Recommit "rL366894: [yaml2obj] - Allow custom fields for the SHT_UNDEF sections."
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blob8616088b1062b8ac586307afbc2a35ecbfd58b6b
1 ====================
2 XRay Instrumentation
3 ====================
5 :Version: 1 as of 2016-11-08
7 .. contents::
8    :local:
11 Introduction
12 ============
14 XRay is a function call tracing system which combines compiler-inserted
15 instrumentation points and a runtime library that can dynamically enable and
16 disable the instrumentation.
18 More high level information about XRay can be found in the `XRay whitepaper`_.
20 This document describes how to use XRay as implemented in LLVM.
22 XRay in LLVM
23 ============
25 XRay consists of three main parts:
27 - Compiler-inserted instrumentation points.
28 - A runtime library for enabling/disabling tracing at runtime.
29 - A suite of tools for analysing the traces.
31   **NOTE:** As of July 25, 2018 , XRay is only available for the following
32   architectures running Linux: x86_64, arm7 (no thumb), aarch64, powerpc64le,
33   mips, mipsel, mips64, mips64el, NetBSD: x86_64, FreeBSD: x86_64 and
34   OpenBSD: x86_64.
36 The compiler-inserted instrumentation points come in the form of nop-sleds in
37 the final generated binary, and an ELF section named ``xray_instr_map`` which
38 contains entries pointing to these instrumentation points. The runtime library
39 relies on being able to access the entries of the ``xray_instr_map``, and
40 overwrite the instrumentation points at runtime.
42 Using XRay
43 ==========
45 You can use XRay in a couple of ways:
47 - Instrumenting your C/C++/Objective-C/Objective-C++ application.
48 - Generating LLVM IR with the correct function attributes.
50 The rest of this section covers these main ways and later on how to customise
51 what XRay does in an XRay-instrumented binary.
53 Instrumenting your C/C++/Objective-C Application
54 ------------------------------------------------
56 The easiest way of getting XRay instrumentation for your application is by
57 enabling the ``-fxray-instrument`` flag in your clang invocation.
59 For example:
63   clang -fxray-instrument ...
65 By default, functions that have at least 200 instructions will get XRay
66 instrumentation points. You can tweak that number through the
67 ``-fxray-instruction-threshold=`` flag:
71   clang -fxray-instrument -fxray-instruction-threshold=1 ...
73 You can also specifically instrument functions in your binary to either always
74 or never be instrumented using source-level attributes. You can do it using the
75 GCC-style attributes or C++11-style attributes.
77 .. code-block:: c++
79     [[clang::xray_always_instrument]] void always_instrumented();
81     [[clang::xray_never_instrument]] void never_instrumented();
83     void alt_always_instrumented() __attribute__((xray_always_instrument));
85     void alt_never_instrumented() __attribute__((xray_never_instrument));
87 When linking a binary, you can either manually link in the `XRay Runtime
88 Library`_ or use ``clang`` to link it in automatically with the
89 ``-fxray-instrument`` flag. Alternatively, you can statically link-in the XRay
90 runtime library from compiler-rt -- those archive files will take the name of
91 `libclang_rt.xray-{arch}` where `{arch}` is the mnemonic supported by clang
92 (x86_64, arm7, etc.).
94 LLVM Function Attribute
95 -----------------------
97 If you're using LLVM IR directly, you can add the ``function-instrument``
98 string attribute to your functions, to get the similar effect that the
99 C/C++/Objective-C source-level attributes would get:
101 .. code-block:: llvm
103     define i32 @always_instrument() uwtable "function-instrument"="xray-always" {
104       ; ...
105     }
107     define i32 @never_instrument() uwtable "function-instrument"="xray-never" {
108       ; ...
109     }
111 You can also set the ``xray-instruction-threshold`` attribute and provide a
112 numeric string value for how many instructions should be in the function before
113 it gets instrumented.
115 .. code-block:: llvm
117     define i32 @maybe_instrument() uwtable "xray-instruction-threshold"="2" {
118       ; ...
119     }
121 Special Case File
122 -----------------
124 Attributes can be imbued through the use of special case files instead of
125 adding them to the original source files. You can use this to mark certain
126 functions and classes to be never, always, or instrumented with first-argument
127 logging from a file. The file's format is described below:
129 .. code-block:: bash
131     # Comments are supported
132     [always]
133     fun:always_instrument
134     fun:log_arg1=arg1 # Log the first argument for the function
136     [never]
137     fun:never_instrument
139 These files can be provided through the ``-fxray-attr-list=`` flag to clang.
140 You may have multiple files loaded through multiple instances of the flag.
142 XRay Runtime Library
143 --------------------
145 The XRay Runtime Library is part of the compiler-rt project, which implements
146 the runtime components that perform the patching and unpatching of inserted
147 instrumentation points. When you use ``clang`` to link your binaries and the
148 ``-fxray-instrument`` flag, it will automatically link in the XRay runtime.
