doc: add trace library guide
[dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / trace_lib.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(C) 2020 Marvell International Ltd.
3
4 Trace Library
5 =============
6
7 Overview
8 --------
9
10 *Tracing* is a technique used to understand what goes on in a running software
11 system. The software used for tracing is called a *tracer*, which is
12 conceptually similar to a tape recorder.
13 When recording, specific instrumentation points placed in the software source
14 code generate events that are saved on a giant tape: a trace file.
15 The trace file then later can be opened in *trace viewers* to visualize and
16 analyze the trace events with timestamps and multi-core views.
17 Such a mechanism will be useful for resolving a wide range of problems such as
18 multi-core synchronization issues, latency measurements, finding out the
19 post analysis information like CPU idle time, etc that would otherwise be
20 extremely challenging to get.
21
22 Tracing is often compared to *logging*. However, tracers and loggers are two
23 different tools, serving two different purposes.
24 Tracers are designed to record much lower-level events that occur much more
25 frequently than log messages, often in the range of thousands per second, with
26 very little execution overhead.
27 Logging is more appropriate for a very high-level analysis of less frequent
28 events: user accesses, exceptional conditions (errors and warnings, for
29 example), database transactions, instant messaging communications, and such.
30 Simply put, logging is one of the many use cases that can be satisfied with
31 tracing.
32
33 DPDK tracing library features
34 -----------------------------
35
36 - A framework to add tracepoints in control and fast path APIs with minimum
37   impact on performance.
38   Typical trace overhead is ~20 cycles and instrumentation overhead is 1 cycle.
39 - Enable and disable the tracepoints at runtime.
40 - Save the trace buffer to the filesystem at any point in time.
41 - Support ``overwrite`` and ``discard`` trace mode operations.
42 - String-based tracepoint object lookup.
43 - Enable and disable a set of tracepoints based on regular expression and/or
44   globbing.
45 - Generate trace in ``Common Trace Format (CTF)``. ``CTF`` is an open-source
46   trace format and is compatible with ``LTTng``.
47   For detailed information, refer to
48   `Common Trace Format <https://diamon.org/ctf/>`_.
49
50 How to add a tracepoint?
51 ------------------------
52
53 This section steps you through the details of adding a simple tracepoint.
54
55 .. _create_provider_header_file:
56
57 Create the tracepoint provider header file
58 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
59
60 .. code-block:: c
61
62  #include <rte_trace_point.h>
63
64  RTE_TRACE_POINT(
65         app_trace_string,
66         RTE_TRACE_POINT_ARGS(const char *str),
67         rte_trace_point_emit_string(str);
68  )
69
70 The above macro creates ``app_trace_string`` tracepoint.
71 The user can choose any name for the tracepoint.
72 However, when adding a tracepoint in the DPDK library, the
73 ``rte_<library_name>_trace_[<domain>_]<name>`` naming convention must be
74 followed.
75 The examples are ``rte_eal_trace_generic_str``, ``rte_mempool_trace_create``.
76
77 The ``RTE_TRACE_POINT`` macro expands from above definition as the following
78 function template:
79
80 .. code-block:: c
81
82  static __rte_always_inline void
83  app_trace_string(const char *str)
84  {
85          /* Trace subsystem hooks */
86          ...
87          rte_trace_point_emit_string(str);
88  }
89
90 The consumer of this tracepoint can invoke
91 ``app_trace_string(const char *str)`` to emit the trace event to the trace
92 buffer.
93
94 Register the tracepoint
95 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
96
97 .. code-block:: c
98
99  /* Select tracepoint register macros */
100  #define RTE_TRACE_POINT_REGISTER_SELECT
101
102  #include <my_tracepoint_provider.h>
103
104  RTE_TRACE_POINT_DEFINE(app_trace_string);
105
106  RTE_INIT(app_trace_init)
107  {
108        RTE_TRACE_POINT_REGISTER(app_trace_string, app.trace.string);
109  }
110
111 The above code snippet registers the ``app_trace_string`` tracepoint to
112 trace library. Here, the ``my_tracepoint_provider.h`` is the header file
113 that the user created in the first step :ref:`create_provider_header_file`.
114
115 The second argument for the ``RTE_TRACE_POINT_REGISTER`` is the name for the
116 tracepoint. This string will be used for tracepoint lookup or regular
117 expression and/or glob based tracepoint operations.
