FreeBSD: add file descriptor tracking for _umtx_op
[valgrind.git] / exp-bbv / docs / bbv-manual.xml
blob6be1ffeeee9242123db8925a34a91de7d60facf0
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">
5 <chapter id="bbv-manual" xreflabel="BBV">
6   <title>BBV: an experimental basic block vector generation tool</title>
8 <para>To use this tool, you must specify
9 <option>--tool=exp-bbv</option> on the Valgrind
10 command line.</para>
12 <sect1 id="bbv-manual.overview" xreflabel="Overview">
13 <title>Overview</title>
15 <para>
16    A basic block is a linear section of code with one entry point and one exit
17    point.  A <emphasis>basic block vector</emphasis> (BBV) is a list of all
18    basic blocks entered during program execution, and a count of how many
19    times each basic block was run.
20 </para>
22 <para>
23    BBV is a tool that generates basic block vectors for use with the 
24    <ulink url="http://www.cse.ucsd.edu/~calder/simpoint/">SimPoint</ulink>
25    analysis tool. 
26    The SimPoint methodology enables speeding up architectural 
27    simulations by only running a small portion of a program
28    and then extrapolating total behavior from this
29    small portion.  Most programs exhibit phase-based behavior, which
30    means that at various times during execution a program will encounter 
31    intervals of time where the code behaves similarly to a previous
32    interval.  If you can detect these intervals and group them together, 
33    an approximation of the total program behavior can be obtained
34    by only simulating a bare minimum number of intervals, and then scaling 
35    the results.
36 </para>
38 <para>
39   In computer architecture research, running a 
40   benchmark on a cycle-accurate simulator can cause slowdowns on the order
41   of 1000 times, making it take days, weeks, or even longer to run full
42   benchmarks.  By utilizing SimPoint this can be reduced significantly,
43   usually by 90-95%, while still retaining reasonable accuracy.
44 </para>
46 <para>
47    A more complete introduction to how SimPoint works can be 
48    found in the paper "Automatically Characterizing Large Scale 
49    Program Behavior" by T. Sherwood, E. Perelman, G. Hamerly, and 
50    B. Calder.  
51 </para>
53 </sect1>
55 <sect1 id="bbv-manual.quickstart" xreflabel="Quick Start">
56 <title>Using Basic Block Vectors to create SimPoints</title>
58 <para>
59    To quickly create a basic block vector file, you will call Valgrind
60    like this:
62    <programlisting>valgrind --tool=exp-bbv /bin/ls</programlisting>
64    In this case we are running on <filename>/bin/ls</filename>,
65    but this can be any program.  By default a file called
66    <computeroutput>bb.out.PID</computeroutput> will be created,
67    where PID is replaced by the process ID of the running process.
68    This file contains the basic block vector.  For long-running programs
69    this file can be quite large, so it might be wise to compress
70    it with gzip or some other compression program.
71 </para>   
73 <para>
74    To create actual SimPoint results, you will need the SimPoint utility,
75    available from the 
76    <ulink url="http://www.cse.ucsd.edu/~calder/simpoint/">SimPoint webpage</ulink>.
77    Assuming you have downloaded SimPoint 3.2 and compiled it,
78    create SimPoint results with a command like the following:
79       
80    <programlisting><![CDATA[
81 ./SimPoint.3.2/bin/simpoint -inputVectorsGzipped \
82     -loadFVFile bb.out.1234.gz \
83     -k 5 -saveSimpoints results.simpts \
84     -saveSimpointWeights results.weights]]></programlisting>
86    where bb.out.1234.gz is your compressed basic block vector file
87    generated by BBV.
88 </para>
90 <para>   
91    The SimPoint utility does random linear projection using 15-dimensions,
92    then does k-mean clustering to calculate which intervals are 
93    of interest.  In this example we specify 5 intervals with the 
94    -k 5 option.   
95 </para>   
96    
97 <para>   
98    The outputs from the SimPoint run are the 
99    <computeroutput>results.simpts</computeroutput>
100    and <computeroutput>results.weights</computeroutput> files.
101    The first holds the 5 most relevant intervals of the program.
102    The seconds holds the weight to scale each interval by when
103    extrapolating full-program behavior.  The intervals and the weights
104    can be used in conjunction with a simulator that supports
105    fast-forwarding; you fast-forward to the interval of interest,
106    collect stats for the desired interval length, then use
107    statistics gathered in conjunction with the weights to 
108    calculate your results.
