docs/Extensions.rst

   1 ===============
   2 LLVM Extensions
   3 ===============
   4
   5 .. contents::
   6    :local:
   7
   8 .. toctree::
   9    :hidden:
  10
  11 Introduction
  12 ============
  13
  14 This document describes extensions to tools and formats LLVM seeks compatibility
  15 with.
  16
  17 General Assembly Syntax
  18 ===========================
  19
  20 C99-style Hexadecimal Floating-point Constants
  21 ----------------------------------------------
  22
  23 LLVM's assemblers allow floating-point constants to be written in C99's
  24 hexadecimal format instead of decimal if desired.
  25
  26 .. code-block:: gas
  27
  28   .section .data
  29   .float 0x1c2.2ap3
  30
  31 Machine-specific Assembly Syntax
  32 ================================
  33
  34 X86/COFF-Dependent
  35 ------------------
  36
  37 Relocations
  38 ^^^^^^^^^^^
  39
  40 The following additional relocation types are supported:
  41
  42 **@IMGREL** (AT&T syntax only) generates an image-relative relocation that
  43 corresponds to the COFF relocation types ``IMAGE_REL_I386_DIR32NB`` (32-bit) or
  44 ``IMAGE_REL_AMD64_ADDR32NB`` (64-bit).
  45
  46 .. code-block:: text
  47
  48   .text
  49   fun:
  50     mov foo@IMGREL(%ebx, %ecx, 4), %eax
  51
  52   .section .pdata
  53     .long fun@IMGREL
  54     .long (fun@imgrel + 0x3F)
  55     .long $unwind$fun@imgrel
  56
  57 **.secrel32** generates a relocation that corresponds to the COFF relocation
  58 types ``IMAGE_REL_I386_SECREL`` (32-bit) or ``IMAGE_REL_AMD64_SECREL`` (64-bit).
  59
  60 **.secidx** relocation generates an index of the section that contains
  61 the target.  It corresponds to the COFF relocation types
  62 ``IMAGE_REL_I386_SECTION`` (32-bit) or ``IMAGE_REL_AMD64_SECTION`` (64-bit).
  63
  64 .. code-block:: none
  65
  66   .section .debug$S,"rn"
  67     .long 4
  68     .long 242
  69     .long 40
  70     .secrel32 _function_name + 0
  71     .secidx   _function_name
  72     ...
  73
  74 ``.linkonce`` Directive
  75 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
  76
  77 Syntax:
  78
  79    ``.linkonce [ comdat type ]``
  80
  81 Supported COMDAT types:
  82
  83 ``discard``
  84    Discards duplicate sections with the same COMDAT symbol. This is the default
  85    if no type is specified.
  86
  87 ``one_only``
  88    If the symbol is defined multiple times, the linker issues an error.
  89
  90 ``same_size``
  91    Duplicates are discarded, but the linker issues an error if any have
  92    different sizes.
  93
  94 ``same_contents``
  95    Duplicates are discarded, but the linker issues an error if any duplicates
  96    do not have exactly the same content.
  97
  98 ``largest``
  99    Links the largest section from among the duplicates.
 100
 101 ``newest``
 102    Links the newest section from among the duplicates.
 103
 104
 105 .. code-block:: gas
 106
 107   .section .text$foo
 108   .linkonce
 109     ...
