727     of every basic block, from which is is inferrable that any
1728     <computeroutput>TempReg</computeroutput> caching a simulated
1729     CPU reg is flushed (back into the relevant
1730     <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput> slot) at the
1731     end of every basic block.  The further implication is that
1732     the simulated registers are only up-to-date at in between
1733     basic blocks, and not at arbitrary points inside basic
1734     blocks.  And the consequence of that is that we can only
1735     deliver signals to the client in between basic blocks.  None
1736     of this seems any problem in practice.</para>
1737   </listitem>
1739   <listitem>
1740     <para>Finally there is a simple def-use thing for condition
1741     codes.  If an earlier uinstr writes the condition codes, and
1742     the next uinsn along which actually cares about the condition
1743     codes writes the same or larger set of them, but does not
1744     read any, the earlier uinsn is marked as not writing any
1745     condition codes.  This saves a lot of redundant cond-code
1746     saving and restoring.</para>
1747   </listitem>
1749 </itemizedlist>
1751 <para>The effect of these transformations on our short block is
1752 rather unexciting, and shown below.  On longer basic blocks they
1753 can dramatically improve code quality.</para>
1755 <programlisting><![CDATA[
1756 at 3: delete GET, rename t2 to t0 in (4 .. 6)
1757 at 7: delete GET, rename t6 to t0 in (8 .. 9)
1758 at 1: annul flag write OSZAP due to later OSZACP
1760 Improved code:
1761      0: GETL      %EDX, t0
1762      1: INCL      t0
1763      2: PUTL      t0, %EDX
1764      4: LDB       (t0), t0
1765      5: WIDENL_Bs t0
1766      6: PUTL      t0, %EAX
1767      8: GETL      %ECX, t8
1768      9: LEA2L     1(t8,t0,2), t4
1769     10: LDB       (t4), t10
1770     11: MOVB      $0x20, t12
1771     12: ANDB      t12, t10  (-wOSZACP)
1772     13: INCEIPo   $9
1773     14: Jnzo      $0x40435A50  (-rOSZACP)
1774     15: JMPo      $0x40435A5B]]></programlisting>
1776 </sect2>
1780 <sect2 id="mc-tech-docs.instrum" xreflabel="UCode instrumentation">
1781 <title>UCode instrumentation</title>
1783 <para>Once you understand the meaning of the instrumentation
1784 uinstrs, discussed in detail above, the instrumentation scheme is
1785 fairly straightforward.  Each uinstr is instrumented in
1786 isolation, and the instrumentation uinstrs are placed before the
1787 original uinstr.  Our running example continues below.  I have
1788 placed a blank line after every original ucode, to make it easier
1789 to see which instrumentation uinstrs correspond to which
1790 originals.</para>
1792 <para>As mentioned somewhere above,
1793 <computeroutput>TempReg</computeroutput>s carrying values have
1794 names like <computeroutput>t28</computeroutput>, and each one has
1795 a shadow carrying its V bits, with names like
1796 <computeroutput>q28</computeroutput>.  This pairing aids in
1797 reading instrumented ucode.</para>
1799 <para>One decision about all this is where to have "observation
1800 points", that is, where to check that V bits are valid.  I use a
1801 minimalistic scheme, only checking where a failure of validity
1802 could cause the original program to (seg)fault.  So the use of
1803 values as memory addresses causes a check, as do conditional
1804 jumps (these cause a check on the definedness of the condition
1805 codes).  And arguments <computeroutput>PUSH</computeroutput>ed
1806 for helper calls are checked, hence the weird restrictions on
1807 help call preambles described above.</para>
1809 <para>Another decision is that once a value is tested, it is
1810 thereafter regarded as defined, so that we do not emit multiple
1811 undefined-value errors for the same undefined value.  That means
1812 that <computeroutput>TESTV</computeroutput> uinstrs are always
1813 followed by <computeroutput>SETV</computeroutput> on the same
1814 (shadow) <computeroutput>TempReg</computeroutput>s.  Most of
1815 these <computeroutput>SETV</computeroutput>s are redundant and
1816 are removed by the post-instrumentation cleanup phase.</para>
1818 <para>The instrumentation for calling helper functions deserves
1819 further comment.  The definedness of results from a helper is
1820 modelled using just one V bit.  So, in short, we do pessimising
1821 casts of the definedness of all the args, down to a single bit,
1822 and then <computeroutput>UifU</computeroutput> these bits
1823 together.  So this single V bit will say "undefined" if any part
1824 of any arg is undefined.  This V bit is then pessimally cast back
1825 up to the result(s) sizes, as needed.  If, by seeing that all the
1826 args are got rid of with <computeroutput>CLEAR</computeroutput>
1827 and none with <computeroutput>POP</computeroutput>, Valgrind sees
1828 that the result of the call is not actually used, it immediately
1829 examines the result V bit with a
1830 <computeroutput>TESTV</computeroutput> --
1831 <computeroutput>SETV</computeroutput> pair.  If it did not do
1832 this, there would be no observation point to detect that the some
1833 of the args to the helper were undefined.  Of course, if the
