[Alignment][NFC] Convert LoadInst to MaybeAlign
[llvm-complete.git] / docs / Statepoints.rst
blob3832a43b287ef98eea1ac29aa5aace60517f8b77
1 =====================================
2 Garbage Collection Safepoints in LLVM
3 =====================================
5 .. contents::
6    :local:
7    :depth: 2
9 Status
10 =======
12 This document describes a set of extensions to LLVM to support garbage
13 collection.  By now, these mechanisms are well proven with commercial java 
14 implementation with a fully relocating collector having shipped using them.  
15 There are a couple places where bugs might still linger; these are called out
16 below.
18 They are still listed as "experimental" to indicate that no forward or backward
19 compatibility guarantees are offered across versions.  If your use case is such 
20 that you need some form of forward compatibility guarantee, please raise the 
21 issue on the llvm-dev mailing list.  
23 LLVM still supports an alternate mechanism for conservative garbage collection 
24 support using the ``gcroot`` intrinsic.  The ``gcroot`` mechanism is mostly of
25 historical interest at this point with one exception - its implementation of
26 shadow stacks has been used successfully by a number of language frontends and
27 is still supported.  
29 Overview & Core Concepts
30 ========================
32 To collect dead objects, garbage collectors must be able to identify
33 any references to objects contained within executing code, and,
34 depending on the collector, potentially update them.  The collector
35 does not need this information at all points in code - that would make
36 the problem much harder - but only at well-defined points in the
37 execution known as 'safepoints' For most collectors, it is sufficient
38 to track at least one copy of each unique pointer value.  However, for
39 a collector which wishes to relocate objects directly reachable from
40 running code, a higher standard is required.
42 One additional challenge is that the compiler may compute intermediate
43 results ("derived pointers") which point outside of the allocation or
44 even into the middle of another allocation.  The eventual use of this
45 intermediate value must yield an address within the bounds of the
46 allocation, but such "exterior derived pointers" may be visible to the
47 collector.  Given this, a garbage collector can not safely rely on the
48 runtime value of an address to indicate the object it is associated
49 with.  If the garbage collector wishes to move any object, the
50 compiler must provide a mapping, for each pointer, to an indication of
51 its allocation.
53 To simplify the interaction between a collector and the compiled code,
54 most garbage collectors are organized in terms of three abstractions:
55 load barriers, store barriers, and safepoints.
57 #. A load barrier is a bit of code executed immediately after the
58    machine load instruction, but before any use of the value loaded.
59    Depending on the collector, such a barrier may be needed for all
60    loads, merely loads of a particular type (in the original source
61    language), or none at all.
63 #. Analogously, a store barrier is a code fragment that runs
64    immediately before the machine store instruction, but after the
65    computation of the value stored.  The most common use of a store
66    barrier is to update a 'card table' in a generational garbage
67    collector.
69 #. A safepoint is a location at which pointers visible to the compiled
70    code (i.e. currently in registers or on the stack) are allowed to
71    change.  After the safepoint completes, the actual pointer value
72    may differ, but the 'object' (as seen by the source language)
73    pointed to will not.
75   Note that the term 'safepoint' is somewhat overloaded.  It refers to
76   both the location at which the machine state is parsable and the
77   coordination protocol involved in bring application threads to a
78   point at which the collector can safely use that information.  The
79   term "statepoint" as used in this document refers exclusively to the
80   former.
82 This document focuses on the last item - compiler support for
83 safepoints in generated code.  We will assume that an outside
84 mechanism has decided where to place safepoints.  From our
85 perspective, all safepoints will be function calls.  To support
86 relocation of objects directly reachable from values in compiled code,
87 the collector must be able to:
89 #. identify every copy of a pointer (including copies introduced by
90    the compiler itself) at the safepoint,
91 #. identify which object each pointer relates to, and
92 #. potentially update each of those copies.
94 This document describes the mechanism by which an LLVM based compiler
95 can provide this information to a language runtime/collector, and
96 ensure that all pointers can be read and updated if desired.
98 Abstract Machine Model
99 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
101 At a high level, LLVM has been extended to support compiling to an abstract 
102 machine which extends the actual target with a non-integral pointer type 
103 suitable for representing a garbage collected reference to an object.  In 
104 particular, such non-integral pointer type have no defined mapping to an 
105 integer representation.  This semantic quirk allows the runtime to pick a 
106 integer mapping for each point in the program allowing relocations of objects 
107 without visible effects.
109 This high level abstract machine model is used for most of the optimizer.  As
110 a result, transform passes do not need to be extended to look through explicit
111 relocation sequence.  Before starting code generation, we switch
112 representations to an explicit form.  The exact location chosen for lowering
113 is an implementation detail.
115 Note that most of the value of the abstract machine model comes for collectors
116 which need to model potentially relocatable objects.  For a compiler which
117 supports only a non-relocating collector, you may wish to consider starting
118 with the fully explicit form.  
