Initial import
[external/libunwind.git] / src / x86_64 / Gtrace.c
1 /* libunwind - a platform-independent unwind library
2    Copyright (C) 2010, 2011 by FERMI NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY
3
4 This file is part of libunwind.
5
6 Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining
7 a copy of this software and associated documentation files (the
8 "Software"), to deal in the Software without restriction, including
9 without limitation the rights to use, copy, modify, merge, publish,
10 distribute, sublicense, and/or sell copies of the Software, and to
11 permit persons to whom the Software is furnished to do so, subject to
12 the following conditions:
13
14 The above copyright notice and this permission notice shall be
15 included in all copies or substantial portions of the Software.
16
17 THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND,
18 EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF
19 MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND
20 NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE
21 LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION
22 OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM, OUT OF OR IN CONNECTION
23 WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE SOFTWARE.  */
24
25 #include "unwind_i.h"
26 #include "ucontext_i.h"
27 #include <signal.h>
28 #include <limits.h>
29
30 #pragma weak pthread_once
31 #pragma weak pthread_key_create
32 #pragma weak pthread_getspecific
33 #pragma weak pthread_setspecific
34
35 /* Initial hash table size. Table expands by 2 bits (times four). */
36 #define HASH_MIN_BITS 14
37
38 typedef struct
39 {
40   unw_tdep_frame_t *frames;
41   size_t log_size;
42   size_t used;
43   size_t dtor_count;  /* Counts how many times our destructor has already
44                          been called. */
45 } unw_trace_cache_t;
46
47 static const unw_tdep_frame_t empty_frame = { 0, UNW_X86_64_FRAME_OTHER, -1, -1, 0, -1, -1 };
48 static define_lock (trace_init_lock);
49 static pthread_once_t trace_cache_once = PTHREAD_ONCE_INIT;
50 static sig_atomic_t trace_cache_once_happen;
51 static pthread_key_t trace_cache_key;
52 static struct mempool trace_cache_pool;
53 static __thread  unw_trace_cache_t *tls_cache;
54 static __thread  int tls_cache_destroyed;
55
56 /* Free memory for a thread's trace cache. */
57 static void
58 trace_cache_free (void *arg)
59 {
60   unw_trace_cache_t *cache = arg;
61   if (++cache->dtor_count < PTHREAD_DESTRUCTOR_ITERATIONS)
62   {
63     /* Not yet our turn to get destroyed. Re-install ourselves into the key. */
64     pthread_setspecific(trace_cache_key, cache);
65     Debug(5, "delayed freeing cache %p (%zx to go)\n", cache,
66           PTHREAD_DESTRUCTOR_ITERATIONS - cache->dtor_count);
67     return;
68   }
69   tls_cache_destroyed = 1;
70   tls_cache = NULL;
71   munmap (cache->frames, (1u << cache->log_size) * sizeof(unw_tdep_frame_t));
72   mempool_free (&trace_cache_pool, cache);
73   Debug(5, "freed cache %p\n", cache);
74 }
75
76 /* Initialise frame tracing for threaded use. */
77 static void
78 trace_cache_init_once (void)
79 {
80   pthread_key_create (&trace_cache_key, &trace_cache_free);
81   mempool_init (&trace_cache_pool, sizeof (unw_trace_cache_t), 0);
82   trace_cache_once_happen = 1;
83 }
84
85 static unw_tdep_frame_t *
86 trace_cache_buckets (size_t n)
87 {
88   unw_tdep_frame_t *frames;
89   size_t i;
90
91   GET_MEMORY(frames, n * sizeof (unw_tdep_frame_t));
92   if (likely(frames != NULL))
93     for (i = 0; i < n; ++i)
94       frames[i] = empty_frame;
95
96   return frames;
97 }
98
99 /* Allocate and initialise hash table for frame cache lookups.
