[llvm-exegesis][NFC] Return many CodeTemplates instead of one.
[llvm-complete.git] / docs / SourceLevelDebugging.rst
blob4cccfb40bd4d1eb69be1f7cdf07a455d0b5bddfc
1 ================================
2 Source Level Debugging with LLVM
3 ================================
5 .. contents::
6    :local:
8 Introduction
9 ============
11 This document is the central repository for all information pertaining to debug
12 information in LLVM.  It describes the :ref:`actual format that the LLVM debug
13 information takes <format>`, which is useful for those interested in creating
14 front-ends or dealing directly with the information.  Further, this document
15 provides specific examples of what debug information for C/C++ looks like.
17 Philosophy behind LLVM debugging information
18 --------------------------------------------
20 The idea of the LLVM debugging information is to capture how the important
21 pieces of the source-language's Abstract Syntax Tree map onto LLVM code.
22 Several design aspects have shaped the solution that appears here.  The
23 important ones are:
25 * Debugging information should have very little impact on the rest of the
26   compiler.  No transformations, analyses, or code generators should need to
27   be modified because of debugging information.
29 * LLVM optimizations should interact in :ref:`well-defined and easily described
30   ways <intro_debugopt>` with the debugging information.
32 * Because LLVM is designed to support arbitrary programming languages,
33   LLVM-to-LLVM tools should not need to know anything about the semantics of
34   the source-level-language.
36 * Source-level languages are often **widely** different from one another.
37   LLVM should not put any restrictions of the flavor of the source-language,
38   and the debugging information should work with any language.
40 * With code generator support, it should be possible to use an LLVM compiler
41   to compile a program to native machine code and standard debugging
42   formats.  This allows compatibility with traditional machine-code level
43   debuggers, like GDB or DBX.
45 The approach used by the LLVM implementation is to use a small set of
46 :ref:`intrinsic functions <format_common_intrinsics>` to define a mapping
47 between LLVM program objects and the source-level objects.  The description of
48 the source-level program is maintained in LLVM metadata in an
49 :ref:`implementation-defined format <ccxx_frontend>` (the C/C++ front-end
50 currently uses working draft 7 of the `DWARF 3 standard
51 <http://www.eagercon.com/dwarf/dwarf3std.htm>`_).
53 When a program is being debugged, a debugger interacts with the user and turns
54 the stored debug information into source-language specific information.  As
55 such, a debugger must be aware of the source-language, and is thus tied to a
56 specific language or family of languages.
58 Debug information consumers
59 ---------------------------
61 The role of debug information is to provide meta information normally stripped
62 away during the compilation process.  This meta information provides an LLVM
63 user a relationship between generated code and the original program source
64 code.
66 Currently, there are two backend consumers of debug info: DwarfDebug and
67 CodeViewDebug. DwarfDebug produces DWARF suitable for use with GDB, LLDB, and
68 other DWARF-based debuggers. :ref:`CodeViewDebug <codeview>` produces CodeView,
69 the Microsoft debug info format, which is usable with Microsoft debuggers such
70 as Visual Studio and WinDBG. LLVM's debug information format is mostly derived
71 from and inspired by DWARF, but it is feasible to translate into other target
72 debug info formats such as STABS.
74 It would also be reasonable to use debug information to feed profiling tools
75 for analysis of generated code, or, tools for reconstructing the original
76 source from generated code.
78 .. _intro_debugopt:
80 Debug information and optimizations
81 -----------------------------------
83 An extremely high priority of LLVM debugging information is to make it interact
84 well with optimizations and analysis.  In particular, the LLVM debug
85 information provides the following guarantees:
87 * LLVM debug information **always provides information to accurately read
88   the source-level state of the program**, regardless of which LLVM
89   optimizations have been run, and without any modification to the
90   optimizations themselves.  However, some optimizations may impact the
91   ability to modify the current state of the program with a debugger, such
92   as setting program variables, or calling functions that have been
93   deleted.
95 * As desired, LLVM optimizations can be upgraded to be aware of debugging
96   information, allowing them to update the debugging information as they
97   perform aggressive optimizations.  This means that, with effort, the LLVM
98   optimizers could optimize debug code just as well as non-debug code.
100 * LLVM debug information does not prevent optimizations from
101   happening (for example inlining, basic block reordering/merging/cleanup,
102   tail duplication, etc).
104 * LLVM debug information is automatically optimized along with the rest of
105   the program, using existing facilities.  For example, duplicate
106   information is automatically merged by the linker, and unused information
107   is automatically removed.
109 Basically, the debug information allows you to compile a program with
110 "``-O0 -g``" and get full debug information, allowing you to arbitrarily modify
111 the program as it executes from a debugger.  Compiling a program with
112 "``-O3 -g``" gives you full debug information that is always available and
113 accurate for reading (e.g., you get accurate stack traces despite tail call
114 elimination and inlining), but you might lose the ability to modify the program
115 and call functions which were optimized out of the program, or inlined away
116 completely.
118 The :doc:`LLVM test-suite <TestSuiteMakefileGuide>` provides a framework to
119 test the optimizer's handling of debugging information.  It can be run like
120 this:
122 .. code-block:: bash
124   % cd llvm/projects/test-suite/MultiSource/Benchmarks  # or some other level
125   % make TEST=dbgopt
127 This will test impact of debugging information on optimization passes.  If
128 debugging information influences optimization passes then it will be reported
129 as a failure.  See :doc:`TestingGuide` for more information on LLVM test
130 infrastructure and how to run various tests.
132 .. _format:
134 Debugging information format
135 ============================
137 LLVM debugging information has been carefully designed to make it possible for
138 the optimizer to optimize the program and debugging information without
139 necessarily having to know anything about debugging information.  In
140 particular, the use of metadata avoids duplicated debugging information from
141 the beginning, and the global dead code elimination pass automatically deletes
142 debugging information for a function if it decides to delete the function.
144 To do this, most of the debugging information (descriptors for types,
145 variables, functions, source files, etc) is inserted by the language front-end
146 in the form of LLVM metadata.
148 Debug information is designed to be agnostic about the target debugger and
149 debugging information representation (e.g. DWARF/Stabs/etc).  It uses a generic
150 pass to decode the information that represents variables, types, functions,
151 namespaces, etc: this allows for arbitrary source-language semantics and
152 type-systems to be used, as long as there is a module written for the target
153 debugger to interpret the information.
155 To provide basic functionality, the LLVM debugger does have to make some
156 assumptions about the source-level language being debugged, though it keeps
157 these to a minimum.  The only common features that the LLVM debugger assumes
158 exist are `source files <LangRef.html#difile>`_, and `program objects
159 <LangRef.html#diglobalvariable>`_.  These abstract objects are used by a
160 debugger to form stack traces, show information about local variables, etc.
162 This section of the documentation first describes the representation aspects
163 common to any source-language.  :ref:`ccxx_frontend` describes the data layout
164 conventions used by the C and C++ front-ends.
166 Debug information descriptors are `specialized metadata nodes
167 <LangRef.html#specialized-metadata>`_, first-class subclasses of ``Metadata``.
169 .. _format_common_intrinsics:
171 Debugger intrinsic functions
172 ----------------------------
174 LLVM uses several intrinsic functions (name prefixed with "``llvm.dbg``") to
175 track source local variables through optimization and code generation.
177 ``llvm.dbg.addr``
178 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
180 .. code-block:: llvm
182   void @llvm.dbg.addr(metadata, metadata, metadata)
184 This intrinsic provides information about a local element (e.g., variable).
185 The first argument is metadata holding the address of variable, typically a
186 static alloca in the function entry block.  The second argument is a
187 `local variable <LangRef.html#dilocalvariable>`_ containing a description of
188 the variable.  The third argument is a `complex expression
189 <LangRef.html#diexpression>`_.  An `llvm.dbg.addr` intrinsic describes the
190 *address* of a source variable.
192 .. code-block:: text
194     %i.addr = alloca i32, align 4
195     call void @llvm.dbg.addr(metadata i32* %i.addr, metadata !1,
196                              metadata !DIExpression()), !dbg !2
197     !1 = !DILocalVariable(name: "i", ...) ; int i
198     !2 = !DILocation(...)
