]> rtime.felk.cvut.cz Git - l4.git/blob - l4/pkg/valgrind/src/valgrind-3.6.0-svn/exp-dhat/docs/dh-manual.xml
update
[l4.git] / l4 / pkg / valgrind / src / valgrind-3.6.0-svn / exp-dhat / docs / dh-manual.xml
1 <?xml version="1.0"?> <!-- -*- sgml -*- -->
2 <!DOCTYPE chapter PUBLIC "-//OASIS//DTD DocBook XML V4.2//EN"
3           "http://www.oasis-open.org/docbook/xml/4.2/docbookx.dtd"
4 [ <!ENTITY % vg-entities SYSTEM "../../docs/xml/vg-entities.xml"> %vg-entities; ]>
5
6
7 <chapter id="dh-manual" 
8          xreflabel="DHAT: a dynamic heap analysis tool">
9   <title>DHAT: a dynamic heap analysis tool</title>
10
11 <para>To use this tool, you must specify
12 <option>--tool=exp-dhat</option> on the Valgrind
13 command line.</para>
14
15
16
17 <sect1 id="dh-manual.overview" xreflabel="Overview">
18 <title>Overview</title>
19
20 <para>DHAT is a tool for examining how programs use their heap
21 allocations.</para>
22
23 <para>It tracks the allocated blocks, and inspects every memory access
24 to find which block, if any, it is to.  The following data is
25 collected and presented per allocation point (allocation
26 stack):</para>
27
28 <itemizedlist>
29   <listitem><para>Total allocation (number of bytes and
30   blocks)</para></listitem>
31
32   <listitem><para>maximum live volume (number of bytes and
33   blocks)</para></listitem>
34
35   <listitem><para>average block lifetime (number of instructions
36    between allocation and freeing)</para></listitem>
37
38   <listitem><para>average number of reads and writes to each byte in
39    the block ("access ratios")</para></listitem>
40
41   <listitem><para>for allocation points which always allocate blocks
42    only of one size, and that size is 4096 bytes or less: counts
43    showing how often each byte offset inside the block is
44    accessed.</para></listitem>
45 </itemizedlist>
46
47 <para>Using these statistics it is possible to identify allocation
48 points with the following characteristics:</para>
49
50 <itemizedlist>
51
52   <listitem><para>potential process-lifetime leaks: blocks allocated
53    by the point just accumulate, and are freed only at the end of the
54    run.</para></listitem>
55
56  <listitem><para>excessive turnover: points which chew through a lot
57   of heap, even if it is not held onto for very long</para></listitem>
58
59  <listitem><para>excessively transient: points which allocate very
60  short lived blocks</para></listitem>
61
62  <listitem><para>useless or underused allocations: blocks which are
63   allocated but not completely filled in, or are filled in but not
64   subsequently read.</para></listitem>
65
66  <listitem><para>blocks with inefficient layout -- areas never
67   accessed, or with hot fields scattered throughout the
68   block.</para></listitem>
69 </itemizedlist>
70
71 <para>As with the Massif heap profiler, DHAT measures program progress
72 by counting instructions, and so presents all age/time related figures
73 as instruction counts.  This sounds a little odd at first, but it
74 makes runs repeatable in a way which is not possible if CPU time is
75 used.</para>
76
77 </sect1>
78
79
80
81
82 <sect1 id="dh-manual.understanding" xreflabel="Understanding DHAT's output">
83 <title>Understanding DHAT's output</title>
84
85
86 <para>DHAT provides a lot of useful information on dynamic heap usage.
87 Most of the art of using it is in interpretation of the resulting
88 numbers.  That is best illustrated via a set of examples.</para>
89
90
91 <sect2>
92 <title>Interpreting the max-live, tot-alloc and deaths fields</title>
93
94 <sect3><title>A simple example</title></sect3>
95
96 <screen><![CDATA[
97    ======== SUMMARY STATISTICS ========
98
99    guest_insns:  1,045,339,534
100    [...]