118 There is no requirement for the tracepoint function and its name to be similar.
119 However, it is recommended to have a similar name for a better naming
120 convention.
121
122 The user must register the tracepoint before the ``rte_eal_init`` invocation.
123 The user can use the ``RTE_INIT`` construction scheme to achieve this.
124
125 .. note::
126
127    The ``RTE_TRACE_POINT_REGISTER_SELECT`` must be defined before including the
128    header for the tracepoint registration to work properly.
129
130 .. note::
131
132    The ``RTE_TRACE_POINT_DEFINE`` defines the placeholder for the
133    ``rte_trace_point_t`` tracepoint object. The user must export a
134    ``__<trace_function_name>`` symbol in the library ``.map`` file for this
135    tracepoint to be used out of the library, in shared builds.
136    For example, ``__app_trace_string`` will be the exported symbol in the
137    above example.
138
139 Fast path tracepoint
140 --------------------
141
142 In order to avoid performance impact in fast path code, the library introduced
143 ``RTE_TRACE_POINT_FP``. When adding the tracepoint in fast path code,
144 the user must use ``RTE_TRACE_POINT_FP`` instead of ``RTE_TRACE_POINT``.
145
146 ``RTE_TRACE_POINT_FP`` is compiled out by default and it can be enabled using
147 ``CONFIG_RTE_ENABLE_TRACE_FP`` configuration parameter.
148 The ``enable_trace_fp`` option shall be used for the same for meson build.
149
150 Event record mode
151 -----------------
152
153 Event record mode is an attribute of trace buffers. Trace library exposes the
154 following modes:
155
156 Overwrite
157    When the trace buffer is full, new trace events overwrites the existing
158    captured events in the trace buffer.
159 Discard
160    When the trace buffer is full, new trace events will be discarded.
161
162 The mode can be configured either using EAL command line parameter
163 ``--trace-mode`` on application boot up or use ``rte_trace_mode_set()`` API to
164 configure at runtime.
165
166 Trace file location
167 -------------------
168
169 On ``rte_trace_save()`` or ``rte_eal_cleanup()`` invocation, the library saves
170 the trace buffers to the filesystem. By default, the trace files are stored in
171 ``$HOME/dpdk-traces/rte-yyyy-mm-dd-[AP]M-hh-mm-ss/``.
172 It can be overridden by the ``--trace-dir=<directory path>`` EAL command line
173 option.
174
175 For more information, refer to :doc:`../linux_gsg/linux_eal_parameters` for
176 trace EAL command line options.
177
178 View and analyze the recorded events
179 ------------------------------------
180
181 Once the trace directory is available, the user can view/inspect the recorded
182 events.
183
184 There are many tools you can use to read DPDK traces:
185
186 1. ``babeltrace`` is a command-line utility that converts trace formats; it
187 supports the format that DPDK trace library produces, CTF, as well as a
188 basic text output that can be grep'ed.
189 The babeltrace command is part of the Open Source Babeltrace project.
190
191 2. ``Trace Compass`` is a graphical user interface for viewing and analyzing
192 any type of logs or traces, including DPDK traces.
193
194 Use the babeltrace command-line tool
195 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
196
197 The simplest way to list all the recorded events of a trace is to pass its path
198 to babeltrace with no options::
199
200     babeltrace </path-to-trace-events/rte-yyyy-mm-dd-[AP]M-hh-mm-ss/>
201
202 ``babeltrace`` finds all traces recursively within the given path and prints
203 all their events, merging them in chronological order.
204
205 You can pipe the output of the babeltrace into a tool like grep(1) for further
206 filtering. Below example grep the events for ``ethdev`` only::
207
208     babeltrace /tmp/my-dpdk-trace | grep ethdev
209
210 You can pipe the output of babeltrace into a tool like wc(1) to count the
211 recorded events. Below example count the number of ``ethdev`` events::
212
213     babeltrace /tmp/my-dpdk-trace | grep ethdev | wc --lines
214
215 Use the tracecompass GUI tool
216 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
217
218 ``Tracecompass`` is another tool to view/analyze the DPDK traces which gives
219 a graphical view of events. Like ``babeltrace``, tracecompass also provides
220 an interface to search for a particular event.