 110
 111 ``.section`` Directive
 112 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 113
 114 MC supports passing the information in ``.linkonce`` at the end of
 115 ``.section``. For example,  these two codes are equivalent
 116
 117 .. code-block:: gas
 118
 119   .section secName, "dr", discard, "Symbol1"
 120   .globl Symbol1
 121   Symbol1:
 122   .long 1
 123
 124 .. code-block:: gas
 125
 126   .section secName, "dr"
 127   .linkonce discard
 128   .globl Symbol1
 129   Symbol1:
 130   .long 1
 131
 132 Note that in the combined form the COMDAT symbol is explicit. This
 133 extension exists to support multiple sections with the same name in
 134 different COMDATs:
 135
 136
 137 .. code-block:: gas
 138
 139   .section secName, "dr", discard, "Symbol1"
 140   .globl Symbol1
 141   Symbol1:
 142   .long 1
 143
 144   .section secName, "dr", discard, "Symbol2"
 145   .globl Symbol2
 146   Symbol2:
 147   .long 1
 148
 149 In addition to the types allowed with ``.linkonce``, ``.section`` also accepts
 150 ``associative``. The meaning is that the section is linked  if a certain other
 151 COMDAT section is linked. This other section is indicated by the comdat symbol
 152 in this directive. It can be any symbol defined in the associated section, but
 153 is usually the associated section's comdat.
 154
 155    The following restrictions apply to the associated section:
 156
 157    1. It must be a COMDAT section.
 158    2. It cannot be another associative COMDAT section.
 159
 160 In the following example the symobl ``sym`` is the comdat symbol of ``.foo``
 161 and ``.bar`` is associated to ``.foo``.
 162
 163 .. code-block:: gas
 164
 165         .section        .foo,"bw",discard, "sym"
 166         .section        .bar,"rd",associative, "sym"
 167
 168 MC supports these flags in the COFF ``.section`` directive:
 169
 170   - ``b``: BSS section (``IMAGE_SCN_CNT_INITIALIZED_DATA``)
 171   - ``d``: Data section (``IMAGE_SCN_CNT_UNINITIALIZED_DATA``)
 172   - ``n``: Section is not loaded (``IMAGE_SCN_LNK_REMOVE``)
 173   - ``r``: Read-only
 174   - ``s``: Shared section
 175   - ``w``: Writable
 176   - ``x``: Executable section
 177   - ``y``: Not readable
 178   - ``D``: Discardable (``IMAGE_SCN_MEM_DISCARDABLE``)
 179
 180 These flags are all compatible with gas, with the exception of the ``D`` flag,
 181 which gnu as does not support. For gas compatibility, sections with a name
 182 starting with ".debug" are implicitly discardable.
 183
 184
 185 ARM64/COFF-Dependent
 186 --------------------
 187
 188 Relocations
 189 ^^^^^^^^^^^
 190
 191 The following additional symbol variants are supported:
 192
 193 **:secrel_lo12:** generates a relocation that corresponds to the COFF relocation
 194 types ``IMAGE_REL_ARM64_SECREL_LOW12A`` or ``IMAGE_REL_ARM64_SECREL_LOW12L``.
 195
 196 **:secrel_hi12:** generates a relocation that corresponds to the COFF relocation
 197 type ``IMAGE_REL_ARM64_SECREL_HIGH12A``.
 198
 199 .. code-block:: gas
 200
 201     add x0, x0, :secrel_hi12:symbol
 202     ldr x0, [x0, :secrel_lo12:symbol]
 203
 204     add x1, x1, :secrel_hi12:symbol
 205     add x1, x1, :secrel_lo12:symbol
 206     ...
 207
 208
 209 ELF-Dependent
 210 -------------
 211
 212 ``.section`` Directive
 213 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 214
 215 In order to support creating multiple sections with the same name and comdat,
 216 it is possible to add an unique number at the end of the ``.seciton`` directive.
 217 For example, the following code creates two sections named ``.text``.
 218
 219 .. code-block:: gas
 220
 221         .section        .text,"ax",@progbits,unique,1
 222         nop
 223
 224         .section        .text,"ax",@progbits,unique,2
 225         nop
 226
 227
 228 The unique number is not present in the resulting object at all. It is just used
 229 in the assembler to differentiate the sections.
 230
 231 The 'o' flag is mapped to SHF_LINK_ORDER. If it is present, a symbol
 232 must be given that identifies the section to be placed is the
 233 .sh_link.