1834 helper's results are indeed used, we don't do this, since the
1835 result usage will presumably cause the result definedness to be
1836 checked at some suitable future point.</para>
1838 <para>In general Valgrind tries to track definedness on a
1839 bit-for-bit basis, but as the above para shows, for calls to
1840 helpers we throw in the towel and approximate down to a single
1841 bit.  This is because it's too complex and difficult to track
1842 bit-level definedness through complex ops such as integer
1843 multiply and divide, and in any case there is no reasonable code
1844 fragments which attempt to (eg) multiply two partially-defined
1845 values and end up with something meaningful, so there seems
1846 little point in modelling multiplies, divides, etc, in that level
1847 of detail.</para>
1849 <para>Integer loads and stores are instrumented with firstly a
1850 test of the definedness of the address, followed by a
1851 <computeroutput>LOADV</computeroutput> or
1852 <computeroutput>STOREV</computeroutput> respectively.  These turn
1853 into calls to (for example)
1854 <computeroutput>VG_(helperc_LOADV4)</computeroutput>.  These
1855 helpers do two things: they perform an address-valid check, and
1856 they load or store V bits from/to the relevant address in the
1857 (simulated V-bit) memory.</para>
1859 <para>FPU loads and stores are different.  As above the
1860 definedness of the address is first tested.  However, the helper
1861 routine for FPU loads
1862 (<computeroutput>VGM_(fpu_read_check)</computeroutput>) emits an
1863 error if either the address is invalid or the referenced area
1864 contains undefined values.  It has to do this because we do not
1865 simulate the FPU at all, and so cannot track definedness of
1866 values loaded into it from memory, so we have to check them as
1867 soon as they are loaded into the FPU, ie, at this point.  We
1868 notionally assume that everything in the FPU is defined.</para>
1870 <para>It follows therefore that FPU writes first check the
1871 definedness of the address, then the validity of the address, and
1872 finally mark the written bytes as well-defined.</para>
1874 <para>If anyone is inspired to extend Valgrind to MMX/SSE insns,
1875 I suggest you use the same trick.  It works provided that the
1876 FPU/MMX unit is not used to merely as a conduit to copy partially
1877 undefined data from one place in memory to another.
1878 Unfortunately the integer CPU is used like that (when copying C
1879 structs with holes, for example) and this is the cause of much of
1880 the elaborateness of the instrumentation here described.</para>
1882 <para><computeroutput>vg_instrument()</computeroutput> in
1883 <filename>vg_translate.c</filename> actually does the
1884 instrumentation.  There are comments explaining how each uinstr
1885 is handled, so we do not repeat that here.  As explained already,
1886 it is bit-accurate, except for calls to helper functions.
1887 Unfortunately the x86 insns
1888 <computeroutput>bt/bts/btc/btr</computeroutput> are done by
1889 helper fns, so bit-level accuracy is lost there.  This should be
1890 fixed by doing them inline; it will probably require adding a
1891 couple new uinstrs.  Also, left and right rotates through the
1892 carry flag (x86 <computeroutput>rcl</computeroutput> and
1893 <computeroutput>rcr</computeroutput>) are approximated via a
1894 single V bit; so far this has not caused anyone to complain.  The
1895 non-carry rotates, <computeroutput>rol</computeroutput> and
1896 <computeroutput>ror</computeroutput>, are much more common and
1897 are done exactly.  Re-visiting the instrumentation for AND and
1898 OR, they seem rather verbose, and I wonder if it could be done
1899 more concisely now.</para>
1901 <para>The lowercase <computeroutput>o</computeroutput> on many of
1902 the uopcodes in the running example indicates that the size field
1903 is zero, usually meaning a single-bit operation.</para>
1905 <para>Anyroads, the post-instrumented version of our running
1906 example looks like this:</para>
1908 <programlisting><![CDATA[
1909 Instrumented code:
1910      0: GETVL     %EDX, q0
1911      1: GETL      %EDX, t0
1913      2: TAG1o     q0 = Left4 ( q0 )
1914      3: INCL      t0
1916      4: PUTVL     q0, %EDX
1917      5: PUTL      t0, %EDX
1919      6: TESTVL    q0
1920      7: SETVL     q0
1921      8: LOADVB    (t0), q0
1922      9: LDB       (t0), t0
1924     10: TAG1o     q0 = SWiden14 ( q0 )
1925     11: WIDENL_Bs t0
1927     12: PUTVL     q0, %EAX
1928     13: PUTL      t0, %EAX
1930     14: GETVL     %ECX, q8
1931     15: GETL      %ECX, t8
1933     16: MOVL      q0, q4
1934     17: SHLL      $0x1, q4
1935     18: TAG2o     q4 = UifU4 ( q8, q4 )
1936     19: TAG1o     q4 = Left4 ( q4 )
1937     20: LEA2L     1(t8,t0,2), t4
1939     21: TESTVL    q4
1940     22: SETVL     q4
1941     23: LOADVB    (t4), q10
1942     24: LDB       (t4), t10
1944     25: SETVB     q12
1945     26: MOVB      $0x20, t12
1947     27: MOVL      q10, q14
1948     28: TAG2o     q14 = ImproveAND1_TQ ( t10, q14 )
1949     29: TAG2o     q10 = UifU1 ( q12, q10 )
1950     30: TAG2o     q10 = DifD1 ( q14, q10 )
1951     31: MOVL      q12, q14
