[memprof] Upgrade a unit test to MemProf Version 3 (#117063)
[llvm-project.git] / clang / docs / SourceBasedCodeCoverage.rst
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1 ==========================
2 Source-based Code Coverage
3 ==========================
5 .. contents::
6    :local:
8 Introduction
9 ============
11 This document explains how to use clang's source-based code coverage feature.
12 It's called "source-based" because it operates on AST and preprocessor
13 information directly. This allows it to generate very precise coverage data.
15 Clang ships two other code coverage implementations:
17 * :doc:`SanitizerCoverage` - A low-overhead tool meant for use alongside the
18   various sanitizers. It can provide up to edge-level coverage.
20 * gcov - A GCC-compatible coverage implementation which operates on DebugInfo.
21   This is enabled by ``-ftest-coverage`` or ``--coverage``.
23 From this point onwards "code coverage" will refer to the source-based kind.
25 The code coverage workflow
26 ==========================
28 The code coverage workflow consists of three main steps:
30 * Compiling with coverage enabled.
32 * Running the instrumented program.
34 * Creating coverage reports.
36 The next few sections work through a complete, copy-'n-paste friendly example
37 based on this program:
39 .. code-block:: cpp
41     % cat <<EOF > foo.cc
42     #define BAR(x) ((x) || (x))
43     template <typename T> void foo(T x) {
44       for (unsigned I = 0; I < 10; ++I) { BAR(I); }
45     }
46     int main() {
47       foo<int>(0);
48       foo<float>(0);
49       return 0;
50     }
51     EOF
53 Compiling with coverage enabled
54 ===============================
56 To compile code with coverage enabled, pass ``-fprofile-instr-generate
57 -fcoverage-mapping`` to the compiler:
59 .. code-block:: console
61     # Step 1: Compile with coverage enabled.
62     % clang++ -fprofile-instr-generate -fcoverage-mapping foo.cc -o foo
64 Note that linking together code with and without coverage instrumentation is
65 supported. Uninstrumented code simply won't be accounted for in reports.
67 To compile code with Modified Condition/Decision Coverage (MC/DC) enabled,
68 pass ``-fcoverage-mcdc`` in addition to the clang options specified above.
69 MC/DC is an advanced form of code coverage most applicable in the embedded
70 space.
72 Running the instrumented program
73 ================================
75 The next step is to run the instrumented program. When the program exits it
76 will write a **raw profile** to the path specified by the ``LLVM_PROFILE_FILE``
77 environment variable. If that variable does not exist, the profile is written
78 to ``default.profraw`` in the current directory of the program. If
79 ``LLVM_PROFILE_FILE`` contains a path to a non-existent directory, the missing
80 directory structure will be created.  Additionally, the following special
81 **pattern strings** are rewritten:
83 * "%p" expands out to the process ID.
85 * "%h" expands out to the hostname of the machine running the program.
87 * "%t" expands out to the value of the ``TMPDIR`` environment variable. On
88   Darwin, this is typically set to a temporary scratch directory.
90 * "%Nm" expands out to the instrumented binary's signature. When this pattern
91   is specified, the runtime creates a pool of N raw profiles which are used for
92   on-line profile merging. The runtime takes care of selecting a raw profile
93   from the pool, locking it, and updating it before the program exits.  If N is
94   not specified (i.e the pattern is "%m"), it's assumed that ``N = 1``. The
95   merge pool specifier can only occur once per filename pattern.
97 * "%c" expands out to nothing, but enables a mode in which profile counter
98   updates are continuously synced to a file. This means that if the
99   instrumented program crashes, or is killed by a signal, perfect coverage
100   information can still be recovered. Continuous mode does not support value
101   profiling for PGO, and is only supported on Darwin at the moment. Support for
102   Linux may be mostly complete but requires testing, and support for Windows
103   may require more extensive changes: please get involved if you are interested
104   in porting this feature.
106 .. code-block:: console
108     # Step 2: Run the program.
109     % LLVM_PROFILE_FILE="foo.profraw" ./foo
111 Note that continuous mode is also used on Fuchsia where it's the only supported
112 mode, but the implementation is different. The Darwin and Linux implementation
113 relies on padding and the ability to map a file over the existing memory
114 mapping which is generally only available on POSIX systems and isn't suitable
115 for other platforms.
117 On Fuchsia, we rely on the ability to relocate counters at runtime using a
118 level of indirection. On every counter access, we add a bias to the counter
119 address. This bias is stored in ``__llvm_profile_counter_bias`` symbol that's
120 provided by the profile runtime and is initially set to zero, meaning no
121 relocation. The runtime can map the profile into memory at arbitrary locations,
122 and set bias to the offset between the original and the new counter location,
123 at which point every subsequent counter access will be to the new location,
124 which allows updating profile directly akin to the continuous mode.
