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blobacfb83c5374eda4ee879b41b4409890da8f3781e
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 customize
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 (or contain a loop) will
66 get XRay instrumentation points. You can tweak that number through the
67 ``-fxray-instruction-threshold=`` flag:
71   clang -fxray-instrument -fxray-instruction-threshold=1 ...
73 The loop detection can be disabled with ``-fxray-ignore-loops`` to use only the
74 instruction threshold. You can also specifically instrument functions in your
75 binary to either always or never be instrumented using source-level attributes.
76 You can do it using the GCC-style attributes or C++11-style attributes.
78 .. code-block:: c++
80     [[clang::xray_always_instrument]] void always_instrumented();
82     [[clang::xray_never_instrument]] void never_instrumented();
84     void alt_always_instrumented() __attribute__((xray_always_instrument));
86     void alt_never_instrumented() __attribute__((xray_never_instrument));
88 When linking a binary, you can either manually link in the `XRay Runtime
89 Library`_ or use ``clang`` to link it in automatically with the
90 ``-fxray-instrument`` flag. Alternatively, you can statically link-in the XRay
91 runtime library from compiler-rt -- those archive files will take the name of
92 `libclang_rt.xray-{arch}` where `{arch}` is the mnemonic supported by clang
93 (x86_64, arm7, etc.).
95 LLVM Function Attribute
96 -----------------------
98 If you're using LLVM IR directly, you can add the ``function-instrument``
99 string attribute to your functions, to get the similar effect that the
100 C/C++/Objective-C source-level attributes would get:
102 .. code-block:: llvm
104     define i32 @always_instrument() uwtable "function-instrument"="xray-always" {
105       ; ...
106     }
108     define i32 @never_instrument() uwtable "function-instrument"="xray-never" {
109       ; ...
110     }
112 You can also set the ``xray-instruction-threshold`` attribute and provide a
113 numeric string value for how many instructions should be in the function before
114 it gets instrumented.
116 .. code-block:: llvm
118     define i32 @maybe_instrument() uwtable "xray-instruction-threshold"="2" {
119       ; ...
120     }
122 Special Case File
123 -----------------
125 Attributes can be imbued through the use of special case files instead of
126 adding them to the original source files. You can use this to mark certain
127 functions and classes to be never, always, or instrumented with first-argument
128 logging from a file. The file's format is described below:
130 .. code-block:: bash
132     # Comments are supported
133     [always]
134     fun:always_instrument
135     fun:log_arg1=arg1 # Log the first argument for the function
137     [never]
138     fun:never_instrument
140 These files can be provided through the ``-fxray-attr-list=`` flag to clang.
141 You may have multiple files loaded through multiple instances of the flag.
143 XRay Runtime Library
144 --------------------
146 The XRay Runtime Library is part of the compiler-rt project, which implements
147 the runtime components that perform the patching and unpatching of inserted
148 instrumentation points. When you use ``clang`` to link your binaries and the
149 ``-fxray-instrument`` flag, it will automatically link in the XRay runtime.
151 The default implementation of the XRay runtime will enable XRay instrumentation
152 before ``main`` starts, which works for applications that have a short
153 lifetime. This implementation also records all function entry and exit events
154 which may result in a lot of records in the resulting trace.
156 Also by default the filename of the XRay trace is ``xray-log.XXXXXX`` where the
157 ``XXXXXX`` part is randomly generated.
159 These options can be controlled through the ``XRAY_OPTIONS`` environment
160 variable, where we list down the options and their defaults below.
162 +-------------------+-----------------+---------------+------------------------+
163 | Option            | Type            | Default       | Description            |
164 +===================+=================+===============+========================+
165 | patch_premain     | ``bool``        | ``false``     | Whether to patch       |
166 |                   |                 |               | instrumentation points |
167 |                   |                 |               | before main.           |
168 +-------------------+-----------------+---------------+------------------------+
169 | xray_mode         | ``const char*`` | ``""``        | Default mode to        |
170 |                   |                 |               | install and initialize |
171 |                   |                 |               | before ``main``.       |
172 +-------------------+-----------------+---------------+------------------------+
173 | xray_logfile_base | ``const char*`` | ``xray-log.`` | Filename base for the  |
174 |                   |                 |               | XRay logfile.          |
175 +-------------------+-----------------+---------------+------------------------+
176 | verbosity         | ``int``         | ``0``         | Runtime verbosity      |
177 |                   |                 |               | level.                 |
178 +-------------------+-----------------+---------------+------------------------+
181 If you choose to not use the default logging implementation that comes with the
182 XRay runtime and/or control when/how the XRay instrumentation runs, you may use
183 the XRay APIs directly for doing so. To do this, you'll need to include the
184 ``xray_log_interface.h`` from the compiler-rt ``xray`` directory. The important API
185 functions we list below:
187 - ``__xray_log_register_mode(...)``: Register a logging implementation against
188   a string Mode identifier. The implementation is an instance of
189   ``XRayLogImpl`` defined in ``xray/xray_log_interface.h``.