1952     32: TAG2o     q14 = ImproveAND1_TQ ( t12, q14 )
1953     33: TAG2o     q10 = DifD1 ( q14, q10 )
1954     34: MOVL      q10, q16
1955     35: TAG1o     q16 = PCast10 ( q16 )
1956     36: PUTVFo    q16
1957     37: ANDB      t12, t10  (-wOSZACP)
1959     38: INCEIPo   $9
1961     39: GETVFo    q18
1962     40: TESTVo    q18
1963     41: SETVo     q18
1964     42: Jnzo      $0x40435A50  (-rOSZACP)
1966     43: JMPo      $0x40435A5B]]></programlisting>
1968 </sect2>
1972 <sect2 id="mc-tech-docs.cleanup" 
1973        xreflabel="UCode post-instrumentation cleanup">
1974 <title>UCode post-instrumentation cleanup</title>
1976 <para>This pass, coordinated by
1977 <computeroutput>vg_cleanup()</computeroutput>, removes redundant
1978 definedness computation created by the simplistic instrumentation
1979 pass.  It consists of two passes,
1980 <computeroutput>vg_propagate_definedness()</computeroutput>
1981 followed by
1982 <computeroutput>vg_delete_redundant_SETVs</computeroutput>.</para>
1984 <para><computeroutput>vg_propagate_definedness()</computeroutput>
1985 is a simple constant-propagation and constant-folding pass.  It
1986 tries to determine which
1987 <computeroutput>TempReg</computeroutput>s containing V bits will
1988 always indicate "fully defined", and it propagates this
1989 information as far as it can, and folds out as many operations as
1990 possible.  For example, the instrumentation for an ADD of a
1991 literal to a variable quantity will be reduced down so that the
1992 definedness of the result is simply the definedness of the
1993 variable quantity, since the literal is by definition fully
1994 defined.</para>
1996 <para><computeroutput>vg_delete_redundant_SETVs</computeroutput>
1997 removes <computeroutput>SETV</computeroutput>s on shadow
1998 <computeroutput>TempReg</computeroutput>s for which the next
1999 action is a write.  I don't think there's anything else worth
2000 saying about this; it is simple.  Read the sources for
2001 details.</para>
2003 <para>So the cleaned-up running example looks like this.  As
2004 above, I have inserted line breaks after every original
2005 (non-instrumentation) uinstr to aid readability.  As with
2006 straightforward ucode optimisation, the results in this block are
2007 undramatic because it is so short; longer blocks benefit more
2008 because they have more redundancy which gets eliminated.</para>
2010 <programlisting><![CDATA[
2011 at 29: delete UifU1 due to defd arg1
2012 at 32: change ImproveAND1_TQ to MOV due to defd arg2
2013 at 41: delete SETV
2014 at 31: delete MOV
2015 at 25: delete SETV
2016 at 22: delete SETV
2017 at 7: delete SETV
2019      0: GETVL     %EDX, q0
2020      1: GETL      %EDX, t0
2022      2: TAG1o     q0 = Left4 ( q0 )
2023      3: INCL      t0
2025      4: PUTVL     q0, %EDX
2026      5: PUTL      t0, %EDX
2028      6: TESTVL    q0
2029      8: LOADVB    (t0), q0
2030      9: LDB       (t0), t0
2032     10: TAG1o     q0 = SWiden14 ( q0 )
2033     11: WIDENL_Bs t0
2035     12: PUTVL     q0, %EAX
2036     13: PUTL      t0, %EAX
2038     14: GETVL     %ECX, q8
2039     15: GETL      %ECX, t8
2041     16: MOVL      q0, q4
2042     17: SHLL      $0x1, q4
2043     18: TAG2o     q4 = UifU4 ( q8, q4 )
2044     19: TAG1o     q4 = Left4 ( q4 )
2045     20: LEA2L     1(t8,t0,2), t4
2047     21: TESTVL    q4
2048     23: LOADVB    (t4), q10
2049     24: LDB       (t4), t10
2051     26: MOVB      $0x20, t12
2053     27: MOVL      q10, q14
2054     28: TAG2o     q14 = ImproveAND1_TQ ( t10, q14 )
2055     30: TAG2o     q10 = DifD1 ( q14, q10 )
2056     32: MOVL      t12, q14
2057     33: TAG2o     q10 = DifD1 ( q14, q10 )
2058     34: MOVL      q10, q16
2059     35: TAG1o     q16 = PCast10 ( q16 )
2060     36: PUTVFo    q16
2061     37: ANDB      t12, t10  (-wOSZACP)
2063     38: INCEIPo   $9
2064     39: GETVFo    q18
2065     40: TESTVo    q18
2066     42: Jnzo      $0x40435A50  (-rOSZACP)
2068     43: JMPo      $0x40435A5B]]></programlisting>
2070 </sect2>
2074 <sect2 id="mc-tech-docs.transfrom" xreflabel="Translation from UCode">
2075 <title>Translation from UCode</title>
2077 <para>This is all very simple, even though
2078 <filename>vg_from_ucode.c</filename> is a big file.
2079 Position-independent x86 code is generated into a dynamically
2080 allocated array <computeroutput>emitted_code</computeroutput>;
2081 this is doubled in size when it overflows.  Eventually the array
2082 is handed back to the caller of
2083 <computeroutput>VG_(translate)</computeroutput>, who must copy
2084 the result into TC and TT, and free the array.</para>
2086 <para>This file is structured into four layers of abstraction,
2087 which, thankfully, are glued back together with extensive
2088 <computeroutput>__inline__</computeroutput> directives.  From the
2089 bottom upwards:</para>
2091 <itemizedlist>
2093   <listitem>
2094     <para>Address-mode emitters,
2095     <computeroutput>emit_amode_regmem_reg</computeroutput> et
2096     al.</para>
2097   </listitem>
2099   <listitem>
2100     <para>Emitters for specific x86 instructions.  There are
2101     quite a lot of these, with names such as
2102     <computeroutput>emit_movv_offregmem_reg</computeroutput>.
