Fix timevar.cc build on systems that don't have CLOCK_MONOTONIC
[gcc.git] / libstdc++-v3 / doc / xml / manual / debug_mode.xml
bloba12158fa03ea99dd166cd70541f4a6b50348cedb
1 <chapter xmlns="http://docbook.org/ns/docbook" version="5.0"
2          xml:id="manual.ext.debug_mode" xreflabel="Debug Mode">
3 <?dbhtml filename="debug_mode.html"?>
5 <info><title>Debug Mode</title>
6   <keywordset>
7     <keyword>C++</keyword>
8     <keyword>library</keyword>
9     <keyword>debug</keyword>
10   </keywordset>
11 </info>
15 <section xml:id="manual.ext.debug_mode.intro" xreflabel="Intro"><info><title>Intro</title></info>
17   <para>
18     By default, libstdc++ is built with efficiency in mind, and
19     therefore performs little or no error checking that is not
20     required by the C++ standard. This means that programs that
21     incorrectly use the C++ standard library will exhibit behavior
22     that is not portable and may not even be predictable, because they
23     tread into implementation-specific or undefined behavior. To
24     detect some of these errors before they can become problematic,
25     libstdc++ offers a debug mode that provides additional checking of
26     library facilities, and will report errors in the use of libstdc++
27     as soon as they can be detected by emitting a description of the
28     problem to standard error and aborting the program.  This debug
29     mode is available with GCC 3.4.0 and later versions.
30   </para>
32   <para>
33     The libstdc++ debug mode performs checking for many areas of the
34     C++ standard, but the focus is on checking interactions among
35     standard iterators, containers, and algorithms, including:
36   </para>
38   <itemizedlist>
39     <listitem><para><emphasis>Safe iterators</emphasis>: Iterators keep track of the
40     container whose elements they reference, so errors such as
41     incrementing a past-the-end iterator or dereferencing an iterator
42     that points to a container that has been destructed are diagnosed
43     immediately.</para></listitem>
45     <listitem><para><emphasis>Algorithm preconditions</emphasis>: Algorithms attempt to
46     validate their input parameters to detect errors as early as
47     possible. For instance, the <code>set_intersection</code>
48     algorithm requires that its iterator
49     parameters <code>first1</code> and <code>last1</code> form a valid
50     iterator range, and that the sequence
51     [<code>first1</code>, <code>last1</code>) is sorted according to
52     the same predicate that was passed
53     to <code>set_intersection</code>; the libstdc++ debug mode will
54     detect an error if the sequence is not sorted or was sorted by a
55     different predicate.</para></listitem>
56   </itemizedlist>
58 </section>
60 <section xml:id="manual.ext.debug_mode.semantics" xreflabel="Semantics"><info><title>Semantics</title></info>
61   <?dbhtml filename="debug_mode_semantics.html"?>
63   <para>
64   </para>
66 <para>A program that uses the C++ standard library correctly
67   will maintain the same semantics under debug mode as it had with
68   the normal (release) library. All functional and exception-handling
69   guarantees made by the normal library also hold for the debug mode
70   library, with one exception: performance guarantees made by the
71   normal library may not hold in the debug mode library. For
72   instance, erasing an element in a <code>std::list</code> is a
73   constant-time operation in normal library, but in debug mode it is
74   linear in the number of iterators that reference that particular
75   list. So while your (correct) program won't change its results, it
76   is likely to execute more slowly.</para>
78 <para>libstdc++ includes many extensions to the C++ standard library. In
79   some cases the extensions are obvious, such as the hashed
80   associative containers, whereas other extensions give predictable
81   results to behavior that would otherwise be undefined, such as
82   throwing an exception when a <code>std::basic_string</code> is
83   constructed from a NULL character pointer. This latter category also
84   includes implementation-defined and unspecified semantics, such as
85   the growth rate of a vector. Use of these extensions is not
86   considered incorrect, so code that relies on them will not be
87   rejected by debug mode. However, use of these extensions may affect
88   the portability of code to other implementations of the C++ standard
89   library, and is therefore somewhat hazardous. For this reason, the
90   libstdc++ debug mode offers a "pedantic" mode (similar to
91   GCC's <code>-pedantic</code> compiler flag) that attempts to emulate
92   the semantics guaranteed by the C++ standard. For
93   instance, constructing a <code>std::basic_string</code> with a NULL
94   character pointer would result in an exception under normal mode or
95   non-pedantic debug mode (this is a libstdc++ extension), whereas
96   under pedantic debug mode libstdc++ would signal an error. To enable
97   the pedantic debug mode, compile your program with
98   both <code>-D_GLIBCXX_DEBUG</code>
99   and <code>-D_GLIBCXX_DEBUG_PEDANTIC</code> .