 234
 235 .. code-block:: gas
 236
 237         .section .foo,"a",@progbits
 238         .Ltmp:
 239         .section .bar,"ao",@progbits,.Ltmp
 240
 241 which is equivalent to just
 242
 243 .. code-block:: gas
 244
 245         .section .foo,"a",@progbits
 246         .section .bar,"ao",@progbits,.foo
 247
 248 ``.linker-options`` Section (linker options)
 249 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 250
 251 In order to support passing linker options from the frontend to the linker, a
 252 special section of type ``SHT_LLVM_LINKER_OPTIONS`` (usually named
 253 ``.linker-options`` though the name is not significant as it is identified by
 254 the type).  The contents of this section is a simple pair-wise encoding of
 255 directives for consideration by the linker.  The strings are encoded as standard
 256 null-terminated UTF-8 strings.  They are emitted inline to avoid having the
 257 linker traverse the object file for retrieving the value.  The linker is
 258 permitted to not honour the option and instead provide a warning/error to the
 259 user that the requested option was not honoured.
 260
 261 The section has type ``SHT_LLVM_LINKER_OPTIONS`` and has the ``SHF_EXCLUDE``
 262 flag to ensure that the section is treated as opaque by linkers which do not
 263 support the feature and will not be emitted into the final linked binary.
 264
 265 This would be equivalent to the follow raw assembly:
 266
 267 .. code-block:: gas
 268
 269   .section ".linker-options","e",@llvm_linker_options
 270   .asciz "option 1"
 271   .asciz "value 1"
 272   .asciz "option 2"
 273   .asciz "value 2"
 274
 275 The following directives are specified:
 276
 277   - lib
 278
 279     The parameter identifies a library to be linked against.  The library will
 280     be looked up in the default and any specified library search paths
 281     (specified to this point).
 282
 283   - libpath
 284
 285     The paramter identifies an additional library search path to be considered
 286     when looking up libraries after the inclusion of this option.
 287
 288 ``SHT_LLVM_DEPENDENT_LIBRARIES`` Section (Dependent Libraries)
 289 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 290
 291 This section contains strings specifying libraries to be added to the link by
 292 the linker.
 293
 294 The section should be consumed by the linker and not written to the output.
 295
 296 The strings are encoded as standard null-terminated UTF-8 strings.
 297
 298 For example:
 299
 300 .. code-block:: gas
 301
 302   .section ".deplibs","MS",@llvm_dependent_libraries,1
 303   .asciz "library specifier 1"
 304   .asciz "library specifier 2"
 305
 306 The interpretation of the library specifiers is defined by the consuming linker.
 307
 308 ``SHT_LLVM_CALL_GRAPH_PROFILE`` Section (Call Graph Profile)
 309 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 310
 311 This section is used to pass a call graph profile to the linker which can be
 312 used to optimize the placement of sections.  It contains a sequence of
 313 (from symbol, to symbol, weight) tuples.
 314
 315 It shall have a type of ``SHT_LLVM_CALL_GRAPH_PROFILE`` (0x6fff4c02), shall
 316 have the ``SHF_EXCLUDE`` flag set, the ``sh_link`` member shall hold the section
 317 header index of the associated symbol table, and shall have a ``sh_entsize`` of
 318 16.  It should be named ``.llvm.call-graph-profile``.
 319
 320 The contents of the section shall be a sequence of ``Elf_CGProfile`` entries.
 321
 322 .. code-block:: c
 323
 324   typedef struct {
 325     Elf_Word cgp_from;
 326     Elf_Word cgp_to;
 327     Elf_Xword cgp_weight;
 328   } Elf_CGProfile;
 329
 330 cgp_from
 331   The symbol index of the source of the edge.
 332
 333 cgp_to
 334   The symbol index of the destination of the edge.
 335
 336 cgp_weight
 337   The weight of the edge.
 338
 339 This is represented in assembly as:
 340
 341 .. code-block:: gas
 342
 343   .cg_profile from, to, 42
 344
 345 ``.cg_profile`` directives are processed at the end of the file.  It is an error
 346 if either ``from`` or ``to`` are undefined temporary symbols.  If either symbol
 347 is a temporary symbol, then the section symbol is used instead.  If either
 348 symbol is undefined, then that symbol is defined as if ``.weak symbol`` has been
 349 written at the end of the file.  This forces the symbol to show up in the symbol
 350 table.