2103     The <computeroutput>v</computeroutput> suffix is Intel
2104     parlance for a 16/32 bit insn; there are also
2105     <computeroutput>b</computeroutput> suffixes for 8 bit
2106     insns.</para>
2107   </listitem>
2109   <listitem>
2110     <para>The next level up are the
2111     <computeroutput>synth_*</computeroutput> functions, which
2112     synthesise possibly a sequence of raw x86 instructions to do
2113     some simple task.  Some of these are quite complex because
2114     they have to work around Intel's silly restrictions on
2115     subregister naming.  See
2116     <computeroutput>synth_nonshiftop_reg_reg</computeroutput> for
2117     example.</para>
2118   </listitem>
2120   <listitem>
2121     <para>Finally, at the top of the heap, we have
2122     <computeroutput>emitUInstr()</computeroutput>, which emits
2123     code for a single uinstr.</para>
2124   </listitem>
2126 </itemizedlist>
2128 <para>Some comments:</para>
2130 <itemizedlist>
2132   <listitem>
2133     <para>The hack for FPU instructions becomes apparent here.
2134     To do a <computeroutput>FPU</computeroutput> ucode
2135     instruction, we load the simulated FPU's state into from its
2136     <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput> into the real
2137     FPU using an x86 <computeroutput>frstor</computeroutput>
2138     insn, do the ucode <computeroutput>FPU</computeroutput> insn
2139     on the real CPU, and write the updated FPU state back into
2140     <computeroutput>VG_(baseBlock)</computeroutput> using an
2141     <computeroutput>fnsave</computeroutput> instruction.  This is
2142     pretty brutal, but is simple and it works, and even seems
2143     tolerably efficient.  There is no attempt to cache the
2144     simulated FPU state in the real FPU over multiple
2145     back-to-back ucode FPU instructions.</para>
2147     <para><computeroutput>FPU_R</computeroutput> and
2148     <computeroutput>FPU_W</computeroutput> are also done this
2149     way, with the minor complication that we need to patch in
2150     some addressing mode bits so the resulting insn knows the
2151     effective address to use.  This is easy because of the
2152     regularity of the x86 FPU instruction encodings.</para>
2153   </listitem>
2155   <listitem>
2156     <para>An analogous trick is done with ucode insns which
2157     claim, in their <computeroutput>flags_r</computeroutput> and
2158     <computeroutput>flags_w</computeroutput> fields, that they
2159     read or write the simulated
2160     <computeroutput>%EFLAGS</computeroutput>.  For such cases we
2161     first copy the simulated
2162     <computeroutput>%EFLAGS</computeroutput> into the real
2163     <computeroutput>%eflags</computeroutput>, then do the insn,
2164     then, if the insn says it writes the flags, copy back to
2165     <computeroutput>%EFLAGS</computeroutput>.  This is a bit
2166     expensive, which is why the ucode optimisation pass goes to
2167     some effort to remove redundant flag-update annotations.</para>
2168   </listitem>
2170 </itemizedlist>
2172 <para>And so ... that's the end of the documentation for the
2173 instrumentating translator!  It's really not that complex,
2174 because it's composed as a sequence of simple(ish) self-contained
2175 transformations on straight-line blocks of code.</para>
2177 </sect2>
2181 <sect2 id="mc-tech-docs.dispatch" xreflabel="Top-level dispatch loop">
2182 <title>Top-level dispatch loop</title>
2184 <para>Urk.  In <computeroutput>VG_(toploop)</computeroutput>.
2185 This is basically boring and unsurprising, not to mention fiddly
2186 and fragile.  It needs to be cleaned up.</para>
2188 <para>The only perhaps surprise is that the whole thing is run on
2189 top of a <computeroutput>setjmp</computeroutput>-installed
2190 exception handler, because, supposing a translation got a
2191 segfault, we have to bail out of the Valgrind-supplied exception
2192 handler <computeroutput>VG_(oursignalhandler)</computeroutput>
2193 and immediately start running the client's segfault handler, if
2194 it has one.  In particular we can't finish the current basic
2195 block and then deliver the signal at some convenient future
2196 point, because signals like SIGILL, SIGSEGV and SIGBUS mean that
2197 the faulting insn should not simply be re-tried.  (I'm sure there
2198 is a clearer way to explain this).</para>
2200 </sect2>
2204 <sect2 id="mc-tech-docs.lazy" 
2205        xreflabel="Lazy updates of the simulated program counter">
2206 <title>Lazy updates of the simulated program counter</title>
2208 <para>Simulated <computeroutput>%EIP</computeroutput> is not
2209 updated after every simulated x86 insn as this was regarded as
2210 too expensive.  Instead ucode
2211 <computeroutput>INCEIP</computeroutput> insns move it along as
2212 and when necessary.  Currently we don't allow it to fall more
2213 than 4 bytes behind reality (see
2214 <computeroutput>VG_(disBB)</computeroutput> for the way this
2215 works).</para>
2217 <para>Note that <computeroutput>%EIP</computeroutput> is always
2218 brought up to date by the inner dispatch loop in
2219 <computeroutput>VG_(dispatch)</computeroutput>, so that if the
2220 client takes a fault we know at least which basic block this
2221 happened in.</para>
2223 </sect2>
2227 <sect2 id="mc-tech-docs.signals" xreflabel="Signals">
2228 <title>Signals</title>
2230 <para>Horrible, horrible.  <filename>vg_signals.c</filename>.