109 </para> 
110    
111 </sect1>
113 <sect1 id="bbv-manual.usage" xreflabel="BBV Command-line Options">
114 <title>BBV Command-line Options</title>
116 <para> BBV-specific command-line options are:</para>
118 <!-- start of xi:include in the manpage -->
119 <variablelist id="bbv.opts.list">
121   <varlistentry id="opt.bb-out-file" xreflabel="--bb-out-file">
122      <term>
123         <option><![CDATA[--bb-out-file=<name> [default: bb.out.%p] ]]></option>
124      </term>
125      <listitem>
126         <para>
127            This option selects the name of the basic block vector file.  The
128            <option>%p</option> and <option>%q</option> format specifiers can be
129            used to embed the process ID and/or the contents of an environment
130            variable in the name, as is the case for the core option
131            <option><link linkend="opt.log-file">--log-file</link></option>.
132         </para>
133      </listitem>
134   </varlistentry>
136   <varlistentry id="opt.pc-out-file" xreflabel="--pc-out-file">
137      <term>
138         <option><![CDATA[--pc-out-file=<name> [default: pc.out.%p] ]]></option>
139      </term>
140      <listitem>
141         <para>
142            This option selects the name of the PC file.  
143            This file holds program counter addresses
144            and function name info for the various basic blocks.
145            This can be used in conjunction
146            with the basic block vector file to fast-forward via function names
147            instead of just instruction counts.  The 
148            <option>%p</option> and <option>%q</option> format specifiers can be
149            used to embed the process ID and/or the contents of an environment
150            variable in the name, as is the case for the core option
151            <option><link linkend="opt.log-file">--log-file</link></option>.
152         </para>
153      </listitem>
154    </varlistentry>
156    <varlistentry id="opt.interval-size" xreflabel="--interval-size">
157       <term>
158         <option><![CDATA[--interval-size=<number> [default: 100000000] ]]></option>
159       </term>
160       <listitem>
161       <para>
162          This option selects the size of the interval to use.  
163          The default is 100 
164          million instructions, which is a commonly used value.  
165          Other sizes can be used; smaller intervals can help programs
166          with finer-grained phases.  However smaller interval size
167          can lead to accuracy issues due to warm-up effects 
168          (When fast-forwarding the various architectural features
169          will be un-initialized, and it will take some number
170          of instructions before they "warm up" to the state a 
171          full simulation would be at without the fast-forwarding.
172          Large interval sizes tend to mitigate this.)
173       </para>
174       </listitem>
175   </varlistentry>
177   <varlistentry id="opt.instr-count-only" xreflabel="--instr-count-only">
178      <term>
179         <option><![CDATA[--instr-count-only [default: no] ]]></option>
180      </term>
181      <listitem>
182         <para>
183            This option tells the tool to only display instruction count
184            totals, and to not generate the actual basic block vector file.
185            This is useful for debugging, and for gathering instruction count
186            info without generating the large basic block vector files.
187         </para>
188      </listitem>
189    </varlistentry>
190   
192 </variablelist>
193 <!-- end of xi:include in the manpage -->
195 </sect1>
197 <sect1 id="bbv-manual.fileformat" xreflabel="BBV File Format">
198 <title>Basic Block Vector File Format</title>
200 <para>  
201   The Basic Block Vector is dumped at fixed intervals.  This
202   is commonly done every 100 million instructions; the 
203   <option>--interval-size</option> option can be 
204   used to change this.
205 </para>
207 <para>
208   The output file looks like this:
209 </para>
211 <programlisting><![CDATA[
212 T:45:1024 :189:99343
213 T:11:78573 :15:1353  :56:1
214 T:18:45 :12:135353 :56:78 314:4324263]]></programlisting>
216 <para>
217   Each new interval starts with a T.   This is followed on the same line
218   by a series of basic block and frequency pairs, one for each
219   basic block that was entered during the interval.  The format for
220   each block/frequency pair is a colon, followed by a number that
221   uniquely identifies the basic block, another colon, and then
222   the frequency (which is the number of times the block was entered,
223   multiplied by the number of instructions in the block).  The
224   pairs are separated from each other by a space.
225 </para>
227 <para>
228   The frequency count is multiplied by the number of instructions that are 
229   in the basic block, in order to weigh the count so that instructions in 
230   small basic blocks aren't counted as more important than instructions 
231   in large basic blocks.
232 </para>
234 <para>
235   The SimPoint program only processes lines that start with a "T".  All
236   other lines are ignored.  Traditionally comments are indicated by
237   starting a line with a "#" character.  Some other BBV generation tools,
238   such as PinPoints, generate lines beginning with letters other than "T"
239   to indicate more information about the program being run.  We do
240   not generate these, as the SimPoint utility ignores them.
