d666736a0099549b39b49eda289eec59064b62d5
[sbcl.git] / src / code / ntrace.lisp
1 ;;;; a tracing facility based on breakpoints
2
3 ;;;; This software is part of the SBCL system. See the README file for
4 ;;;; more information.
5 ;;;;
6 ;;;; This software is derived from the CMU CL system, which was
7 ;;;; written at Carnegie Mellon University and released into the
8 ;;;; public domain. The software is in the public domain and is
9 ;;;; provided with absolutely no warranty. See the COPYING and CREDITS
10 ;;;; files for more information.
11
12 (in-package "SB-DEBUG") ; (SB-, not SB!, since we're built in warm load.)
13
14 ;;; FIXME: Why, oh why, doesn't the SB-DEBUG package use the SB-DI
15 ;;; package? That would let us get rid of a whole lot of stupid
16 ;;; prefixes..
17
18 (defvar *trace-values* nil
19   #+sb-doc
20   "This is bound to the returned values when evaluating :BREAK-AFTER and
21    :PRINT-AFTER forms.")
22
23 (defvar *trace-indentation-step* 2
24   #+sb-doc
25   "the increase in trace indentation at each call level")
26
27 (defvar *max-trace-indentation* 40
28   #+sb-doc
29   "If the trace indentation exceeds this value, then indentation restarts at
30    0.")
31
32 (defvar *trace-encapsulate-default* t
33   #+sb-doc
34   "the default value for the :ENCAPSULATE option to TRACE")
35 \f
36 ;;;; internal state
37
38 ;;; a hash table that maps each traced function to the TRACE-INFO. The
39 ;;; entry for a closure is the shared function entry object.
40 (defvar *traced-funs* (make-hash-table :test 'eq))
41
42 ;;; A TRACE-INFO object represents all the information we need to
43 ;;; trace a given function.
44 (def!struct (trace-info
45              (:make-load-form-fun sb-kernel:just-dump-it-normally)
46              (:print-object (lambda (x stream)
47                               (print-unreadable-object (x stream :type t)
48                                 (prin1 (trace-info-what x) stream)))))
49   ;; the original representation of the thing traced
50   (what nil :type (or function cons symbol))
51   ;; Is WHAT a function name whose definition we should track?
52   (named nil)
53   ;; Is tracing to be done by encapsulation rather than breakpoints?
54   ;; T implies NAMED.
55   (encapsulated *trace-encapsulate-default*)
56   ;; Has this trace been untraced?
57   (untraced nil)
58   ;; breakpoints we set up to trigger tracing
59   (start-breakpoint nil :type (or sb-di:breakpoint null))
60   (end-breakpoint nil :type (or sb-di:breakpoint null))
61   ;; the list of function names for WHEREIN, or NIL if unspecified
62   (wherein nil :type list)
63
64   ;; The following slots represent the forms that we are supposed to
65   ;; evaluate on each iteration. Each form is represented by a cons
66   ;; (Form . Function), where the Function is the cached result of
67   ;; coercing Form to a function. Forms which use the current
68   ;; environment are converted with PREPROCESS-FOR-EVAL, which gives
69   ;; us a one-arg function. Null environment forms also have one-arg
70   ;; functions, but the argument is ignored. NIL means unspecified
71   ;; (the default.)
72
73   ;; current environment forms
74   (condition nil)
75   (break nil)
76   ;; List of current environment forms
77   (print () :type list)
78   ;; null environment forms
79   (condition-after nil)
80   (break-after nil)
81   ;; list of null environment forms
82   (print-after () :type list))
83
84 ;;; This is a list of conses (fun-end-cookie . condition-satisfied),
85 ;;; which we use to note distinct dynamic entries into functions. When
86 ;;; we enter a traced function, we add a entry to this list holding
87 ;;; the new end-cookie and whether the trace condition was satisfied.
88 ;;; We must save the trace condition so that the after breakpoint
89 ;;; knows whether to print. The length of this list tells us the
90 ;;; indentation to use for printing TRACE messages.
91 ;;;
92 ;;; This list also helps us synchronize the TRACE facility dynamically
93 ;;; for detecting non-local flow of control. Whenever execution hits a
94 ;;; :FUN-END breakpoint used for TRACE'ing, we look for the
95 ;;; FUN-END-COOKIE at the top of *TRACED-ENTRIES*. If it is not
96 ;;; there, we discard any entries that come before our cookie.
