Sample profiles - Add documentation for binary profile encoding. NFC.
[oota-llvm.git] / include / llvm / ProfileData / SampleProfReader.h
1 //===- SampleProfReader.h - Read LLVM sample profile data -----------------===//
2 //
3 //                      The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file contains definitions needed for reading sample profiles.
11 //
12 // NOTE: If you are making changes to this file format, please remember
13 //       to document them in the Clang documentation at
14 //       tools/clang/docs/UsersManual.rst.
15 //
16 // Text format
17 // -----------
18 //
19 // Sample profiles are written as ASCII text. The file is divided into
20 // sections, which correspond to each of the functions executed at runtime.
21 // Each section has the following format
22 //
23 //     function1:total_samples:total_head_samples
24 //      offset1[.discriminator]: number_of_samples [fn1:num fn2:num ... ]
25 //      offset2[.discriminator]: number_of_samples [fn3:num fn4:num ... ]
26 //      ...
27 //      offsetN[.discriminator]: number_of_samples [fn5:num fn6:num ... ]
28 //      offsetA[.discriminator]: fnA:num_of_total_samples
29 //       offsetA1[.discriminator]: number_of_samples [fn7:num fn8:num ... ]
30 //       ...
31 //
32 // This is a nested tree in which the identation represents the nesting level
33 // of the inline stack. There are no blank lines in the file. And the spacing
34 // within a single line is fixed. Additional spaces will result in an error
35 // while reading the file.
36 //
37 // Any line starting with the '#' character is completely ignored.
38 //
39 // Inlined calls are represented with indentation. The Inline stack is a
40 // stack of source locations in which the top of the stack represents the
41 // leaf function, and the bottom of the stack represents the actual
42 // symbol to which the instruction belongs.
43 //
44 // Function names must be mangled in order for the profile loader to
45 // match them in the current translation unit. The two numbers in the
46 // function header specify how many total samples were accumulated in the
47 // function (first number), and the total number of samples accumulated
48 // in the prologue of the function (second number). This head sample
49 // count provides an indicator of how frequently the function is invoked.
50 //
51 // There are two types of lines in the function body.
52 //
53 // * Sampled line represents the profile information of a source location.
54 // * Callsite line represents the profile information of a callsite.
55 //
56 // Each sampled line may contain several items. Some are optional (marked
57 // below):
58 //
59 // a. Source line offset. This number represents the line number
60 //    in the function where the sample was collected. The line number is
61 //    always relative to the line where symbol of the function is
62 //    defined. So, if the function has its header at line 280, the offset
63 //    13 is at line 293 in the file.
64 //
65 //    Note that this offset should never be a negative number. This could
66 //    happen in cases like macros. The debug machinery will register the
67 //    line number at the point of macro expansion. So, if the macro was
68 //    expanded in a line before the start of the function, the profile
69 //    converter should emit a 0 as the offset (this means that the optimizers
70 //    will not be able to associate a meaningful weight to the instructions
71 //    in the macro).
72 //
73 // b. [OPTIONAL] Discriminator. This is used if the sampled program
74 //    was compiled with DWARF discriminator support
75 //    (http://wiki.dwarfstd.org/index.php?title=Path_Discriminators).
76 //    DWARF discriminators are unsigned integer values that allow the
77 //    compiler to distinguish between multiple execution paths on the
78 //    same source line location.
79 //
80 //    For example, consider the line of code ``if (cond) foo(); else bar();``.
81 //    If the predicate ``cond`` is true 80% of the time, then the edge
82 //    into function ``foo`` should be considered to be taken most of the
83 //    time. But both calls to ``foo`` and ``bar`` are at the same source
84 //    line, so a sample count at that line is not sufficient. The
85 //    compiler needs to know which part of that line is taken more
86 //    frequently.
87 //
88 //    This is what discriminators provide. In this case, the calls to
89 //    ``foo`` and ``bar`` will be at the same line, but will have
90 //    different discriminator values. This allows the compiler to correctly
91 //    set edge weights into ``foo`` and ``bar``.