100    Returns the cache initialised with (1u << HASH_LOW_BITS) hash
101    buckets, or NULL if there was a memory allocation problem. */
102 static unw_trace_cache_t *
103 trace_cache_create (void)
104 {
105   unw_trace_cache_t *cache;
106
107   if (tls_cache_destroyed)
108   {
109     /* The current thread is in the process of exiting. Don't recreate
110        cache, as we wouldn't have another chance to free it. */
111     Debug(5, "refusing to reallocate cache: "
112              "thread-locals are being deallocated\n");
113     return NULL;
114   }
115
116   if (! (cache = mempool_alloc(&trace_cache_pool)))
117   {
118     Debug(5, "failed to allocate cache\n");
119     return NULL;
120   }
121
122   if (! (cache->frames = trace_cache_buckets(1u << HASH_MIN_BITS)))
123   {
124     Debug(5, "failed to allocate buckets\n");
125     mempool_free(&trace_cache_pool, cache);
126     return NULL;
127   }
128
129   cache->log_size = HASH_MIN_BITS;
130   cache->used = 0;
131   cache->dtor_count = 0;
132   tls_cache_destroyed = 0;  /* Paranoia: should already be 0. */
133   Debug(5, "allocated cache %p\n", cache);
134   return cache;
135 }
136
137 /* Expand the hash table in the frame cache if possible. This always
138    quadruples the hash size, and clears all previous frame entries. */
139 static int
140 trace_cache_expand (unw_trace_cache_t *cache)
141 {
142   size_t old_size = (1u << cache->log_size);
143   size_t new_log_size = cache->log_size + 2;
144   unw_tdep_frame_t *new_frames = trace_cache_buckets (1u << new_log_size);
145
146   if (unlikely(! new_frames))
147   {
148     Debug(5, "failed to expand cache to 2^%lu buckets\n", new_log_size);
149     return -UNW_ENOMEM;
150   }
151
152   Debug(5, "expanded cache from 2^%lu to 2^%lu buckets\n", cache->log_size, new_log_size);
153   munmap(cache->frames, old_size * sizeof(unw_tdep_frame_t));
154   cache->frames = new_frames;
155   cache->log_size = new_log_size;
156   cache->used = 0;
157   return 0;
158 }
159
160 static unw_trace_cache_t *
161 trace_cache_get_unthreaded (void)
162 {
163   unw_trace_cache_t *cache;
164   intrmask_t saved_mask;
165   static unw_trace_cache_t *global_cache = NULL;
166   lock_acquire (&trace_init_lock, saved_mask);
167   if (! global_cache)
168   {
169     mempool_init (&trace_cache_pool, sizeof (unw_trace_cache_t), 0);
170     global_cache = trace_cache_create ();
171   }
172   cache = global_cache;
173   lock_release (&trace_init_lock, saved_mask);
174   Debug(5, "using cache %p\n", cache);
175   return cache;
176 }
177
178 /* Get the frame cache for the current thread. Create it if there is none. */
179 static unw_trace_cache_t *
180 trace_cache_get (void)
181 {
182   unw_trace_cache_t *cache;
183   if (likely (pthread_once != NULL))
184   {
185     pthread_once(&trace_cache_once, &trace_cache_init_once);
186     if (!trace_cache_once_happen)
187     {
188       return trace_cache_get_unthreaded();
189     }
190     if (! (cache = tls_cache))
191     {
192       cache = trace_cache_create();
193       pthread_setspecific(trace_cache_key, cache);
194       tls_cache = cache;
195     }
196     Debug(5, "using cache %p\n", cache);
197     return cache;
198   }
199   else
200   {
201     return trace_cache_get_unthreaded();
202   }
203 }
204
205 /* Initialise frame properties for address cache slot F at address
206    RIP using current CFA, RBP and RSP values.  Modifies CURSOR to
207    that location, performs one unw_step(), and fills F with what
208    was discovered about the location.  Returns F.