101    max-live:    63,490 in 984 blocks
102    tot-alloc:   1,904,700 in 29,520 blocks (avg size 64.52)
103    deaths:      29,520, at avg age 22,227,424
104    acc-ratios:  6.37 rd, 1.14 wr  (12,141,526 b-read, 2,174,460 b-written)
105       at 0x4C275B8: malloc (vg_replace_malloc.c:236)
106       by 0x40350E: tcc_malloc (tinycc.c:6712)
107       by 0x404580: tok_alloc_new (tinycc.c:7151)
108       by 0x40870A: next_nomacro1 (tinycc.c:9305)
109 ]]></screen>
110
111 <para>Over the entire run of the program, this stack (allocation
112 point) allocated 29,520 blocks in total, containing 1,904,700 bytes in
113 total.  By looking at the max-live data, we see that not many blocks
114 were simultaneously live, though: at the peak, there were 63,490
115 allocated bytes in 984 blocks.  This tells us that the program is
116 steadily freeing such blocks as it runs, rather than hanging on to all
117 of them until the end and freeing them all.</para>
118
119 <para>The deaths entry tells us that 29,520 blocks allocated by this stack
120 died (were freed) during the run of the program.  Since 29,520 is
121 also the number of blocks allocated in total, that tells us that
122 all allocated blocks were freed by the end of the program.</para>
123
124 <para>It also tells us that the average age at death was 22,227,424
125 instructions.  From the summary statistics we see that the program ran
126 for 1,045,339,534 instructions, and so the average age at death is
127 about 2% of the program's total run time.</para>
128
129 <sect3><title>Example of a potential process-lifetime leak</title></sect3>
130
131 <para>This next example (from a different program than the above)
132 shows a potential process lifetime leak.  A process lifetime leak
133 occurs when a program keeps allocating data, but only frees the
134 data just before it exits.  Hence the program's heap grows constantly
135 in size, yet Memcheck reports no leak, because the program has
136 freed up everything at exit.  This is particularly a hazard for
137 long running programs.</para>
138
139 <screen><![CDATA[
140    ======== SUMMARY STATISTICS ========
141    
142    guest_insns:  418,901,537
143    [...]
144    max-live:    32,512 in 254 blocks
145    tot-alloc:   32,512 in 254 blocks (avg size 128.00)
146    deaths:      254, at avg age 300,467,389
147    acc-ratios:  0.26 rd, 0.20 wr  (8,756 b-read, 6,604 b-written)
148       at 0x4C275B8: malloc (vg_replace_malloc.c:236)
149       by 0x4C27632: realloc (vg_replace_malloc.c:525)
150       by 0x56FF41D: QtFontStyle::pixelSize(unsigned short, bool) (qfontdatabase.cpp:269)
151       by 0x5700D69: loadFontConfig() (qfontdatabase_x11.cpp:1146)
152 ]]></screen>
153
154 <para>There are two tell-tale signs that this might be a
155 process-lifetime leak.  Firstly, the max-live and tot-alloc numbers
156 are identical.  The only way that can happen is if these blocks are
157 all allocated and then all deallocated.</para>
158
159 <para>Secondly, the average age at death (300 million insns) is 71% of
160 the total program lifetime (419 million insns), hence this is not a
161 transient allocation-free spike -- rather, it is spread out over a
162 large part of the entire run.  One interpretation is, roughly, that
163 all 254 blocks were allocated in the first half of the run, held onto
164 for the second half, and then freed just before exit.</para>
165
166 </sect2>
167
168
169 <sect2>
170 <title>Interpreting the acc-ratios fields</title>
171
172
173 <sect3><title>A fairly harmless allocation point record</title></sect3>
174
175 <screen><![CDATA[
176    max-live:    49,398 in 808 blocks
177    tot-alloc:   1,481,940 in 24,240 blocks (avg size 61.13)
178    deaths:      24,240, at avg age 34,611,026
179    acc-ratios:  2.13 rd, 0.91 wr  (3,166,650 b-read, 1,358,820 b-written)
180       at 0x4C275B8: malloc (vg_replace_malloc.c:236)
181       by 0x40350E: tcc_malloc (tinycc.c:6712)
182       by 0x404580: tok_alloc_new (tinycc.c:7151)
183       by 0x4046C4: tok_alloc (tinycc.c:7190)
184 ]]></screen>
185
186 <para>The acc-ratios field tells us that each byte in the blocks
187 allocated here is read an average of 2.13 times before the block is
188 deallocated.  Given that the blocks have an average age at death of
189 34,611,026, that's one read per block per approximately every 15
190 million instructions.  So from that standpoint the blocks aren't