92 //
93 // c. Number of samples. This is an integer quantity representing the
94 //    number of samples collected by the profiler at this source
95 //    location.
96 //
97 // d. [OPTIONAL] Potential call targets and samples. If present, this
98 //    line contains a call instruction. This models both direct and
99 //    number of samples. For example,
100 //
101 //      130: 7  foo:3  bar:2  baz:7
102 //
103 //    The above means that at relative line offset 130 there is a call
104 //    instruction that calls one of ``foo()``, ``bar()`` and ``baz()``,
105 //    with ``baz()`` being the relatively more frequently called target.
106 //
107 // Each callsite line may contain several items. Some are optional.
108 //
109 // a. Source line offset. This number represents the line number of the
110 //    callsite that is inlined in the profiled binary.
111 //
112 // b. [OPTIONAL] Discriminator. Same as the discriminator for sampled line.
113 //
114 // c. Number of samples. This is an integer quantity representing the
115 //    total number of samples collected for the inlined instance at this
116 //    callsite
117 //
118 //
119 // Binary format
120 // -------------
121 //
122 // This is a more compact encoding. Numbers are encoded as ULEB128 values
123 // and all strings are encoded in a name table. The file is organized in
124 // the following sections:
125 //
126 // MAGIC (uint64_t)
127 //    File identifier computed by function SPMagic() (0x5350524f463432ff)
128 //
129 // VERSION (uint32_t)
130 //    File format version number computed by SPVersion()
131 //
132 // NAME TABLE
133 //    SIZE (uint32_t)
134 //        Number of entries in the name table.
135 //    NAMES
136 //        A NUL-separated list of SIZE strings.
137 //
138 // FUNCTION BODY (one for each uninlined function body present in the profile)
139 //    NAME_IDX (uint32_t)
140 //        Index into the name table indicating the function name.
141 //    SAMPLES (uint32_t)
142 //        Total number of samples collected in this function.
143 //        FIXME(dnovillo) this should be a uint64_t value.
144 //    HEAD_SAMPLES (uint32_t)
145 //        Total number of samples collected at the head of the function.
146 //    NRECS (uint32_t)
147 //        Total number of sampling records this function's profile.
148 //    BODY RECORDS
149 //        A list of NRECS entries. Each entry contains:
150 //          OFFSET (uint32_t)
151 //            Line offset from the start of the function.
152 //          DISCRIMINATOR (uint32_t)
153 //            Discriminator value (see description of discriminators
154 //            in the text format documentation above).
155 //          SAMPLES (uint64_t)
156 //            Number of samples collected at this location.
157 //          NUM_CALLS (uint32_t)
158 //            Number of non-inlined function calls made at this location. In the
159 //            case of direct calls, this number will always be 1. For indirect
160 //            calls (virtual functions and function pointers) this will
161 //            represent all the actual functions called at runtime.
162 //          CALL_TARGETS
163 //            A list of NUM_CALLS entries for each called function:
164 //               NAME_IDX (uint32_t)
165 //                  Index into the name table with the callee name.
166 //               SAMPLES (uint64_t)
167 //                  Number of samples collected at the call site.
168 //    NUM_INLINED_FUNCTIONS (uint32_t)
169 //      Number of callees inlined into this function.
170 //    INLINED FUNCTION RECORDS
171 //      A list of NUM_INLINED_FUNCTIONS entries describing each of the inlined
172 //      callees.
173 //        OFFSET (uint32_t)
174 //          Line offset from the start of the function.
175 //        DISCRIMINATOR (uint32_t)
176 //          Discriminator value (see description of discriminators
177 //          in the text format documentation above).
178 //        FUNCTION BODY
179 //          A FUNCTION BODY entry describing the inlined function.