209
210    FIXME: This probably should tell DWARF handling to never evaluate
211    or use registers other than RBP, RSP and RIP in case there is
212    highly unusual unwind info which uses these creatively. */
213 static unw_tdep_frame_t *
214 trace_init_addr (unw_tdep_frame_t *f,
215                  unw_cursor_t *cursor,
216                  unw_word_t cfa,
217                  unw_word_t rip,
218                  unw_word_t rbp,
219                  unw_word_t rsp)
220 {
221   struct cursor *c = (struct cursor *) cursor;
222   struct dwarf_cursor *d = &c->dwarf;
223   int ret = -UNW_EINVAL;
224
225   /* Initialise frame properties: unknown, not last. */
226   f->virtual_address = rip;
227   f->frame_type = UNW_X86_64_FRAME_OTHER;
228   f->last_frame = 0;
229   f->cfa_reg_rsp = -1;
230   f->cfa_reg_offset = 0;
231   f->rbp_cfa_offset = -1;
232   f->rsp_cfa_offset = -1;
233
234   /* Reinitialise cursor to this instruction - but undo next/prev RIP
235      adjustment because unw_step will redo it - and force RIP, RBP
236      RSP into register locations (=~ ucontext we keep), then set
237      their desired values. Then perform the step. */
238   d->ip = rip + d->use_prev_instr;
239   d->cfa = cfa;
240   d->loc[UNW_X86_64_RIP] = DWARF_REG_LOC (d, UNW_X86_64_RIP);
241   d->loc[UNW_X86_64_RBP] = DWARF_REG_LOC (d, UNW_X86_64_RBP);
242   d->loc[UNW_X86_64_RSP] = DWARF_REG_LOC (d, UNW_X86_64_RSP);
243   c->frame_info = *f;
244
245   if (likely(dwarf_put (d, d->loc[UNW_X86_64_RIP], rip) >= 0)
246       && likely(dwarf_put (d, d->loc[UNW_X86_64_RBP], rbp) >= 0)
247       && likely(dwarf_put (d, d->loc[UNW_X86_64_RSP], rsp) >= 0)
248       && likely((ret = unw_step (cursor)) >= 0))
249     *f = c->frame_info;
250
251   /* If unw_step() stopped voluntarily, remember that, even if it
252      otherwise could not determine anything useful.  This avoids
253      failing trace if we hit frames without unwind info, which is
254      common for the outermost frame (CRT stuff) on many systems.
255      This avoids failing trace in very common circumstances; failing
256      to unw_step() loop wouldn't produce any better result. */
257   if (ret == 0)
258     f->last_frame = -1;
259
260   Debug (3, "frame va %lx type %d last %d cfa %s+%d rbp @ cfa%+d rsp @ cfa%+d\n",
261          f->virtual_address, f->frame_type, f->last_frame,
262          f->cfa_reg_rsp ? "rsp" : "rbp", f->cfa_reg_offset,
263          f->rbp_cfa_offset, f->rsp_cfa_offset);
264
265   return f;
266 }
267
268 /* Look up and if necessary fill in frame attributes for address RIP
269    in CACHE using current CFA, RBP and RSP values.  Uses CURSOR to
270    perform any unwind steps necessary to fill the cache.  Returns the
271    frame cache slot which describes RIP. */
272 static unw_tdep_frame_t *
273 trace_lookup (unw_cursor_t *cursor,
274               unw_trace_cache_t *cache,
275               unw_word_t cfa,
276               unw_word_t rip,
277               unw_word_t rbp,
278               unw_word_t rsp)
279 {
280   /* First look up for previously cached information using cache as
281      linear probing hash table with probe step of 1.  Majority of
282      lookups should be completed within few steps, but it is very
283      important the hash table does not fill up, or performance falls
284      off the cliff. */
285   uint64_t i, addr;
286   uint64_t cache_size = 1u << cache->log_size;
287   uint64_t slot = ((rip * 0x9e3779b97f4a7c16) >> 43) & (cache_size-1);
288   unw_tdep_frame_t *frame;
289
290   for (i = 0; i < 16; ++i)
291   {
292     frame = &cache->frames[slot];
293     addr = frame->virtual_address;
294
295     /* Return if we found the address. */
296     if (likely(addr == rip))
297     {
298       Debug (4, "found address after %ld steps\n", i);
299       return frame;
300     }
301
302     /* If slot is empty, reuse it. */
303     if (likely(! addr))
304       break;
305
306     /* Linear probe to next slot candidate, step = 1. */
307     if (++slot >= cache_size)
308       slot -= cache_size;
309   }
310
311   /* If we collided after 16 steps, or if the hash is more than half
312      full, force the hash to expand. Fill the selected slot, whether
313      it's free or collides. Note that hash expansion drops previous
314      contents; further lookups will refill the hash. */
315   Debug (4, "updating slot %lu after %ld steps, replacing 0x%lx\n", slot, i, addr);
316   if (unlikely(addr || cache->used >= cache_size / 2))
317   {
318     if (unlikely(trace_cache_expand (cache) < 0))
319       return NULL;
320
321     cache_size = 1u << cache->log_size;
322     slot = ((rip * 0x9e3779b97f4a7c16) >> 43) & (cache_size-1);
323     frame = &cache->frames[slot];
324     addr = frame->virtual_address;
325   }
326
327   if (! addr)
328     ++cache->used;
329
330   return trace_init_addr (frame, cursor, cfa, rip, rbp, rsp);
331 }
332
333 /* Fast stack backtrace for x86-64.