2231 Basically, since we have to intercept all system calls anyway, we
2232 can see when the client tries to install a signal handler.  If it
2233 does so, we make a note of what the client asked to happen, and
2234 ask the kernel to route the signal to our own signal handler,
2235 <computeroutput>VG_(oursignalhandler)</computeroutput>.  This
2236 simply notes the delivery of signals, and returns.</para>
2238 <para>Every 1000 basic blocks, we see if more signals have
2239 arrived.  If so,
2240 <computeroutput>VG_(deliver_signals)</computeroutput> builds
2241 signal delivery frames on the client's stack, and allows their
2242 handlers to be run.  Valgrind places in these signal delivery
2243 frames a bogus return address,
2244 <computeroutput>VG_(signalreturn_bogusRA)</computeroutput>, and
2245 checks all jumps to see if any jump to it.  If so, this is a sign
2246 that a signal handler is returning, and if so Valgrind removes
2247 the relevant signal frame from the client's stack, restores the
2248 from the signal frame the simulated state before the signal was
2249 delivered, and allows the client to run onwards.  We have to do
2250 it this way because some signal handlers never return, they just
2251 <computeroutput>longjmp()</computeroutput>, which nukes the
2252 signal delivery frame.</para>
2254 <para>The Linux kernel has a different but equally horrible hack
2255 for detecting signal handler returns.  Discovering it is left as
2256 an exercise for the reader.</para>
2258 </sect2>
2261 <sect2 id="mc-tech-docs.todo">
2262 <title>To be written</title>
2264 <para>The following is a list of as-yet-not-written stuff. Apologies.</para>
2265 <orderedlist>
2266   <listitem>
2267     <para>The translation cache and translation table</para>
2268   </listitem>
2269   <listitem>
2270     <para>Exceptions, creating new translations</para>
2271   </listitem>
2272   <listitem>
2273     <para>Self-modifying code</para>
2274   </listitem>
2275   <listitem>
2276     <para>Errors, error contexts, error reporting, suppressions</para>
2277   </listitem>
2278   <listitem>
2279     <para>Client malloc/free</para>
2280   </listitem>
2281   <listitem>
2282     <para>Low-level memory management</para>
2283   </listitem>
2284   <listitem>
2285     <para>A and V bitmaps</para>
2286   </listitem>
2287   <listitem>
2288     <para>Symbol table management</para>
2289   </listitem>
2290   <listitem>
2291     <para>Dealing with system calls</para>
2292   </listitem>
2293   <listitem>
2294     <para>Namespace management</para>
2295   </listitem>
2296   <listitem>
2297     <para>GDB attaching</para>
2298   </listitem>
2299   <listitem>
2300     <para>Non-dependence on glibc or anything else</para>
2301   </listitem>
2302   <listitem>
2303     <para>The leak detector</para>
2304   </listitem>
2305   <listitem>
2306     <para>Performance problems</para>
2307   </listitem>
2308   <listitem>
2309     <para>Continuous sanity checking</para>
2310   </listitem>
2311   <listitem>
2312     <para>Tracing, or not tracing, child processes</para>
2313   </listitem>
2314   <listitem>
2315     <para>Assembly glue for syscalls</para>
2316   </listitem>
2317 </orderedlist>
2319 </sect2>
2321 </sect1>
2326 <sect1 id="mc-tech-docs.extensions" xreflabel="Extensions">
2327 <title>Extensions</title>
2329 <para>Some comments about Stuff To Do.</para>
2331 <sect2 id="mc-tech-docs.bugs" xreflabel="Bugs">
2332 <title>Bugs</title>
2334 <para>Stephan Kulow and Marc Mutz report problems with kmail in
2335 KDE 3 CVS (RC2 ish) when run on Valgrind.  Stephan has it
2336 deadlocking; Marc has it looping at startup.  I can't repro
2337 either behaviour. Needs repro-ing and fixing.</para>
2339 </sect2>
2342 <sect2 id="mc-tech-docs.threads" xreflabel="Threads">
2343 <title>Threads</title>
2345 <para>Doing a good job of thread support strikes me as almost a
2346 research-level problem.  The central issues are how to do fast
2347 cheap locking of the
2348 <computeroutput>VG_(primary_map)</computeroutput> structure,
2349 whether or not accesses to the individual secondary maps need
2350 locking, what race-condition issues result, and whether the
2351 already-nasty mess that is the signal simulator needs further
2352 hackery.</para>
2354 <para>I realise that threads are the most-frequently-requested
2355 feature, and I am thinking about it all.  If you have guru-level
2356 understanding of fast mutual exclusion mechanisms and race
2357 conditions, I would be interested in hearing from you.</para>
2359 </sect2>