126 The advantage of this approach is that doesn't require any special OS support.
127 The disadvantage is the extra overhead due to additional instructions required
128 for each counter access (overhead both in terms of binary size and performance)
129 plus duplication of counters (i.e. one copy in the binary itself and another
130 copy that's mapped into memory). This implementation can be also enabled for
131 other platforms by passing the ``-runtime-counter-relocation`` option to the
132 backend during compilation.
134 For a program such as the `Lit <https://llvm.org/docs/CommandGuide/lit.html>`_
135 testing tool which invokes other programs, it may be necessary to set
136 ``LLVM_PROFILE_FILE`` for each invocation. The pattern strings "%p" or "%Nm"
137 may help to avoid corruption due to concurrency. Note that "%p" is also a Lit
138 token and needs to be escaped as "%%p".
140 .. code-block:: console
142     % clang++ -fprofile-instr-generate -fcoverage-mapping -mllvm -runtime-counter-relocation foo.cc -o foo
144 Creating coverage reports
145 =========================
147 Raw profiles have to be **indexed** before they can be used to generate
148 coverage reports. This is done using the "merge" tool in ``llvm-profdata``
149 (which can combine multiple raw profiles and index them at the same time):
151 .. code-block:: console
153     # Step 3(a): Index the raw profile.
154     % llvm-profdata merge -sparse foo.profraw -o foo.profdata
156 For an example of merging multiple profiles created by testing,
157 see the LLVM `coverage build script <https://github.com/llvm/llvm-zorg/blob/main/zorg/jenkins/jobs/jobs/llvm-coverage>`_.
159 There are multiple different ways to render coverage reports. The simplest
160 option is to generate a line-oriented report:
162 .. code-block:: console
164     # Step 3(b): Create a line-oriented coverage report.
165     % llvm-cov show ./foo -instr-profile=foo.profdata
167 This report includes a summary view as well as dedicated sub-views for
168 templated functions and their instantiations. For our example program, we get
169 distinct views for ``foo<int>(...)`` and ``foo<float>(...)``.  If
170 ``-show-line-counts-or-regions`` is enabled, ``llvm-cov`` displays sub-line
171 region counts (even in macro expansions):
173 .. code-block:: none
175         1|   20|#define BAR(x) ((x) || (x))
176                                ^20     ^2
177         2|    2|template <typename T> void foo(T x) {
178         3|   22|  for (unsigned I = 0; I < 10; ++I) { BAR(I); }
179                                        ^22     ^20  ^20^20
180         4|    2|}
181     ------------------
182     | void foo<int>(int):
183     |      2|    1|template <typename T> void foo(T x) {
184     |      3|   11|  for (unsigned I = 0; I < 10; ++I) { BAR(I); }
185     |                                     ^11     ^10  ^10^10
186     |      4|    1|}
187     ------------------
188     | void foo<float>(int):
189     |      2|    1|template <typename T> void foo(T x) {
190     |      3|   11|  for (unsigned I = 0; I < 10; ++I) { BAR(I); }
191     |                                     ^11     ^10  ^10^10
192     |      4|    1|}
193     ------------------
195 If ``--show-branches=count`` and ``--show-expansions`` are also enabled, the
196 sub-views will show detailed branch coverage information in addition to the
197 region counts:
199 .. code-block:: none
201     ------------------
202     | void foo<float>(int):
203     |      2|    1|template <typename T> void foo(T x) {
204     |      3|   11|  for (unsigned I = 0; I < 10; ++I) { BAR(I); }
205     |                                     ^11     ^10  ^10^10
206     |  ------------------
207     |  |  |    1|     10|#define BAR(x) ((x) || (x))
208     |  |  |                             ^10     ^1
209     |  |  |  ------------------
210     |  |  |  |  Branch (1:17): [True: 9, False: 1]
211     |  |  |  |  Branch (1:24): [True: 0, False: 1]
212     |  |  |  ------------------
213     |  ------------------
214     |  |  Branch (3:23): [True: 10, False: 1]
215     |  ------------------
216     |      4|    1|}
217     ------------------
219 If the application was instrumented for Modified Condition/Decision Coverage
220 (MC/DC) using the clang option ``-fcoverage-mcdc``, an MC/DC subview can be
221 enabled using ``--show-mcdc`` that will show detailed MC/DC information for
222 each complex condition boolean expression containing at most six conditions.
