]> git.proxmox.com Git - mirror_qemu.git/blobdiff - docs/replay.txt
Merge tag 'pull-maintainer-may24-160524-2' of https://gitlab.com/stsquad/qemu into...
[mirror_qemu.git] / docs / replay.txt
diff --git a/docs/replay.txt b/docs/replay.txt
deleted file mode 100644 (file)
index 70c27ed..0000000
+++ /dev/null
@@ -1,364 +0,0 @@
-Copyright (c) 2010-2015 Institute for System Programming
-                        of the Russian Academy of Sciences.
-
-This work is licensed under the terms of the GNU GPL, version 2 or later.
-See the COPYING file in the top-level directory.
-
-Record/replay
--------------
-
-Record/replay functions are used for the deterministic replay of qemu execution.
-Execution recording writes a non-deterministic events log, which can be later
-used for replaying the execution anywhere and for unlimited number of times.
-It also supports checkpointing for faster rewind to the specific replay moment.
-Execution replaying reads the log and replays all non-deterministic events
-including external input, hardware clocks, and interrupts.
-
-Deterministic replay has the following features:
- * Deterministically replays whole system execution and all contents of
-   the memory, state of the hardware devices, clocks, and screen of the VM.
- * Writes execution log into the file for later replaying for multiple times
-   on different machines.
- * Supports i386, x86_64, and Arm hardware platforms.
- * Performs deterministic replay of all operations with keyboard and mouse
-   input devices.
-
-Usage of the record/replay:
- * First, record the execution with the following command line:
-    qemu-system-i386 \
-     -icount shift=7,rr=record,rrfile=replay.bin \
-     -drive file=disk.qcow2,if=none,snapshot,id=img-direct \
-     -drive driver=blkreplay,if=none,image=img-direct,id=img-blkreplay \
-     -device ide-hd,drive=img-blkreplay \
-     -netdev user,id=net1 -device rtl8139,netdev=net1 \
-     -object filter-replay,id=replay,netdev=net1
- * After recording, you can replay it by using another command line:
-    qemu-system-i386 \
-     -icount shift=7,rr=replay,rrfile=replay.bin \
-     -drive file=disk.qcow2,if=none,snapshot,id=img-direct \
-     -drive driver=blkreplay,if=none,image=img-direct,id=img-blkreplay \
-     -device ide-hd,drive=img-blkreplay \
-     -netdev user,id=net1 -device rtl8139,netdev=net1 \
-     -object filter-replay,id=replay,netdev=net1
-   The only difference with recording is changing the rr option
-   from record to replay.
- * Block device images are not actually changed in the recording mode,
-   because all of the changes are written to the temporary overlay file.
-   This behavior is enabled by using blkreplay driver. It should be used
-   for every enabled block device, as described in 'Block devices' section.
- * '-net none' option should be specified when network is not used,
-   because QEMU adds network card by default. When network is needed,
-   it should be configured explicitly with replay filter, as described
-   in 'Network devices' section.
- * Interaction with audio devices and serial ports are recorded and replayed
-   automatically when such devices are enabled.
-
-Academic papers with description of deterministic replay implementation:
-http://www.computer.org/csdl/proceedings/csmr/2012/4666/00/4666a553-abs.html
-http://dl.acm.org/citation.cfm?id=2786805.2803179
-
-Modifications of qemu include:
- * wrappers for clock and time functions to save their return values in the log
- * saving different asynchronous events (e.g. system shutdown) into the log
- * synchronization of the bottom halves execution
- * synchronization of the threads from thread pool
- * recording/replaying user input (mouse, keyboard, and microphone)
- * adding internal checkpoints for cpu and io synchronization
- * network filter for recording and replaying the packets
- * block driver for making block layer deterministic
- * serial port input record and replay
- * recording of random numbers obtained from the external sources
-
-Locking and thread synchronisation
-----------------------------------
-
-Previously the synchronisation of the main thread and the vCPU thread
-was ensured by the holding of the BQL. However the trend has been to
-reduce the time the BQL was held across the system including under TCG
-system emulation. As it is important that batches of events are kept
-in sequence (e.g. expiring timers and checkpoints in the main thread
-while instruction checkpoints are written by the vCPU thread) we need
-another lock to keep things in lock-step. This role is now handled by
-the replay_mutex_lock. It used to be held only for each event being
-written but now it is held for a whole execution period. This results
-in a deterministic ping-pong between the two main threads.