199     ...
200     %buffer = alloca [256 x i8], align 8
201     ; The address of i is buffer+64.
202     call void @llvm.dbg.addr(metadata [256 x i8]* %buffer, metadata !3,
203                              metadata !DIExpression(DW_OP_plus, 64)), !dbg !4
204     !3 = !DILocalVariable(name: "i", ...) ; int i
205     !4 = !DILocation(...)
207 A frontend should generate exactly one call to ``llvm.dbg.addr`` at the point
208 of declaration of a source variable. Optimization passes that fully promote the
209 variable from memory to SSA values will replace this call with possibly
210 multiple calls to `llvm.dbg.value`. Passes that delete stores are effectively
211 partial promotion, and they will insert a mix of calls to ``llvm.dbg.value``
212 and ``llvm.dbg.addr`` to track the source variable value when it is available.
213 After optimization, there may be multiple calls to ``llvm.dbg.addr`` describing
214 the program points where the variables lives in memory. All calls for the same
215 concrete source variable must agree on the memory location.
218 ``llvm.dbg.declare``
219 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
221 .. code-block:: llvm
223   void @llvm.dbg.declare(metadata, metadata, metadata)
225 This intrinsic is identical to `llvm.dbg.addr`, except that there can only be
226 one call to `llvm.dbg.declare` for a given concrete `local variable
227 <LangRef.html#dilocalvariable>`_. It is not control-dependent, meaning that if
228 a call to `llvm.dbg.declare` exists and has a valid location argument, that
229 address is considered to be the true home of the variable across its entire
230 lifetime. This makes it hard for optimizations to preserve accurate debug info
231 in the presence of ``llvm.dbg.declare``, so we are transitioning away from it,
232 and we plan to deprecate it in future LLVM releases.
235 ``llvm.dbg.value``
236 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
238 .. code-block:: llvm
240   void @llvm.dbg.value(metadata, metadata, metadata)
242 This intrinsic provides information when a user source variable is set to a new
243 value.  The first argument is the new value (wrapped as metadata).  The second
244 argument is a `local variable <LangRef.html#dilocalvariable>`_ containing a
245 description of the variable.  The third argument is a `complex expression
246 <LangRef.html#diexpression>`_.
248 An `llvm.dbg.value` intrinsic describes the *value* of a source variable
249 directly, not its address.  Note that the value operand of this intrinsic may
250 be indirect (i.e, a pointer to the source variable), provided that interpreting
251 the complex expression derives the direct value.
253 Object lifetimes and scoping
254 ============================
256 In many languages, the local variables in functions can have their lifetimes or
257 scopes limited to a subset of a function.  In the C family of languages, for
258 example, variables are only live (readable and writable) within the source
259 block that they are defined in.  In functional languages, values are only
260 readable after they have been defined.  Though this is a very obvious concept,
261 it is non-trivial to model in LLVM, because it has no notion of scoping in this
262 sense, and does not want to be tied to a language's scoping rules.
264 In order to handle this, the LLVM debug format uses the metadata attached to
265 llvm instructions to encode line number and scoping information.  Consider the
266 following C fragment, for example:
268 .. code-block:: c
270   1.  void foo() {
271   2.    int X = 21;
272   3.    int Y = 22;
273   4.    {
274   5.      int Z = 23;
275   6.      Z = X;
276   7.    }
277   8.    X = Y;
278   9.  }
280 .. FIXME: Update the following example to use llvm.dbg.addr once that is the
281    default in clang.
283 Compiled to LLVM, this function would be represented like this:
285 .. code-block:: text
287   ; Function Attrs: nounwind ssp uwtable
288   define void @foo() #0 !dbg !4 {
289   entry:
290     %X = alloca i32, align 4
291     %Y = alloca i32, align 4
292     %Z = alloca i32, align 4
293     call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %X, metadata !11, metadata !13), !dbg !14
294     store i32 21, i32* %X, align 4, !dbg !14
295     call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %Y, metadata !15, metadata !13), !dbg !16
296     store i32 22, i32* %Y, align 4, !dbg !16
297     call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %Z, metadata !17, metadata !13), !dbg !19
298     store i32 23, i32* %Z, align 4, !dbg !19
299     %0 = load i32, i32* %X, align 4, !dbg !20
300     store i32 %0, i32* %Z, align 4, !dbg !21
301     %1 = load i32, i32* %Y, align 4, !dbg !22
302     store i32 %1, i32* %X, align 4, !dbg !23
303     ret void, !dbg !24
304   }
306   ; Function Attrs: nounwind readnone
307   declare void @llvm.dbg.declare(metadata, metadata, metadata) #1
309   attributes #0 = { nounwind ssp uwtable "less-precise-fpmad"="false" "no-frame-pointer-elim"="true" "no-frame-pointer-elim-non-leaf" "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "stack-protector-buffer-size"="8" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }
310   attributes #1 = { nounwind readnone }
312   !llvm.dbg.cu = !{!0}
313   !llvm.module.flags = !{!7, !8, !9}
314   !llvm.ident = !{!10}
316   !0 = !DICompileUnit(language: DW_LANG_C99, file: !1, producer: "clang version 3.7.0 (trunk 231150) (llvm/trunk 231154)", isOptimized: false, runtimeVersion: 0, emissionKind: FullDebug, enums: !2, retainedTypes: !2, subprograms: !3, globals: !2, imports: !2)
317   !1 = !DIFile(filename: "/dev/stdin", directory: "/Users/dexonsmith/data/llvm/debug-info")
318   !2 = !{}
319   !3 = !{!4}
320   !4 = distinct !DISubprogram(name: "foo", scope: !1, file: !1, line: 1, type: !5, isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1, isOptimized: false, variables: !2)
321   !5 = !DISubroutineType(types: !6)
322   !6 = !{null}
323   !7 = !{i32 2, !"Dwarf Version", i32 2}
324   !8 = !{i32 2, !"Debug Info Version", i32 3}
325   !9 = !{i32 1, !"PIC Level", i32 2}
326   !10 = !{!"clang version 3.7.0 (trunk 231150) (llvm/trunk 231154)"}
327   !11 = !DILocalVariable(name: "X", scope: !4, file: !1, line: 2, type: !12)
328   !12 = !DIBasicType(name: "int", size: 32, align: 32, encoding: DW_ATE_signed)
329   !13 = !DIExpression()
330   !14 = !DILocation(line: 2, column: 9, scope: !4)
331   !15 = !DILocalVariable(name: "Y", scope: !4, file: !1, line: 3, type: !12)
332   !16 = !DILocation(line: 3, column: 9, scope: !4)
333   !17 = !DILocalVariable(name: "Z", scope: !18, file: !1, line: 5, type: !12)
334   !18 = distinct !DILexicalBlock(scope: !4, file: !1, line: 4, column: 5)
335   !19 = !DILocation(line: 5, column: 11, scope: !18)
336   !20 = !DILocation(line: 6, column: 11, scope: !18)
337   !21 = !DILocation(line: 6, column: 9, scope: !18)
338   !22 = !DILocation(line: 8, column: 9, scope: !4)
339   !23 = !DILocation(line: 8, column: 7, scope: !4)
340   !24 = !DILocation(line: 9, column: 3, scope: !4)
343 This example illustrates a few important details about LLVM debugging
344 information.  In particular, it shows how the ``llvm.dbg.declare`` intrinsic and
345 location information, which are attached to an instruction, are applied
346 together to allow a debugger to analyze the relationship between statements,
347 variable definitions, and the code used to implement the function.
349 .. code-block:: llvm
351   call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %X, metadata !11, metadata !13), !dbg !14
352     ; [debug line = 2:7] [debug variable = X]
354 The first intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for the
355 variable ``X``.  The metadata ``!dbg !14`` attached to the intrinsic provides
356 scope information for the variable ``X``.