224 To generate a file-level summary of coverage statistics instead of a
225 line-oriented report, try:
227 .. code-block:: console
229     # Step 3(c): Create a coverage summary.
230     % llvm-cov report ./foo -instr-profile=foo.profdata
231     Filename           Regions    Missed Regions     Cover   Functions  Missed Functions  Executed       Lines      Missed Lines     Cover     Branches    Missed Branches     Cover
232     --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
233     /tmp/foo.cc             13                 0   100.00%           3                 0   100.00%          13                 0   100.00%           12                  2    83.33%
234     --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
235     TOTAL                   13                 0   100.00%           3                 0   100.00%          13                 0   100.00%           12                  2    83.33%
237 The ``llvm-cov`` tool supports specifying a custom demangler, writing out
238 reports in a directory structure, and generating html reports. For the full
239 list of options, please refer to the `command guide
240 <https://llvm.org/docs/CommandGuide/llvm-cov.html>`_.
242 A few final notes:
244 * The ``-sparse`` flag is optional but can result in dramatically smaller
245   indexed profiles. This option should not be used if the indexed profile will
246   be reused for PGO.
248 * Raw profiles can be discarded after they are indexed. Advanced use of the
249   profile runtime library allows an instrumented program to merge profiling
250   information directly into an existing raw profile on disk. The details are
251   out of scope.
253 * The ``llvm-profdata`` tool can be used to merge together multiple raw or
254   indexed profiles. To combine profiling data from multiple runs of a program,
255   try e.g:
257   .. code-block:: console
259       % llvm-profdata merge -sparse foo1.profraw foo2.profdata -o foo3.profdata
261 Exporting coverage data
262 =======================
264 Coverage data can be exported into JSON using the ``llvm-cov export``
265 sub-command. There is a comprehensive reference which defines the structure of
266 the exported data at a high level in the llvm-cov source code.
268 Interpreting reports
269 ====================
271 There are six statistics tracked in a coverage summary:
273 * Function coverage is the percentage of functions which have been executed at
274   least once. A function is considered to be executed if any of its
275   instantiations are executed.
277 * Instantiation coverage is the percentage of function instantiations which
278   have been executed at least once. Template functions and static inline
279   functions from headers are two kinds of functions which may have multiple
280   instantiations. This statistic is hidden by default in reports, but can be
281   enabled via the ``-show-instantiation-summary`` option.
283 * Line coverage is the percentage of code lines which have been executed at
284   least once. Only executable lines within function bodies are considered to be
285   code lines.
287 * Region coverage is the percentage of code regions which have been executed at
288   least once. A code region may span multiple lines (e.g in a large function
289   body with no control flow). However, it's also possible for a single line to
290   contain multiple code regions (e.g in "return x || y && z").
292 * Branch coverage is the percentage of "true" and "false" branches that have
293   been taken at least once. Each branch is tied to individual conditions in the
294   source code that may each evaluate to either "true" or "false".  These
295   conditions may comprise larger boolean expressions linked by boolean logical
296   operators. For example, "x = (y == 2) || (z < 10)" is a boolean expression
297   that is comprised of two individual conditions, each of which evaluates to
298   either true or false, producing four total branch outcomes.
300 * Modified Condition/Decision Coverage (MC/DC) is the percentage of individual
301   branch conditions that have been shown to independently affect the decision
302   outcome of the boolean expression they comprise. This is accomplished using
303   the analysis of executed control flow through the expression (i.e. test
304   vectors) to show that as a condition's outcome is varied between "true" and
305   false", the decision's outcome also varies between "true" and false", while
306   the outcome of all other conditions is held fixed (or they are masked out as
307   unevaluatable, as happens in languages whose logical operators have
308   short-circuit semantics).  MC/DC builds on top of branch coverage and
309   requires that all code blocks and all execution paths have been tested.  This
310   statistic is hidden by default in reports, but it can be enabled via the
311   ``-show-mcdc-summary`` option as long as code was also compiled using the
312   clang option ``-fcoverage-mcdc``.
314   * Boolean expressions that are only comprised of one condition (and therefore
315     have no logical operators) are not included in MC/DC analysis and are
316     trivially deducible using branch coverage.
318 Of these six statistics, function coverage is usually the least granular while
319 branch coverage (with MC/DC) is the most granular. 100% branch coverage for a
320 function implies 100% region coverage for a function. The project-wide totals
321 for each statistic are listed in the summary.
323 Format compatibility guarantees
324 ===============================
326 * There are no backwards or forwards compatibility guarantees for the raw
327   profile format. Raw profiles may be dependent on the specific compiler
328   revision used to generate them. It's inadvisable to store raw profiles for
329   long periods of time.