97 ;;;
98 ;;; When we trace using encapsulation, we bind this variable and add
99 ;;; (NIL . CONDITION-SATISFIED), so a NIL "cookie" marks an
100 ;;; encapsulated tracing.
101 (defvar *traced-entries* ())
102 (declaim (list *traced-entries*))
103
104 ;;; This variable is used to discourage infinite recursions when some
105 ;;; trace action invokes a function that is itself traced. In this
106 ;;; case, we quietly ignore the inner tracing.
107 (defvar *in-trace* nil)
108 \f
109 ;;;; utilities
110
111 ;;; Given a function name, a function or a macro name, return the raw
112 ;;; definition and some information. "Raw" means that if the result is
113 ;;; a closure, we strip off the closure and return the bare code. The
114 ;;; second value is T if the argument was a function name. The third
115 ;;; value is one of :COMPILED, :COMPILED-CLOSURE, :INTERPRETED,
116 ;;; :INTERPRETED-CLOSURE and :FUNCALLABLE-INSTANCE.
117 (defun trace-fdefinition (x)
118   (multiple-value-bind (res named-p)
119       (typecase x
120         (symbol
121          (cond ((special-operator-p x)
122                 (error "can't trace special form ~S" x))
123                ((macro-function x))
124                (t
125                 (values (fdefinition x) t))))
126         (function x)
127         (t (values (fdefinition x) t)))
128     (case (sb-kernel:widetag-of res)
129       (#.sb-vm:closure-header-widetag
130        (values (sb-kernel:%closure-fun res)
131                named-p
132                :compiled-closure))
133       (#.sb-vm:funcallable-instance-header-widetag
134        (values res named-p :funcallable-instance))
135       (t (values res named-p :compiled)))))
136
137 ;;; When a function name is redefined, and we were tracing that name,
138 ;;; then untrace the old definition and trace the new one.
139 (defun trace-redefined-update (fname new-value)
140   (when (fboundp fname)
141     (let* ((fun (trace-fdefinition fname))
142            (info (gethash fun *traced-funs*)))
143       (when (and info (trace-info-named info))
144         (untrace-1 fname)
145         (trace-1 fname info new-value)))))
146 (push #'trace-redefined-update *setf-fdefinition-hook*)
147
148 ;;; Annotate a FORM to evaluate with pre-converted functions. FORM is
149 ;;; really a cons (EXP . FUNCTION). LOC is the code location to use
150 ;;; for the lexical environment. If LOC is NIL, evaluate in the null
151 ;;; environment. If FORM is NIL, just return NIL.
152 (defun coerce-form (form loc)
153   (when form
154     (let ((exp (car form)))
155       (if (sb-di:code-location-p loc)
156           (let ((fun (sb-di:preprocess-for-eval exp loc)))
157             (cons exp
158                   (lambda (frame)
159                     (let ((*current-frame* frame))
160                       (funcall fun frame)))))
161           (let* ((bod (ecase loc
162                         ((nil) exp)
163                         (:encapsulated
164                          `(flet ((sb-debug:arg (n)
165                                    (declare (special arg-list))
166                                    (elt arg-list n)))
167                             (declare (ignorable #'sb-debug:arg))
168                             ,exp))))
169                  (fun (coerce `(lambda () ,bod) 'function)))
170             (cons exp
171                   (lambda (frame)
172                     (declare (ignore frame))
173                     (let ((*current-frame* nil))
174                       (funcall fun)))))))))
175
176 (defun coerce-form-list (forms loc)
177   (mapcar (lambda (x) (coerce-form x loc)) forms))
178
179 ;;; Print indentation according to the number of trace entries.
180 ;;; Entries whose condition was false don't count.
181 (defun print-trace-indentation ()
182   (let ((depth 0))
183     (dolist (entry *traced-entries*)
184       (when (cdr entry) (incf depth)))
185     (format t
186             "~V,0@T~W: "
187             (+ (mod (* depth *trace-indentation-step*)
188                     (- *max-trace-indentation* *trace-indentation-step*))
189                *trace-indentation-step*)
190             depth)))
191
192 ;;; Return true if any of the NAMES appears on the stack below FRAME.