-
-As the BQL is now a finer grained lock than the replay_lock it is almost
-certainly a bug, and a source of deadlocks, to take the
-replay_mutex_lock while the BQL is held. This is enforced by an assert.
-While the unlocks are usually in the reverse order, this is not
-necessary; you can drop the replay_lock while holding the BQL, without
-doing a more complicated unlock_iothread/replay_unlock/lock_iothread
-sequence.
-
-Non-deterministic events
-------------------------
-
-Our record/replay system is based on saving and replaying non-deterministic
-events (e.g. keyboard input) and simulating deterministic ones (e.g. reading
-from HDD or memory of the VM). Saving only non-deterministic events makes
-log file smaller and simulation faster.
-
-The following non-deterministic data from peripheral devices is saved into
-the log: mouse and keyboard input, network packets, audio controller input,
-serial port input, and hardware clocks (they are non-deterministic
-too, because their values are taken from the host machine). Inputs from
-simulated hardware, memory of VM, software interrupts, and execution of
-instructions are not saved into the log, because they are deterministic and
-can be replayed by simulating the behavior of virtual machine starting from
-initial state.
-
-We had to solve three tasks to implement deterministic replay: recording
-non-deterministic events, replaying non-deterministic events, and checking
-that there is no divergence between record and replay modes.
-
-We changed several parts of QEMU to make event log recording and replaying.
-Devices' models that have non-deterministic input from external devices were
-changed to write every external event into the execution log immediately.
-E.g. network packets are written into the log when they arrive into the virtual
-network adapter.
-
-All non-deterministic events are coming from these devices. But to
-replay them we need to know at which moments they occur. We specify
-these moments by counting the number of instructions executed between
-every pair of consecutive events.
-
-Instruction counting
---------------------
-
-QEMU should work in icount mode to use record/replay feature. icount was
-designed to allow deterministic execution in absence of external inputs
-of the virtual machine. We also use icount to control the occurrence of the
-non-deterministic events. The number of instructions elapsed from the last event
-is written to the log while recording the execution. In replay mode we
-can predict when to inject that event using the instruction counter.
-
-Timers
-------
-
-Timers are used to execute callbacks from different subsystems of QEMU
-at the specified moments of time. There are several kinds of timers:
- * Real time clock. Based on host time and used only for callbacks that
-   do not change the virtual machine state. For this reason real time
-   clock and timers does not affect deterministic replay at all.
- * Virtual clock. These timers run only during the emulation. In icount
-   mode virtual clock value is calculated using executed instructions counter.
-   That is why it is completely deterministic and does not have to be recorded.
- * Host clock. This clock is used by device models that simulate real time
-   sources (e.g. real time clock chip). Host clock is the one of the sources
-   of non-determinism. Host clock read operations should be logged to
-   make the execution deterministic.
- * Virtual real time clock. This clock is similar to real time clock but
-   it is used only for increasing virtual clock while virtual machine is
-   sleeping. Due to its nature it is also non-deterministic as the host clock
-   and has to be logged too.
-
-Checkpoints
------------
-
-Replaying of the execution of virtual machine is bound by sources of
-non-determinism. These are inputs from clock and peripheral devices,
-and QEMU thread scheduling. Thread scheduling affect on processing events
-from timers, asynchronous input-output, and bottom halves.
-
-Invocations of timers are coupled with clock reads and changing the state
-of the virtual machine. Reads produce non-deterministic data taken from
-host clock. And VM state changes should preserve their order. Their relative
-order in replay mode must replicate the order of callbacks in record mode.
-To preserve this order we use checkpoints. When a specific clock is processed
-in record mode we save to the log special "checkpoint" event.
-Checkpoints here do not refer to virtual machine snapshots. They are just
-record/replay events used for synchronization.
-
-QEMU in replay mode will try to invoke timers processing in random moment
-of time. That's why we do not process a group of timers until the checkpoint
-event will be read from the log. Such an event allows synchronizing CPU
-execution and timer events.