150 The default implementation of the XRay runtime will enable XRay instrumentation
151 before ``main`` starts, which works for applications that have a short
152 lifetime. This implementation also records all function entry and exit events
153 which may result in a lot of records in the resulting trace.
155 Also by default the filename of the XRay trace is ``xray-log.XXXXXX`` where the
156 ``XXXXXX`` part is randomly generated.
158 These options can be controlled through the ``XRAY_OPTIONS`` environment
159 variable, where we list down the options and their defaults below.
161 +-------------------+-----------------+---------------+------------------------+
162 | Option            | Type            | Default       | Description            |
163 +===================+=================+===============+========================+
164 | patch_premain     | ``bool``        | ``false``     | Whether to patch       |
165 |                   |                 |               | instrumentation points |
166 |                   |                 |               | before main.           |
167 +-------------------+-----------------+---------------+------------------------+
168 | xray_mode         | ``const char*`` | ``""``        | Default mode to        |
169 |                   |                 |               | install and initialize |
170 |                   |                 |               | before ``main``.       |
171 +-------------------+-----------------+---------------+------------------------+
172 | xray_logfile_base | ``const char*`` | ``xray-log.`` | Filename base for the  |
173 |                   |                 |               | XRay logfile.          |
174 +-------------------+-----------------+---------------+------------------------+
175 | verbosity         | ``int``         | ``0``         | Runtime verbosity      |
176 |                   |                 |               | level.                 |
177 +-------------------+-----------------+---------------+------------------------+
180 If you choose to not use the default logging implementation that comes with the
181 XRay runtime and/or control when/how the XRay instrumentation runs, you may use
182 the XRay APIs directly for doing so. To do this, you'll need to include the
183 ``xray_log_interface.h`` from the compiler-rt ``xray`` directory. The important API
184 functions we list below:
186 - ``__xray_log_register_mode(...)``: Register a logging implementation against
187   a string Mode identifier. The implementation is an instance of
188   ``XRayLogImpl`` defined in ``xray/xray_log_interface.h``.
189 - ``__xray_log_select_mode(...)``: Select the mode to install, associated with
190   a string Mode identifier. Only implementations registered with
191   ``__xray_log_register_mode(...)`` can be chosen with this function.
192 - ``__xray_log_init_mode(...)``: This function allows for initializing and
193   re-initializing an installed logging implementation. See
194   ``xray/xray_log_interface.h`` for details, part of the XRay compiler-rt
195   installation.
197 Once a logging implementation has been initialized, it can be "stopped" by
198 finalizing the implementation through the ``__xray_log_finalize()`` function.
199 The finalization routine is the opposite of the initialization. When finalized,
200 an implementation's data can be cleared out through the
201 ``__xray_log_flushLog()`` function. For implementations that support in-memory
202 processing, these should register an iterator function to provide access to the
203 data via the ``__xray_log_set_buffer_iterator(...)`` which allows code calling
204 the ``__xray_log_process_buffers(...)`` function to deal with the data in
205 memory.
207 All of this is better explained in the ``xray/xray_log_interface.h`` header.
209 Basic Mode
210 ----------
212 XRay supports a basic logging mode which will trace the application's
213 execution, and periodically append to a single log. This mode can be
214 installed/enabled by setting ``xray_mode=xray-basic`` in the ``XRAY_OPTIONS``
215 environment variable. Combined with ``patch_premain=true`` this can allow for
216 tracing applications from start to end.
218 Like all the other modes installed through ``__xray_log_select_mode(...)``, the
219 implementation can be configured through the ``__xray_log_init_mode(...)``
220 function, providing the mode string and the flag options. Basic-mode specific
221 defaults can be provided in the ``XRAY_BASIC_OPTIONS`` environment variable.