334
335    This is used by backtrace() implementation to accelerate frequent
336    queries for current stack, without any desire to unwind. It fills
337    BUFFER with the call tree from CURSOR upwards for at most SIZE
338    stack levels. The first frame, backtrace itself, is omitted. When
339    called, SIZE should give the maximum number of entries that can be
340    stored into BUFFER. Uses an internal thread-specific cache to
341    accelerate queries.
342
343    The caller should fall back to a unw_step() loop if this function
344    fails by returning -UNW_ESTOPUNWIND, meaning the routine hit a
345    stack frame that is too complex to be traced in the fast path.
346
347    This function is tuned for clients which only need to walk the
348    stack to get the call tree as fast as possible but without any
349    other details, for example profilers sampling the stack thousands
350    to millions of times per second.  The routine handles the most
351    common x86-64 ABI stack layouts: CFA is RBP or RSP plus/minus
352    constant offset, return address is at CFA-8, and RBP and RSP are
353    either unchanged or saved on stack at constant offset from the CFA;
354    the signal return frame; and frames without unwind info provided
355    they are at the outermost (final) frame or can conservatively be
356    assumed to be frame-pointer based.
357
358    Any other stack layout will cause the routine to give up. There
359    are only a handful of relatively rarely used functions which do
360    not have a stack in the standard form: vfork, longjmp, setcontext
361    and _dl_runtime_profile on common linux systems for example.
362
363    On success BUFFER and *SIZE reflect the trace progress up to *SIZE
364    stack levels or the outermost frame, which ever is less.  It may
365    stop short of outermost frame if unw_step() loop would also do so,
366    e.g. if there is no more unwind information; this is not reported
367    as an error.
368
369    The function returns a negative value for errors, -UNW_ESTOPUNWIND
370    if tracing stopped because of an unusual frame unwind info.  The
371    BUFFER and *SIZE reflect tracing progress up to the error frame.
372
373    Callers of this function would normally look like this:
374
375      unw_cursor_t     cur;
376      unw_context_t    ctx;
377      void             addrs[128];
378      int              depth = 128;
379      int              ret;
380
381      unw_getcontext(&ctx);
382      unw_init_local(&cur, &ctx);
383      if ((ret = unw_tdep_trace(&cur, addrs, &depth)) < 0)
384      {
385        depth = 0;
386        unw_getcontext(&ctx);
387        unw_init_local(&cur, &ctx);
388        while ((ret = unw_step(&cur)) > 0 && depth < 128)
389        {
390          unw_word_t ip;
391          unw_get_reg(&cur, UNW_REG_IP, &ip);
392          addresses[depth++] = (void *) ip;
393        }
394      }
395 */
396 HIDDEN int
397 tdep_trace (unw_cursor_t *cursor, void **buffer, int *size)
398 {
399   struct cursor *c = (struct cursor *) cursor;
400   struct dwarf_cursor *d = &c->dwarf;
401   unw_trace_cache_t *cache;
402   unw_word_t rbp, rsp, rip, cfa;
403   int maxdepth = 0;
404   int depth = 0;
405   int ret;
406
407   /* Check input parametres. */
408   if (unlikely(! cursor || ! buffer || ! size || (maxdepth = *size) <= 0))
409     return -UNW_EINVAL;
410
411   Debug (1, "begin ip 0x%lx cfa 0x%lx\n", d->ip, d->cfa);
412
413   /* Tell core dwarf routines to call back to us. */
414   d->stash_frames = 1;
415
416   /* Determine initial register values. These are direct access safe
417      because we know they come from the initial machine context. */
418   rip = d->ip;
419   rsp = cfa = d->cfa;
420   ACCESS_MEM_FAST(ret, 0, d, DWARF_GET_LOC(d->loc[UNW_X86_64_RBP]), rbp);
421   assert(ret == 0);
422
423   /* Get frame cache. */
424   if (unlikely(! (cache = trace_cache_get())))
425   {
426     Debug (1, "returning %d, cannot get trace cache\n", -UNW_ENOMEM);
427     *size = 0;
428     d->stash_frames = 0;
429     return -UNW_ENOMEM;
430   }
431