180 //===----------------------------------------------------------------------===//
181 #ifndef LLVM_PROFILEDATA_SAMPLEPROFREADER_H
182 #define LLVM_PROFILEDATA_SAMPLEPROFREADER_H
183
184 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
185 #include "llvm/ADT/StringMap.h"
186 #include "llvm/ADT/StringRef.h"
187 #include "llvm/ADT/Twine.h"
188 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
189 #include "llvm/IR/Function.h"
190 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
191 #include "llvm/ProfileData/SampleProf.h"
192 #include "llvm/Support/Debug.h"
193 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
194 #include "llvm/Support/ErrorOr.h"
195 #include "llvm/Support/GCOV.h"
196 #include "llvm/Support/MemoryBuffer.h"
197 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
198
199 namespace llvm {
200
201 namespace sampleprof {
202
203 /// \brief Sample-based profile reader.
204 ///
205 /// Each profile contains sample counts for all the functions
206 /// executed. Inside each function, statements are annotated with the
207 /// collected samples on all the instructions associated with that
208 /// statement.
209 ///
210 /// For this to produce meaningful data, the program needs to be
211 /// compiled with some debug information (at minimum, line numbers:
212 /// -gline-tables-only). Otherwise, it will be impossible to match IR
213 /// instructions to the line numbers collected by the profiler.
214 ///
215 /// From the profile file, we are interested in collecting the
216 /// following information:
217 ///
218 /// * A list of functions included in the profile (mangled names).
219 ///
220 /// * For each function F:
221 ///   1. The total number of samples collected in F.
222 ///
223 ///   2. The samples collected at each line in F. To provide some
224 ///      protection against source code shuffling, line numbers should
225 ///      be relative to the start of the function.
226 ///
227 /// The reader supports two file formats: text and binary. The text format
228 /// is useful for debugging and testing, while the binary format is more
229 /// compact and I/O efficient. They can both be used interchangeably.
230 class SampleProfileReader {
231 public:
232   SampleProfileReader(std::unique_ptr<MemoryBuffer> B, LLVMContext &C)
233       : Profiles(0), Ctx(C), Buffer(std::move(B)) {}
234
235   virtual ~SampleProfileReader() {}
236
237   /// \brief Read and validate the file header.
238   virtual std::error_code readHeader() = 0;
239
240   /// \brief Read sample profiles from the associated file.
241   virtual std::error_code read() = 0;
242
243   /// \brief Print the profile for \p FName on stream \p OS.
244   void dumpFunctionProfile(StringRef FName, raw_ostream &OS = dbgs());
245
246   /// \brief Print all the profiles on stream \p OS.
247   void dump(raw_ostream &OS = dbgs());
248
249   /// \brief Return the samples collected for function \p F.
250   FunctionSamples *getSamplesFor(const Function &F) {
251     return &Profiles[F.getName()];
252   }
253
254   /// \brief Return all the profiles.
255   StringMap<FunctionSamples> &getProfiles() { return Profiles; }
256
257   /// \brief Report a parse error message.
258   void reportError(int64_t LineNumber, Twine Msg) const {
259     Ctx.diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(Buffer->getBufferIdentifier(),
260                                              LineNumber, Msg));
261   }
262
263   /// \brief Create a sample profile reader appropriate to the file format.
264   static ErrorOr<std::unique_ptr<SampleProfileReader>>
265   create(StringRef Filename, LLVMContext &C);
266
267 protected:
268   /// \brief Map every function to its associated profile.
269   ///
270   /// The profile of every function executed at runtime is collected
271   /// in the structure FunctionSamples. This maps function objects
272   /// to their corresponding profiles.
273   StringMap<FunctionSamples> Profiles;
274
275   /// \brief LLVM context used to emit diagnostics.
276   LLVMContext &Ctx;
277
278   /// \brief Memory buffer holding the profile file.
279   std::unique_ptr<MemoryBuffer> Buffer;
280 };
281
282 class SampleProfileReaderText : public SampleProfileReader {
283 public:
284   SampleProfileReaderText(std::unique_ptr<MemoryBuffer> B, LLVMContext &C)
285       : SampleProfileReader(std::move(B), C) {}
286
287   /// \brief Read and validate the file header.
288   std::error_code readHeader() override { return sampleprof_error::success; }
289
290   /// \brief Read sample profiles from the associated file.