120 Warning: There is one currently known semantic hole in the definition of 
121 non-integral pointers which has not been addressed upstream.  To work around
122 this, you need to disable speculation of loads unless the memory type 
123 (non-integral pointer vs anything else) is known to unchanged.  That is, it is 
124 not safe to speculate a load if doing causes a non-integral pointer value to 
125 be loaded as any other type or vice versa.  In practice, this restriction is 
126 well isolated to isSafeToSpeculate in ValueTracking.cpp.
128 Explicit Representation
129 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
131 A frontend could directly generate this low level explicit form, but 
132 doing so may inhibit optimization.  Instead, it is recommended that
133 compilers with relocating collectors target the abstract machine model just
134 described.  
136 The heart of the explicit approach is to construct (or rewrite) the IR in a 
137 manner where the possible updates performed by the garbage collector are
138 explicitly visible in the IR.  Doing so requires that we:
140 #. create a new SSA value for each potentially relocated pointer, and
141    ensure that no uses of the original (non relocated) value is
142    reachable after the safepoint,
143 #. specify the relocation in a way which is opaque to the compiler to
144    ensure that the optimizer can not introduce new uses of an
145    unrelocated value after a statepoint. This prevents the optimizer
146    from performing unsound optimizations.
147 #. recording a mapping of live pointers (and the allocation they're
148    associated with) for each statepoint.
150 At the most abstract level, inserting a safepoint can be thought of as
151 replacing a call instruction with a call to a multiple return value
152 function which both calls the original target of the call, returns
153 its result, and returns updated values for any live pointers to
154 garbage collected objects.
156   Note that the task of identifying all live pointers to garbage
157   collected values, transforming the IR to expose a pointer giving the
158   base object for every such live pointer, and inserting all the
159   intrinsics correctly is explicitly out of scope for this document.
160   The recommended approach is to use the :ref:`utility passes 
161   <statepoint-utilities>` described below. 
163 This abstract function call is concretely represented by a sequence of
164 intrinsic calls known collectively as a "statepoint relocation sequence".
166 Let's consider a simple call in LLVM IR:
168 .. code-block:: llvm
170   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
171          gc "statepoint-example" {
172     call void ()* @foo()
173     ret i8 addrspace(1)* %obj
174   }
176 Depending on our language we may need to allow a safepoint during the execution 
177 of ``foo``. If so, we need to let the collector update local values in the 
178 current frame.  If we don't, we'll be accessing a potential invalid reference 
179 once we eventually return from the call.
181 In this example, we need to relocate the SSA value ``%obj``.  Since we can't 
182 actually change the value in the SSA value ``%obj``, we need to introduce a new 
183 SSA value ``%obj.relocated`` which represents the potentially changed value of
184 ``%obj`` after the safepoint and update any following uses appropriately.  The 
185 resulting relocation sequence is:
187 .. code-block:: llvm
189   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
190          gc "statepoint-example" {
191     %0 = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 0, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
192     %obj.relocated = call coldcc i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %0, i32 7, i32 7)
193     ret i8 addrspace(1)* %obj.relocated
194   }
196 Ideally, this sequence would have been represented as a M argument, N
197 return value function (where M is the number of values being
198 relocated + the original call arguments and N is the original return
199 value + each relocated value), but LLVM does not easily support such a
200 representation.
202 Instead, the statepoint intrinsic marks the actual site of the
203 safepoint or statepoint.  The statepoint returns a token value (which
204 exists only at compile time).  To get back the original return value
205 of the call, we use the ``gc.result`` intrinsic.  To get the relocation
206 of each pointer in turn, we use the ``gc.relocate`` intrinsic with the
207 appropriate index.  Note that both the ``gc.relocate`` and ``gc.result`` are
208 tied to the statepoint.  The combination forms a "statepoint relocation 
209 sequence" and represents the entirety of a parseable call or 'statepoint'.
211 When lowered, this example would generate the following x86 assembly:
213 .. code-block:: gas
214   
215           .globl        test1
216           .align        16, 0x90
217           pushq %rax
218           callq foo
219   .Ltmp1:
220           movq  (%rsp), %rax  # This load is redundant (oops!)
221           popq  %rdx
222           retq
224 Each of the potentially relocated values has been spilled to the
225 stack, and a record of that location has been recorded to the
226 :ref:`Stack Map section <stackmap-section>`.  If the garbage collector
227 needs to update any of these pointers during the call, it knows
228 exactly what to change.
230 The relevant parts of the StackMap section for our example are:
232 .. code-block:: gas
233   
234   # This describes the call site
235   # Stack Maps: callsite 2882400000
236           .quad 2882400000
237           .long .Ltmp1-test1
238           .short        0
239   # .. 8 entries skipped ..
240   # This entry describes the spill slot which is directly addressable
241   # off RSP with offset 0.  Given the value was spilled with a pushq, 
242   # that makes sense.