-
-Two other checkpoints govern the "warping" of the virtual clock.
-While the virtual machine is idle, the virtual clock increments at
-1 ns per *real time* nanosecond.  This is done by setting up a timer
-(called the warp timer) on the virtual real time clock, so that the
-timer fires at the next deadline of the virtual clock; the virtual clock
-is then incremented (which is called "warping" the virtual clock) as
-soon as the timer fires or the CPUs need to go out of the idle state.
-Two functions are used for this purpose; because these actions change
-virtual machine state and must be deterministic, each of them creates a
-checkpoint.  qemu_start_warp_timer checks if the CPUs are idle and if so
-starts accounting real time to virtual clock.  qemu_account_warp_timer
-is called when the CPUs get an interrupt or when the warp timer fires,
-and it warps the virtual clock by the amount of real time that has passed
-since qemu_start_warp_timer.
-
-Bottom halves
--------------
-
-Disk I/O events are completely deterministic in our model, because
-in both record and replay modes we start virtual machine from the same
-disk state. But callbacks that virtual disk controller uses for reading and
-writing the disk may occur at different moments of time in record and replay
-modes.
-
-Reading and writing requests are created by CPU thread of QEMU. Later these
-requests proceed to block layer which creates "bottom halves". Bottom
-halves consist of callback and its parameters. They are processed when
-main loop locks the global mutex. These locks are not synchronized with
-replaying process because main loop also processes the events that do not
-affect the virtual machine state (like user interaction with monitor).
-
-That is why we had to implement saving and replaying bottom halves callbacks
-synchronously to the CPU execution. When the callback is about to execute
-it is added to the queue in the replay module. This queue is written to the
-log when its callbacks are executed. In replay mode callbacks are not processed
-until the corresponding event is read from the events log file.
-
-Sometimes the block layer uses asynchronous callbacks for its internal purposes
-(like reading or writing VM snapshots or disk image cluster tables). In this
-case bottom halves are not marked as "replayable" and do not saved
-into the log.
-
-Block devices
--------------
-
-Block devices record/replay module intercepts calls of
-bdrv coroutine functions at the top of block drivers stack.
-To record and replay block operations the drive must be configured
-as following:
- -drive file=disk.qcow2,if=none,snapshot,id=img-direct
- -drive driver=blkreplay,if=none,image=img-direct,id=img-blkreplay
- -device ide-hd,drive=img-blkreplay
-
-blkreplay driver should be inserted between disk image and virtual driver
-controller. Therefore all disk requests may be recorded and replayed.
-
-All block completion operations are added to the queue in the coroutines.
-Queue is flushed at checkpoints and information about processed requests
-is recorded to the log. In replay phase the queue is matched with
-events read from the log. Therefore block devices requests are processed
-deterministically.
-
-Snapshotting
-------------
-
-New VM snapshots may be created in replay mode. They can be used later
-to recover the desired VM state. All VM states created in replay mode
-are associated with the moment of time in the replay scenario.
-After recovering the VM state replay will start from that position.
-
-Default starting snapshot name may be specified with icount field
-rrsnapshot as follows:
- -icount shift=7,rr=record,rrfile=replay.bin,rrsnapshot=snapshot_name
-
-This snapshot is created at start of recording and restored at start
-of replaying. It also can be loaded while replaying to roll back
-the execution.
-
-'snapshot' flag of the disk image must be removed to save the snapshots
-in the overlay (or original image) instead of using the temporary overlay.
- -drive file=disk.ovl,if=none,id=img-direct
- -drive driver=blkreplay,if=none,image=img-direct,id=img-blkreplay
- -device ide-hd,drive=img-blkreplay
-
-Use QEMU monitor to create additional snapshots. 'savevm <name>' command
-created the snapshot and 'loadvm <name>' restores it. To prevent corruption
-of the original disk image, use overlay files linked to the original images.
-Therefore all new snapshots (including the starting one) will be saved in
-overlays and the original image remains unchanged.
-
-Network devices
----------------
-
-Record and replay for network interactions is performed with the network filter.
