Documentation/x86/orc-unwinder.txt

   1 ORC unwinder
   2 ============
   3
   4 Overview
   5 --------
   6
   7 The kernel CONFIG_UNWINDER_ORC option enables the ORC unwinder, which is
   8 similar in concept to a DWARF unwinder.  The difference is that the
   9 format of the ORC data is much simpler than DWARF, which in turn allows
  10 the ORC unwinder to be much simpler and faster.
  11
  12 The ORC data consists of unwind tables which are generated by objtool.
  13 They contain out-of-band data which is used by the in-kernel ORC
  14 unwinder.  Objtool generates the ORC data by first doing compile-time
  15 stack metadata validation (CONFIG_STACK_VALIDATION).  After analyzing
  16 all the code paths of a .o file, it determines information about the
  17 stack state at each instruction address in the file and outputs that
  18 information to the .orc_unwind and .orc_unwind_ip sections.
  19
  20 The per-object ORC sections are combined at link time and are sorted and
  21 post-processed at boot time.  The unwinder uses the resulting data to
  22 correlate instruction addresses with their stack states at run time.
  23
  24
  25 ORC vs frame pointers
  26 ---------------------
  27
  28 With frame pointers enabled, GCC adds instrumentation code to every
  29 function in the kernel.  The kernel's .text size increases by about
  30 3.2%, resulting in a broad kernel-wide slowdown.  Measurements by Mel
  31 Gorman [1] have shown a slowdown of 5-10% for some workloads.
  32
  33 In contrast, the ORC unwinder has no effect on text size or runtime
  34 performance, because the debuginfo is out of band.  So if you disable
  35 frame pointers and enable the ORC unwinder, you get a nice performance
  36 improvement across the board, and still have reliable stack traces.
  37
  38 Ingo Molnar says:
  39
  40   "Note that it's not just a performance improvement, but also an
  41   instruction cache locality improvement: 3.2% .text savings almost
  42   directly transform into a similarly sized reduction in cache
  43   footprint. That can transform to even higher speedups for workloads
  44   whose cache locality is borderline."
  45
  46 Another benefit of ORC compared to frame pointers is that it can
  47 reliably unwind across interrupts and exceptions.  Frame pointer based
  48 unwinds can sometimes skip the caller of the interrupted function, if it
  49 was a leaf function or if the interrupt hit before the frame pointer was
  50 saved.
  51
  52 The main disadvantage of the ORC unwinder compared to frame pointers is
  53 that it needs more memory to store the ORC unwind tables: roughly 2-4MB
  54 depending on the kernel config.
  55
  56
  57 ORC vs DWARF
  58 ------------
  59
  60 ORC debuginfo's advantage over DWARF itself is that it's much simpler.
  61 It gets rid of the complex DWARF CFI state machine and also gets rid of
  62 the tracking of unnecessary registers.  This allows the unwinder to be
  63 much simpler, meaning fewer bugs, which is especially important for
  64 mission critical oops code.
  65
  66 The simpler debuginfo format also enables the unwinder to be much faster
  67 than DWARF, which is important for perf and lockdep.  In a basic
  68 performance test by Jiri Slaby [2], the ORC unwinder was about 20x
  69 faster than an out-of-tree DWARF unwinder.  (Note: That measurement was
  70 taken before some performance tweaks were added, which doubled
  71 performance, so the speedup over DWARF may be closer to 40x.)
  72
  73 The ORC data format does have a few downsides compared to DWARF.  ORC
  74 unwind tables take up ~50% more RAM (+1.3MB on an x86 defconfig kernel)
  75 than DWARF-based eh_frame tables.
  76
  77 Another potential downside is that, as GCC evolves, it's conceivable
  78 that the ORC data may end up being *too* simple to describe the state of
  79 the stack for certain optimizations.  But IMO this is unlikely because
  80 GCC saves the frame pointer for any unusual stack adjustments it does,
  81 so I suspect we'll really only ever need to keep track of the stack
  82 pointer and the frame pointer between call frames.  But even if we do
  83 end up having to track all the registers DWARF tracks, at least we will
  84 still be able to control the format, e.g. no complex state machines.