243   # Stack Maps:   Loc 8: Direct RSP     [encoding: .byte 2, .byte 8, .short 7, .int 0]
244           .byte 2
245           .byte 8
246           .short        7
247           .long 0
249 This example was taken from the tests for the :ref:`RewriteStatepointsForGC`
250 utility pass.  As such, its full StackMap can be easily examined with the
251 following command.
253 .. code-block:: bash
255   opt -rewrite-statepoints-for-gc test/Transforms/RewriteStatepointsForGC/basics.ll -S | llc -debug-only=stackmaps
257 Simplifications for Non-Relocating GCs
258 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
260 Some of the complexity in the previous example is unnecessary for a
261 non-relocating collector.  While a non-relocating collector still needs the
262 information about which location contain live references, it doesn't need to
263 represent explicit relocations.  As such, the previously described explicit
264 lowering can be simplified to remove all of the ``gc.relocate`` intrinsic
265 calls and leave uses in terms of the original reference value.  
267 Here's the explicit lowering for the previous example for a non-relocating
268 collector:
270 .. code-block:: llvm
272   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
273          gc "statepoint-example" {
274     call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 0, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
275     ret i8 addrspace(1)* %obj
276   }
278 Recording On Stack Regions
279 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
281 In addition to the explicit relocation form previously described, the
282 statepoint infrastructure also allows the listing of allocas within the gc
283 pointer list.  Allocas can be listed with or without additional explicit gc
284 pointer values and relocations.
286 An alloca in the gc region of the statepoint operand list will cause the
287 address of the stack region to be listed in the stackmap for the statepoint.
289 This mechanism can be used to describe explicit spill slots if desired.  It
290 then becomes the generator's responsibility to ensure that values are
291 spill/filled to/from the alloca as needed on either side of the safepoint.
292 Note that there is no way to indicate a corresponding base pointer for such
293 an explicitly specified spill slot, so usage is restricted to values for
294 which the associated collector can derive the object base from the pointer
295 itself.
297 This mechanism can be used to describe on stack objects containing
298 references provided that the collector can map from the location on the
299 stack to a heap map describing the internal layout of the references the
300 collector needs to process.
302 WARNING: At the moment, this alternate form is not well exercised.  It is
303 recommended to use this with caution and expect to have to fix a few bugs.
304 In particular, the RewriteStatepointsForGC utility pass does not do
305 anything for allocas today.
306   
307 Base & Derived Pointers
308 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
310 A "base pointer" is one which points to the starting address of an allocation
311 (object).  A "derived pointer" is one which is offset from a base pointer by
312 some amount.  When relocating objects, a garbage collector needs to be able 
313 to relocate each derived pointer associated with an allocation to the same 
314 offset from the new address.
316 "Interior derived pointers" remain within the bounds of the allocation 
317 they're associated with.  As a result, the base object can be found at 
318 runtime provided the bounds of allocations are known to the runtime system.
320 "Exterior derived pointers" are outside the bounds of the associated object;
321 they may even fall within *another* allocations address range.  As a result,
322 there is no way for a garbage collector to determine which allocation they 
323 are associated with at runtime and compiler support is needed.
325 The ``gc.relocate`` intrinsic supports an explicit operand for describing the
326 allocation associated with a derived pointer.  This operand is frequently 
327 referred to as the base operand, but does not strictly speaking have to be
328 a base pointer, but it does need to lie within the bounds of the associated
329 allocation.  Some collectors may require that the operand be an actual base
330 pointer rather than merely an internal derived pointer. Note that during 
331 lowering both the base and derived pointer operands are required to be live 
332 over the associated call safepoint even if the base is otherwise unused 
333 afterwards.
335 If we extend our previous example to include a pointless derived pointer, 
336 we get:
338 .. code-block:: llvm
340   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
341          gc "statepoint-example" {
342     %gep = getelementptr i8, i8 addrspace(1)* %obj, i64 20000
343     %token = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 0, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj, i8 addrspace(1)* %gep)
344     %obj.relocated = call i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %token, i32 7, i32 7)
345     %gep.relocated = call i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %token, i32 7, i32 8)
346     %p = getelementptr i8, i8 addrspace(1)* %gep, i64 -20000
347     ret i8 addrspace(1)* %p
348   }
350 Note that in this example %p and %obj.relocate are the same address and we
351 could replace one with the other, potentially removing the derived pointer
352 from the live set at the safepoint entirely.
354 .. _gc_transition_args:
356 GC Transitions
357 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
359 As a practical consideration, many garbage-collected systems allow code that is
360 collector-aware ("managed code") to call code that is not collector-aware
361 ("unmanaged code"). It is common that such calls must also be safepoints, since
362 it is desirable to allow the collector to run during the execution of
363 unmanaged code. Furthermore, it is common that coordinating the transition from
364 managed to unmanaged code requires extra code generation at the call site to
365 inform the collector of the transition. In order to support these needs, a
366 statepoint may be marked as a GC transition, and data that is necessary to
367 perform the transition (if any) may be provided as additional arguments to the
368 statepoint.