-Each backend must have its own instance of the replay filter as follows:
- -netdev user,id=net1 -device rtl8139,netdev=net1
- -object filter-replay,id=replay,netdev=net1
-
-Replay network filter is used to record and replay network packets. While
-recording the virtual machine this filter puts all packets coming from
-the outer world into the log. In replay mode packets from the log are
-injected into the network device. All interactions with network backend
-in replay mode are disabled.
-
-Audio devices
--------------
-
-Audio data is recorded and replay automatically. The command line for recording
-and replaying must contain identical specifications of audio hardware, e.g.:
- -soundhw ac97
-
-Serial ports
-------------
-
-Serial ports input is recorded and replay automatically. The command lines
-for recording and replaying must contain identical number of ports in record
-and replay modes, but their backends may differ.
-E.g., '-serial stdio' in record mode, and '-serial null' in replay mode.
-
-Replay log format
------------------
-
-Record/replay log consists of the header and the sequence of execution
-events. The header includes 4-byte replay version id and 8-byte reserved
-field. Version is updated every time replay log format changes to prevent
-using replay log created by another build of qemu.
-
-The sequence of the events describes virtual machine state changes.
-It includes all non-deterministic inputs of VM, synchronization marks and
-instruction counts used to correctly inject inputs at replay.
-
-Synchronization marks (checkpoints) are used for synchronizing qemu threads
-that perform operations with virtual hardware. These operations may change
-system's state (e.g., change some register or generate interrupt) and
-therefore should execute synchronously with CPU thread.
-
-Every event in the log includes 1-byte event id and optional arguments.
-When argument is an array, it is stored as 4-byte array length
-and corresponding number of bytes with data.
-Here is the list of events that are written into the log:
-
- - EVENT_INSTRUCTION. Instructions executed since last event.
-   Argument: 4-byte number of executed instructions.
- - EVENT_INTERRUPT. Used to synchronize interrupt processing.
- - EVENT_EXCEPTION. Used to synchronize exception handling.
- - EVENT_ASYNC. This is a group of events. They are always processed
-   together with checkpoints. When such an event is generated, it is
-   stored in the queue and processed only when checkpoint occurs.
-   Every such event is followed by 1-byte checkpoint id and 1-byte
-   async event id from the following list:
-     - REPLAY_ASYNC_EVENT_BH. Bottom-half callback. This event synchronizes
-       callbacks that affect virtual machine state, but normally called
-       asynchronously.
-       Argument: 8-byte operation id.
-     - REPLAY_ASYNC_EVENT_INPUT. Input device event. Contains
-       parameters of keyboard and mouse input operations
-       (key press/release, mouse pointer movement).
-       Arguments: 9-16 bytes depending of input event.
-     - REPLAY_ASYNC_EVENT_INPUT_SYNC. Internal input synchronization event.
-     - REPLAY_ASYNC_EVENT_CHAR_READ. Character (e.g., serial port) device input
-       initiated by the sender.
-       Arguments: 1-byte character device id.
-                  Array with bytes were read.
-     - REPLAY_ASYNC_EVENT_BLOCK. Block device operation. Used to synchronize
-       operations with disk and flash drives with CPU.
-       Argument: 8-byte operation id.
-     - REPLAY_ASYNC_EVENT_NET. Incoming network packet.
-       Arguments: 1-byte network adapter id.
-                  4-byte packet flags.
-                  Array with packet bytes.
- - EVENT_SHUTDOWN. Occurs when user sends shutdown event to qemu,
-   e.g., by closing the window.
- - EVENT_CHAR_WRITE. Used to synchronize character output operations.
-   Arguments: 4-byte output function return value.
-              4-byte offset in the output array.
- - EVENT_CHAR_READ_ALL. Used to synchronize character input operations,
-   initiated by qemu.
-   Argument: Array with bytes that were read.
- - EVENT_CHAR_READ_ALL_ERROR. Unsuccessful character input operation,
-   initiated by qemu.
-   Argument: 4-byte error code.
- - EVENT_CLOCK + clock_id. Group of events for host clock read operations.
-   Argument: 8-byte clock value.
- - EVENT_CHECKPOINT + checkpoint_id. Checkpoint for synchronization of
-   CPU, internal threads, and asynchronous input events. May be followed
-   by one or more EVENT_ASYNC events.
- - EVENT_END. Last event in the log.