191 "working" very hard.</para>
192
193 <para>More interesting is the write ratio: each byte is written an
194 average of 0.91 times.  This tells us that some parts of the allocated
195 blocks are never written, at least 9% on average.  To completely
196 initialise the block would require writing each byte at least once,
197 and that would give a write ratio of 1.0.  The fact that some block
198 areas are evidently unused might point to data alignment holes or
199 other layout inefficiencies.</para>
200
201 <para>Well, at least all the blocks are freed (24,240 allocations,
202 24,240 deaths).</para>
203
204 <para>If all the blocks had been the same size, DHAT would also show
205 the access counts by block offset, so we could see where exactly these
206 unused areas are.  However, that isn't the case: the blocks have
207 varying sizes, so DHAT can't perform such an analysis.  We can see
208 that they must have varying sizes since the average block size, 61.13,
209 isn't a whole number.</para>
210
211
212 <sect3><title>A more suspicious looking example</title></sect3>
213
214 <screen><![CDATA[
215    max-live:    180,224 in 22 blocks
216    tot-alloc:   180,224 in 22 blocks (avg size 8192.00)
217    deaths:      none (none of these blocks were freed)
218    acc-ratios:  0.00 rd, 0.00 wr  (0 b-read, 0 b-written)
219       at 0x4C275B8: malloc (vg_replace_malloc.c:236)
220       by 0x40350E: tcc_malloc (tinycc.c:6712)
221       by 0x40369C: __sym_malloc (tinycc.c:6787)
222       by 0x403711: sym_malloc (tinycc.c:6805)
223 ]]></screen>
224
225 <para>Here, both the read and write access ratios are zero.  Hence
226 this point is allocating blocks which are never used, neither read nor
227 written.  Indeed, they are also not freed ("deaths: none") and are
228 simply leaked.  So, here is 180k of completely useless allocation that
229 could be removed.</para>
230
231 <para>Re-running with Memcheck does indeed report the same leak.  What
232 DHAT can tell us, that Memcheck can't, is that not only are the blocks
233 leaked, they are also never used.</para>
234
235 <sect3><title>Another suspicious example</title></sect3>
236
237 <para>Here's one where blocks are allocated, written to,
238 but never read from.  We see this immediately from the zero read
239 access ratio.  They do get freed, though:</para>
240
241 <screen><![CDATA[
242    max-live:    54 in 3 blocks
243    tot-alloc:   1,620 in 90 blocks (avg size 18.00)
244    deaths:      90, at avg age 34,558,236
245    acc-ratios:  0.00 rd, 1.11 wr  (0 b-read, 1,800 b-written)
246       at 0x4C275B8: malloc (vg_replace_malloc.c:236)
247       by 0x40350E: tcc_malloc (tinycc.c:6712)
248       by 0x4035BD: tcc_strdup (tinycc.c:6750)
249       by 0x41FEBB: tcc_add_sysinclude_path (tinycc.c:20931)
250 ]]></screen>
251
252 <para>In the previous two examples, it is easy to see blocks that are
253 never written to, or never read from, or some combination of both.
254 Unfortunately, in C++ code, the situation is less clear.  That's
255 because an object's constructor will write to the underlying block,
256 and its destructor will read from it.  So the block's read and write
257 ratios will be non-zero even if the object, once constructed, is never
258 used, but only eventually destructed.</para>
259
260 <para>Really, what we want is to measure only memory accesses in
261 between the end of an object's construction and the start of its
262 destruction.  Unfortunately I do not know of a reliable way to
263 determine when those transitions are made.</para>
264
265
266 </sect2>
267
268 <sect2>
269 <title>Interpreting "Aggregated access counts by offset" data</title>
270
271 <para>For allocation points that always allocate blocks of the same
272 size, and which are 4096 bytes or smaller, DHAT counts accesses
273 per offset, for example:</para>
274
275 <screen><![CDATA[
276    max-live:    317,408 in 5,668 blocks
277    tot-alloc:   317,408 in 5,668 blocks (avg size 56.00)
278    deaths:      5,668, at avg age 622,890,597
279    acc-ratios:  1.03 rd, 1.28 wr  (327,642 b-read, 408,172 b-written)
280       at 0x4C275B8: malloc (vg_replace_malloc.c:236)
281       by 0x5440C16: QDesignerPropertySheetPrivate::ensureInfo (qhash.h:515)
282       by 0x544350B: QDesignerPropertySheet::setVisible (qdesigner_propertysh...)
283       by 0x5446232: QDesignerPropertySheet::QDesignerPropertySheet (qdesigne...)