370   Note that although in many cases statepoints may be inferred to be GC
371   transitions based on the function symbols involved (e.g. a call from a
372   function with GC strategy "foo" to a function with GC strategy "bar"),
373   indirect calls that are also GC transitions must also be supported. This
374   requirement is the driving force behind the decision to require that GC
375   transitions are explicitly marked.
377 Let's revisit the sample given above, this time treating the call to ``@foo``
378 as a GC transition. Depending on our target, the transition code may need to
379 access some extra state in order to inform the collector of the transition.
380 Let's assume a hypothetical GC--somewhat unimaginatively named "hypothetical-gc"
381 --that requires that a TLS variable must be written to before and after a call
382 to unmanaged code. The resulting relocation sequence is:
384 .. code-block:: llvm
386   @flag = thread_local global i32 0, align 4
388   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1) *%obj)
389          gc "hypothetical-gc" {
391     %0 = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 0, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 1, i32* @Flag, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
392     %obj.relocated = call coldcc i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %0, i32 7, i32 7)
393     ret i8 addrspace(1)* %obj.relocated
394   }
396 During lowering, this will result in a instruction selection DAG that looks
397 something like:
401   CALLSEQ_START
402   ...
403   GC_TRANSITION_START (lowered i32 *@Flag), SRCVALUE i32* Flag
404   STATEPOINT
405   GC_TRANSITION_END (lowered i32 *@Flag), SRCVALUE i32 *Flag
406   ...
407   CALLSEQ_END
409 In order to generate the necessary transition code, the backend for each target
410 supported by "hypothetical-gc" must be modified to lower ``GC_TRANSITION_START``
411 and ``GC_TRANSITION_END`` nodes appropriately when the "hypothetical-gc"
412 strategy is in use for a particular function. Assuming that such lowering has
413 been added for X86, the generated assembly would be:
415 .. code-block:: gas
417           .globl        test1
418           .align        16, 0x90
419           pushq %rax
420           movl $1, %fs:Flag@TPOFF
421           callq foo
422           movl $0, %fs:Flag@TPOFF
423   .Ltmp1:
424           movq  (%rsp), %rax  # This load is redundant (oops!)
425           popq  %rdx
426           retq
428 Note that the design as presented above is not fully implemented: in particular,
429 strategy-specific lowering is not present, and all GC transitions are emitted as
430 as single no-op before and after the call instruction. These no-ops are often
431 removed by the backend during dead machine instruction elimination.
434 Intrinsics
435 ===========
437 'llvm.experimental.gc.statepoint' Intrinsic
438 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
440 Syntax:
441 """""""
445       declare token
446         @llvm.experimental.gc.statepoint(i64 <id>, i32 <num patch bytes>,
447                        func_type <target>, 
448                        i64 <#call args>, i64 <flags>,
449                        ... (call parameters),
450                        i64 <# transition args>, ... (transition parameters),
451                        i64 <# deopt args>, ... (deopt parameters),
452                        ... (gc parameters))
454 Overview:
455 """""""""
457 The statepoint intrinsic represents a call which is parse-able by the
458 runtime.
460 Operands:
461 """""""""
463 The 'id' operand is a constant integer that is reported as the ID
464 field in the generated stackmap.  LLVM does not interpret this
465 parameter in any way and its meaning is up to the statepoint user to
466 decide.  Note that LLVM is free to duplicate code containing
467 statepoint calls, and this may transform IR that had a unique 'id' per
468 lexical call to statepoint to IR that does not.
470 If 'num patch bytes' is non-zero then the call instruction
471 corresponding to the statepoint is not emitted and LLVM emits 'num
472 patch bytes' bytes of nops in its place.  LLVM will emit code to
473 prepare the function arguments and retrieve the function return value
474 in accordance to the calling convention; the former before the nop
475 sequence and the latter after the nop sequence.  It is expected that
476 the user will patch over the 'num patch bytes' bytes of nops with a
477 calling sequence specific to their runtime before executing the
478 generated machine code.  There are no guarantees with respect to the
479 alignment of the nop sequence.  Unlike :doc:`StackMaps` statepoints do
480 not have a concept of shadow bytes.  Note that semantically the
481 statepoint still represents a call or invoke to 'target', and the nop
482 sequence after patching is expected to represent an operation
483 equivalent to a call or invoke to 'target'.
485 The 'target' operand is the function actually being called.  The
486 target can be specified as either a symbolic LLVM function, or as an
487 arbitrary Value of appropriate function type.  Note that the function
488 type must match the signature of the callee and the types of the 'call
489 parameters' arguments.
491 The '#call args' operand is the number of arguments to the actual
492 call.  It must exactly match the number of arguments passed in the
493 'call parameters' variable length section.