193 (defun trace-wherein-p (frame names)
194   (do ((frame (sb-di:frame-down frame) (sb-di:frame-down frame)))
195       ((not frame) nil)
196     (when (member (sb-di:debug-fun-name (sb-di:frame-debug-fun frame))
197                   names
198                   :test #'equal)
199       (return t))))
200
201 ;;; Handle PRINT and PRINT-AFTER options.
202 (defun trace-print (frame forms)
203   (dolist (ele forms)
204     (fresh-line)
205     (print-trace-indentation)
206     (format t "~@<~S ~_= ~S~:>" (car ele) (funcall (cdr ele) frame))))
207
208 ;;; Test a BREAK option, and break if true.
209 (defun trace-maybe-break (info break where frame)
210   (when (and break (funcall (cdr break) frame))
211     (sb-di:flush-frames-above frame)
212     (let ((*stack-top-hint* frame))
213       (break "breaking ~A traced call to ~S:"
214              where
215              (trace-info-what info)))))
216
217 ;;; Discard any invalid cookies on our simulated stack. Encapsulated
218 ;;; entries are always valid, since we bind *TRACED-ENTRIES* in the
219 ;;; encapsulation.
220 (defun discard-invalid-entries (frame)
221   (loop
222     (when (or (null *traced-entries*)
223               (let ((cookie (caar *traced-entries*)))
224                 (or (not cookie)
225                     (sb-di:fun-end-cookie-valid-p frame cookie))))
226       (return))
227     (pop *traced-entries*)))
228 \f
229 ;;;; hook functions
230
231 ;;; Return a closure that can be used for a function start breakpoint
232 ;;; hook function and a closure that can be used as the
233 ;;; FUN-END-COOKIE function. The first communicates the sense of
234 ;;; the Condition to the second via a closure variable.
235 (defun trace-start-breakpoint-fun (info)
236   (let (conditionp)
237     (values
238
239      (lambda (frame bpt)
240        (declare (ignore bpt))
241        (discard-invalid-entries frame)
242        (let ((condition (trace-info-condition info))
243              (wherein (trace-info-wherein info)))
244          (setq conditionp
245                (and (not *in-trace*)
246                     (or (not condition)
247                         (funcall (cdr condition) frame))
248                     (or (not wherein)
249                         (trace-wherein-p frame wherein)))))
250        (when conditionp
251          (let ((sb-kernel:*current-level-in-print* 0)
252                (*standard-output* *trace-output*)
253                (*in-trace* t))
254            (fresh-line)
255            (print-trace-indentation)
256            (if (trace-info-encapsulated info)
257                ;; FIXME: These special variables should be given
258                ;; *FOO*-style names, and probably declared globally
259                ;; with DEFVAR.
260                (locally
261                  (declare (special basic-definition arg-list))
262                  (prin1 `(,(trace-info-what info) ,@arg-list)))
263                (print-frame-call frame))
264            (terpri)
265            (trace-print frame (trace-info-print info)))
266          (trace-maybe-break info (trace-info-break info) "before" frame)))
267
268      (lambda (frame cookie)
269        (declare (ignore frame))
270        (push (cons cookie conditionp) *traced-entries*)))))
271
272 ;;; This prints a representation of the return values delivered.
273 ;;; First, this checks to see that cookie is at the top of
274 ;;; *TRACED-ENTRIES*; if it is not, then we need to adjust this list
275 ;;; to determine the correct indentation for output. We then check to
276 ;;; see whether the function is still traced and that the condition
277 ;;; succeeded before printing anything.
278 (defun trace-end-breakpoint-fun (info)
279   (lambda (frame bpt *trace-values* cookie)
280     (declare (ignore bpt))
281     (unless (eq cookie (caar *traced-entries*))
282       (setf *traced-entries*
283             (member cookie *traced-entries* :key #'car)))
284
285     (let ((entry (pop *traced-entries*)))
286       (when (and (not (trace-info-untraced info))
287                  (or (cdr entry)
288                      (let ((cond (trace-info-condition-after info)))
289                        (and cond (funcall (cdr cond) frame)))))
290         (let ((sb-kernel:*current-level-in-print* 0)
291               (*standard-output* *trace-output*)
292               (*in-trace* t))
293           (fresh-line)
294           (pprint-logical-block (*standard-output* nil)
295             (print-trace-indentation)
296             (pprint-indent :current 2)
297             (format t "~S returned" (trace-info-what info))
298             (dolist (v *trace-values*)
299               (write-char #\space)
300               (pprint-newline :linear)
301               (prin1 v)))
302           (terpri)
303           (trace-print frame (trace-info-print-after info)))
304         (trace-maybe-break info
305                            (trace-info-break-after info)
306                            "after"
307                            frame)))))
308 \f
309 ;;; This function is called by the trace encapsulation. It calls the
310 ;;; breakpoint hook functions with NIL for the breakpoint and cookie,
311 ;;; which we have cleverly contrived to work for our hook functions.