358 .. code-block:: text
360   !14 = !DILocation(line: 2, column: 9, scope: !4)
361   !4 = distinct !DISubprogram(name: "foo", scope: !1, file: !1, line: 1, type: !5,
362                               isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1,
363                               isOptimized: false, variables: !2)
365 Here ``!14`` is metadata providing `location information
366 <LangRef.html#dilocation>`_.  In this example, scope is encoded by ``!4``, a
367 `subprogram descriptor <LangRef.html#disubprogram>`_.  This way the location
368 information attached to the intrinsics indicates that the variable ``X`` is
369 declared at line number 2 at a function level scope in function ``foo``.
371 Now lets take another example.
373 .. code-block:: llvm
375   call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %Z, metadata !17, metadata !13), !dbg !19
376     ; [debug line = 5:9] [debug variable = Z]
378 The third intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for
379 variable ``Z``.  The metadata ``!dbg !19`` attached to the intrinsic provides
380 scope information for the variable ``Z``.
382 .. code-block:: text
384   !18 = distinct !DILexicalBlock(scope: !4, file: !1, line: 4, column: 5)
385   !19 = !DILocation(line: 5, column: 11, scope: !18)
387 Here ``!19`` indicates that ``Z`` is declared at line number 5 and column
388 number 11 inside of lexical scope ``!18``.  The lexical scope itself resides
389 inside of subprogram ``!4`` described above.
391 The scope information attached with each instruction provides a straightforward
392 way to find instructions covered by a scope.
394 .. _ccxx_frontend:
396 C/C++ front-end specific debug information
397 ==========================================
399 The C and C++ front-ends represent information about the program in a format
400 that is effectively identical to `DWARF 3.0
401 <http://www.eagercon.com/dwarf/dwarf3std.htm>`_ in terms of information
402 content.  This allows code generators to trivially support native debuggers by
403 generating standard dwarf information, and contains enough information for
404 non-dwarf targets to translate it as needed.
406 This section describes the forms used to represent C and C++ programs.  Other
407 languages could pattern themselves after this (which itself is tuned to
408 representing programs in the same way that DWARF 3 does), or they could choose
409 to provide completely different forms if they don't fit into the DWARF model.
410 As support for debugging information gets added to the various LLVM
411 source-language front-ends, the information used should be documented here.
413 The following sections provide examples of a few C/C++ constructs and the debug
414 information that would best describe those constructs.  The canonical
415 references are the ``DIDescriptor`` classes defined in
416 ``include/llvm/IR/DebugInfo.h`` and the implementations of the helper functions
417 in ``lib/IR/DIBuilder.cpp``.
419 C/C++ source file information
420 -----------------------------
422 ``llvm::Instruction`` provides easy access to metadata attached with an
423 instruction.  One can extract line number information encoded in LLVM IR using
424 ``Instruction::getDebugLoc()`` and ``DILocation::getLine()``.
426 .. code-block:: c++
428   if (DILocation *Loc = I->getDebugLoc()) { // Here I is an LLVM instruction
429     unsigned Line = Loc->getLine();
430     StringRef File = Loc->getFilename();
431     StringRef Dir = Loc->getDirectory();
432     bool ImplicitCode = Loc->isImplicitCode();
433   }
435 When the flag ImplicitCode is true then it means that the Instruction has been
436 added by the front-end but doesn't correspond to source code written by the user. For example
438 .. code-block:: c++
440   if (MyBoolean) {
441     MyObject MO;
442     ...
443   }
445 At the end of the scope the MyObject's destructor is called but it isn't written
446 explicitly. This information is useful to avoid to have counters on brackets when
447 making code coverage.
449 C/C++ global variable information
450 ---------------------------------
452 Given an integer global variable declared as follows:
454 .. code-block:: c
456   _Alignas(8) int MyGlobal = 100;
458 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
460 .. code-block:: text
462   ;;
463   ;; Define the global itself.
464   ;;
465   @MyGlobal = global i32 100, align 8, !dbg !0
467   ;;
468   ;; List of debug info of globals
469   ;;
470   !llvm.dbg.cu = !{!1}
472   ;; Some unrelated metadata.
473   !llvm.module.flags = !{!6, !7}
474   !llvm.ident = !{!8}
476   ;; Define the global variable itself
477   !0 = distinct !DIGlobalVariable(name: "MyGlobal", scope: !1, file: !2, line: 1, type: !5, isLocal: false, isDefinition: true, align: 64)
479   ;; Define the compile unit.
480   !1 = distinct !DICompileUnit(language: DW_LANG_C99, file: !2,
481                                producer: "clang version 4.0.0 (http://llvm.org/git/clang.git ae4deadbea242e8ea517eef662c30443f75bd086) (http://llvm.org/git/llvm.git 818b4c1539df3e51dc7e62c89ead4abfd348827d)",
482                                isOptimized: false, runtimeVersion: 0, emissionKind: FullDebug,
483                                enums: !3, globals: !4)
485   ;;
486   ;; Define the file
487   ;;
488   !2 = !DIFile(filename: "/dev/stdin",
489                directory: "/Users/dexonsmith/data/llvm/debug-info")
491   ;; An empty array.
492   !3 = !{}
494   ;; The Array of Global Variables
495   !4 = !{!0}
497   ;;
498   ;; Define the type
499   ;;
500   !5 = !DIBasicType(name: "int", size: 32, encoding: DW_ATE_signed)
502   ;; Dwarf version to output.
503   !6 = !{i32 2, !"Dwarf Version", i32 4}
505   ;; Debug info schema version.
506   !7 = !{i32 2, !"Debug Info Version", i32 3}
508   ;; Compiler identification
509   !8 = !{!"clang version 4.0.0 (http://llvm.org/git/clang.git ae4deadbea242e8ea517eef662c30443f75bd086) (http://llvm.org/git/llvm.git 818b4c1539df3e51dc7e62c89ead4abfd348827d)"}
512 The align value in DIGlobalVariable description specifies variable alignment in
513 case it was forced by C11 _Alignas(), C++11 alignas() keywords or compiler
514 attribute __attribute__((aligned ())). In other case (when this field is missing)
515 alignment is considered default. This is used when producing DWARF output
516 for DW_AT_alignment value.
518 C/C++ function information
519 --------------------------
521 Given a function declared as follows:
523 .. code-block:: c
525   int main(int argc, char *argv[]) {
526     return 0;
527   }
529 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
531 .. code-block:: text
533   ;;
534   ;; Define the anchor for subprograms.
535   ;;
536   !4 = !DISubprogram(name: "main", scope: !1, file: !1, line: 1, type: !5,
537                      isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1,
538                      flags: DIFlagPrototyped, isOptimized: false,
539                      variables: !2)
541   ;;
542   ;; Define the subprogram itself.
543   ;;
544   define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) !dbg !4 {
545   ...
546   }
548 Debugging information format
549 ============================
551 Debugging Information Extension for Objective C Properties
552 ----------------------------------------------------------
554 Introduction
555 ^^^^^^^^^^^^
557 Objective C provides a simpler way to declare and define accessor methods using
558 declared properties.  The language provides features to declare a property and
559 to let compiler synthesize accessor methods.
561 The debugger lets developer inspect Objective C interfaces and their instance
562 variables and class variables.  However, the debugger does not know anything
563 about the properties defined in Objective C interfaces.  The debugger consumes
564 information generated by compiler in DWARF format.  The format does not support
565 encoding of Objective C properties.  This proposal describes DWARF extensions to
566 encode Objective C properties, which the debugger can use to let developers
567 inspect Objective C properties.
569 Proposal
570 ^^^^^^^^
572 Objective C properties exist separately from class members.  A property can be
573 defined only by "setter" and "getter" selectors, and be calculated anew on each
574 access.  Or a property can just be a direct access to some declared ivar.
575 Finally it can have an ivar "automatically synthesized" for it by the compiler,
576 in which case the property can be referred to in user code directly using the
577 standard C dereference syntax as well as through the property "dot" syntax, but
578 there is no entry in the ``@interface`` declaration corresponding to this ivar.
580 To facilitate debugging, these properties we will add a new DWARF TAG into the
581 ``DW_TAG_structure_type`` definition for the class to hold the description of a
582 given property, and a set of DWARF attributes that provide said description.