100   (N.B. In GCC 3.4.x and 4.0.0, due to a bug,
101   <code>-D_GLIBXX_DEBUG_PEDANTIC</code> was also needed. The problem has
102   been fixed in GCC 4.0.1 and later versions.) </para>
104 <para>The following library components provide extra debugging
105   capabilities in debug mode:</para>
106 <itemizedlist>
107   <listitem><para><code>std::array</code> (no safe iterators)</para></listitem>
108   <listitem><para><code>std::basic_string</code> (no safe iterators and see note below)</para></listitem>
109   <listitem><para><code>std::bitset</code></para></listitem>
110   <listitem><para><code>std::deque</code></para></listitem>
111   <listitem><para><code>std::list</code></para></listitem>
112   <listitem><para><code>std::map</code></para></listitem>
113   <listitem><para><code>std::multimap</code></para></listitem>
114   <listitem><para><code>std::multiset</code></para></listitem>
115   <listitem><para><code>std::set</code></para></listitem>
116   <listitem><para><code>std::vector</code></para></listitem>
117   <listitem><para><code>std::unordered_map</code></para></listitem>
118   <listitem><para><code>std::unordered_multimap</code></para></listitem>
119   <listitem><para><code>std::unordered_set</code></para></listitem>
120   <listitem><para><code>std::unordered_multiset</code></para></listitem>
121 </itemizedlist>
123 <para>N.B. although there are precondition checks for some string operations,
124 e.g.  <code>operator[]</code>,
125 they will not always be run when using the <code>char</code> and
126 <code>wchar_t</code> specializations (<code>std::string</code> and
127 <code>std::wstring</code>).  This is because libstdc++ uses GCC's
128 <code>extern template</code> extension to provide explicit instantiations
129 of <code>std::string</code> and <code>std::wstring</code>, and those
130 explicit instantiations don't include the debug-mode checks.  If the
131 containing functions are inlined then the checks will run, so compiling
132 with <code>-O1</code> might be enough to enable them.  Alternatively
133 <code>-D_GLIBCXX_EXTERN_TEMPLATE=0</code> will suppress the declarations
134 of the explicit instantiations and cause the functions to be instantiated
135 with the debug-mode checks included, but this is unsupported and not
136 guaranteed to work.  For full debug-mode support you can use the
137 <code>__gnu_debug::basic_string</code> debugging container directly,
138 which always works correctly.
139 </para>
141 </section>
143 <section xml:id="manual.ext.debug_mode.using" xreflabel="Using"><info><title>Using</title></info>
144   <?dbhtml filename="debug_mode_using.html"?>
146   <para>
147   </para>
148 <section xml:id="debug_mode.using.mode" xreflabel="Using Mode"><info><title>Using the Debug Mode</title></info>
151 <para>To use the libstdc++ debug mode, compile your application with the
152   compiler flag <code>-D_GLIBCXX_DEBUG</code>. Note that this flag
153   changes the sizes and behavior of standard class templates such
154   as <code>std::vector</code>, and therefore you can only link code
155   compiled with debug mode and code compiled without debug mode if no
156   instantiation of a container is passed between the two translation
157   units.</para>
159 <para>By default, error messages are formatted to fit on lines of about
160   78 characters.  The environment variable
161   <code>GLIBCXX_DEBUG_MESSAGE_LENGTH</code> can be used to request a
162   different length.</para>
164 <para>Note that libstdc++ is able to produce backtraces on error.
165   To enable these, compile with <code>-D_GLIBCXX_DEBUG_BACKTRACE</code>
166   and then link with <option>-lstdc++exp</option>.
167   These backtraces are not supported on all platforms.
168 </para>
169 </section>
171 <section xml:id="debug_mode.using.specific" xreflabel="Using Specific"><info><title>Using a Specific Debug Container</title></info>
173 <para>When it is not feasible to recompile your entire application, or
174   only specific containers need checking, debugging containers are
175   available as GNU extensions. These debugging containers are
176   functionally equivalent to the standard drop-in containers used in
177   debug mode, but they are available in a separate namespace as GNU
178   extensions and may be used in programs compiled with either release
179   mode or with debug mode. The
180   following table provides the names and headers of the debugging
181   containers:
182 </para>
184 <table frame="all" xml:id="table.debug_mode_containers">
185 <title>Debugging Containers</title>
187 <tgroup cols="4" align="left" colsep="1" rowsep="1">
188 <colspec colname="c1"/>
189 <colspec colname="c2"/>
190 <colspec colname="c3"/>
191 <colspec colname="c4"/>
193 <thead>
194   <row>
195     <entry>Container</entry>
196     <entry>Header</entry>
197     <entry>Debug container</entry>
198     <entry>Debug header</entry>
199   </row>
200 </thead>
201 <tbody>
202   <row>
203     <entry><classname>std::bitset</classname></entry>
204     <entry><filename class="headerfile">bitset</filename></entry>
205     <entry><classname>__gnu_debug::bitset</classname></entry>
206     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/bitset&gt;</filename></entry>
207   </row>
208   <row>
209     <entry><classname>std::deque</classname></entry>
210     <entry><filename class="headerfile">deque</filename></entry>
211     <entry><classname>__gnu_debug::deque</classname></entry>
212     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/deque&gt;</filename></entry>
213   </row>
214   <row>
215     <entry><classname>std::list</classname></entry>
216     <entry><filename class="headerfile">list</filename></entry>
217     <entry><classname>__gnu_debug::list</classname></entry>