221 To use ``tracecompass``, following are the minimum required steps:
222
223 - Install ``tracecompass`` to the localhost. Variants are available for Linux,
224   Windows, and OS-X.
225 - Launch ``tracecompass`` which will open a graphical window with trace
226   management interfaces.
227 - Open a trace using ``File->Open Trace`` option and select metadata file which
228   is to be viewed/analyzed.
229
230 For more details, refer
231 `Trace Compass <https://www.eclipse.org/tracecompass/>`_.
232
233 Quick start
234 -----------
235
236 This section steps you through the details of generating trace and viewing it.
237
238 - Start the dpdk-test::
239
240     echo "quit" | ./build/app/test/dpdk-test --no-huge --trace=.*
241
242 - View the traces with babeltrace viewer::
243
244     babeltrace $HOME/dpdk-traces/rte-yyyy-mm-dd-[AP]M-hh-mm-ss/
245
246 Implementation details
247 ----------------------
248
249 As DPDK trace library is designed to generate traces that uses ``Common Trace
250 Format (CTF)``. ``CTF`` specification consists of the following units to create
251 a trace.
252
253 - ``Stream`` Sequence of packets.
254 - ``Packet`` Header and one or more events.
255 - ``Event`` Header and payload.
256
257 For detailed information, refer to
258 `Common Trace Format <https://diamon.org/ctf/>`_.
259
260 The implementation details broadly divided into the following areas:
261
262 Trace metadata creation
263 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
264
265 Based on the ``CTF`` specification, one of a CTF trace's streams is mandatory:
266 the metadata stream. It contains exactly what you would expect: data about the
267 trace itself. The metadata stream contains a textual description of the binary
268 layouts of all the other streams.
269
270 This description is written using the Trace Stream Description Language (TSDL),
271 a declarative language that exists only in the realm of CTF.
272 The purpose of the metadata stream is to make CTF readers know how to parse a
273 trace's binary streams of events without CTF specifying any fixed layout.
274 The only stream layout known in advance is, in fact, the metadata stream's one.
275
276 The internal ``trace_metadata_create()`` function generates the metadata.
277
278 Trace memory
279 ~~~~~~~~~~~~
280
281 The trace memory will be allocated through an internal function
282 ``__rte_trace_mem_per_thread_alloc()``. The trace memory will be allocated
283 per thread to enable lock less trace-emit function.
284 The memory for the trace memory for DPDK lcores will be allocated on
285 ``rte_eal_init()`` if the trace is enabled through a EAL option.
286 For non DPDK threads, on the first trace emission, the memory will be
287 allocated.
288
289 Trace memory layout
290 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
291
292 .. _table_trace_mem_layout:
293
294 .. table:: Trace memory layout.
295
296   +-------------------+
297   |   packet.header   |
298   +-------------------+
299   |   packet.context  |
300   +-------------------+
301   |   trace 0 header  |
302   +-------------------+
303   |   trace 0 payload |
304   +-------------------+
305   |   trace 1 header  |
306   +-------------------+
307   |   trace 1 payload |
308   +-------------------+
309   |   trace N header  |
310   +-------------------+
311   |   trace N payload |
312   +-------------------+
313
314 packet.header
315 ^^^^^^^^^^^^^
316
317 .. _table_packet_header:
318
319 .. table:: Packet header layout.
320
321   +-------------------+
322   |   uint32_t magic  |
323   +-------------------+
324   |   rte_uuid_t uuid |
325   +-------------------+
326
327 packet.context
328 ^^^^^^^^^^^^^^
329
330 .. _table_packet_context:
331
332 .. table:: Packet context layout.
333
334   +----------------------+
335   |  uint32_t thread_id  |
336   +----------------------+
337   | char thread_name[32] |
338   +----------------------+
339
340 trace.header
341 ^^^^^^^^^^^^
342
343 .. _table_trace_header:
344
345 .. table:: Trace header layout.
346
347   +----------------------+
348   | event_id  [63:48]    |
349   +----------------------+
350   | timestamp [47:0]     |
351   +----------------------+
352
353 The trace header is 64 bits, it consists of 48 bits of timestamp and 16 bits
354 event ID.
355
356 The ``packet.header`` and ``packet.context`` will be written in the slow path
357 at the time of trace memory creation. The ``trace.header`` and trace payload
358 will be emitted when the tracepoint function is invoked.