331 * Tools must retain **backwards** compatibility with indexed profile formats.
332   These formats are not forwards-compatible: i.e, a tool which uses format
333   version X will not be able to understand format version (X+k).
335 * Tools must also retain **backwards** compatibility with the format of the
336   coverage mappings emitted into instrumented binaries. These formats are not
337   forwards-compatible.
339 * The JSON coverage export format has a (major, minor, patch) version triple.
340   Only a major version increment indicates a backwards-incompatible change. A
341   minor version increment is for added functionality, and patch version
342   increments are for bugfixes.
344 Impact of llvm optimizations on coverage reports
345 ================================================
347 llvm optimizations (such as inlining or CFG simplification) should have no
348 impact on coverage report quality. This is due to the fact that the mapping
349 from source regions to profile counters is immutable, and is generated before
350 the llvm optimizer kicks in. The optimizer can't prove that profile counter
351 instrumentation is safe to delete (because it's not: it affects the profile the
352 program emits), and so leaves it alone.
354 Note that this coverage feature does not rely on information that can degrade
355 during the course of optimization, such as debug info line tables.
357 Using the profiling runtime without static initializers
358 =======================================================
360 By default the compiler runtime uses a static initializer to determine the
361 profile output path and to register a writer function. To collect profiles
362 without using static initializers, do this manually:
364 * Export a ``int __llvm_profile_runtime`` symbol from each instrumented shared
365   library and executable. When the linker finds a definition of this symbol, it
366   knows to skip loading the object which contains the profiling runtime's
367   static initializer.
369 * Forward-declare ``void __llvm_profile_initialize_file(void)`` and call it
370   once from each instrumented executable. This function parses
371   ``LLVM_PROFILE_FILE``, sets the output path, and truncates any existing files
372   at that path. To get the same behavior without truncating existing files,
373   pass a filename pattern string to ``void __llvm_profile_set_filename(char
374   *)``.  These calls can be placed anywhere so long as they precede all calls
375   to ``__llvm_profile_write_file``.
377 * Forward-declare ``int __llvm_profile_write_file(void)`` and call it to write
378   out a profile. This function returns 0 when it succeeds, and a non-zero value
379   otherwise. Calling this function multiple times appends profile data to an
380   existing on-disk raw profile.
382 In C++ files, declare these as ``extern "C"``.
384 Using the profiling runtime without a filesystem
385 ------------------------------------------------
387 The profiling runtime also supports freestanding environments that lack a
388 filesystem. The runtime ships as a static archive that's structured to make
389 dependencies on a hosted environment optional, depending on what features
390 the client application uses.
392 The first step is to export ``__llvm_profile_runtime``, as above, to disable
393 the default static initializers. Instead of calling the ``*_file()`` APIs
394 described above, use the following to save the profile directly to a buffer
395 under your control:
397 * Forward-declare ``uint64_t __llvm_profile_get_size_for_buffer(void)`` and
398   call it to determine the size of the profile. You'll need to allocate a
399   buffer of this size.
401 * Forward-declare ``int __llvm_profile_write_buffer(char *Buffer)`` and call it
402   to copy the current counters to ``Buffer``, which is expected to already be
403   allocated and big enough for the profile.
405 * Optionally, forward-declare ``void __llvm_profile_reset_counters(void)`` and
406   call it to reset the counters before entering a specific section to be
407   profiled. This is only useful if there is some setup that should be excluded
408   from the profile.
410 In C++ files, declare these as ``extern "C"``.
412 Collecting coverage reports for the llvm project
413 ================================================
415 To prepare a coverage report for llvm (and any of its sub-projects), add
416 ``-DLLVM_BUILD_INSTRUMENTED_COVERAGE=On`` to the cmake configuration. Raw
417 profiles will be written to ``$BUILD_DIR/profiles/``. To prepare an html
418 report, run ``llvm/utils/prepare-code-coverage-artifact.py``.
420 To specify an alternate directory for raw profiles, use
421 ``-DLLVM_PROFILE_DATA_DIR``. To change the size of the profile merge pool, use
422 ``-DLLVM_PROFILE_MERGE_POOL_SIZE``.
424 Drawbacks and limitations
425 =========================
427 * Prior to version 2.26, the GNU binutils BFD linker is not able link programs
428   compiled with ``-fcoverage-mapping`` in its ``--gc-sections`` mode.  Possible
429   workarounds include disabling ``--gc-sections``, upgrading to a newer version
430   of BFD, or using the Gold linker.