 351
 352 ``SHT_LLVM_ADDRSIG`` Section (address-significance table)
 353 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 354
 355 This section is used to mark symbols as address-significant, i.e. the address
 356 of the symbol is used in a comparison or leaks outside the translation unit. It
 357 has the same meaning as the absence of the LLVM attributes ``unnamed_addr``
 358 and ``local_unnamed_addr``.
 359
 360 Any sections referred to by symbols that are not marked as address-significant
 361 in any object file may be safely merged by a linker without breaking the
 362 address uniqueness guarantee provided by the C and C++ language standards.
 363
 364 The contents of the section are a sequence of ULEB128-encoded integers
 365 referring to the symbol table indexes of the address-significant symbols.
 366
 367 There are two associated assembly directives:
 368
 369 .. code-block:: gas
 370
 371   .addrsig
 372
 373 This instructs the assembler to emit an address-significance table. Without
 374 this directive, all symbols are considered address-significant.
 375
 376 .. code-block:: gas
 377
 378   .addrsig_sym sym
 379
 380 This marks ``sym`` as address-significant.
 381
 382 ``SHT_LLVM_SYMPART`` Section (symbol partition specification)
 383 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 384
 385 This section is used to mark symbols with the `partition`_ that they
 386 belong to. An ``.llvm_sympart`` section consists of a null-terminated string
 387 specifying the name of the partition followed by a relocation referring to
 388 the symbol that belongs to the partition. It may be constructed as follows:
 389
 390 .. code-block:: gas
 391
 392   .section ".llvm_sympart","",@llvm_sympart
 393   .asciz "libpartition.so"
 394   .word symbol_in_partition
 395
 396 .. _partition: https://lld.llvm.org/Partitions.html
 397
 398 CodeView-Dependent
 399 ------------------
 400
 401 ``.cv_file`` Directive
 402 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 403 Syntax:
 404   ``.cv_file`` *FileNumber FileName* [ *checksum* ] [ *checksumkind* ]
 405
 406 ``.cv_func_id`` Directive
 407 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 408 Introduces a function ID that can be used with ``.cv_loc``.
 409
 410 Syntax:
 411   ``.cv_func_id`` *FunctionId*
 412
 413 ``.cv_inline_site_id`` Directive
 414 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 415 Introduces a function ID that can be used with ``.cv_loc``. Includes
 416 ``inlined at`` source location information for use in the line table of the
 417 caller, whether the caller is a real function or another inlined call site.
 418
 419 Syntax:
 420   ``.cv_inline_site_id`` *FunctionId* ``within`` *Function* ``inlined_at`` *FileNumber Line* [ *Colomn* ]
 421
 422 ``.cv_loc`` Directive
 423 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 424 The first number is a file number, must have been previously assigned with a
 425 ``.file`` directive, the second number is the line number and optionally the
 426 third number is a column position (zero if not specified).  The remaining
 427 optional items are ``.loc`` sub-directives.
 428
 429 Syntax:
 430   ``.cv_loc`` *FunctionId FileNumber* [ *Line* ] [ *Column* ] [ *prologue_end* ] [ ``is_stmt`` *value* ]
 431
 432 ``.cv_linetable`` Directive
 433 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 434 Syntax:
 435   ``.cv_linetable`` *FunctionId* ``,`` *FunctionStart* ``,`` *FunctionEnd*
 436
 437 ``.cv_inline_linetable`` Directive
 438 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 439 Syntax:
 440   ``.cv_inline_linetable`` *PrimaryFunctionId* ``,`` *FileNumber Line FunctionStart FunctionEnd*
 441
 442 ``.cv_def_range`` Directive
 443 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 444 The *GapStart* and *GapEnd* options may be repeated as needed.