583 The property tag will also contain the name and declared type of the property.
585 If there is a related ivar, there will also be a DWARF property attribute placed
586 in the ``DW_TAG_member`` DIE for that ivar referring back to the property TAG
587 for that property.  And in the case where the compiler synthesizes the ivar
588 directly, the compiler is expected to generate a ``DW_TAG_member`` for that
589 ivar (with the ``DW_AT_artificial`` set to 1), whose name will be the name used
590 to access this ivar directly in code, and with the property attribute pointing
591 back to the property it is backing.
593 The following examples will serve as illustration for our discussion:
595 .. code-block:: objc
597   @interface I1 {
598     int n2;
599   }
601   @property int p1;
602   @property int p2;
603   @end
605   @implementation I1
606   @synthesize p1;
607   @synthesize p2 = n2;
608   @end
610 This produces the following DWARF (this is a "pseudo dwarfdump" output):
612 .. code-block:: none
614   0x00000100:  TAG_structure_type [7] *
615                  AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
616                  AT_name( "I1" )
617                  AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
618                  AT_decl_line( 3 )
620   0x00000110    TAG_APPLE_property
621                   AT_name ( "p1" )
622                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
624   0x00000120:   TAG_APPLE_property
625                   AT_name ( "p2" )
626                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
628   0x00000130:   TAG_member [8]
629                   AT_name( "_p1" )
630                   AT_APPLE_property ( {0x00000110} "p1" )
631                   AT_type( {0x00000150} ( int ) )
632                   AT_artificial ( 0x1 )
634   0x00000140:    TAG_member [8]
635                    AT_name( "n2" )
636                    AT_APPLE_property ( {0x00000120} "p2" )
637                    AT_type( {0x00000150} ( int ) )
639   0x00000150:  AT_type( ( int ) )
641 Note, the current convention is that the name of the ivar for an
642 auto-synthesized property is the name of the property from which it derives
643 with an underscore prepended, as is shown in the example.  But we actually
644 don't need to know this convention, since we are given the name of the ivar
645 directly.
647 Also, it is common practice in ObjC to have different property declarations in
648 the @interface and @implementation - e.g. to provide a read-only property in
649 the interface,and a read-write interface in the implementation.  In that case,
650 the compiler should emit whichever property declaration will be in force in the
651 current translation unit.
653 Developers can decorate a property with attributes which are encoded using
654 ``DW_AT_APPLE_property_attribute``.
656 .. code-block:: objc
658   @property (readonly, nonatomic) int pr;
660 .. code-block:: none
662   TAG_APPLE_property [8]
663     AT_name( "pr" )
664     AT_type ( {0x00000147} (int) )
665     AT_APPLE_property_attribute (DW_APPLE_PROPERTY_readonly, DW_APPLE_PROPERTY_nonatomic)
667 The setter and getter method names are attached to the property using
668 ``DW_AT_APPLE_property_setter`` and ``DW_AT_APPLE_property_getter`` attributes.
670 .. code-block:: objc
672   @interface I1
673   @property (setter=myOwnP3Setter:) int p3;
674   -(void)myOwnP3Setter:(int)a;
675   @end
677   @implementation I1
678   @synthesize p3;
679   -(void)myOwnP3Setter:(int)a{ }
680   @end
682 The DWARF for this would be:
684 .. code-block:: none
686   0x000003bd: TAG_structure_type [7] *
687                 AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
688                 AT_name( "I1" )
689                 AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
690                 AT_decl_line( 3 )
692   0x000003cd      TAG_APPLE_property
693                     AT_name ( "p3" )
694                     AT_APPLE_property_setter ( "myOwnP3Setter:" )
695                     AT_type( {0x00000147} ( int ) )
697   0x000003f3:     TAG_member [8]
698                     AT_name( "_p3" )
699                     AT_type ( {0x00000147} ( int ) )
700                     AT_APPLE_property ( {0x000003cd} )
701                     AT_artificial ( 0x1 )
703 New DWARF Tags
704 ^^^^^^^^^^^^^^
706 +-----------------------+--------+
707 | TAG                   | Value  |
708 +=======================+========+
709 | DW_TAG_APPLE_property | 0x4200 |
710 +-----------------------+--------+
712 New DWARF Attributes
713 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
715 +--------------------------------+--------+-----------+
716 | Attribute                      | Value  | Classes   |
717 +================================+========+===========+
718 | DW_AT_APPLE_property           | 0x3fed | Reference |
719 +--------------------------------+--------+-----------+
720 | DW_AT_APPLE_property_getter    | 0x3fe9 | String    |
721 +--------------------------------+--------+-----------+
722 | DW_AT_APPLE_property_setter    | 0x3fea | String    |
723 +--------------------------------+--------+-----------+
724 | DW_AT_APPLE_property_attribute | 0x3feb | Constant  |
725 +--------------------------------+--------+-----------+
727 New DWARF Constants
728 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
730 +--------------------------------------+-------+
731 | Name                                 | Value |
732 +======================================+=======+
733 | DW_APPLE_PROPERTY_readonly           | 0x01  |
734 +--------------------------------------+-------+
735 | DW_APPLE_PROPERTY_getter             | 0x02  |
736 +--------------------------------------+-------+
737 | DW_APPLE_PROPERTY_assign             | 0x04  |
738 +--------------------------------------+-------+
739 | DW_APPLE_PROPERTY_readwrite          | 0x08  |
740 +--------------------------------------+-------+
741 | DW_APPLE_PROPERTY_retain             | 0x10  |
742 +--------------------------------------+-------+
743 | DW_APPLE_PROPERTY_copy               | 0x20  |
744 +--------------------------------------+-------+
745 | DW_APPLE_PROPERTY_nonatomic          | 0x40  |
746 +--------------------------------------+-------+
747 | DW_APPLE_PROPERTY_setter             | 0x80  |
748 +--------------------------------------+-------+
749 | DW_APPLE_PROPERTY_atomic             | 0x100 |
750 +--------------------------------------+-------+
751 | DW_APPLE_PROPERTY_weak               | 0x200 |
752 +--------------------------------------+-------+
753 | DW_APPLE_PROPERTY_strong             | 0x400 |
754 +--------------------------------------+-------+
755 | DW_APPLE_PROPERTY_unsafe_unretained  | 0x800 |
756 +--------------------------------------+-------+
757 | DW_APPLE_PROPERTY_nullability        | 0x1000|
758 +--------------------------------------+-------+
759 | DW_APPLE_PROPERTY_null_resettable    | 0x2000|
760 +--------------------------------------+-------+
761 | DW_APPLE_PROPERTY_class              | 0x4000|
762 +--------------------------------------+-------+
764 Name Accelerator Tables
765 -----------------------
767 Introduction
768 ^^^^^^^^^^^^
770 The "``.debug_pubnames``" and "``.debug_pubtypes``" formats are not what a
771 debugger needs.  The "``pub``" in the section name indicates that the entries
772 in the table are publicly visible names only.  This means no static or hidden
773 functions show up in the "``.debug_pubnames``".  No static variables or private
774 class variables are in the "``.debug_pubtypes``".  Many compilers add different
775 things to these tables, so we can't rely upon the contents between gcc, icc, or
776 clang.
778 The typical query given by users tends not to match up with the contents of
779 these tables.  For example, the DWARF spec states that "In the case of the name
780 of a function member or static data member of a C++ structure, class or union,
781 the name presented in the "``.debug_pubnames``" section is not the simple name
782 given by the ``DW_AT_name attribute`` of the referenced debugging information
783 entry, but rather the fully qualified name of the data or function member."
784 So the only names in these tables for complex C++ entries is a fully
785 qualified name.  Debugger users tend not to enter their search strings as
786 "``a::b::c(int,const Foo&) const``", but rather as "``c``", "``b::c``" , or
787 "``a::b::c``".  So the name entered in the name table must be demangled in
788 order to chop it up appropriately and additional names must be manually entered
789 into the table to make it effective as a name lookup table for debuggers to
790 use.