495 The 'flags' operand is used to specify extra information about the
496 statepoint. This is currently only used to mark certain statepoints
497 as GC transitions. This operand is a 64-bit integer with the following
498 layout, where bit 0 is the least significant bit:
500   +-------+---------------------------------------------------+
501   | Bit # | Usage                                             |
502   +=======+===================================================+
503   |     0 | Set if the statepoint is a GC transition, cleared |
504   |       | otherwise.                                        |
505   +-------+---------------------------------------------------+
506   |  1-63 | Reserved for future use; must be cleared.         |
507   +-------+---------------------------------------------------+
509 The 'call parameters' arguments are simply the arguments which need to
510 be passed to the call target.  They will be lowered according to the
511 specified calling convention and otherwise handled like a normal call
512 instruction.  The number of arguments must exactly match what is
513 specified in '# call args'.  The types must match the signature of
514 'target'.
516 The 'transition parameters' arguments contain an arbitrary list of
517 Values which need to be passed to GC transition code. They will be
518 lowered and passed as operands to the appropriate GC_TRANSITION nodes
519 in the selection DAG. It is assumed that these arguments must be
520 available before and after (but not necessarily during) the execution
521 of the callee. The '# transition args' field indicates how many operands
522 are to be interpreted as 'transition parameters'.
524 The 'deopt parameters' arguments contain an arbitrary list of Values
525 which is meaningful to the runtime.  The runtime may read any of these
526 values, but is assumed not to modify them.  If the garbage collector
527 might need to modify one of these values, it must also be listed in
528 the 'gc pointer' argument list.  The '# deopt args' field indicates
529 how many operands are to be interpreted as 'deopt parameters'.
531 The 'gc parameters' arguments contain every pointer to a garbage
532 collector object which potentially needs to be updated by the garbage
533 collector.  Note that the argument list must explicitly contain a base
534 pointer for every derived pointer listed.  The order of arguments is
535 unimportant.  Unlike the other variable length parameter sets, this
536 list is not length prefixed.
538 Semantics:
539 """"""""""
541 A statepoint is assumed to read and write all memory.  As a result,
542 memory operations can not be reordered past a statepoint.  It is
543 illegal to mark a statepoint as being either 'readonly' or 'readnone'.
545 Note that legal IR can not perform any memory operation on a 'gc
546 pointer' argument of the statepoint in a location statically reachable
547 from the statepoint.  Instead, the explicitly relocated value (from a
548 ``gc.relocate``) must be used.
550 'llvm.experimental.gc.result' Intrinsic
551 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
553 Syntax:
554 """""""
558       declare type*
559         @llvm.experimental.gc.result(token %statepoint_token)
561 Overview:
562 """""""""
564 ``gc.result`` extracts the result of the original call instruction
565 which was replaced by the ``gc.statepoint``.  The ``gc.result``
566 intrinsic is actually a family of three intrinsics due to an
567 implementation limitation.  Other than the type of the return value,
568 the semantics are the same.
570 Operands:
571 """""""""
573 The first and only argument is the ``gc.statepoint`` which starts
574 the safepoint sequence of which this ``gc.result`` is a part.
575 Despite the typing of this as a generic token, *only* the value defined 
576 by a ``gc.statepoint`` is legal here.
578 Semantics:
579 """"""""""
581 The ``gc.result`` represents the return value of the call target of
582 the ``statepoint``.  The type of the ``gc.result`` must exactly match
583 the type of the target.  If the call target returns void, there will
584 be no ``gc.result``.
586 A ``gc.result`` is modeled as a 'readnone' pure function.  It has no
587 side effects since it is just a projection of the return value of the
588 previous call represented by the ``gc.statepoint``.
590 'llvm.experimental.gc.relocate' Intrinsic
591 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
593 Syntax:
594 """""""
598       declare <pointer type>
599         @llvm.experimental.gc.relocate(token %statepoint_token, 
600                                        i32 %base_offset, 
601                                        i32 %pointer_offset)
603 Overview:
604 """""""""
606 A ``gc.relocate`` returns the potentially relocated value of a pointer
607 at the safepoint.
609 Operands:
610 """""""""
612 The first argument is the ``gc.statepoint`` which starts the
613 safepoint sequence of which this ``gc.relocation`` is a part.
614 Despite the typing of this as a generic token, *only* the value defined 
615 by a ``gc.statepoint`` is legal here.
617 The second argument is an index into the statepoints list of arguments
618 which specifies the allocation for the pointer being relocated.
619 This index must land within the 'gc parameter' section of the
620 statepoint's argument list.  The associated value must be within the
621 object with which the pointer being relocated is associated. The optimizer
622 is free to change *which* interior derived pointer is reported, provided that
623 it does not replace an actual base pointer with another interior derived 
624 pointer.  Collectors are allowed to rely on the base pointer operand 
625 remaining an actual base pointer if so constructed.