312 (defun trace-call (info)
313   (multiple-value-bind (start cookie) (trace-start-breakpoint-fun info)
314     (let ((frame (sb-di:frame-down (sb-di:top-frame))))
315       (funcall start frame nil)
316       (let ((*traced-entries* *traced-entries*))
317         (declare (special basic-definition arg-list))
318         (funcall cookie frame nil)
319         (let ((vals
320                (multiple-value-list
321                 (apply basic-definition arg-list))))
322           (funcall (trace-end-breakpoint-fun info) frame nil vals nil)
323           (values-list vals))))))
324 \f
325 ;;; Trace one function according to the specified options. We copy the
326 ;;; trace info (it was a quoted constant), fill in the functions, and
327 ;;; then install the breakpoints or encapsulation.
328 ;;;
329 ;;; If non-null, DEFINITION is the new definition of a function that
330 ;;; we are automatically retracing.
331 (defun trace-1 (function-or-name info &optional definition)
332   (multiple-value-bind (fun named kind)
333       (if definition
334           (values definition t
335                   (nth-value 2 (trace-fdefinition definition)))
336           (trace-fdefinition function-or-name))
337     (when (gethash fun *traced-funs*)
338       (warn "~S is already TRACE'd, untracing it." function-or-name)
339       (untrace-1 fun))
340
341     (let* ((debug-fun (sb-di:fun-debug-fun fun))
342            (encapsulated
343             (if (eq (trace-info-encapsulated info) :default)
344                 (ecase kind
345                   (:compiled nil)
346                   (:compiled-closure
347                    (unless (functionp function-or-name)
348                      (warn "tracing shared code for ~S:~%  ~S"
349                            function-or-name
350                            fun))
351                    nil)
352                   ((:interpreted :interpreted-closure :funcallable-instance)
353                    t))
354                 (trace-info-encapsulated info)))
355            (loc (if encapsulated
356                     :encapsulated
357                     (sb-di:debug-fun-start-location debug-fun)))
358            (info (make-trace-info
359                   :what function-or-name
360                   :named named
361                   :encapsulated encapsulated
362                   :wherein (trace-info-wherein info)
363                   :condition (coerce-form (trace-info-condition info) loc)
364                   :break (coerce-form (trace-info-break info) loc)
365                   :print (coerce-form-list (trace-info-print info) loc)
366                   :break-after (coerce-form (trace-info-break-after info) nil)
367                   :condition-after
368                   (coerce-form (trace-info-condition-after info) nil)
369                   :print-after
370                   (coerce-form-list (trace-info-print-after info) nil))))
371
372       (dolist (wherein (trace-info-wherein info))
373         (unless (or (stringp wherein)
374                     (fboundp wherein))
375           (warn ":WHEREIN name ~S is not a defined global function."
376                 wherein)))
377
378       (cond
379        (encapsulated
380         (unless named
381           (error "can't use encapsulation to trace anonymous function ~S"
382                  fun))
383         (encapsulate function-or-name 'trace `(trace-call ',info)))
384        (t
385         (multiple-value-bind (start-fun cookie-fun)
386             (trace-start-breakpoint-fun info)
387           (let ((start (sb-di:make-breakpoint start-fun debug-fun
388                                               :kind :fun-start))
389                 (end (sb-di:make-breakpoint
390                       (trace-end-breakpoint-fun info)
391                       debug-fun :kind :fun-end
392                       :fun-end-cookie cookie-fun)))
393             (setf (trace-info-start-breakpoint info) start)
394             (setf (trace-info-end-breakpoint info) end)
395             ;; The next two forms must be in the order in which they
396             ;; appear, since the start breakpoint must run before the
397             ;; fun-end breakpoint's start helper (which calls the
398             ;; cookie function.) One reason is that cookie function
399             ;; requires that the CONDITIONP shared closure variable be
400             ;; initialized.