792 All debuggers currently ignore the "``.debug_pubnames``" table as a result of
793 its inconsistent and useless public-only name content making it a waste of
794 space in the object file.  These tables, when they are written to disk, are not
795 sorted in any way, leaving every debugger to do its own parsing and sorting.
796 These tables also include an inlined copy of the string values in the table
797 itself making the tables much larger than they need to be on disk, especially
798 for large C++ programs.
800 Can't we just fix the sections by adding all of the names we need to this
801 table? No, because that is not what the tables are defined to contain and we
802 won't know the difference between the old bad tables and the new good tables.
803 At best we could make our own renamed sections that contain all of the data we
804 need.
806 These tables are also insufficient for what a debugger like LLDB needs.  LLDB
807 uses clang for its expression parsing where LLDB acts as a PCH.  LLDB is then
808 often asked to look for type "``foo``" or namespace "``bar``", or list items in
809 namespace "``baz``".  Namespaces are not included in the pubnames or pubtypes
810 tables.  Since clang asks a lot of questions when it is parsing an expression,
811 we need to be very fast when looking up names, as it happens a lot.  Having new
812 accelerator tables that are optimized for very quick lookups will benefit this
813 type of debugging experience greatly.
815 We would like to generate name lookup tables that can be mapped into memory
816 from disk, and used as is, with little or no up-front parsing.  We would also
817 be able to control the exact content of these different tables so they contain
818 exactly what we need.  The Name Accelerator Tables were designed to fix these
819 issues.  In order to solve these issues we need to:
821 * Have a format that can be mapped into memory from disk and used as is
822 * Lookups should be very fast
823 * Extensible table format so these tables can be made by many producers
824 * Contain all of the names needed for typical lookups out of the box
825 * Strict rules for the contents of tables
827 Table size is important and the accelerator table format should allow the reuse
828 of strings from common string tables so the strings for the names are not
829 duplicated.  We also want to make sure the table is ready to be used as-is by
830 simply mapping the table into memory with minimal header parsing.
832 The name lookups need to be fast and optimized for the kinds of lookups that
833 debuggers tend to do.  Optimally we would like to touch as few parts of the
834 mapped table as possible when doing a name lookup and be able to quickly find
835 the name entry we are looking for, or discover there are no matches.  In the
836 case of debuggers we optimized for lookups that fail most of the time.
838 Each table that is defined should have strict rules on exactly what is in the
839 accelerator tables and documented so clients can rely on the content.
841 Hash Tables
842 ^^^^^^^^^^^
844 Standard Hash Tables
845 """"""""""""""""""""
847 Typical hash tables have a header, buckets, and each bucket points to the
848 bucket contents:
850 .. code-block:: none
852   .------------.
853   |  HEADER    |
854   |------------|
855   |  BUCKETS   |
856   |------------|
857   |  DATA      |
858   `------------'
860 The BUCKETS are an array of offsets to DATA for each hash:
862 .. code-block:: none
864   .------------.
865   | 0x00001000 | BUCKETS[0]
866   | 0x00002000 | BUCKETS[1]
867   | 0x00002200 | BUCKETS[2]
868   | 0x000034f0 | BUCKETS[3]
869   |            | ...
870   | 0xXXXXXXXX | BUCKETS[n_buckets]
871   '------------'
873 So for ``bucket[3]`` in the example above, we have an offset into the table
874 0x000034f0 which points to a chain of entries for the bucket.  Each bucket must
875 contain a next pointer, full 32 bit hash value, the string itself, and the data
876 for the current string value.
878 .. code-block:: none
880               .------------.
881   0x000034f0: | 0x00003500 | next pointer
882               | 0x12345678 | 32 bit hash
883               | "erase"    | string value
884               | data[n]    | HashData for this bucket
885               |------------|
886   0x00003500: | 0x00003550 | next pointer
887               | 0x29273623 | 32 bit hash
888               | "dump"     | string value
889               | data[n]    | HashData for this bucket
890               |------------|
891   0x00003550: | 0x00000000 | next pointer
892               | 0x82638293 | 32 bit hash
893               | "main"     | string value
894               | data[n]    | HashData for this bucket
895               `------------'
897 The problem with this layout for debuggers is that we need to optimize for the
898 negative lookup case where the symbol we're searching for is not present.  So
899 if we were to lookup "``printf``" in the table above, we would make a 32-bit
900 hash for "``printf``", it might match ``bucket[3]``.  We would need to go to
901 the offset 0x000034f0 and start looking to see if our 32 bit hash matches.  To
902 do so, we need to read the next pointer, then read the hash, compare it, and
903 skip to the next bucket.  Each time we are skipping many bytes in memory and
904 touching new pages just to do the compare on the full 32 bit hash.  All of
905 these accesses then tell us that we didn't have a match.
907 Name Hash Tables
908 """"""""""""""""
910 To solve the issues mentioned above we have structured the hash tables a bit
911 differently: a header, buckets, an array of all unique 32 bit hash values,
912 followed by an array of hash value data offsets, one for each hash value, then
913 the data for all hash values:
915 .. code-block:: none
917   .-------------.
918   |  HEADER     |
919   |-------------|
920   |  BUCKETS    |
921   |-------------|
922   |  HASHES     |
923   |-------------|
924   |  OFFSETS    |
925   |-------------|
926   |  DATA       |
927   `-------------'
929 The ``BUCKETS`` in the name tables are an index into the ``HASHES`` array.  By
930 making all of the full 32 bit hash values contiguous in memory, we allow
931 ourselves to efficiently check for a match while touching as little memory as
932 possible.  Most often checking the 32 bit hash values is as far as the lookup
933 goes.  If it does match, it usually is a match with no collisions.  So for a
934 table with "``n_buckets``" buckets, and "``n_hashes``" unique 32 bit hash
935 values, we can clarify the contents of the ``BUCKETS``, ``HASHES`` and
936 ``OFFSETS`` as:
938 .. code-block:: none
940   .-------------------------.
941   |  HEADER.magic           | uint32_t
942   |  HEADER.version         | uint16_t
943   |  HEADER.hash_function   | uint16_t
944   |  HEADER.bucket_count    | uint32_t
945   |  HEADER.hashes_count    | uint32_t
946   |  HEADER.header_data_len | uint32_t
947   |  HEADER_DATA            | HeaderData
948   |-------------------------|
949   |  BUCKETS                | uint32_t[n_buckets] // 32 bit hash indexes
950   |-------------------------|
951   |  HASHES                 | uint32_t[n_hashes] // 32 bit hash values
952   |-------------------------|
953   |  OFFSETS                | uint32_t[n_hashes] // 32 bit offsets to hash value data
954   |-------------------------|
955   |  ALL HASH DATA          |
956   `-------------------------'
958 So taking the exact same data from the standard hash example above we end up
959 with:
961 .. code-block:: none
963               .------------.
964               | HEADER     |
965               |------------|
966               |          0 | BUCKETS[0]
967               |          2 | BUCKETS[1]
968               |          5 | BUCKETS[2]
969               |          6 | BUCKETS[3]
970               |            | ...