627 The third argument is an index into the statepoint's list of arguments
628 which specify the (potentially) derived pointer being relocated.  It
629 is legal for this index to be the same as the second argument
630 if-and-only-if a base pointer is being relocated. This index must land
631 within the 'gc parameter' section of the statepoint's argument list.
633 Semantics:
634 """"""""""
636 The return value of ``gc.relocate`` is the potentially relocated value
637 of the pointer specified by its arguments.  It is unspecified how the
638 value of the returned pointer relates to the argument to the
639 ``gc.statepoint`` other than that a) it points to the same source
640 language object with the same offset, and b) the 'based-on'
641 relationship of the newly relocated pointers is a projection of the
642 unrelocated pointers.  In particular, the integer value of the pointer
643 returned is unspecified.
645 A ``gc.relocate`` is modeled as a ``readnone`` pure function.  It has no
646 side effects since it is just a way to extract information about work
647 done during the actual call modeled by the ``gc.statepoint``.
649 .. _statepoint-stackmap-format:
651 Stack Map Format
652 ================
654 Locations for each pointer value which may need read and/or updated by
655 the runtime or collector are provided in a separate section of the
656 generated object file as specified in the PatchPoint documentation.
657 This special section is encoded per the
658 :ref:`Stack Map format <stackmap-format>`.
660 The general expectation is that a JIT compiler will parse and discard this
661 format; it is not particularly memory efficient.  If you need an alternate
662 format (e.g. for an ahead of time compiler), see discussion under
663 :ref: `open work items <OpenWork>` below.
665 Each statepoint generates the following Locations:
667 * Constant which describes the calling convention of the call target. This
668   constant is a valid :ref:`calling convention identifier <callingconv>` for
669   the version of LLVM used to generate the stackmap. No additional compatibility
670   guarantees are made for this constant over what LLVM provides elsewhere w.r.t.
671   these identifiers.
672 * Constant which describes the flags passed to the statepoint intrinsic
673 * Constant which describes number of following deopt *Locations* (not
674   operands)
675 * Variable number of Locations, one for each deopt parameter listed in
676   the IR statepoint (same number as described by previous Constant).  At 
677   the moment, only deopt parameters with a bitwidth of 64 bits or less 
678   are supported.  Values of a type larger than 64 bits can be specified 
679   and reported only if a) the value is constant at the call site, and b) 
680   the constant can be represented with less than 64 bits (assuming zero 
681   extension to the original bitwidth).
682 * Variable number of relocation records, each of which consists of 
683   exactly two Locations.  Relocation records are described in detail
684   below.
686 Each relocation record provides sufficient information for a collector to 
687 relocate one or more derived pointers.  Each record consists of a pair of 
688 Locations.  The second element in the record represents the pointer (or 
689 pointers) which need updated.  The first element in the record provides a 
690 pointer to the base of the object with which the pointer(s) being relocated is
691 associated.  This information is required for handling generalized derived 
692 pointers since a pointer may be outside the bounds of the original allocation,
693 but still needs to be relocated with the allocation.  Additionally:
695 * It is guaranteed that the base pointer must also appear explicitly as a 
696   relocation pair if used after the statepoint. 
697 * There may be fewer relocation records then gc parameters in the IR
698   statepoint. Each *unique* pair will occur at least once; duplicates
699   are possible.  
700 * The Locations within each record may either be of pointer size or a 
701   multiple of pointer size.  In the later case, the record must be 
702   interpreted as describing a sequence of pointers and their corresponding 
703   base pointers. If the Location is of size N x sizeof(pointer), then
704   there will be N records of one pointer each contained within the Location.
705   Both Locations in a pair can be assumed to be of the same size.
707 Note that the Locations used in each section may describe the same
708 physical location.  e.g. A stack slot may appear as a deopt location,
709 a gc base pointer, and a gc derived pointer.
711 The LiveOut section of the StkMapRecord will be empty for a statepoint
712 record.
714 Safepoint Semantics & Verification
715 ==================================
717 The fundamental correctness property for the compiled code's
718 correctness w.r.t. the garbage collector is a dynamic one.  It must be
719 the case that there is no dynamic trace such that a operation
720 involving a potentially relocated pointer is observably-after a
721 safepoint which could relocate it.  'observably-after' is this usage
722 means that an outside observer could observe this sequence of events
723 in a way which precludes the operation being performed before the
724 safepoint.
726 To understand why this 'observable-after' property is required,
727 consider a null comparison performed on the original copy of a
728 relocated pointer.  Assuming that control flow follows the safepoint,
729 there is no way to observe externally whether the null comparison is
730 performed before or after the safepoint.  (Remember, the original
731 Value is unmodified by the safepoint.)  The compiler is free to make
732 either scheduling choice.
734 The actual correctness property implemented is slightly stronger than
735 this.  We require that there be no *static path* on which a
736 potentially relocated pointer is 'observably-after' it may have been
737 relocated.  This is slightly stronger than is strictly necessary (and
738 thus may disallow some otherwise valid programs), but greatly
739 simplifies reasoning about correctness of the compiled code.