218     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/list&gt;</filename></entry>
219   </row>
220   <row>
221     <entry><classname>std::map</classname></entry>
222     <entry><filename class="headerfile">map</filename></entry>
223     <entry><classname>__gnu_debug::map</classname></entry>
224     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/map&gt;</filename></entry>
225   </row>
226   <row>
227     <entry><classname>std::multimap</classname></entry>
228     <entry><filename class="headerfile">map</filename></entry>
229     <entry><classname>__gnu_debug::multimap</classname></entry>
230     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/map&gt;</filename></entry>
231   </row>
232   <row>
233     <entry><classname>std::multiset</classname></entry>
234     <entry><filename class="headerfile">set</filename></entry>
235     <entry><classname>__gnu_debug::multiset</classname></entry>
236     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/set&gt;</filename></entry>
237   </row>
238   <row>
239     <entry><classname>std::set</classname></entry>
240     <entry><filename class="headerfile">set</filename></entry>
241     <entry><classname>__gnu_debug::set</classname></entry>
242     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/set&gt;</filename></entry>
243   </row>
244   <row>
245     <entry><classname>std::string</classname></entry>
246     <entry><filename class="headerfile">string</filename></entry>
247     <entry><classname>__gnu_debug::string</classname></entry>
248     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/string&gt;</filename></entry>
249   </row>
250   <row>
251     <entry><classname>std::wstring</classname></entry>
252     <entry><filename class="headerfile">string</filename></entry>
253     <entry><classname>__gnu_debug::wstring</classname></entry>
254     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/string&gt;</filename></entry>
255   </row>
256   <row>
257     <entry><classname>std::basic_string</classname></entry>
258     <entry><filename class="headerfile">string</filename></entry>
259     <entry><classname>__gnu_debug::basic_string</classname></entry>
260     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/string&gt;</filename></entry>
261   </row>
262   <row>
263     <entry><classname>std::vector</classname></entry>
264     <entry><filename class="headerfile">vector</filename></entry>
265     <entry><classname>__gnu_debug::vector</classname></entry>
266     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/vector&gt;</filename></entry>
267   </row>
268 </tbody>
269 </tgroup>
270 </table>
272 <para>When compiling in C++11 mode (or newer), these
273 containers have additional debug capability.
274 </para>
276 <table frame="all" xml:id="table.debug_mode_containers_cxx11">
277 <title>Debugging Containers C++11</title>
279 <tgroup cols="4" align="left" colsep="1" rowsep="1">
280 <colspec colname="c1"/>
281 <colspec colname="c2"/>
282 <colspec colname="c3"/>
283 <colspec colname="c4"/>
285 <thead>
286   <row>
287     <entry>Container</entry>
288     <entry>Header</entry>
289     <entry>Debug container</entry>
290     <entry>Debug header</entry>
291   </row>
292 </thead>
293 <tbody>
294   <row>
295     <entry><classname>std::forward_list</classname></entry>
296     <entry><filename class="headerfile">forward_list</filename></entry>
297     <entry><classname>__gnu_debug::forward_list</classname></entry>
298     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/forward_list&gt;</filename></entry>
299   </row>
300   <row>
301     <entry><classname>std::unordered_map</classname></entry>
302     <entry><filename class="headerfile">unordered_map</filename></entry>
303     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_map</classname></entry>
304     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/unordered_map&gt;</filename></entry>
305   </row>
306   <row>
307     <entry><classname>std::unordered_multimap</classname></entry>
308     <entry><filename class="headerfile">unordered_map</filename></entry>
309     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_multimap</classname></entry>
310     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/unordered_map&gt;</filename></entry>
311   </row>
312   <row>
313     <entry><classname>std::unordered_set</classname></entry>
314     <entry><filename class="headerfile">unordered_set</filename></entry>
315     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_set</classname></entry>
316     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/unordered_set&gt;</filename></entry>
317   </row>
318   <row>
319     <entry><classname>std::unordered_multiset</classname></entry>
320     <entry><filename class="headerfile">unordered_set</filename></entry>
321     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_multiset</classname></entry>
322     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/unordered_set&gt;</filename></entry>
323   </row>
324 </tbody>
325 </tgroup>
326 </table>
328 <para>Prior to GCC 11 a debug version of <classname>std::array</classname>
329 was available as <classname>__gnu_debug::array</classname> in the
330 header <filename class="headerfile">&lt;debug/array&gt;</filename>.
331 Because <classname>array::iterator</classname> is just a pointer,
332 the debug <classname>array</classname> can't check iterator operations,
333 it can only check direct accesses to the container.
334 Starting with GCC 11 all the debug capabilities are available in
335 <classname>std::array</classname>, without needing a separate type,
336 so <classname>__gnu_debug::array</classname> is just an alias for
337 <classname>std::array</classname>.