971               |        ... | BUCKETS[n_buckets]
972               |------------|
973               | 0x........ | HASHES[0]
974               | 0x........ | HASHES[1]
975               | 0x........ | HASHES[2]
976               | 0x........ | HASHES[3]
977               | 0x........ | HASHES[4]
978               | 0x........ | HASHES[5]
979               | 0x12345678 | HASHES[6]    hash for BUCKETS[3]
980               | 0x29273623 | HASHES[7]    hash for BUCKETS[3]
981               | 0x82638293 | HASHES[8]    hash for BUCKETS[3]
982               | 0x........ | HASHES[9]
983               | 0x........ | HASHES[10]
984               | 0x........ | HASHES[11]
985               | 0x........ | HASHES[12]
986               | 0x........ | HASHES[13]
987               | 0x........ | HASHES[n_hashes]
988               |------------|
989               | 0x........ | OFFSETS[0]
990               | 0x........ | OFFSETS[1]
991               | 0x........ | OFFSETS[2]
992               | 0x........ | OFFSETS[3]
993               | 0x........ | OFFSETS[4]
994               | 0x........ | OFFSETS[5]
995               | 0x000034f0 | OFFSETS[6]   offset for BUCKETS[3]
996               | 0x00003500 | OFFSETS[7]   offset for BUCKETS[3]
997               | 0x00003550 | OFFSETS[8]   offset for BUCKETS[3]
998               | 0x........ | OFFSETS[9]
999               | 0x........ | OFFSETS[10]
1000               | 0x........ | OFFSETS[11]
1001               | 0x........ | OFFSETS[12]
1002               | 0x........ | OFFSETS[13]
1003               | 0x........ | OFFSETS[n_hashes]
1004               |------------|
1005               |            |
1006               |            |
1007               |            |
1008               |            |
1009               |            |
1010               |------------|
1011   0x000034f0: | 0x00001203 | .debug_str ("erase")
1012               | 0x00000004 | A 32 bit array count - number of HashData with name "erase"
1013               | 0x........ | HashData[0]
1014               | 0x........ | HashData[1]
1015               | 0x........ | HashData[2]
1016               | 0x........ | HashData[3]
1017               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1018               |------------|
1019   0x00003500: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("collision")
1020               | 0x00000002 | A 32 bit array count - number of HashData with name "collision"
1021               | 0x........ | HashData[0]
1022               | 0x........ | HashData[1]
1023               | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("dump")
1024               | 0x00000003 | A 32 bit array count - number of HashData with name "dump"
1025               | 0x........ | HashData[0]
1026               | 0x........ | HashData[1]
1027               | 0x........ | HashData[2]
1028               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1029               |------------|
1030   0x00003550: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("main")
1031               | 0x00000009 | A 32 bit array count - number of HashData with name "main"
1032               | 0x........ | HashData[0]
1033               | 0x........ | HashData[1]
1034               | 0x........ | HashData[2]
1035               | 0x........ | HashData[3]
1036               | 0x........ | HashData[4]
1037               | 0x........ | HashData[5]
1038               | 0x........ | HashData[6]
1039               | 0x........ | HashData[7]
1040               | 0x........ | HashData[8]
1041               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1042               `------------'
1044 So we still have all of the same data, we just organize it more efficiently for
1045 debugger lookup.  If we repeat the same "``printf``" lookup from above, we
1046 would hash "``printf``" and find it matches ``BUCKETS[3]`` by taking the 32 bit
1047 hash value and modulo it by ``n_buckets``.  ``BUCKETS[3]`` contains "6" which
1048 is the index into the ``HASHES`` table.  We would then compare any consecutive
1049 32 bit hashes values in the ``HASHES`` array as long as the hashes would be in
1050 ``BUCKETS[3]``.  We do this by verifying that each subsequent hash value modulo
1051 ``n_buckets`` is still 3.  In the case of a failed lookup we would access the
1052 memory for ``BUCKETS[3]``, and then compare a few consecutive 32 bit hashes
1053 before we know that we have no match.  We don't end up marching through
1054 multiple words of memory and we really keep the number of processor data cache
1055 lines being accessed as small as possible.
1057 The string hash that is used for these lookup tables is the Daniel J.
1058 Bernstein hash which is also used in the ELF ``GNU_HASH`` sections.  It is a
1059 very good hash for all kinds of names in programs with very few hash
1060 collisions.
1062 Empty buckets are designated by using an invalid hash index of ``UINT32_MAX``.
1064 Details
1065 ^^^^^^^
1067 These name hash tables are designed to be generic where specializations of the
1068 table get to define additional data that goes into the header ("``HeaderData``"),
1069 how the string value is stored ("``KeyType``") and the content of the data for each
1070 hash value.
1072 Header Layout
1073 """""""""""""
1075 The header has a fixed part, and the specialized part.  The exact format of the
1076 header is:
1078 .. code-block:: c
1080   struct Header
1081   {
1082     uint32_t   magic;           // 'HASH' magic value to allow endian detection
1083     uint16_t   version;         // Version number
1084     uint16_t   hash_function;   // The hash function enumeration that was used
1085     uint32_t   bucket_count;    // The number of buckets in this hash table
1086     uint32_t   hashes_count;    // The total number of unique hash values and hash data offsets in this table
1087     uint32_t   header_data_len; // The bytes to skip to get to the hash indexes (buckets) for correct alignment
1088                                 // Specifically the length of the following HeaderData field - this does not
1089                                 // include the size of the preceding fields
1090     HeaderData header_data;     // Implementation specific header data
1091   };
1093 The header starts with a 32 bit "``magic``" value which must be ``'HASH'``
1094 encoded as an ASCII integer.  This allows the detection of the start of the
1095 hash table and also allows the table's byte order to be determined so the table
1096 can be correctly extracted.  The "``magic``" value is followed by a 16 bit
1097 ``version`` number which allows the table to be revised and modified in the
1098 future.  The current version number is 1. ``hash_function`` is a ``uint16_t``
1099 enumeration that specifies which hash function was used to produce this table.
1100 The current values for the hash function enumerations include:
1102 .. code-block:: c
1104   enum HashFunctionType
1105   {
1106     eHashFunctionDJB = 0u, // Daniel J Bernstein hash function
1107   };
1109 ``bucket_count`` is a 32 bit unsigned integer that represents how many buckets
1110 are in the ``BUCKETS`` array.  ``hashes_count`` is the number of unique 32 bit
1111 hash values that are in the ``HASHES`` array, and is the same number of offsets
1112 are contained in the ``OFFSETS`` array.  ``header_data_len`` specifies the size
1113 in bytes of the ``HeaderData`` that is filled in by specialized versions of
1114 this table.
1116 Fixed Lookup
1117 """"""""""""
1119 The header is followed by the buckets, hashes, offsets, and hash value data.
1121 .. code-block:: c
1123   struct FixedTable
1124   {
1125     uint32_t buckets[Header.bucket_count];  // An array of hash indexes into the "hashes[]" array below
1126     uint32_t hashes [Header.hashes_count];  // Every unique 32 bit hash for the entire table is in this table
1127     uint32_t offsets[Header.hashes_count];  // An offset that corresponds to each item in the "hashes[]" array above
1128   };
1130 ``buckets`` is an array of 32 bit indexes into the ``hashes`` array.  The
1131 ``hashes`` array contains all of the 32 bit hash values for all names in the
1132 hash table.  Each hash in the ``hashes`` table has an offset in the ``offsets``
1133 array that points to the data for the hash value.
1135 This table setup makes it very easy to repurpose these tables to contain
1136 different data, while keeping the lookup mechanism the same for all tables.
1137 This layout also makes it possible to save the table to disk and map it in
1138 later and do very efficient name lookups with little or no parsing.
1140 DWARF lookup tables can be implemented in a variety of ways and can store a lot
1141 of information for each name.  We want to make the DWARF tables extensible and
1142 able to store the data efficiently so we have used some of the DWARF features
1143 that enable efficient data storage to define exactly what kind of data we store
1144 for each name.
1146 The ``HeaderData`` contains a definition of the contents of each HashData chunk.
1147 We might want to store an offset to all of the debug information entries (DIEs)
1148 for each name.  To keep things extensible, we create a list of items, or
1149 Atoms, that are contained in the data for each name.  First comes the type of
1150 the data in each atom:
1152 .. code-block:: c
1154   enum AtomType
1155   {
1156     eAtomTypeNULL       = 0u,
1157     eAtomTypeDIEOffset  = 1u,   // DIE offset, check form for encoding
1158     eAtomTypeCUOffset   = 2u,   // DIE offset of the compiler unit header that contains the item in question
1159     eAtomTypeTag        = 3u,   // DW_TAG_xxx value, should be encoded as DW_FORM_data1 (if no tags exceed 255) or DW_FORM_data2
1160     eAtomTypeNameFlags  = 4u,   // Flags from enum NameFlags
1161     eAtomTypeTypeFlags  = 5u,   // Flags from enum TypeFlags
1162   };
1164 The enumeration values and their meanings are:
1166 .. code-block:: none
1168   eAtomTypeNULL       - a termination atom that specifies the end of the atom list
1169   eAtomTypeDIEOffset  - an offset into the .debug_info section for the DWARF DIE for this name
1170   eAtomTypeCUOffset   - an offset into the .debug_info section for the CU that contains the DIE
1171   eAtomTypeDIETag     - The DW_TAG_XXX enumeration value so you don't have to parse the DWARF to see what it is
1172   eAtomTypeNameFlags  - Flags for functions and global variables (isFunction, isInlined, isExternal...)