401             (sb-di:activate-breakpoint start)
402             (sb-di:activate-breakpoint end)))))
403
404       (setf (gethash fun *traced-funs*) info)))
405
406   function-or-name)
407 \f
408 ;;;; the TRACE macro
409
410 ;;; Parse leading trace options off of SPECS, modifying INFO
411 ;;; accordingly. The remaining portion of the list is returned when we
412 ;;; encounter a plausible function name.
413 (defun parse-trace-options (specs info)
414   (let ((current specs))
415     (loop
416       (when (endp current) (return))
417       (let ((option (first current))
418             (value (cons (second current) nil)))
419         (case option
420           (:report (error "stub: The :REPORT option is not yet implemented."))
421           (:condition (setf (trace-info-condition info) value))
422           (:condition-after
423            (setf (trace-info-condition info) (cons nil nil))
424            (setf (trace-info-condition-after info) value))
425           (:condition-all
426            (setf (trace-info-condition info) value)
427            (setf (trace-info-condition-after info) value))
428           (:wherein
429            (setf (trace-info-wherein info)
430                  (if (listp (car value)) (car value) value)))
431           (:encapsulate
432            (setf (trace-info-encapsulated info) (car value)))
433           (:break (setf (trace-info-break info) value))
434           (:break-after (setf (trace-info-break-after info) value))
435           (:break-all
436            (setf (trace-info-break info) value)
437            (setf (trace-info-break-after info) value))
438           (:print
439            (setf (trace-info-print info)
440                  (append (trace-info-print info) (list value))))
441           (:print-after
442            (setf (trace-info-print-after info)
443                  (append (trace-info-print-after info) (list value))))
444           (:print-all
445            (setf (trace-info-print info)
446                  (append (trace-info-print info) (list value)))
447            (setf (trace-info-print-after info)
448                  (append (trace-info-print-after info) (list value))))
449           (t (return)))
450         (pop current)
451         (unless current
452           (error "missing argument to ~S TRACE option" option))
453         (pop current)))
454     current))
455
456 ;;; Compute the expansion of TRACE in the non-trivial case (arguments
457 ;;; specified.) If there are no :FUNCTION specs, then don't use a LET.
458 ;;; This allows TRACE to be used without the full interpreter.
459 (defun expand-trace (specs)
460   (collect ((binds)
461             (forms))
462     (let* ((global-options (make-trace-info))
463            (current (parse-trace-options specs global-options)))
464       (loop
465         (when (endp current) (return))
466         (let ((name (pop current))
467               (options (copy-trace-info global-options)))
468           (cond
469            ((eq name :function)
470             (let ((temp (gensym)))
471               (binds `(,temp ,(pop current)))
472               (forms `(trace-1 ,temp ',options))))
473            ((and (keywordp name)
474                  (not (or (fboundp name) (macro-function name))))
475             (error "unknown TRACE option: ~S" name))
476            (t
477             (forms `(trace-1 ',name ',options))))
478           (setq current (parse-trace-options current options)))))
479
480     (if (binds)
481         `(let ,(binds) (list ,@(forms)))
482         `(list ,@(forms)))))
483
484 (defun %list-traced-funs ()
485   (loop for x being each hash-value in *traced-funs*
486         collect (trace-info-what x)))
487
488 (defmacro trace (&rest specs)
489   #+sb-doc
490   "TRACE {Option Global-Value}* {Name {Option Value}*}*
491    TRACE is a debugging tool that provides information when specified functions
492    are called. In its simplest form:
493        (trace Name-1 Name-2 ...)
494    (The Names are not evaluated.)
495
496    Options allow modification of the default behavior. Each option is a pair
497    of an option keyword and a value form. Global options are specified before
498    the first name, and affect all functions traced by a given use of TRACE.
499    Options may also be interspersed with function names, in which case they
500    act as local options, only affecting tracing of the immediately preceding
501    function name. Local options override global options.