338 That alias is deprecated and may be removed in a future release.
339 </para>
341 </section>
342 </section>
344 <section xml:id="manual.ext.debug_mode.design" xreflabel="Design"><info><title>Design</title></info>
345   <?dbhtml filename="debug_mode_design.html"?>
347   <para>
348   </para>
349   <section xml:id="debug_mode.design.goals" xreflabel="Goals"><info><title>Goals</title></info>
351     <para>
352     </para>
353 <para> The libstdc++ debug mode replaces unsafe (but efficient) standard
354   containers and iterators with semantically equivalent safe standard
355   containers and iterators to aid in debugging user programs. The
356   following goals directed the design of the libstdc++ debug mode:</para>
358   <itemizedlist>
360     <listitem><para><emphasis>Correctness</emphasis>: the libstdc++ debug mode must not change
361     the semantics of the standard library for all cases specified in
362     the ANSI/ISO C++ standard. The essence of this constraint is that
363     any valid C++ program should behave in the same manner regardless
364     of whether it is compiled with debug mode or release mode. In
365     particular, entities that are defined in namespace std in release
366     mode should remain defined in namespace std in debug mode, so that
367     legal specializations of namespace std entities will remain
368     valid. A program that is not valid C++ (e.g., invokes undefined
369     behavior) is not required to behave similarly, although the debug
370     mode will abort with a diagnostic when it detects undefined
371     behavior.</para></listitem>
373     <listitem><para><emphasis>Performance</emphasis>: the additional of the libstdc++ debug mode
374     must not affect the performance of the library when it is compiled
375     in release mode. Performance of the libstdc++ debug mode is
376     secondary (and, in fact, will be worse than the release
377     mode).</para></listitem>
379     <listitem><para><emphasis>Usability</emphasis>: the libstdc++ debug mode should be easy to
380     use. It should be easily incorporated into the user's development
381     environment (e.g., by requiring only a single new compiler switch)
382     and should produce reasonable diagnostics when it detects a
383     problem with the user program. Usability also involves detection
384     of errors when using the debug mode incorrectly, e.g., by linking
385     a release-compiled object against a debug-compiled object if in
386     fact the resulting program will not run correctly.</para></listitem>
388     <listitem><para><emphasis>Minimize recompilation</emphasis>: While it is expected that
389     users recompile at least part of their program to use debug
390     mode, the amount of recompilation affects the
391     detect-compile-debug turnaround time. This indirectly affects the
392     usefulness of the debug mode, because debugging some applications
393     may require rebuilding a large amount of code, which may not be
394     feasible when the suspect code may be very localized. There are
395     several levels of conformance to this requirement, each with its
396     own usability and implementation characteristics. In general, the
397     higher-numbered conformance levels are more usable (i.e., require
398     less recompilation) but are more complicated to implement than
399     the lower-numbered conformance levels.
400       <orderedlist inheritnum="ignore" continuation="restarts">
401         <listitem><para><emphasis>Full recompilation</emphasis>: The user must recompile
402         their entire application and all C++ libraries it depends on,
403         including the C++ standard library that ships with the
404         compiler. This must be done even if only a small part of the
405         program can use debugging features.</para></listitem>
407         <listitem><para><emphasis>Full user recompilation</emphasis>: The user must recompile
408         their entire application and all C++ libraries it depends
409         on, but not the C++ standard library itself. This must be done
410         even if only a small part of the program can use debugging
411         features. This can be achieved given a full recompilation
412         system by compiling two versions of the standard library when
413         the compiler is installed and linking against the appropriate
414         one, e.g., a multilibs approach.</para></listitem>
416         <listitem><para><emphasis>Partial recompilation</emphasis>: The user must recompile the
417         parts of their application and the C++ libraries it
418         depends on that will use the debugging facilities
419         directly. This means that any code that uses the debuggable
420         standard containers would need to be recompiled, but code
421         that does not use them (but may, for instance, use IOStreams)
422         would not have to be recompiled.</para></listitem>
424         <listitem><para><emphasis>Per-use recompilation</emphasis>: The user must recompile the
425         parts of their application and the C++ libraries it
426         depends on where debugging should occur, and any other code
427         that interacts with those containers. This means that a set of
428         translation units that accesses a particular standard
429         container instance may either be compiled in release mode (no
430         checking) or debug mode (full checking), but must all be
431         compiled in the same way; a translation unit that does not see
432         that standard container instance need not be recompiled. This
433         also means that a translation unit <emphasis>A</emphasis> that contains a
434         particular instantiation
435         (say, <code>std::vector&lt;int&gt;</code>) compiled in release
436         mode can be linked against a translation unit <emphasis>B</emphasis> that
437         contains the same instantiation compiled in debug mode (a
438         feature not present with partial recompilation). While this
439         behavior is technically a violation of the One Definition
440         Rule, this ability tends to be very important in