741 By construction, this property will be upheld by the optimizer if
742 correctly established in the source IR.  This is a key invariant of
743 the design.
745 The existing IR Verifier pass has been extended to check most of the
746 local restrictions on the intrinsics mentioned in their respective
747 documentation.  The current implementation in LLVM does not check the
748 key relocation invariant, but this is ongoing work on developing such
749 a verifier.  Please ask on llvm-dev if you're interested in
750 experimenting with the current version.
752 .. _statepoint-utilities:
754 Utility Passes for Safepoint Insertion
755 ======================================
757 .. _RewriteStatepointsForGC:
759 RewriteStatepointsForGC
760 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
762 The pass RewriteStatepointsForGC transforms a function's IR to lower from the
763 abstract machine model described above to the explicit statepoint model of 
764 relocations.  To do this, it replaces all calls or invokes of functions which
765 might contain a safepoint poll with a ``gc.statepoint`` and associated full
766 relocation sequence, including all required ``gc.relocates``.  
768 Note that by default, this pass only runs for the "statepoint-example" or 
769 "core-clr" gc strategies.  You will need to add your custom strategy to this 
770 whitelist or use one of the predefined ones. 
772 As an example, given this code:
774 .. code-block:: llvm
776   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
777          gc "statepoint-example" {
778     call void @foo()
779     ret i8 addrspace(1)* %obj
780   }
782 The pass would produce this IR:
784 .. code-block:: llvm
786   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
787          gc "statepoint-example" {
788     %0 = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 2882400000, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 5, i32 0, i32 -1, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
789     %obj.relocated = call coldcc i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %0, i32 12, i32 12)
790     ret i8 addrspace(1)* %obj.relocated
791   }
793 In the above examples, the addrspace(1) marker on the pointers is the mechanism
794 that the ``statepoint-example`` GC strategy uses to distinguish references from
795 non references.  The pass assumes that all addrspace(1) pointers are non-integral
796 pointer types.  Address space 1 is not globally reserved for this purpose.
798 This pass can be used an utility function by a language frontend that doesn't 
799 want to manually reason about liveness, base pointers, or relocation when 
800 constructing IR.  As currently implemented, RewriteStatepointsForGC must be 
801 run after SSA construction (i.e. mem2ref).
803 RewriteStatepointsForGC will ensure that appropriate base pointers are listed
804 for every relocation created.  It will do so by duplicating code as needed to
805 propagate the base pointer associated with each pointer being relocated to
806 the appropriate safepoints.  The implementation assumes that the following 
807 IR constructs produce base pointers: loads from the heap, addresses of global 
808 variables, function arguments, function return values. Constant pointers (such
809 as null) are also assumed to be base pointers.  In practice, this constraint
810 can be relaxed to producing interior derived pointers provided the target 
811 collector can find the associated allocation from an arbitrary interior 
812 derived pointer.
814 By default RewriteStatepointsForGC passes in ``0xABCDEF00`` as the statepoint
815 ID and ``0`` as the number of patchable bytes to the newly constructed
816 ``gc.statepoint``.  These values can be configured on a per-callsite
817 basis using the attributes ``"statepoint-id"`` and
818 ``"statepoint-num-patch-bytes"``.  If a call site is marked with a
819 ``"statepoint-id"`` function attribute and its value is a positive
820 integer (represented as a string), then that value is used as the ID
821 of the newly constructed ``gc.statepoint``.  If a call site is marked
822 with a ``"statepoint-num-patch-bytes"`` function attribute and its
823 value is a positive integer, then that value is used as the 'num patch
824 bytes' parameter of the newly constructed ``gc.statepoint``.  The
825 ``"statepoint-id"`` and ``"statepoint-num-patch-bytes"`` attributes
826 are not propagated to the ``gc.statepoint`` call or invoke if they
827 could be successfully parsed.
829 In practice, RewriteStatepointsForGC should be run much later in the pass 
830 pipeline, after most optimization is already done.  This helps to improve 
831 the quality of the generated code when compiled with garbage collection support.
833 .. _PlaceSafepoints:
835 PlaceSafepoints
836 ^^^^^^^^^^^^^^^^
838 The pass PlaceSafepoints inserts safepoint polls sufficient to ensure running 
839 code checks for a safepoint request on a timely manner. This pass is expected 
840 to be run before RewriteStatepointsForGC and thus does not produce full 
841 relocation sequences.  
843 As an example, given input IR of the following:
845 .. code-block:: llvm
847   define void @test() gc "statepoint-example" {
848     call void @foo()
849     ret void
850   }
852   declare void @do_safepoint()
853   define void @gc.safepoint_poll() {
854     call void @do_safepoint()
855     ret void
856   }
859 This pass would produce the following IR:
861 .. code-block:: llvm
863   define void @test() gc "statepoint-example" {
864     call void @do_safepoint()
865     call void @foo()
866     ret void
867   }
869 In this case, we've added an (unconditional) entry safepoint poll.  Note that 
870 despite appearances, the entry poll is not necessarily redundant.  We'd have to 
871 know that ``foo`` and ``test`` were not mutually recursive for the poll to be 
872 redundant.  In practice, you'd probably want to your poll definition to contain 
873 a conditional branch of some form.