223 Flight Data Recorder Mode
224 -------------------------
226 XRay supports a logging mode which allows the application to only capture a
227 fixed amount of memory's worth of events. Flight Data Recorder (FDR) mode works
228 very much like a plane's "black box" which keeps recording data to memory in a
229 fixed-size circular queue of buffers, and have the data available
230 programmatically until the buffers are finalized and flushed. To use FDR mode
231 on your application, you may set the ``xray_mode`` variable to ``xray-fdr`` in
232 the ``XRAY_OPTIONS`` environment variable. Additional options to the FDR mode
233 implementation can be provided in the ``XRAY_FDR_OPTIONS`` environment
234 variable. Programmatic configuration can be done by calling
235 ``__xray_log_init_mode("xray-fdr", <configuration string>)`` once it has been
236 selected/installed.
238 When the buffers are flushed to disk, the result is a binary trace format
239 described by `XRay FDR format <XRayFDRFormat.html>`_
241 When FDR mode is on, it will keep writing and recycling memory buffers until
242 the logging implementation is finalized -- at which point it can be flushed and
243 re-initialised later. To do this programmatically, we follow the workflow
244 provided below:
246 .. code-block:: c++
248   // Patch the sleds, if we haven't yet.
249   auto patch_status = __xray_patch();
251   // Maybe handle the patch_status errors.
253   // When we want to flush the log, we need to finalize it first, to give
254   // threads a chance to return buffers to the queue.
255   auto finalize_status = __xray_log_finalize();
256   if (finalize_status != XRAY_LOG_FINALIZED) {
257     // maybe retry, or bail out.
258   }
260   // At this point, we are sure that the log is finalized, so we may try
261   // flushing the log.
262   auto flush_status = __xray_log_flushLog();
263   if (flush_status != XRAY_LOG_FLUSHED) {
264     // maybe retry, or bail out.
265   }
267 The default settings for the FDR mode implementation will create logs named
268 similarly to the basic log implementation, but will have a different log
269 format. All the trace analysis tools (and the trace reading library) will
270 support all versions of the FDR mode format as we add more functionality and
271 record types in the future.
273   **NOTE:** We do not promise perpetual support for when we update the log
274   versions we support going forward. Deprecation of the formats will be
275   announced and discussed on the developers mailing list.
277 Trace Analysis Tools
278 --------------------
280 We currently have the beginnings of a trace analysis tool in LLVM, which can be
281 found in the ``tools/llvm-xray`` directory. The ``llvm-xray`` tool currently
282 supports the following subcommands:
284 - ``extract``: Extract the instrumentation map from a binary, and return it as
285   YAML.
286 - ``account``: Performs basic function call accounting statistics with various
287   options for sorting, and output formats (supports CSV, YAML, and
288   console-friendly TEXT).
289 - ``convert``: Converts an XRay log file from one format to another. We can
290   convert from binary XRay traces (both basic and FDR mode) to YAML,
291   `flame-graph <https://github.com/brendangregg/FlameGraph>`_ friendly text
292   formats, as well as `Chrome Trace Viewer (catapult)
293   <https://github.com/catapult-project/catapult>` formats.
294 - ``graph``: Generates a DOT graph of the function call relationships between
295   functions found in an XRay trace.
296 - ``stack``: Reconstructs function call stacks from a timeline of function
297   calls in an XRay trace.
299 These subcommands use various library components found as part of the XRay
300 libraries, distributed with the LLVM distribution. These are:
302 - ``llvm/XRay/Trace.h`` : A trace reading library for conveniently loading
303   an XRay trace of supported forms, into a convenient in-memory representation.
304   All the analysis tools that deal with traces use this implementation.
305 - ``llvm/XRay/Graph.h`` : A semi-generic graph type used by the graph
306   subcommand to conveniently represent a function call graph with statistics
307   associated with edges and vertices.
308 - ``llvm/XRay/InstrumentationMap.h``: A convenient tool for analyzing the
309   instrumentation map in XRay-instrumented object files and binaries. The
310   ``extract`` and ``stack`` subcommands uses this particular library.
312 Future Work
313 ===========
315 There are a number of ongoing efforts for expanding the toolset building around
316 the XRay instrumentation system.
318 Trace Analysis Tools
319 --------------------
321 - Work is in progress to integrate with or develop tools to visualize findings
322   from an XRay trace. Particularly, the ``stack`` tool is being expanded to
323   output formats that allow graphing and exploring the duration of time in each
324   call stack.
325 - With a large instrumented binary, the size of generated XRay traces can
326   quickly become unwieldy. We are working on integrating pruning techniques and
327   heuristics for the analysis tools to sift through the traces and surface only
328   relevant information.
330 More Platforms
331 --------------
333 We're looking forward to contributions to port XRay to more architectures and
334 operating systems.
336 .. References...
338 .. _`XRay whitepaper`: http://research.google.com/pubs/pub45287.html