2363 <sect2 id="mc-tech-docs.verify" xreflabel="Verification suite">
2364 <title>Verification suite</title>
2366 <para>Directory <computeroutput>tests/</computeroutput> contains
2367 various ad-hoc tests for Valgrind.  However, there is no
2368 systematic verification or regression suite, that, for example,
2369 exercises all the stuff in <filename>vg_memory.c</filename>, to
2370 ensure that illegal memory accesses and undefined value uses are
2371 detected as they should be.  It would be good to have such a
2372 suite.</para>
2374 </sect2>
2377 <sect2 id="mc-tech-docs.porting" xreflabel="Porting to other platforms">
2378 <title>Porting to other platforms</title>
2380 <para>It would be great if Valgrind was ported to FreeBSD and x86
2381 NetBSD, and to x86 OpenBSD, if it's possible (doesn't OpenBSD use
2382 a.out-style executables, not ELF ?)</para>
2384 <para>The main difficulties, for an x86-ELF platform, seem to
2385 be:</para>
2387 <itemizedlist>
2389   <listitem>
2390     <para>You'd need to rewrite the
2391     <computeroutput>/proc/self/maps</computeroutput> parser
2392     (<filename>vg_procselfmaps.c</filename>).  Easy.</para>
2393   </listitem>
2395   <listitem>
2396     <para>You'd need to rewrite
2397     <filename>vg_syscall_mem.c</filename>, or, more specifically,
2398     provide one for your OS.  This is tedious, but you can
2399     implement syscalls on demand, and the Linux kernel interface
2400     is, for the most part, going to look very similar to the *BSD
2401     interfaces, so it's really a copy-paste-and-modify-on-demand
2402     job.  As part of this, you'd need to supply a new
2403     <filename>vg_kerneliface.h</filename> file.</para>
2404   </listitem>
2406   <listitem>
2407     <para>You'd also need to change the syscall wrappers for
2408     Valgrind's internal use, in
2409     <filename>vg_mylibc.c</filename>.</para>
2410   </listitem>
2412 </itemizedlist>
2414 <para>All in all, I think a port to x86-ELF *BSDs is not really
2415 very difficult, and in some ways I would like to see it happen,
2416 because that would force a more clear factoring of Valgrind into
2417 platform dependent and independent pieces.  Not to mention, *BSD
2418 folks also deserve to use Valgrind just as much as the Linux crew
2419 do.</para>
2421 </sect2>
2423 </sect1>
2427 <sect1 id="mc-tech-docs.easystuff" 
2428        xreflabel="Easy stuff which ought to be done">
2429 <title>Easy stuff which ought to be done</title>
2432 <sect2 id="mc-tech-docs.mmx" xreflabel="MMX Instructions">
2433 <title>MMX Instructions</title>
2435 <para>MMX insns should be supported, using the same trick as for
2436 FPU insns.  If the MMX registers are not used to copy
2437 uninitialised junk from one place to another in memory, this
2438 means we don't have to actually simulate the internal MMX unit
2439 state, so the FPU hack applies.  This should be fairly
2440 easy.</para>
2442 </sect2>
2445 <sect2 id="mc-tech-docs.fixstabs" xreflabel="Fix stabs-info Reader">
2446 <title>Fix stabs-info reader</title>
2448 <para>The machinery in <filename>vg_symtab2.c</filename> which
2449 reads "stabs" style debugging info is pretty weak.  It usually
2450 correctly translates simulated program counter values into line
2451 numbers and procedure names, but the file name is often
2452 completely wrong.  I think the logic used to parse "stabs"
2453 entries is weak.  It should be fixed.  The simplest solution,
2454 IMO, is to copy either the logic or simply the code out of GNU
2455 binutils which does this; since GDB can clearly get it right,
2456 binutils (or GDB?) must have code to do this somewhere.</para>
2458 </sect2>
2462 <sect2 id="mc-tech-docs.x86instr" xreflabel="BT/BTC/BTS/BTR">
2463 <title>BT/BTC/BTS/BTR</title>
2465 <para>These are x86 instructions which test, complement, set, or
2466 reset, a single bit in a word.  At the moment they are both
2467 incorrectly implemented and incorrectly instrumented.</para>
2469 <para>The incorrect instrumentation is due to use of helper
2470 functions.  This means we lose bit-level definedness tracking,
2471 which could wind up giving spurious uninitialised-value use
2472 errors.  The Right Thing to do is to invent a couple of new
2473 UOpcodes, I think <computeroutput>GET_BIT</computeroutput> and
2474 <computeroutput>SET_BIT</computeroutput>, which can be used to
2475 implement all 4 x86 insns, get rid of the helpers, and give
2476 bit-accurate instrumentation rules for the two new
2477 UOpcodes.</para>
2479 <para>I realised the other day that they are mis-implemented too.