1173   eAtomTypeTypeFlags  - Flags for types (isCXXClass, isObjCClass, ...)
1175 Then we allow each atom type to define the atom type and how the data for each
1176 atom type data is encoded:
1178 .. code-block:: c
1180   struct Atom
1181   {
1182     uint16_t type;  // AtomType enum value
1183     uint16_t form;  // DWARF DW_FORM_XXX defines
1184   };
1186 The ``form`` type above is from the DWARF specification and defines the exact
1187 encoding of the data for the Atom type.  See the DWARF specification for the
1188 ``DW_FORM_`` definitions.
1190 .. code-block:: c
1192   struct HeaderData
1193   {
1194     uint32_t die_offset_base;
1195     uint32_t atom_count;
1196     Atoms    atoms[atom_count0];
1197   };
1199 ``HeaderData`` defines the base DIE offset that should be added to any atoms
1200 that are encoded using the ``DW_FORM_ref1``, ``DW_FORM_ref2``,
1201 ``DW_FORM_ref4``, ``DW_FORM_ref8`` or ``DW_FORM_ref_udata``.  It also defines
1202 what is contained in each ``HashData`` object -- ``Atom.form`` tells us how large
1203 each field will be in the ``HashData`` and the ``Atom.type`` tells us how this data
1204 should be interpreted.
1206 For the current implementations of the "``.apple_names``" (all functions +
1207 globals), the "``.apple_types``" (names of all types that are defined), and
1208 the "``.apple_namespaces``" (all namespaces), we currently set the ``Atom``
1209 array to be:
1211 .. code-block:: c
1213   HeaderData.atom_count = 1;
1214   HeaderData.atoms[0].type = eAtomTypeDIEOffset;
1215   HeaderData.atoms[0].form = DW_FORM_data4;
1217 This defines the contents to be the DIE offset (eAtomTypeDIEOffset) that is
1218 encoded as a 32 bit value (DW_FORM_data4).  This allows a single name to have
1219 multiple matching DIEs in a single file, which could come up with an inlined
1220 function for instance.  Future tables could include more information about the
1221 DIE such as flags indicating if the DIE is a function, method, block,
1222 or inlined.
1224 The KeyType for the DWARF table is a 32 bit string table offset into the
1225 ".debug_str" table.  The ".debug_str" is the string table for the DWARF which
1226 may already contain copies of all of the strings.  This helps make sure, with
1227 help from the compiler, that we reuse the strings between all of the DWARF
1228 sections and keeps the hash table size down.  Another benefit to having the
1229 compiler generate all strings as DW_FORM_strp in the debug info, is that
1230 DWARF parsing can be made much faster.
1232 After a lookup is made, we get an offset into the hash data.  The hash data
1233 needs to be able to deal with 32 bit hash collisions, so the chunk of data
1234 at the offset in the hash data consists of a triple:
1236 .. code-block:: c
1238   uint32_t str_offset
1239   uint32_t hash_data_count
1240   HashData[hash_data_count]
1242 If "str_offset" is zero, then the bucket contents are done. 99.9% of the
1243 hash data chunks contain a single item (no 32 bit hash collision):
1245 .. code-block:: none
1247   .------------.
1248   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
1249   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
1250   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
1251   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
1252   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
1253   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
1254   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
1255   `------------'
1257 If there are collisions, you will have multiple valid string offsets:
1259 .. code-block:: none
1261   .------------.
1262   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
1263   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
1264   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
1265   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
1266   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
1267   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
1268   | 0x00002023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0002023] => "print")
1269   | 0x00000002 | uint32_t HashData count
1270   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
1271   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
1272   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
1273   `------------'
1275 Current testing with real world C++ binaries has shown that there is around 1
1276 32 bit hash collision per 100,000 name entries.
1278 Contents
1279 ^^^^^^^^
1281 As we said, we want to strictly define exactly what is included in the
1282 different tables.  For DWARF, we have 3 tables: "``.apple_names``",
1283 "``.apple_types``", and "``.apple_namespaces``".
1285 "``.apple_names``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
1286 ``DW_TAG`` is a ``DW_TAG_label``, ``DW_TAG_inlined_subroutine``, or
1287 ``DW_TAG_subprogram`` that has address attributes: ``DW_AT_low_pc``,
1288 ``DW_AT_high_pc``, ``DW_AT_ranges`` or ``DW_AT_entry_pc``.  It also contains
1289 ``DW_TAG_variable`` DIEs that have a ``DW_OP_addr`` in the location (global and
1290 static variables).  All global and static variables should be included,
1291 including those scoped within functions and classes.  For example using the
1292 following code:
1294 .. code-block:: c
1296   static int var = 0;
1298   void f ()
1299   {
1300     static int var = 0;
1301   }
1303 Both of the static ``var`` variables would be included in the table.  All
1304 functions should emit both their full names and their basenames.  For C or C++,
1305 the full name is the mangled name (if available) which is usually in the
1306 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, and the ``DW_AT_name`` contains the
1307 function basename.  If global or static variables have a mangled name in a
1308 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, this should be emitted along with the
1309 simple name found in the ``DW_AT_name`` attribute.
1311 "``.apple_types``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
1312 tag is one of:
1314 * DW_TAG_array_type
1315 * DW_TAG_class_type
1316 * DW_TAG_enumeration_type
1317 * DW_TAG_pointer_type
1318 * DW_TAG_reference_type
1319 * DW_TAG_string_type
1320 * DW_TAG_structure_type
1321 * DW_TAG_subroutine_type
1322 * DW_TAG_typedef
1323 * DW_TAG_union_type
1324 * DW_TAG_ptr_to_member_type
1325 * DW_TAG_set_type
1326 * DW_TAG_subrange_type
1327 * DW_TAG_base_type
1328 * DW_TAG_const_type
1329 * DW_TAG_file_type
1330 * DW_TAG_namelist
1331 * DW_TAG_packed_type
1332 * DW_TAG_volatile_type
1333 * DW_TAG_restrict_type
1334 * DW_TAG_atomic_type
1335 * DW_TAG_interface_type
1336 * DW_TAG_unspecified_type
1337 * DW_TAG_shared_type
1339 Only entries with a ``DW_AT_name`` attribute are included, and the entry must
1340 not be a forward declaration (``DW_AT_declaration`` attribute with a non-zero
1341 value).  For example, using the following code:
1343 .. code-block:: c
1345   int main ()
1346   {
1347     int *b = 0;
1348     return *b;
1349   }
1351 We get a few type DIEs:
1353 .. code-block:: none
1355   0x00000067:     TAG_base_type [5]
1356                   AT_encoding( DW_ATE_signed )
1357                   AT_name( "int" )
1358                   AT_byte_size( 0x04 )
1360   0x0000006e:     TAG_pointer_type [6]
1361                   AT_type( {0x00000067} ( int ) )
1362                   AT_byte_size( 0x08 )
1364 The DW_TAG_pointer_type is not included because it does not have a ``DW_AT_name``.
1366 "``.apple_namespaces``" section should contain all ``DW_TAG_namespace`` DIEs.
1367 If we run into a namespace that has no name this is an anonymous namespace, and
1368 the name should be output as "``(anonymous namespace)``" (without the quotes).
1369 Why?  This matches the output of the ``abi::cxa_demangle()`` that is in the
1370 standard C++ library that demangles mangled names.