190 - ``__xray_log_select_mode(...)``: Select the mode to install, associated with
191   a string Mode identifier. Only implementations registered with
192   ``__xray_log_register_mode(...)`` can be chosen with this function.
193 - ``__xray_log_init_mode(...)``: This function allows for initializing and
194   re-initializing an installed logging implementation. See
195   ``xray/xray_log_interface.h`` for details, part of the XRay compiler-rt
196   installation.
198 Once a logging implementation has been initialized, it can be "stopped" by
199 finalizing the implementation through the ``__xray_log_finalize()`` function.
200 The finalization routine is the opposite of the initialization. When finalized,
201 an implementation's data can be cleared out through the
202 ``__xray_log_flushLog()`` function. For implementations that support in-memory
203 processing, these should register an iterator function to provide access to the
204 data via the ``__xray_log_set_buffer_iterator(...)`` which allows code calling
205 the ``__xray_log_process_buffers(...)`` function to deal with the data in
206 memory.
208 All of this is better explained in the ``xray/xray_log_interface.h`` header.
210 Basic Mode
211 ----------
213 XRay supports a basic logging mode which will trace the application's
214 execution, and periodically append to a single log. This mode can be
215 installed/enabled by setting ``xray_mode=xray-basic`` in the ``XRAY_OPTIONS``
216 environment variable. Combined with ``patch_premain=true`` this can allow for
217 tracing applications from start to end.
219 Like all the other modes installed through ``__xray_log_select_mode(...)``, the
220 implementation can be configured through the ``__xray_log_init_mode(...)``
221 function, providing the mode string and the flag options. Basic-mode specific
222 defaults can be provided in the ``XRAY_BASIC_OPTIONS`` environment variable.
224 Flight Data Recorder Mode
225 -------------------------
227 XRay supports a logging mode which allows the application to only capture a
228 fixed amount of memory's worth of events. Flight Data Recorder (FDR) mode works
229 very much like a plane's "black box" which keeps recording data to memory in a
230 fixed-size circular queue of buffers, and have the data available
231 programmatically until the buffers are finalized and flushed. To use FDR mode
232 on your application, you may set the ``xray_mode`` variable to ``xray-fdr`` in
233 the ``XRAY_OPTIONS`` environment variable. Additional options to the FDR mode
234 implementation can be provided in the ``XRAY_FDR_OPTIONS`` environment
235 variable. Programmatic configuration can be done by calling
236 ``__xray_log_init_mode("xray-fdr", <configuration string>)`` once it has been
237 selected/installed.
239 When the buffers are flushed to disk, the result is a binary trace format
240 described by `XRay FDR format <XRayFDRFormat.html>`_
242 When FDR mode is on, it will keep writing and recycling memory buffers until
243 the logging implementation is finalized -- at which point it can be flushed and
244 re-initialised later. To do this programmatically, we follow the workflow
245 provided below:
247 .. code-block:: c++
249   // Patch the sleds, if we haven't yet.
250   auto patch_status = __xray_patch();
252   // Maybe handle the patch_status errors.
254   // When we want to flush the log, we need to finalize it first, to give
255   // threads a chance to return buffers to the queue.
256   auto finalize_status = __xray_log_finalize();
257   if (finalize_status != XRAY_LOG_FINALIZED) {
258     // maybe retry, or bail out.
259   }
261   // At this point, we are sure that the log is finalized, so we may try
262   // flushing the log.
263   auto flush_status = __xray_log_flushLog();
264   if (flush_status != XRAY_LOG_FLUSHED) {
265     // maybe retry, or bail out.