291   std::error_code read() override;
292 };
293
294 class SampleProfileReaderBinary : public SampleProfileReader {
295 public:
296   SampleProfileReaderBinary(std::unique_ptr<MemoryBuffer> B, LLVMContext &C)
297       : SampleProfileReader(std::move(B), C), Data(nullptr), End(nullptr) {}
298
299   /// \brief Read and validate the file header.
300   std::error_code readHeader() override;
301
302   /// \brief Read sample profiles from the associated file.
303   std::error_code read() override;
304
305   /// \brief Return true if \p Buffer is in the format supported by this class.
306   static bool hasFormat(const MemoryBuffer &Buffer);
307
308 protected:
309   /// \brief Read a numeric value of type T from the profile.
310   ///
311   /// If an error occurs during decoding, a diagnostic message is emitted and
312   /// EC is set.
313   ///
314   /// \returns the read value.
315   template <typename T> ErrorOr<T> readNumber();
316
317   /// \brief Read a string from the profile.
318   ///
319   /// If an error occurs during decoding, a diagnostic message is emitted and
320   /// EC is set.
321   ///
322   /// \returns the read value.
323   ErrorOr<StringRef> readString();
324
325   /// Read a string indirectly via the name table.
326   ErrorOr<StringRef> readStringFromTable();
327
328   /// \brief Return true if we've reached the end of file.
329   bool at_eof() const { return Data >= End; }
330
331   /// Read the contents of the given profile instance.
332   std::error_code readProfile(FunctionSamples &FProfile);
333
334   /// \brief Points to the current location in the buffer.
335   const uint8_t *Data;
336
337   /// \brief Points to the end of the buffer.
338   const uint8_t *End;
339
340   /// Function name table.
341   std::vector<StringRef> NameTable;
342 };
343
344 typedef SmallVector<FunctionSamples *, 10> InlineCallStack;
345
346 // Supported histogram types in GCC.  Currently, we only need support for
347 // call target histograms.
348 enum HistType {
349   HIST_TYPE_INTERVAL,
350   HIST_TYPE_POW2,
351   HIST_TYPE_SINGLE_VALUE,
352   HIST_TYPE_CONST_DELTA,
353   HIST_TYPE_INDIR_CALL,
354   HIST_TYPE_AVERAGE,
355   HIST_TYPE_IOR,
356   HIST_TYPE_INDIR_CALL_TOPN
357 };
358
359 class SampleProfileReaderGCC : public SampleProfileReader {
360 public:
361   SampleProfileReaderGCC(std::unique_ptr<MemoryBuffer> B, LLVMContext &C)
362       : SampleProfileReader(std::move(B), C), GcovBuffer(Buffer.get()) {}
363
364   /// \brief Read and validate the file header.
365   std::error_code readHeader() override;
366
367   /// \brief Read sample profiles from the associated file.
368   std::error_code read() override;
369
370   /// \brief Return true if \p Buffer is in the format supported by this class.
371   static bool hasFormat(const MemoryBuffer &Buffer);
372
373 protected:
374   std::error_code readNameTable();
375   std::error_code readOneFunctionProfile(const InlineCallStack &InlineStack,
376                                          bool Update, uint32_t Offset);
377   std::error_code readFunctionProfiles();
378   std::error_code skipNextWord();
379   template <typename T> ErrorOr<T> readNumber();
380   ErrorOr<StringRef> readString();
381
382   /// \brief Read the section tag and check that it's the same as \p Expected.
383   std::error_code readSectionTag(uint32_t Expected);
384
385   /// GCOV buffer containing the profile.
386   GCOVBuffer GcovBuffer;
387
388   /// Function names in this profile.
389   std::vector<std::string> Names;
390
391   /// GCOV tags used to separate sections in the profile file.
392   static const uint32_t GCOVTagAFDOFileNames = 0xaa000000;
393   static const uint32_t GCOVTagAFDOFunction = 0xac000000;
394 };
395
396 } // End namespace sampleprof
397
398 } // End namespace llvm
399
400 #endif // LLVM_PROFILEDATA_SAMPLEPROFREADER_H