432 * Code coverage does not handle unpredictable changes in control flow or stack
433   unwinding in the presence of exceptions precisely. Consider the following
434   function:
436   .. code-block:: cpp
438       int f() {
439         may_throw();
440         return 0;
441       }
443   If the call to ``may_throw()`` propagates an exception into ``f``, the code
444   coverage tool may mark the ``return`` statement as executed even though it is
445   not. A call to ``longjmp()`` can have similar effects.
447 Clang implementation details
448 ============================
450 This section may be of interest to those wishing to understand or improve
451 the clang code coverage implementation.
453 Gap regions
454 -----------
456 Gap regions are source regions with counts. A reporting tool cannot set a line
457 execution count to the count from a gap region unless that region is the only
458 one on a line.
460 Gap regions are used to eliminate unnatural artifacts in coverage reports, such
461 as red "unexecuted" highlights present at the end of an otherwise covered line,
462 or blue "executed" highlights present at the start of a line that is otherwise
463 not executed.
465 Branch regions
466 --------------
467 When viewing branch coverage details in source-based file-level sub-views using
468 ``--show-branches``, it is recommended that users show all macro expansions
469 (using option ``--show-expansions``) since macros may contain hidden branch
470 conditions.  The coverage summary report will always include these macro-based
471 boolean expressions in the overall branch coverage count for a function or
472 source file.
474 Branch coverage is not tracked for constant folded branch conditions since
475 branches are not generated for these cases.  In the source-based file-level
476 sub-view, these branches will simply be shown as ``[Folded - Ignored]`` so that
477 users are informed about what happened.
479 Branch coverage is tied directly to branch-generating conditions in the source
480 code.  Users should not see hidden branches that aren't actually tied to the
481 source code.
483 MC/DC Instrumentation
484 ---------------------
486 When instrumenting for Modified Condition/Decision Coverage (MC/DC) using the
487 clang option ``-fcoverage-mcdc``, there are two hard limits.
489 The maximum number of terms is limited to 32767, which is practical for
490 handwritten expressions. To be more restrictive in order to enforce coding rules,
491 use ``-Xclang -fmcdc-max-conditions=n``. Expressions with exceeded condition
492 counts ``n`` will generate warnings and will be excluded in the MC/DC coverage.
494 The number of test vectors (the maximum number of possible combinations of
495 expressions) is limited to 2,147,483,646. In this case, approximately
496 256MiB (==2GiB/8) is used to record test vectors.
498 To reduce memory usage, users can limit the maximum number of test vectors per
499 expression with ``-Xclang -fmcdc-max-test-vectors=m``.
500 If the number of test vectors resulting from the analysis of an expression
501 exceeds ``m``, a warning will be issued and the expression will be excluded
502 from the MC/DC coverage.
504 The number of test vectors ``m``, for ``n`` terms in an expression, can be
505 ``m <= 2^n`` in the theoretical worst case, but is usually much smaller.
506 In simple cases, such as expressions consisting of a sequence of single
507 operators, ``m == n+1``. For example, ``(a && b && c && d && e && f && g)``
508 requires 8 test vectors.
510 Expressions such as ``((a0 && b0) || (a1 && b1) || ...)`` can cause the
511 number of test vectors to increase exponentially.
513 Also, if a boolean expression is embedded in the nest of another boolean
514 expression but separated by a non-logical operator, this is also not supported.
515 For example, in ``x = (a && b && c && func(d && f))``, the ``d && f`` case
516 starts a new boolean expression that is separated from the other conditions by
517 the operator ``func()``.  When this is encountered, a warning will be generated
518 and the boolean expression will not be instrumented.
520 Switch statements
521 -----------------
523 The region mapping for a switch body consists of a gap region that covers the
524 entire body (starting from the '{' in 'switch (...) {', and terminating where the
525 last case ends). This gap region has a zero count: this causes "gap" areas in
526 between case statements, which contain no executable code, to appear uncovered.
528 When a switch case is visited, the parent region is extended: if the parent
529 region has no start location, its start location becomes the start of the case.
530 This is used to support switch statements without a ``CompoundStmt`` body, in
531 which the switch body and the single case share a count.
533 For switches with ``CompoundStmt`` bodies, a new region is created at the start
534 of each switch case.
536 Branch regions are also generated for each switch case, including the default
537 case. If there is no explicitly defined default case in the source code, a
538 branch region is generated to correspond to the implicit default case that is
539 generated by the compiler.  The implicit branch region is tied to the line and
540 column number of the switch statement condition since no source code for the
541 implicit case exists.