241 </para>
243 </sect1>
245 <sect1 id="bbv-manual.implementation" xreflabel="Implementation">
246 <title>Implementation</title>
248 <para>
249    Valgrind provides all of the information necessary to create
250    BBV files.  In the current implementation, all instructions
251    are instrumented.  This is slower (by approximately a factor
252    of two) than a method that instruments at the basic block level, 
253    but there are some complications (especially with rep prefix
254    detection) that make that method more difficult.
255 </para>
256   
257 <para>
258    Valgrind actually provides instrumentation at a superblock level.
259    A superblock has one entry point but unlike basic blocks can
260    have multiple exit points.  Once a branch occurs into the middle
261    of a block, it is split into a new basic block.  Because
262    Valgrind cannot produce "true" basic blocks, the generated
263    BBV vectors will be different than those generated by other tools.
264    In practice this does not seem to affect the accuracy of the
265    SimPoint results.  We do internally force the
266    <option>--vex-guest-chase=no</option>
267    option to Valgrind which forces a more basic-block-like
268    behavior.
269 </para>
271 <para>
272    When a superblock is run for the first time, it is instrumented
273    with our BBV routine.  A block info (bbInfo) structure is allocated
274    which holds the various information and statistics for the block.
275    A unique block ID is assigned to the block, and then the
276    structure is placed into an ordered set.
277    Then each native instruction in the block is instrumented to
278    call an instruction counting routine with a pointer to the block
279    info structure as an argument.
280 </para>
282 <para>
283    At run-time, our instruction counting routines are called once
284    per native instruction.  The relevant block info structure is accessed
285    and the block count and total instruction count is updated.   
286    If the total instruction count overflows the interval size 
287    then we walk the ordered set, writing out the statistics for
288    any block that was accessed in the interval, then resetting the
289    block counters to zero.
290 </para>
292 <para>
293    On the x86 and amd64 architectures the counting code has extra
294    code to handle rep-prefixed string instructions.  This is because 
295    actual hardware counts a rep-prefixed instruction 
296    as one instruction, while a naive Valgrind implementation
297    would count it as many (possibly hundreds, thousands or even millions)
298    of instructions.  We handle rep-prefixed instructions specially,
299    in order to make the results match those obtained with hardware performance
300    counters.
301 </para>   
302    
303 <para>
304    BBV also counts the fldcw instruction.  This instruction is used on 
305    x86 machines in various ways; it is most commonly found when converting 
306    floating point values into integers.
307    On Pentium 4 systems the retired instruction performance
308    counter counts this instruction as two instructions (all other 
309    known processors only count it as one).
310    This can affect results when using SimPoint on Pentium 4 systems.
311    We provide the fldcw count so that users can evaluate whether it
312    will impact their results enough to avoid using Pentium 4 machines
313    for their experiments.  It would be possible to add an option to 
314    this tool that mimics the double-counting so that the generated BBV
315    files would be usable for experiments using hardware performance
316    counters on Pentium 4 systems.
317 </para>
319 </sect1>
321 <sect1 id="bbv-manual.threadsupport" xreflabel="BBV Threaded Support">
322 <title>Threaded Executable Support</title>
324 <para>
325    BBV supports threaded programs.  When a program has multiple threads,
326    an additional basic block vector file is created for each thread (each
327    additional file is the specified filename with the thread number
328    appended at the end).
329 </para>
331 <para>
332    There is no official method of using SimPoint with
333    threaded workloads.  The most common method is to run
334    SimPoint on each thread's results independently, and use 
335    some method of deterministic execution to try to match the
336    original workload.  This should be possible with the current
337    BBV.
338 </para>
340 </sect1>
342 <sect1 id="bbv-manual.validation" xreflabel="BBV Validation">
343 <title>Validation</title>
345 <para>
346    BBV has been tested on x86, amd64, and ppc32 platforms.
347    An earlier version of BBV was tested in detail using
348    hardware performance counters, this work is described in a paper 
349    from the HiPEAC'08 conference, "Using Dynamic Binary Instrumentation 
350    to Generate Multi-Platform SimPoints: Methodology and Accuracy" by
351    V.M. Weaver and S.A. McKee.
352 </para>
354 </sect1>
356 <sect1 id="bbv-manual.performance" xreflabel="BBV Performance">
357 <title>Performance</title>
359 <para>
360   Using this program slows down execution by roughly a factor of 40
361   over native execution.  This varies depending on the machine
362   used and the benchmark being run.
363   On the SPEC CPU 2000 benchmarks running on a 3.4GHz Pentium D 
364   processor, the slowdown ranges from 24x (mcf) to 340x (vortex.2).
365 </para>
367 </sect1>
369 </chapter>