  85
  86
  87 ORC unwind table generation
  88 ---------------------------
  89
  90 The ORC data is generated by objtool.  With the existing compile-time
  91 stack metadata validation feature, objtool already follows all code
  92 paths, and so it already has all the information it needs to be able to
  93 generate ORC data from scratch.  So it's an easy step to go from stack
  94 validation to ORC data generation.
  95
  96 It should be possible to instead generate the ORC data with a simple
  97 tool which converts DWARF to ORC data.  However, such a solution would
  98 be incomplete due to the kernel's extensive use of asm, inline asm, and
  99 special sections like exception tables.
 100
 101 That could be rectified by manually annotating those special code paths
 102 using GNU assembler .cfi annotations in .S files, and homegrown
 103 annotations for inline asm in .c files.  But asm annotations were tried
 104 in the past and were found to be unmaintainable.  They were often
 105 incorrect/incomplete and made the code harder to read and keep updated.
 106 And based on looking at glibc code, annotating inline asm in .c files
 107 might be even worse.
 108
 109 Objtool still needs a few annotations, but only in code which does
 110 unusual things to the stack like entry code.  And even then, far fewer
 111 annotations are needed than what DWARF would need, so they're much more
 112 maintainable than DWARF CFI annotations.
 113
 114 So the advantages of using objtool to generate ORC data are that it
 115 gives more accurate debuginfo, with very few annotations.  It also
 116 insulates the kernel from toolchain bugs which can be very painful to
 117 deal with in the kernel since we often have to workaround issues in
 118 older versions of the toolchain for years.
 119
 120 The downside is that the unwinder now becomes dependent on objtool's
 121 ability to reverse engineer GCC code flow.  If GCC optimizations become
 122 too complicated for objtool to follow, the ORC data generation might
 123 stop working or become incomplete.  (It's worth noting that livepatch
 124 already has such a dependency on objtool's ability to follow GCC code
 125 flow.)
 126
 127 If newer versions of GCC come up with some optimizations which break
 128 objtool, we may need to revisit the current implementation.  Some
 129 possible solutions would be asking GCC to make the optimizations more
 130 palatable, or having objtool use DWARF as an additional input, or
 131 creating a GCC plugin to assist objtool with its analysis.  But for now,
 132 objtool follows GCC code quite well.
 133
 134
 135 Unwinder implementation details
 136 -------------------------------
 137
 138 Objtool generates the ORC data by integrating with the compile-time
 139 stack metadata validation feature, which is described in detail in
 140 tools/objtool/Documentation/stack-validation.txt.  After analyzing all
 141 the code paths of a .o file, it creates an array of orc_entry structs,
 142 and a parallel array of instruction addresses associated with those
 143 structs, and writes them to the .orc_unwind and .orc_unwind_ip sections
 144 respectively.
 145
 146 The ORC data is split into the two arrays for performance reasons, to
 147 make the searchable part of the data (.orc_unwind_ip) more compact.  The
 148 arrays are sorted in parallel at boot time.
 149
 150 Performance is further improved by the use of a fast lookup table which
 151 is created at runtime.  The fast lookup table associates a given address
 152 with a range of indices for the .orc_unwind table, so that only a small
 153 subset of the table needs to be searched.
 154
 155
 156 Etymology
 157 ---------
 158
 159 Orcs, fearsome creatures of medieval folklore, are the Dwarves' natural
 160 enemies.  Similarly, the ORC unwinder was created in opposition to the
 161 complexity and slowness of DWARF.
 162
 163 "Although Orcs rarely consider multiple solutions to a problem, they do
 164 excel at getting things done because they are creatures of action, not
 165 thought." [3]  Similarly, unlike the esoteric DWARF unwinder, the
 166 veracious ORC unwinder wastes no time or siloconic effort decoding
 167 variable-length zero-extended unsigned-integer byte-coded
 168 state-machine-based debug information entries.
 169
 170 Similar to how Orcs frequently unravel the well-intentioned plans of
 171 their adversaries, the ORC unwinder frequently unravels stacks with
 172 brutal, unyielding efficiency.
 173
 174 ORC stands for Oops Rewind Capability.
 175
 176
 177 [1] https://lkml.kernel.org/r/20170602104048.jkkzssljsompjdwy@suse.de
 178 [2] https://lkml.kernel.org/r/d2ca5435-6386-29b8-db87-7f227c2b713a@suse.cz
 179 [3] http://dustin.wikidot.com/half-orcs-and-orcs