 445
 446 Syntax:
 447   ``.cv_def_range`` *RangeStart RangeEnd* [ *GapStart GapEnd* ] ``,`` *bytes*
 448
 449 ``.cv_stringtable`` Directive
 450 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 451
 452 ``.cv_filechecksums`` Directive
 453 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 454
 455 ``.cv_filechecksumoffset`` Directive
 456 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 457 Syntax:
 458   ``.cv_filechecksumoffset`` *FileNumber*
 459
 460 ``.cv_fpo_data`` Directive
 461 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 462 Syntax:
 463   ``.cv_fpo_data`` *procsym*
 464
 465 Target Specific Behaviour
 466 =========================
 467
 468 X86
 469 ---
 470
 471 Relocations
 472 ^^^^^^^^^^^
 473
 474 ``@ABS8`` can be applied to symbols which appear as immediate operands to
 475 instructions that have an 8-bit immediate form for that operand. It causes
 476 the assembler to use the 8-bit form and an 8-bit relocation (e.g. ``R_386_8``
 477 or ``R_X86_64_8``) for the symbol.
 478
 479 For example:
 480
 481 .. code-block:: gas
 482
 483   cmpq $foo@ABS8, %rdi
 484
 485 This causes the assembler to select the form of the 64-bit ``cmpq`` instruction
 486 that takes an 8-bit immediate operand that is sign extended to 64 bits, as
 487 opposed to ``cmpq $foo, %rdi`` which takes a 32-bit immediate operand. This
 488 is also not the same as ``cmpb $foo, %dil``, which is an 8-bit comparison.
 489
 490 Windows on ARM
 491 --------------
 492
 493 Stack Probe Emission
 494 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 495
 496 The reference implementation (Microsoft Visual Studio 2012) emits stack probes
 497 in the following fashion:
 498
 499 .. code-block:: gas
 500
 501   movw r4, #constant
 502   bl __chkstk
 503   sub.w sp, sp, r4
 504
 505 However, this has the limitation of 32 MiB (±16MiB).  In order to accommodate
 506 larger binaries, LLVM supports the use of ``-mcode-model=large`` to allow a 4GiB
 507 range via a slight deviation.  It will generate an indirect jump as follows:
 508
 509 .. code-block:: gas
 510
 511   movw r4, #constant
 512   movw r12, :lower16:__chkstk
 513   movt r12, :upper16:__chkstk
 514   blx r12
 515   sub.w sp, sp, r4
 516
 517 Variable Length Arrays
 518 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 519
 520 The reference implementation (Microsoft Visual Studio 2012) does not permit the
 521 emission of Variable Length Arrays (VLAs).
 522
 523 The Windows ARM Itanium ABI extends the base ABI by adding support for emitting
 524 a dynamic stack allocation.  When emitting a variable stack allocation, a call
 525 to ``__chkstk`` is emitted unconditionally to ensure that guard pages are setup
 526 properly.  The emission of this stack probe emission is handled similar to the
 527 standard stack probe emission.
 528
 529 The MSVC environment does not emit code for VLAs currently.
 530
 531 Windows on ARM64
 532 ----------------
 533
 534 Stack Probe Emission
 535 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 536
 537 The reference implementation (Microsoft Visual Studio 2017) emits stack probes
 538 in the following fashion:
 539
 540 .. code-block:: gas
 541
 542   mov x15, #constant
 543   bl __chkstk
 544   sub sp, sp, x15, lsl #4
 545
 546 However, this has the limitation of 256 MiB (±128MiB).  In order to accommodate
 547 larger binaries, LLVM supports the use of ``-mcode-model=large`` to allow a 8GiB
 548 (±4GiB) range via a slight deviation.  It will generate an indirect jump as
 549 follows:
 550
 551 .. code-block:: gas
 552
 553   mov x15, #constant
 554   adrp x16, __chkstk
 555   add x16, x16, :lo12:__chkstk
 556   blr x16
 557   sub sp, sp, x15, lsl #4
 558