502
503    By default, TRACE causes a printout on *TRACE-OUTPUT* each time that
504    one of the named functions is entered or returns. (This is the
505    basic, ANSI Common Lisp behavior of TRACE.) As an SBCL extension, the
506    :REPORT SB-EXT:PROFILE option can be used to instead cause information
507    to be silently recorded to be inspected later using the SB-EXT:PROFILE
508    function.
509
510    The following options are defined:
511
512    :REPORT Report-Type
513        If Report-Type is TRACE (the default) then information is reported
514        by printing immediately. If Report-Type is SB-EXT:PROFILE, information
515        is recorded for later summary by calls to SB-EXT:PROFILE. If
516        Report-Type is NIL, then the only effect of the trace is to execute
517        other options (e.g. PRINT or BREAK).
518
519    :CONDITION Form
520    :CONDITION-AFTER Form
521    :CONDITION-ALL Form
522        If :CONDITION is specified, then TRACE does nothing unless Form
523        evaluates to true at the time of the call. :CONDITION-AFTER is
524        similar, but suppresses the initial printout, and is tested when the
525        function returns. :CONDITION-ALL tries both before and after.
526
527    :BREAK Form
528    :BREAK-AFTER Form
529    :BREAK-ALL Form
530        If specified, and Form evaluates to true, then the debugger is invoked
531        at the start of the function, at the end of the function, or both,
532        according to the respective option. 
533
534    :PRINT Form
535    :PRINT-AFTER Form
536    :PRINT-ALL Form
537        In addition to the usual printout, the result of evaluating Form is
538        printed at the start of the function, at the end of the function, or
539        both, according to the respective option. Multiple print options cause
540        multiple values to be printed.
541
542    :WHEREIN Names
543        If specified, Names is a function name or list of names. TRACE does
544        nothing unless a call to one of those functions encloses the call to
545        this function (i.e. it would appear in a backtrace.)  Anonymous
546        functions have string names like \"DEFUN FOO\". 
547
548    :ENCAPSULATE {:DEFAULT | T | NIL}
549        If T, the tracing is done via encapsulation (redefining the function
550        name) rather than by modifying the function. :DEFAULT is the default,
551        and means to use encapsulation for interpreted functions and funcallable
552        instances, breakpoints otherwise. When encapsulation is used, forms are
553        *not* evaluated in the function's lexical environment, but SB-DEBUG:ARG
554        can still be used.
555
556    :FUNCTION Function-Form
557        This is a not really an option, but rather another way of specifying
558        what function to trace. The Function-Form is evaluated immediately,
559        and the resulting function is traced.
560
561    :CONDITION, :BREAK and :PRINT forms are evaluated in the lexical environment
562    of the called function; SB-DEBUG:VAR and SB-DEBUG:ARG can be used. The
563    -AFTER and -ALL forms are evaluated in the null environment."
564   (if specs
565       (expand-trace specs)
566       '(%list-traced-funs)))
567 \f
568 ;;;; untracing
569
570 ;;; Untrace one function.
571 (defun untrace-1 (function-or-name)
572   (let* ((fun (trace-fdefinition function-or-name))
573          (info (gethash fun *traced-funs*)))
574     (cond
575      ((not info)
576       (warn "Function is not TRACEd: ~S" function-or-name))
577      (t
578       (cond
579        ((trace-info-encapsulated info)
580         (unencapsulate (trace-info-what info) 'trace))
581        (t
582         (sb-di:delete-breakpoint (trace-info-start-breakpoint info))
583         (sb-di:delete-breakpoint (trace-info-end-breakpoint info))))
584       (setf (trace-info-untraced info) t)
585       (remhash fun *traced-funs*)))))
586
587 ;;; Untrace all traced functions.
588 (defun untrace-all ()
589   (dolist (fun (%list-traced-funs))
590     (untrace-1 fun))
591   t)
592
593 (defmacro untrace (&rest specs)
594   #+sb-doc
595   "Remove tracing from the specified functions. With no args, untrace all
596    functions."
597   (if specs
598       (collect ((res))
599         (let ((current specs))
600           (loop
601             (unless current (return))
602             (let ((name (pop current)))
603               (res (if (eq name :function)
604                        `(untrace-1 ,(pop current))
605                        `(untrace-1 ',name)))))
606           `(progn ,@(res) t)))
607       '(untrace-all)))