284    
285    Aggregated access counts by offset:
286    
287    [   0]  28782 28782 28782 28782 28782 28782 28782 28782
288    [   8]  20638 20638 20638 20638 0 0 0 0 
289    [  16]  22738 22738 22738 22738 22738 22738 22738 22738
290    [  24]  6013 6013 6013 6013 6013 6013 6013 6013 
291    [  32]  18883 18883 18883 37422 0 0 0 0
292    [  36]  5668 11915 5668 5668 11336 11336 11336 11336 
293    [  48]  6166 6166 6166 6166 0 0 0 0 
294 ]]></screen>
295
296 <para>This is fairly typical, for C++ code running on a 64-bit
297 platform.  Here, we have aggregated access statistics for 5668 blocks,
298 all of size 56 bytes.  Each byte has been accessed at least 5668
299 times, except for offsets 12--15, 36--39 and 52--55.  These are likely
300 to be alignment holes.</para>
301
302 <para>Careful interpretation of the numbers reveals useful information.
303 Groups of N consecutive identical numbers that begin at an N-aligned
304 offset, for N being 2, 4 or 8, are likely to indicate an N-byte object
305 in the structure at that point.  For example, the first 32 bytes of
306 this object are likely to have the layout</para>
307
308 <screen><![CDATA[
309    [0 ]  64-bit type
310    [8 ]  32-bit type
311    [12]  32-bit alignment hole
312    [16]  64-bit type
313    [24]  64-bit type
314 ]]></screen>
315
316 <para>As a counterexample, it's also clear that, whatever is at offset 32,
317 it is not a 32-bit value.  That's because the last number of the group
318 (37422) is not the same as the first three (18883 18883 18883).</para>
319
320 <para>This example leads one to enquire (by reading the source code)
321 whether the zeroes at 12--15 and 52--55 are alignment holes, and
322 whether 48--51 is indeed a 32-bit type.  If so, it might be possible
323 to place what's at 48--51 at 12--15 instead, which would reduce
324 the object size from 56 to 48 bytes.</para>
325
326 <para>Bear in mind that the above inferences are all only "maybes".  That's
327 because they are based on dynamic data, not static analysis of the
328 object layout.  For example, the zeroes might not be alignment
329 holes, but rather just parts of the structure which were not used
330 at all for this particular run.  Experience shows that's unlikely
331 to be the case, but it could happen.</para>
332
333 </sect2>
334
335 </sect1>
336
337
338
339
340
341
342
343 <sect1 id="dh-manual.options" xreflabel="DHAT Command-line Options">
344 <title>DHAT Command-line Options</title>
345
346 <para>DHAT-specific command-line options are:</para>
347
348 <!-- start of xi:include in the manpage -->
349 <variablelist id="dh.opts.list">
350
351   <varlistentry id="opt.show-top-n" xreflabel="--show-top-n">
352     <term>
353       <option><![CDATA[--show-top-n=<number>
354       [default: 10] ]]></option>
355     </term>
356     <listitem>
357       <para>At the end of the run, DHAT sorts the accumulated
358        allocation points according to some metric, and shows the
359        highest scoring entries.  <varname>--show-top-n</varname>
360        controls how many entries are shown.  The default of 10 is
361        quite small.  For realistic applications you will probably need
362        to set it much higher, at least several hundred.</para>
363     </listitem>
364   </varlistentry>
365
366   <varlistentry id="opt.sort-by" xreflabel="--sort-by=string">
367     <term>
368       <option><![CDATA[--sort-by=<string> [default: max-bytes-live] ]]></option>
369     </term>
370     <listitem>
371       <para>At the end of the run, DHAT sorts the accumulated
372        allocation points according to some metric, and shows the
373        highest scoring entries.  <varname>--sort-by</varname>
374        selects the metric used for sorting:</para>
375       <para><varname>max-bytes-live   </varname>    maximum live bytes [default]</para>
376       <para><varname>tot-bytes-allocd </varname>  total allocation (turnover)</para>
377       <para><varname>max-blocks-live  </varname>   maximum live blocks</para>
378       <para>This controls the order in which allocation points are
379        displayed.  You can choose to look at allocation points with
380        the highest maximum liveness, or the highest total turnover, or
381        by the highest number of live blocks.  These give usefully
382        different pictures of program behaviour.  For example, sorting
383        by maximum live blocks tends to show up allocation points
384        creating large numbers of small objects.</para>
385     </listitem>
386   </varlistentry>
387
388 </variablelist>
389
390 <para>One important point to note is that each allocation stack counts
391 as a seperate allocation point.  Because stacks by default have 12
392 frames, this tends to spread data out over multiple allocation points.
393 You may want to use the flag --num-callers=4 or some such small
394 number, to reduce the spreading.</para>
395
396 <!-- end of xi:include in the manpage -->
397
398 </sect1>
399
400 </chapter>