2480 The x86 insns take a bit-index and a register or memory location
2481 to access.  For registers the bit index clearly can only be in
2482 the range zero to register-width minus 1, and I assumed the same
2483 applied to memory locations too.  But evidently not; for memory
2484 locations the index can be arbitrary, and the processor will
2485 index arbitrarily into memory as a result.  This too should be
2486 fixed.  Sigh.  Presumably indexing outside the immediate word is
2487 not actually used by any programs yet tested on Valgrind, for
2488 otherwise they (presumably) would simply not work at all.  If you
2489 plan to hack on this, first check the Intel docs to make sure my
2490 understanding is really correct.</para>
2492 </sect2>
2495 <sect2 id="mc-tech-docs.prefetch" xreflabel="Using PREFETCH Instructions">
2496 <title>Using PREFETCH Instructions</title>
2498 <para>Here's a small but potentially interesting project for
2499 performance junkies.  Experiments with valgrind's code generator
2500 and optimiser(s) suggest that reducing the number of instructions
2501 executed in the translations and mem-check helpers gives
2502 disappointingly small performance improvements.  Perhaps this is
2503 because performance of Valgrindified code is limited by cache
2504 misses.  After all, each read in the original program now gives
2505 rise to at least three reads, one for the
2506 <computeroutput>VG_(primary_map)</computeroutput>, one of the
2507 resulting secondary, and the original.  Not to mention, the
2508 instrumented translations are 13 to 14 times larger than the
2509 originals.  All in all one would expect the memory system to be
2510 hammered to hell and then some.</para>
2512 <para>So here's an idea.  An x86 insn involving a read from
2513 memory, after instrumentation, will turn into ucode of the
2514 following form:</para>
2515 <programlisting><![CDATA[
2516 ... calculate effective addr, into ta and qa ...
2517   TESTVL qa             -- is the addr defined?
2518   LOADV (ta), qloaded   -- fetch V bits for the addr
2519   LOAD  (ta), tloaded   -- do the original load]]></programlisting>
2521 <para>At the point where the
2522 <computeroutput>LOADV</computeroutput> is done, we know the
2523 actual address (<computeroutput>ta</computeroutput>) from which
2524 the real <computeroutput>LOAD</computeroutput> will be done.  We
2525 also know that the <computeroutput>LOADV</computeroutput> will
2526 take around 20 x86 insns to do.  So it seems plausible that doing
2527 a prefetch of <computeroutput>ta</computeroutput> just before the
2528 <computeroutput>LOADV</computeroutput> might just avoid a miss at
2529 the <computeroutput>LOAD</computeroutput> point, and that might
2530 be a significant performance win.</para>
2532 <para>Prefetch insns are notoriously tempermental, more often
2533 than not making things worse rather than better, so this would
2534 require considerable fiddling around.  It's complicated because
2535 Intels and AMDs have different prefetch insns with different
2536 semantics, so that too needs to be taken into account.  As a
2537 general rule, even placing the prefetches before the
2538 <computeroutput>LOADV</computeroutput> insn is too near the
2539 <computeroutput>LOAD</computeroutput>; the ideal distance is
2540 apparently circa 200 CPU cycles.  So it might be worth having
2541 another analysis/transformation pass which pushes prefetches as
2542 far back as possible, hopefully immediately after the effective
2543 address becomes available.</para>
2545 <para>Doing too many prefetches is also bad because they soak up
2546 bus bandwidth / cpu resources, so some cleverness in deciding
2547 which loads to prefetch and which to not might be helpful.  One
2548 can imagine not prefetching client-stack-relative
2549 (<computeroutput>%EBP</computeroutput> or
2550 <computeroutput>%ESP</computeroutput>) accesses, since the stack
2551 in general tends to show good locality anyway.</para>
2553 <para>There's quite a lot of experimentation to do here, but I
2554 think it might make an interesting week's work for
2555 someone.</para>
2557 <para>As of 15-ish March 2002, I've started to experiment with
2558 this, using the AMD
2559 <computeroutput>prefetch/prefetchw</computeroutput> insns.</para>
2561 </sect2>
2564 <sect2 id="mc-tech-docs.pranges" xreflabel="User-defined Permission Ranges">
2565 <title>User-defined Permission Ranges</title>
2567 <para>This is quite a large project -- perhaps a month's hacking
2568 for a capable hacker to do a good job -- but it's potentially
2569 very interesting.  The outcome would be that Valgrind could
2570 detect a whole class of bugs which it currently cannot.</para>
2572 <para>The presentation falls into two pieces.</para>
2574 <sect3 id="mc-tech-docs.psetting" 
2575   xreflabel="Part 1: User-defined Address-range Permission Setting">
2576 <title>Part 1: User-defined Address-range Permission Setting</title>
2578 <para>Valgrind intercepts the client's
2579 <computeroutput>malloc</computeroutput>,
2580 <computeroutput>free</computeroutput>, etc calls, watches system
2581 calls, and watches the stack pointer move.  This is currently the
2582 only way it knows about which addresses are valid and which not.
2583 Sometimes the client program knows extra information about its
2584 memory areas.  For example, the client could at some point know
2585 that all elements of an array are out-of-date.  We would like to
2586 be able to convey to Valgrind this information that the array is
2587 now addressable-but-uninitialised, so that Valgrind can then warn
2588 if elements are used before they get new values.</para>
2590 <para>What I would like are some macros like this:</para>
2591 <programlisting><![CDATA[
2592   VALGRIND_MAKE_NOACCESS(addr, len)
2593   VALGRIND_MAKE_WRITABLE(addr, len)
2594   VALGRIND_MAKE_READABLE(addr, len)]]></programlisting>
2596 <para>and also, to check that memory is
2597 addressable/initialised,</para>
2598 <programlisting><![CDATA[
2599   VALGRIND_CHECK_ADDRESSABLE(addr, len)
2600   VALGRIND_CHECK_INITIALISED(addr, len)]]></programlisting>
2602 <para>I then include in my sources a header defining these
2603 macros, rebuild my app, run under Valgrind, and get user-defined
2604 checks.</para>
2606 <para>Now here's a neat trick.  It's a nuisance to have to
2607 re-link the app with some new library which implements the above
2608 macros.  So the idea is to define the macros so that the
2609 resulting executable is still completely stand-alone, and can be
2610 run without Valgrind, in which case the macros do nothing, but
2611 when run on Valgrind, the Right Thing happens.  How to do this?