266   }
268 The default settings for the FDR mode implementation will create logs named
269 similarly to the basic log implementation, but will have a different log
270 format. All the trace analysis tools (and the trace reading library) will
271 support all versions of the FDR mode format as we add more functionality and
272 record types in the future.
274   **NOTE:** We do not promise perpetual support for when we update the log
275   versions we support going forward. Deprecation of the formats will be
276   announced and discussed on the developers mailing list.
278 Trace Analysis Tools
279 --------------------
281 We currently have the beginnings of a trace analysis tool in LLVM, which can be
282 found in the ``tools/llvm-xray`` directory. The ``llvm-xray`` tool currently
283 supports the following subcommands:
285 - ``extract``: Extract the instrumentation map from a binary, and return it as
286   YAML.
287 - ``account``: Performs basic function call accounting statistics with various
288   options for sorting, and output formats (supports CSV, YAML, and
289   console-friendly TEXT).
290 - ``convert``: Converts an XRay log file from one format to another. We can
291   convert from binary XRay traces (both basic and FDR mode) to YAML,
292   `flame-graph <https://github.com/brendangregg/FlameGraph>`_ friendly text
293   formats, as well as `Chrome Trace Viewer (catapult)
294   <https://github.com/catapult-project/catapult>` formats.
295 - ``graph``: Generates a DOT graph of the function call relationships between
296   functions found in an XRay trace.
297 - ``stack``: Reconstructs function call stacks from a timeline of function
298   calls in an XRay trace.
300 These subcommands use various library components found as part of the XRay
301 libraries, distributed with the LLVM distribution. These are:
303 - ``llvm/XRay/Trace.h`` : A trace reading library for conveniently loading
304   an XRay trace of supported forms, into a convenient in-memory representation.
305   All the analysis tools that deal with traces use this implementation.
306 - ``llvm/XRay/Graph.h`` : A semi-generic graph type used by the graph
307   subcommand to conveniently represent a function call graph with statistics
308   associated with edges and vertices.
309 - ``llvm/XRay/InstrumentationMap.h``: A convenient tool for analyzing the
310   instrumentation map in XRay-instrumented object files and binaries. The
311   ``extract`` and ``stack`` subcommands uses this particular library.
314 Minimizing Binary Size
315 ----------------------
317 XRay supports several different instrumentation points including ``function-entry``,
318 ``function-exit``, ``custom``, and ``typed`` points. These can be enabled individually
319 using the ``-fxray-instrumentation-bundle=`` flag. For example if you only wanted to
320 instrument function entry and custom points you could specify:
324   clang -fxray-instrument -fxray-instrumentation-bundle=function-entry,custom ...
326 This will omit the other sled types entirely, reducing the binary size. You can also
327 instrument just a sampled subset of functions using instrumentation groups.
328 For example, to instrument only a quarter of available functions invoke:
332   clang -fxray-instrument -fxray-function-groups=4
334 A subset will be chosen arbitrarily based on a hash of the function name. To sample a
335 different subset you can specify ``-fxray-selected-function-group=`` with a group number
336 in the range of 0 to ``xray-function-groups`` - 1.  Together these options could be used
337 to produce multiple binaries with different instrumented subsets. If all you need is
338 runtime control over which functions are being traced at any given time it is better
339 to selectively patch and unpatch the individual functions you need using the XRay
340 Runtime Library's ``__xray_patch_function()`` method.
342 Future Work
343 ===========
345 There are a number of ongoing efforts for expanding the toolset building around
346 the XRay instrumentation system.
348 Trace Analysis Tools
349 --------------------
351 - Work is in progress to integrate with or develop tools to visualize findings
352   from an XRay trace. Particularly, the ``stack`` tool is being expanded to
353   output formats that allow graphing and exploring the duration of time in each
354   call stack.
355 - With a large instrumented binary, the size of generated XRay traces can
356   quickly become unwieldy. We are working on integrating pruning techniques and
357   heuristics for the analysis tools to sift through the traces and surface only
358   relevant information.
360 More Platforms
361 --------------
363 We're looking forward to contributions to port XRay to more architectures and
364 operating systems.
366 .. References...
368 .. _`XRay whitepaper`: http://research.google.com/pubs/pub45287.html