441         practice. The libstdc++ debug mode supports this level of
442         recompilation. </para></listitem>
444         <listitem><para><emphasis>Per-unit recompilation</emphasis>: The user must only
445         recompile the translation units where checking should occur,
446         regardless of where debuggable standard containers are
447         used. This has also been dubbed "<code>-g</code> mode",
448         because the <code>-g</code> compiler switch works in this way,
449         emitting debugging information at a per--translation-unit
450         granularity. We believe that this level of recompilation is in
451         fact not possible if we intend to supply safe iterators, leave
452         the program semantics unchanged, and not regress in
453         performance under release mode because we cannot associate
454         extra information with an iterator (to form a safe iterator)
455         without either reserving that space in release mode
456         (performance regression) or allocating extra memory associated
457         with each iterator with <code>new</code> (changes the program
458         semantics).</para></listitem>
459       </orderedlist>
460     </para></listitem>
461   </itemizedlist>
462   </section>
464   <section xml:id="debug_mode.design.methods" xreflabel="Methods"><info><title>Methods</title></info>
466     <para>
467     </para>
468 <para>This section provides an overall view of the design of the
469   libstdc++ debug mode and details the relationship between design
470   decisions and the stated design goals.</para>
472   <section xml:id="debug_mode.design.methods.wrappers" xreflabel="Method Wrapper"><info><title>The Wrapper Model</title></info>
474 <para>The libstdc++ debug mode uses a wrapper model where the
475   debugging versions of library components (e.g., iterators and
476   containers) form a layer on top of the release versions of the
477   library components. The debugging components first verify that the
478   operation is correct (aborting with a diagnostic if an error is
479   found) and will then forward to the underlying release-mode
480   container that will perform the actual work. This design decision
481   ensures that we cannot regress release-mode performance (because the
482   release-mode containers are left untouched) and partially
483   enables <link linkend="methods.coexistence.link">mixing debug and
484   release code</link> at link time, although that will not be
485   discussed at this time.</para>
487 <para>Two types of wrappers are used in the implementation of the debug
488   mode: container wrappers and iterator wrappers. The two types of
489   wrappers interact to maintain relationships between iterators and
490   their associated containers, which are necessary to detect certain
491   types of standard library usage errors such as dereferencing
492   past-the-end iterators or inserting into a container using an
493   iterator from a different container.</para>
495   <section xml:id="debug_mode.design.methods.safe_iter" xreflabel="Method Safe Iter"><info><title>Safe Iterators</title></info>
497 <para>Iterator wrappers provide a debugging layer over any iterator that
498   is attached to a particular container, and will manage the
499   information detailing the iterator's state (singular,
500   dereferenceable, etc.) and tracking the container to which the
501   iterator is attached. Because iterators have a well-defined, common
502   interface the iterator wrapper is implemented with the iterator
503   adaptor class template <code>__gnu_debug::_Safe_iterator</code>,
504   which takes two template parameters:</para>
506 <itemizedlist>
507   <listitem><para><code>Iterator</code>: The underlying iterator type, which must
508     be either the <code>iterator</code> or <code>const_iterator</code>
509     typedef from the sequence type this iterator can reference.</para></listitem>
511   <listitem><para><code>Sequence</code>: The type of sequence that this iterator
512   references. This sequence must be a safe sequence (discussed below)
513   whose <code>iterator</code> or <code>const_iterator</code> typedef
514   is the type of the safe iterator.</para></listitem>
515 </itemizedlist>
516   </section>
518   <section xml:id="debug_mode.design.methods.safe_seq" xreflabel="Method Safe Seq"><info><title>Safe Sequences (Containers)</title></info>
521 <para>Container wrappers provide a debugging layer over a particular
522   container type. Because containers vary greatly in the member
523   functions they support and the semantics of those member functions
524   (especially in the area of iterator invalidation), container
525   wrappers are tailored to the container they reference, e.g., the
526   debugging version of <code>std::list</code> duplicates the entire
527   interface of <code>std::list</code>, adding additional semantic
528   checks and then forwarding operations to the
529   real <code>std::list</code> (a public base class of the debugging
530   version) as appropriate. However, all safe containers inherit from
531   the class template <code>__gnu_debug::_Safe_sequence</code>,
532   instantiated with the type of the safe container itself (an instance
533   of the curiously recurring template pattern).</para>
535 <para>The iterators of a container wrapper will be
536   <link linkend="debug_mode.design.methods.safe_iter">safe
537   iterators</link> that reference sequences of this type and wrap the
538   iterators provided by the release-mode base class. The debugging
539   container will use only the safe iterators within its own interface
540   (therefore requiring the user to use safe iterators, although this
541   does not change correct user code) and will communicate with the
542   release-mode base class with only the underlying, unsafe,
543   release-mode iterators that the base class exports.</para>
545 <para> The debugging version of <code>std::list</code> will have the
546   following basic structure:</para>
548 <programlisting>
549 template&lt;typename _Tp, typename _Allocator = allocator&lt;_Tp&gt;
550   class debug-list :
551     public release-list&lt;_Tp, _Allocator&gt;,