2612 The idea is for these macros to turn into a piece of inline
2613 assembly code, which (1) has no effect when run on the real CPU,
2614 (2) is easily spotted by Valgrind's JITter, and (3) no sane
2615 person would ever write, which is important for avoiding false
2616 matches in (2).  So here's a suggestion:</para>
2617 <programlisting><![CDATA[
2618   VALGRIND_MAKE_NOACCESS(addr, len)]]></programlisting>
2620 <para>becomes (roughly speaking)</para>
2621 <programlisting><![CDATA[
2622   movl addr, %eax
2623   movl len,  %ebx
2624   movl $1,   %ecx   -- 1 describes the action; MAKE_WRITABLE might be
2625                     -- 2, etc
2626   rorl $13, %ecx
2627   rorl $19, %ecx
2628   rorl $11, %eax
2629   rorl $21, %eax]]></programlisting>
2631 <para>The rotate sequences have no effect, and it's unlikely they
2632 would appear for any other reason, but they define a unique
2633 byte-sequence which the JITter can easily spot.  Using the
2634 operand constraints section at the end of a gcc inline-assembly
2635 statement, we can tell gcc that the assembly fragment kills
2636 <computeroutput>%eax</computeroutput>,
2637 <computeroutput>%ebx</computeroutput>,
2638 <computeroutput>%ecx</computeroutput> and the condition codes, so
2639 this fragment is made harmless when not running on Valgrind, runs
2640 quickly when not on Valgrind, and does not require any other
2641 library support.</para>
2644 </sect3>
2647 <sect3 id="mc-tech-docs.prange-detect" 
2648   xreflabel="Part 2: Using it to detect Interference between Stack 
2649 Variables">
2650 <title>Part 2: Using it to detect Interference between Stack 
2651 Variables</title>
2653 <para>Currently Valgrind cannot detect errors of the following
2654 form:</para>
2655 <programlisting><![CDATA[
2656 void fooble ( void )
2658   int a[10];
2659   int b[10];
2660   a[10] = 99;
2661 }]]></programlisting>
2663 <para>Now imagine rewriting this as</para>
2664 <programlisting><![CDATA[
2665 void fooble ( void )
2667   int spacer0;
2668   int a[10];
2669   int spacer1;
2670   int b[10];
2671   int spacer2;
2672   VALGRIND_MAKE_NOACCESS(&spacer0, sizeof(int));
2673   VALGRIND_MAKE_NOACCESS(&spacer1, sizeof(int));
2674   VALGRIND_MAKE_NOACCESS(&spacer2, sizeof(int));
2675   a[10] = 99;
2676 }]]></programlisting>
2678 <para>Now the invalid write is certain to hit
2679 <computeroutput>spacer0</computeroutput> or
2680 <computeroutput>spacer1</computeroutput>, so Valgrind will spot
2681 the error.</para>
2683 <para>There are two complications.</para>
2685 <orderedlist>
2687   <listitem>
2688     <para>The first is that we don't want to annotate sources by
2689     hand, so the Right Thing to do is to write a C/C++ parser,
2690     annotator, prettyprinter which does this automatically, and
2691     run it on post-CPP'd C/C++ source.  The parser/prettyprinter 
2692     is probably not as hard as it sounds; I would write it in Haskell, 
2693     a powerful functional language well suited to doing symbolic
2694     computation, with which I am intimately familiar.  There is
2695     already a C parser written in Haskell by someone in the
2696     Haskell community, and that would probably be a good starting
2697     point.</para>
2698   </listitem>
2701   <listitem>
2702     <para>The second complication is how to get rid of these
2703     <computeroutput>NOACCESS</computeroutput> records inside
2704     Valgrind when the instrumented function exits; after all,
2705     these refer to stack addresses and will make no sense
2706     whatever when some other function happens to re-use the same
2707     stack address range, probably shortly afterwards.  I think I
2708     would be inclined to define a special stack-specific
2709     macro:</para>
2710 <programlisting><![CDATA[
2711   VALGRIND_MAKE_NOACCESS_STACK(addr, len)]]></programlisting>
2712     <para>which causes Valgrind to record the client's
2713     <computeroutput>%ESP</computeroutput> at the time it is
2714     executed.  Valgrind will then watch for changes in
2715     <computeroutput>%ESP</computeroutput> and discard such
2716     records as soon as the protected area is uncovered by an
2717     increase in <computeroutput>%ESP</computeroutput>.  I
2718     hesitate with this scheme only because it is potentially
2719     expensive, if there are hundreds of such records, and
2720     considering that changes in
2721     <computeroutput>%ESP</computeroutput> already require
2722     expensive messing with stack access permissions.</para>
2723   </listitem>
2724 </orderedlist>
2726 <para>This is probably easier and more robust than for the
2727 instrumenter program to try and spot all exit points for the
2728 procedure and place suitable deallocation annotations there.
2729 Plus C++ procedures can bomb out at any point if they get an
2730 exception, so spotting return points at the source level just
2731 won't work at all.</para>
2733 <para>Although some work, it's all eminently doable, and it would
2734 make Valgrind into an even-more-useful tool.</para>
2736 </sect3>
2738 </sect2>
2740 </sect1>
2741 </chapter>