875 At the moment, PlaceSafepoints can insert safepoint polls at method entry and 
876 loop backedges locations.  Extending this to work with return polls would be 
877 straight forward if desired.
879 PlaceSafepoints includes a number of optimizations to avoid placing safepoint 
880 polls at particular sites unless needed to ensure timely execution of a poll 
881 under normal conditions.  PlaceSafepoints does not attempt to ensure timely 
882 execution of a poll under worst case conditions such as heavy system paging.
884 The implementation of a safepoint poll action is specified by looking up a 
885 function of the name ``gc.safepoint_poll`` in the containing Module.  The body
886 of this function is inserted at each poll site desired.  While calls or invokes
887 inside this method are transformed to a ``gc.statepoints``, recursive poll 
888 insertion is not performed.
890 This pass is useful for any language frontend which only has to support
891 garbage collection semantics at safepoints.  If you need other abstract
892 frame information at safepoints (e.g. for deoptimization or introspection),
893 you can insert safepoint polls in the frontend.  If you have the later case,
894 please ask on llvm-dev for suggestions.  There's been a good amount of work
895 done on making such a scheme work well in practice which is not yet documented
896 here.  
899 Supported Architectures
900 =======================
902 Support for statepoint generation requires some code for each backend.
903 Today, only X86_64 is supported.
905 .. _OpenWork:
907 Limitations and Half Baked Ideas
908 ================================
910 Mixing References and Raw Pointers
911 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
913 Support for languages which allow unmanaged pointers to garbage collected
914 objects (i.e. pass a pointer to an object to a C routine) in the abstract
915 machine model.  At the moment, the best idea on how to approach this
916 involves an intrinsic or opaque function which hides the connection between
917 the reference value and the raw pointer.  The problem is that having a
918 ptrtoint or inttoptr cast (which is common for such use cases) breaks the
919 rules used for inferring base pointers for arbitrary references when
920 lowering out of the abstract model to the explicit physical model.  Note
921 that a frontend which lowers directly to the physical model doesn't have
922 any problems here.
924 Objects on the Stack
925 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
927 As noted above, the explicit lowering supports objects allocated on the
928 stack provided the collector can find a heap map given the stack address.
930 The missing pieces are a) integration with rewriting (RS4GC) from the
931 abstract machine model and b) support for optionally decomposing on stack
932 objects so as not to require heap maps for them.  The later is required
933 for ease of integration with some collectors.  
935 Lowering Quality and Representation Overhead
936 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
938 The current statepoint lowering is known to be somewhat poor.  In the very
939 long term, we'd like to integrate statepoints with the register allocator;
940 in the near term this is unlikely to happen.  We've found the quality of
941 lowering to be relatively unimportant as hot-statepoints are almost always
942 inliner bugs.
944 Concerns have been raised that the statepoint representation results in a
945 large amount of IR being produced for some examples and that this
946 contributes to higher than expected memory usage and compile times.  There's
947 no immediate plans to make changes due to this, but alternate models may be
948 explored in the future.
950 Relocations Along Exceptional Edges
951 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
953 Relocations along exceptional paths are currently broken in ToT.  In
954 particular, there is current no way to represent a rethrow on a path which
955 also has relocations.  See `this llvm-dev discussion
956 <https://groups.google.com/forum/#!topic/llvm-dev/AE417XjgxvI>`_ for more
957 detail.
959 Support for alternate stackmap formats
960 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
962 For some use cases, it is
963 desirable to directly encode a final memory efficient stackmap format for
964 use by the runtime.  This is particularly relevant for ahead of time
965 compilers which wish to directly link object files without the need for
966 post processing of each individual object file.  While not implemented
967 today for statepoints, there is precedent for a GCStrategy to be able to
968 select a customer GCMetataPrinter for this purpose.  Patches to enable
969 this functionality upstream are welcome.   
971 Bugs and Enhancements
972 =====================
974 Currently known bugs and enhancements under consideration can be
975 tracked by performing a `bugzilla search
976 <https://bugs.llvm.org/buglist.cgi?cmdtype=runnamed&namedcmd=Statepoint%20Bugs&list_id=64342>`_
977 for [Statepoint] in the summary field. When filing new bugs, please
978 use this tag so that interested parties see the newly filed bug.  As
979 with most LLVM features, design discussions take place on `llvm-dev
980 <http://lists.llvm.org/mailman/listinfo/llvm-dev>`_, and patches
981 should be sent to `llvm-commits
982 <http://lists.llvm.org/mailman/listinfo/llvm-commits>`_ for review.