552     public __gnu_debug::_Safe_sequence&lt;debug-list&lt;_Tp, _Allocator&gt; &gt;
553   {
554     typedef release-list&lt;_Tp, _Allocator&gt; _Base;
555     typedef debug-list&lt;_Tp, _Allocator&gt;   _Self;
557   public:
558     typedef __gnu_debug::_Safe_iterator&lt;typename _Base::iterator, _Self&gt;       iterator;
559     typedef __gnu_debug::_Safe_iterator&lt;typename _Base::const_iterator, _Self&gt; const_iterator;
561     // duplicate std::list interface with debugging semantics
562   };
563 </programlisting>
564   </section>
565   </section>
567   <section xml:id="debug_mode.design.methods.precond" xreflabel="Precondition check"><info><title>Precondition Checking</title></info>
569 <para>The debug mode operates primarily by checking the preconditions of
570   all standard library operations that it supports. Preconditions that
571   are always checked (regardless of whether or not we are in debug
572   mode) are checked via the <code>__check_xxx</code> macros defined
573   and documented in the source
574   file <code>include/debug/debug.h</code>. Preconditions that may or
575   may not be checked, depending on the debug-mode
576   macro <code>_GLIBCXX_DEBUG</code>, are checked via
577   the <code>__requires_xxx</code> macros defined and documented in the
578   same source file. Preconditions are validated using any additional
579   information available at run-time, e.g., the containers that are
580   associated with a particular iterator, the position of the iterator
581   within those containers, the distance between two iterators that may
582   form a valid range, etc. In the absence of suitable information,
583   e.g., an input iterator that is not a safe iterator, these
584   precondition checks will silently succeed.</para>
586 <para>The majority of precondition checks use the aforementioned macros,
587   which have the secondary benefit of having prewritten debug
588   messages that use information about the current status of the
589   objects involved (e.g., whether an iterator is singular or what
590   sequence it is attached to) along with some static information
591   (e.g., the names of the function parameters corresponding to the
592   objects involved). When not using these macros, the debug mode uses
593   either the debug-mode assertion
594   macro <code>_GLIBCXX_DEBUG_ASSERT</code> , its pedantic
595   cousin <code>_GLIBCXX_DEBUG_PEDASSERT</code>, or the assertion
596   check macro that supports more advance formulation of error
597   messages, <code>_GLIBCXX_DEBUG_VERIFY</code>. These macros are
598   documented more thoroughly in the debug mode source code.</para>
599   </section>
601   <section xml:id="debug_mode.design.methods.coexistence" xreflabel="Coexistence"><info><title>Release- and debug-mode coexistence</title></info>
603 <para>The libstdc++ debug mode is the first debug mode we know of that
604   is able to provide the "Per-use recompilation" (4) guarantee, that
605   allows release-compiled and debug-compiled code to be linked and
606   executed together without causing unpredictable behavior. This
607   guarantee minimizes the recompilation that users are required to
608   perform, shortening the detect-compile-debug bug hunting cycle
609   and making the debug mode easier to incorporate into development
610   environments by minimizing dependencies.</para>
612 <para>Achieving link- and run-time coexistence is not a trivial
613   implementation task. To achieve this goal we use inline namespaces and
614   a complex organization of debug- and release-modes. The end result is
615   that we have achieved per-use recompilation but have had to give up
616   some checking of the <code>std::basic_string</code> class template
617   (namely, safe iterators).</para>
619  <section xml:id="methods.coexistence.compile" xreflabel="Compile"><info><title>Compile-time coexistence of release- and debug-mode components</title></info>
622 <para>Both the release-mode components and the debug-mode
623   components need to exist within a single translation unit so that
624   the debug versions can wrap the release versions. However, only one
625   of these components should be user-visible at any particular
626   time with the standard name, e.g., <code>std::list</code>. </para>
628 <para>In release mode, we define only the release-mode version of the
629   component with its standard name and do not include the debugging
630   component at all. The release mode version is defined within the
631   namespace <code>std</code>. Minus the namespace associations, this
632   method leaves the behavior of release mode completely unchanged from
633   its behavior prior to the introduction of the libstdc++ debug
634   mode. Here's an example of what this ends up looking like, in
635   C++.</para>
637 <programlisting>
638 namespace std
640   template&lt;typename _Tp, typename _Alloc = allocator&lt;_Tp&gt; &gt;
641     class list
642     {
643       // ...
644      };
645 } // namespace std
646 </programlisting>
648 <para>In debug mode we include the release-mode container (which is now
649 defined in the namespace <code>__cxx1998</code>) and also the
650 debug-mode container. The debug-mode container is defined within the
651 namespace <code>__debug</code>, which is associated with namespace
652 <code>std</code> via the C++11 namespace association language feature.  This
653 method allows the debug and release versions of the same component to
654 coexist at compile-time and link-time without causing an unreasonable
655 maintenance burden, while minimizing confusion. Again, this boils down
656 to C++ code as follows:</para>
658 <programlisting>
659 namespace std
661   namespace __cxx1998
662   {
663     template&lt;typename _Tp, typename _Alloc = allocator&lt;_Tp&gt; &gt;
664       class list
665       {
666         // ...
667       };
668   } // namespace __gnu_norm
670   namespace __debug
671   {
672     template&lt;typename _Tp, typename _Alloc = allocator&lt;_Tp&gt; &gt;
673       class list
674       : public __cxx1998::list&lt;_Tp, _Alloc&gt;,
675         public __gnu_debug::_Safe_sequence&lt;list&lt;_Tp, _Alloc&gt; &gt;
676       {
677         // ...