432   /* Trace the stack upwards, starting from current RIP.  Adjust
433      the RIP address for previous/next instruction as the main
434      unwinding logic would also do.  We undo this before calling
435      back into unw_step(). */
436   while (depth < maxdepth)
437   {
438     rip -= d->use_prev_instr;
439     Debug (2, "depth %d cfa 0x%lx rip 0x%lx rsp 0x%lx rbp 0x%lx\n",
440            depth, cfa, rip, rsp, rbp);
441
442     /* See if we have this address cached.  If not, evaluate enough of
443        the dwarf unwind information to fill the cache line data, or to
444        decide this frame cannot be handled in fast trace mode.  We
445        cache negative results too to prevent unnecessary dwarf parsing
446        for common failures. */
447     unw_tdep_frame_t *f = trace_lookup (cursor, cache, cfa, rip, rbp, rsp);
448
449     /* If we don't have information for this frame, give up. */
450     if (unlikely(! f))
451     {
452       ret = -UNW_ENOINFO;
453       break;
454     }
455
456     Debug (3, "frame va %lx type %d last %d cfa %s+%d rbp @ cfa%+d rsp @ cfa%+d\n",
457            f->virtual_address, f->frame_type, f->last_frame,
458            f->cfa_reg_rsp ? "rsp" : "rbp", f->cfa_reg_offset,
459            f->rbp_cfa_offset, f->rsp_cfa_offset);
460
461     assert (f->virtual_address == rip);
462
463     /* Stop if this was the last frame.  In particular don't evaluate
464        new register values as it may not be safe - we don't normally
465        run with full validation on, and do not want to - and there's
466        enough bad unwind info floating around that we need to trust
467        what unw_step() previously said, in potentially bogus frames. */
468     if (f->last_frame)
469       break;
470
471     /* Evaluate CFA and registers for the next frame. */
472     switch (f->frame_type)
473     {
474     case UNW_X86_64_FRAME_GUESSED:
475       /* Fall thru to standard processing after forcing validation. */
476       c->validate = 1;
477
478     case UNW_X86_64_FRAME_STANDARD:
479       /* Advance standard traceable frame. */
480       cfa = (f->cfa_reg_rsp ? rsp : rbp) + f->cfa_reg_offset;
481       ACCESS_MEM_FAST(ret, c->validate, d, cfa - 8, rip);
482       if (likely(ret >= 0) && likely(f->rbp_cfa_offset != -1))
483         ACCESS_MEM_FAST(ret, c->validate, d, cfa + f->rbp_cfa_offset, rbp);
484
485       /* Don't bother reading RSP from DWARF, CFA becomes new RSP. */
486       rsp = cfa;
487
488       /* Next frame needs to back up for unwind info lookup. */
489       d->use_prev_instr = 1;
490       break;
491
492     case UNW_X86_64_FRAME_SIGRETURN:
493       cfa = cfa + f->cfa_reg_offset; /* cfa now points to ucontext_t.  */
494
495       ACCESS_MEM_FAST(ret, c->validate, d, cfa + UC_MCONTEXT_GREGS_RIP, rip);
496       if (likely(ret >= 0))
497         ACCESS_MEM_FAST(ret, c->validate, d, cfa + UC_MCONTEXT_GREGS_RBP, rbp);
498       if (likely(ret >= 0))
499         ACCESS_MEM_FAST(ret, c->validate, d, cfa + UC_MCONTEXT_GREGS_RSP, rsp);
500
501       /* Resume stack at signal restoration point. The stack is not
502          necessarily continuous here, especially with sigaltstack(). */
503       cfa = rsp;
504
505       /* Next frame should not back up. */
506       d->use_prev_instr = 0;
507       break;
508
509     default:
510       /* We cannot trace through this frame, give up and tell the
511          caller we had to stop.  Data collected so far may still be
512          useful to the caller, so let it know how far we got.  */
513       ret = -UNW_ESTOPUNWIND;
514       break;
515     }
516
517     Debug (4, "new cfa 0x%lx rip 0x%lx rsp 0x%lx rbp 0x%lx\n",
518            cfa, rip, rsp, rbp);
519
520     /* If we failed or ended up somewhere bogus, stop. */
521     if (unlikely(ret < 0 || rip < 0x4000))
522       break;
523
524     /* Record this address in stack trace. We skipped the first address. */
525     buffer[depth++] = (void *) (rip - d->use_prev_instr);
526   }
527
528 #if UNW_DEBUG
529   Debug (1, "returning %d, depth %d\n", ret, depth);
530 #endif
531   *size = depth;
532   return ret;
533 }