678       };
679   } // namespace __cxx1998
681   inline namespace __debug { }
683 </programlisting>
684  </section>
686  <section xml:id="methods.coexistence.link" xreflabel="Link"><info><title>Link- and run-time coexistence of release- and
687     debug-mode components</title></info>
690 <para>Because each component has a distinct and separate release and
691 debug implementation, there is no issue with link-time
692 coexistence: the separate namespaces result in different mangled
693 names, and thus unique linkage.</para>
695 <para>However, components that are defined and used within the C++
696 standard library itself face additional constraints. For instance,
697 some of the member functions of <code> std::moneypunct</code> return
698 <code>std::basic_string</code>. Normally, this is not a problem, but
699 with a mixed mode standard library that could be using either
700 debug-mode or release-mode <code> basic_string</code> objects, things
701 get more complicated.  As the return value of a function is not
702 encoded into the mangled name, there is no way to specify a
703 release-mode or a debug-mode string. In practice, this results in
704 runtime errors. A simplified example of this problem is as follows.
705 </para>
707 <para> Take this translation unit, compiled in debug-mode: </para>
708 <programlisting>
709 // -D_GLIBCXX_DEBUG
710 #include &lt;string&gt;
712 std::string test02();
714 std::string test01()
716   return test02();
719 int main()
721   test01();
722   return 0;
724 </programlisting>
726 <para> ... and linked to this translation unit, compiled in release mode:</para>
728 <programlisting>
729 #include &lt;string&gt;
731 std::string
732 test02()
734   return std::string("toast");
736 </programlisting>
738 <para> For this reason we cannot easily provide safe iterators for
739   the <code>std::basic_string</code> class template, as it is present
740   throughout the C++ standard library. For instance, locale facets
741   define typedefs that include <code>basic_string</code>: in a mixed
742   debug/release program, should that typedef be based on the
743   debug-mode <code>basic_string</code> or the
744   release-mode <code>basic_string</code>? While the answer could be
745   "both", and the difference hidden via renaming a la the
746   debug/release containers, we must note two things about locale
747   facets:</para>
749 <orderedlist inheritnum="ignore" continuation="restarts">
750   <listitem><para>They exist as shared state: one can create a facet in one
751   translation unit and access the facet via the same type name in a
752   different translation unit. This means that we cannot have two
753   different versions of locale facets, because the types would not be
754   the same across debug/release-mode translation unit barriers.</para></listitem>
756   <listitem><para>They have virtual functions returning strings: these functions
757   mangle in the same way regardless of the mangling of their return
758   types (see above), and their precise signatures can be relied upon
759   by users because they may be overridden in derived classes.</para></listitem>
760 </orderedlist>
762 <para>With the design of libstdc++ debug mode, we cannot effectively hide
763   the differences between debug and release-mode strings from the
764   user. Failure to hide the differences may result in unpredictable
765   behavior, and for this reason we have opted to only
766   perform <code>basic_string</code> changes that do not require ABI
767   changes. The effect on users is expected to be minimal, as there are
768   simple alternatives (e.g., <code>__gnu_debug::basic_string</code>),
769   and the usability benefit we gain from the ability to mix debug- and
770   release-compiled translation units is enormous.</para>
771  </section>
773  <section xml:id="methods.coexistence.alt" xreflabel="Alternatives"><info><title>Alternatives for Coexistence</title></info>
776 <para>The coexistence scheme above was chosen over many alternatives,
777   including language-only solutions and solutions that also required
778   extensions to the C++ front end. The following is a partial list of
779   solutions, with justifications for our rejection of each.</para>
781 <itemizedlist>
782   <listitem><para><emphasis>Completely separate debug/release libraries</emphasis>: This is by
783   far the simplest implementation option, where we do not allow any
784   coexistence of debug- and release-compiled translation units in a
785   program. This solution has an extreme negative affect on usability,
786   because it is quite likely that some libraries an application
787   depends on cannot be recompiled easily. This would not meet
788   our <emphasis>usability</emphasis> or <emphasis>minimize recompilation</emphasis> criteria
789   well.</para></listitem>
791   <listitem><para><emphasis>Add a <code>Debug</code> boolean template parameter</emphasis>:
792   Partial specialization could be used to select the debug
793   implementation when <code>Debug == true</code>, and the state
794   of <code>_GLIBCXX_DEBUG</code> could decide whether the
795   default <code>Debug</code> argument is <code>true</code>
796   or <code>false</code>. This option would break conformance with the
797   C++ standard in both debug <emphasis>and</emphasis> release modes. This would
798   not meet our <emphasis>correctness</emphasis> criteria. </para></listitem>
800   <listitem><para><emphasis>Packaging a debug flag in the allocators</emphasis>: We could
801     reuse the <code>Allocator</code> template parameter of containers
802     by adding a sentinel wrapper <code>debug&lt;&gt;</code> that
803     signals the user's intention to use debugging, and pick up
804     the <code>debug&lt;&gt;</code> allocator wrapper in a partial
805     specialization. However, this has two drawbacks: first, there is a
806     conformance issue because the default allocator would not be the
807     standard-specified <code>std::allocator&lt;T&gt;</code>. Secondly
808     (and more importantly), users that specify allocators instead of
809     implicitly using the default allocator would not get debugging
810     containers. Thus this solution fails the <emphasis>correctness</emphasis>
811     criteria.</para></listitem>
813   <listitem><para><emphasis>Define debug containers in another namespace, and employ
814       a <code>using</code> declaration (or directive)</emphasis>: This is an
815       enticing option, because it would eliminate the need for
816       the <code>link_name</code> extension by aliasing the
817       templates. However, there is no true template aliasing mechanism
818       in C++, because both <code>using</code> directives and using
819       declarations disallow specialization. This method fails
820       the <emphasis>correctness</emphasis> criteria.</para></listitem>
822   <listitem><para><emphasis> Use implementation-specific properties of anonymous
823     namespaces. </emphasis>
824     See <link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="http://gcc.gnu.org/ml/libstdc++/2003-08/msg00004.html">this post</link>.
825     This method fails the <emphasis>correctness</emphasis> criteria.</para></listitem>
827   <listitem><para><emphasis>Extension: allow reopening on namespaces</emphasis>: This would
828     allow the debug mode to effectively alias the
829     namespace <code>std</code> to an internal namespace, such
830     as <code>__gnu_std_debug</code>, so that it is completely
831     separate from the release-mode <code>std</code> namespace. While
832     this will solve some renaming problems and ensure that
833     debug- and release-compiled code cannot be mixed unsafely, it ensures that
834     debug- and release-compiled code cannot be mixed at all. For
835     instance, the program would have two <code>std::cout</code>
836     objects! This solution would fails the <emphasis>minimize
837     recompilation</emphasis> requirement, because we would only be able to
838     support option (1) or (2).</para></listitem>
840   <listitem><para><emphasis>Extension: use link name</emphasis>: This option
841     involves complicated re-naming between debug-mode and release-mode
842     components at compile time, and then a g++ extension called <emphasis>
843     link name </emphasis> to recover the original names at link time. There
844     are two drawbacks to this approach. One, it's very verbose,
845     relying on macro renaming at compile time and several levels of
846     include ordering. Two, ODR issues remained with container member
847     functions taking no arguments in mixed-mode settings resulting in
848     equivalent link names, <code> vector::push_back() </code> being
849     one example.
850     See <link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="http://gcc.gnu.org/ml/libstdc++/2003-08/msg00177.html">proof-of-concept using link
851     name</link>. </para></listitem>
852 </itemizedlist>
854 <para>Other options may exist for implementing the debug mode, many of
855   which have probably been considered and others that may still be
856   lurking. This list may be expanded over time to include other
857   options that we could have implemented, but in all cases the full
858   ramifications of the approach (as measured against the design goals
859   for a libstdc++ debug mode) should be considered first. The DejaGNU
860   testsuite includes some testcases that check for known problems with
861   some solutions (e.g., the <code>using</code> declaration solution
862   that breaks user specialization), and additional testcases will be
863   added as we are able to identify other typical problem cases. These
864   test cases will serve as a benchmark by which we can compare debug
865   mode implementations.</para>
866  </section>
867   </section>
868   </section>
870   <section xml:id="debug_mode.design.other" xreflabel="Other"><info><title>Other Implementations</title></info>
872     <para>
873     </para>
874 <para> There are several existing implementations of debug modes for C++
875   standard library implementations, although none of them directly
876   supports debugging for programs using libstdc++. The existing
877   implementations include:</para>
878 <itemizedlist>
879   <listitem><para><link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="http://www.cs.sjsu.edu/faculty/horstman/safestl.html">SafeSTL</link>:
880   SafeSTL was the original debugging version of the Standard Template
881   Library (STL), implemented by Cay S. Horstmann on top of the
882   Hewlett-Packard STL. Though it inspired much work in this area, it
883   has not been kept up-to-date for use with modern compilers or C++
884   standard library implementations.</para></listitem>
886   <listitem><para><link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="http://www.stlport.org/">STLport</link>: STLport is a free
887   implementation of the C++ standard library derived from the <link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="https://web.archive.org/web/20171225062613/http://www.sgi.com/tech/stl/">SGI implementation</link>, and
888   ported to many other platforms. It includes a debug mode that uses a
889   wrapper model (that in some ways inspired the libstdc++ debug mode
890   design), although at the time of this writing the debug mode is
891   somewhat incomplete and meets only the "Full user recompilation" (2)
892   recompilation guarantee by requiring the user to link against a
893   different library in debug mode vs. release mode.</para></listitem>
895   <listitem><para>Metrowerks CodeWarrior: The C++ standard library
896   that ships with Metrowerks CodeWarrior includes a debug mode. It is
897   a full debug-mode implementation (including debugging for
898   CodeWarrior extensions) and is easy to use, although it meets only
899   the "Full recompilation" (1) recompilation
900   guarantee.</para></listitem>
901 </itemizedlist>
903   </section>
904 </section>
906 </chapter>