1373 Language Extensions and File Format Changes
1374 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1376 Objective-C Extensions
1377 """"""""""""""""""""""
1379 "``.apple_objc``" section should contain all ``DW_TAG_subprogram`` DIEs for an
1380 Objective-C class.  The name used in the hash table is the name of the
1381 Objective-C class itself.  If the Objective-C class has a category, then an
1382 entry is made for both the class name without the category, and for the class
1383 name with the category.  So if we have a DIE at offset 0x1234 with a name of
1384 method "``-[NSString(my_additions) stringWithSpecialString:]``", we would add
1385 an entry for "``NSString``" that points to DIE 0x1234, and an entry for
1386 "``NSString(my_additions)``" that points to 0x1234.  This allows us to quickly
1387 track down all Objective-C methods for an Objective-C class when doing
1388 expressions.  It is needed because of the dynamic nature of Objective-C where
1389 anyone can add methods to a class.  The DWARF for Objective-C methods is also
1390 emitted differently from C++ classes where the methods are not usually
1391 contained in the class definition, they are scattered about across one or more
1392 compile units.  Categories can also be defined in different shared libraries.
1393 So we need to be able to quickly find all of the methods and class functions
1394 given the Objective-C class name, or quickly find all methods and class
1395 functions for a class + category name.  This table does not contain any
1396 selector names, it just maps Objective-C class names (or class names +
1397 category) to all of the methods and class functions.  The selectors are added
1398 as function basenames in the "``.debug_names``" section.
1400 In the "``.apple_names``" section for Objective-C functions, the full name is
1401 the entire function name with the brackets ("``-[NSString
1402 stringWithCString:]``") and the basename is the selector only
1403 ("``stringWithCString:``").
1405 Mach-O Changes
1406 """"""""""""""
1408 The sections names for the apple hash tables are for non-mach-o files.  For
1409 mach-o files, the sections should be contained in the ``__DWARF`` segment with
1410 names as follows:
1412 * "``.apple_names``" -> "``__apple_names``"
1413 * "``.apple_types``" -> "``__apple_types``"
1414 * "``.apple_namespaces``" -> "``__apple_namespac``" (16 character limit)
1415 * "``.apple_objc``" -> "``__apple_objc``"
1417 .. _codeview:
1419 CodeView Debug Info Format
1420 ==========================
1422 LLVM supports emitting CodeView, the Microsoft debug info format, and this
1423 section describes the design and implementation of that support.
1425 Format Background
1426 -----------------
1428 CodeView as a format is clearly oriented around C++ debugging, and in C++, the
1429 majority of debug information tends to be type information. Therefore, the
1430 overriding design constraint of CodeView is the separation of type information
1431 from other "symbol" information so that type information can be efficiently
1432 merged across translation units. Both type information and symbol information is
1433 generally stored as a sequence of records, where each record begins with a
1434 16-bit record size and a 16-bit record kind.
1436 Type information is usually stored in the ``.debug$T`` section of the object
1437 file.  All other debug info, such as line info, string table, symbol info, and
1438 inlinee info, is stored in one or more ``.debug$S`` sections. There may only be
1439 one ``.debug$T`` section per object file, since all other debug info refers to
1440 it. If a PDB (enabled by the ``/Zi`` MSVC option) was used during compilation,
1441 the ``.debug$T`` section will contain only an ``LF_TYPESERVER2`` record pointing
1442 to the PDB. When using PDBs, symbol information appears to remain in the object
1443 file ``.debug$S`` sections.
1445 Type records are referred to by their index, which is the number of records in
1446 the stream before a given record plus ``0x1000``. Many common basic types, such
1447 as the basic integral types and unqualified pointers to them, are represented
1448 using type indices less than ``0x1000``. Such basic types are built in to
1449 CodeView consumers and do not require type records.
1451 Each type record may only contain type indices that are less than its own type
1452 index. This ensures that the graph of type stream references is acyclic. While
1453 the source-level type graph may contain cycles through pointer types (consider a
1454 linked list struct), these cycles are removed from the type stream by always
1455 referring to the forward declaration record of user-defined record types. Only
1456 "symbol" records in the ``.debug$S`` streams may refer to complete,
1457 non-forward-declaration type records.
1459 Working with CodeView
1460 ---------------------
1462 These are instructions for some common tasks for developers working to improve
1463 LLVM's CodeView support. Most of them revolve around using the CodeView dumper
1464 embedded in ``llvm-readobj``.
1466 * Testing MSVC's output::
1468     $ cl -c -Z7 foo.cpp # Use /Z7 to keep types in the object file
1469     $ llvm-readobj -codeview foo.obj
1471 * Getting LLVM IR debug info out of Clang::
1473     $ clang -g -gcodeview --target=x86_64-windows-msvc foo.cpp -S -emit-llvm
1475   Use this to generate LLVM IR for LLVM test cases.
1477 * Generate and dump CodeView from LLVM IR metadata::
1479     $ llc foo.ll -filetype=obj -o foo.obj
1480     $ llvm-readobj -codeview foo.obj > foo.txt
1482   Use this pattern in lit test cases and FileCheck the output of llvm-readobj
1484 Improving LLVM's CodeView support is a process of finding interesting type
1485 records, constructing a C++ test case that makes MSVC emit those records,
1486 dumping the records, understanding them, and then generating equivalent records
1487 in LLVM's backend.
1489 Testing Debug Info Preservation in Optimizations
1490 ================================================
1492 The following paragraphs are an introduction to the debugify utility
1493 and examples of how to use it in regression tests to check debug info
1494 preservation after optimizations.
1496 The ``debugify`` utility
1497 ------------------------
1499 The ``debugify`` synthetic debug info testing utility consists of two
1500 main parts. The ``debugify`` pass and the ``check-debugify`` one. They are
1501 meant to be used with ``opt`` for development purposes.
1503 The first applies synthetic debug information to every instruction of the module,
1504 while the latter checks that this DI is still available after an optimization
1505 has occurred, reporting any errors/warnings while doing so.
1507 The instructions are assigned sequentially increasing line locations,
1508 and are immediately used by debug value intrinsics when possible.
1510 For example, here is a module before:
1512 .. code-block:: llvm
1514    define void @f(i32* %x) {
1515    entry:
1516      %x.addr = alloca i32*, align 8
1517      store i32* %x, i32** %x.addr, align 8
1518      %0 = load i32*, i32** %x.addr, align 8
1519      store i32 10, i32* %0, align 4
1520      ret void
1521    }
1523 and after running ``opt -debugify``  on it we get:
1525 .. code-block:: text
1527    define void @f(i32* %x) !dbg !6 {
1528    entry:
1529      %x.addr = alloca i32*, align 8, !dbg !12
1530      call void @llvm.dbg.value(metadata i32** %x.addr, metadata !9, metadata !DIExpression()), !dbg !12
1531      store i32* %x, i32** %x.addr, align 8, !dbg !13
1532      %0 = load i32*, i32** %x.addr, align 8, !dbg !14
1533      call void @llvm.dbg.value(metadata i32* %0, metadata !11, metadata !DIExpression()), !dbg !14
1534      store i32 10, i32* %0, align 4, !dbg !15
1535      ret void, !dbg !16
1536    }
1538    !llvm.dbg.cu = !{!0}
1539    !llvm.debugify = !{!3, !4}
1540    !llvm.module.flags = !{!5}
1542    !0 = distinct !DICompileUnit(language: DW_LANG_C, file: !1, producer: "debugify", isOptimized: true, runtimeVersion: 0, emissionKind: FullDebug, enums: !2)
1543    !1 = !DIFile(filename: "debugify-sample.ll", directory: "/")
1544    !2 = !{}
1545    !3 = !{i32 5}
1546    !4 = !{i32 2}
1547    !5 = !{i32 2, !"Debug Info Version", i32 3}
1548    !6 = distinct !DISubprogram(name: "f", linkageName: "f", scope: null, file: !1, line: 1, type: !7, isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1, isOptimized: true, unit: !0, retainedNodes: !8)
1549    !7 = !DISubroutineType(types: !2)
1550    !8 = !{!9, !11}
1551    !9 = !DILocalVariable(name: "1", scope: !6, file: !1, line: 1, type: !10)
1552    !10 = !DIBasicType(name: "ty64", size: 64, encoding: DW_ATE_unsigned)
1553    !11 = !DILocalVariable(name: "2", scope: !6, file: !1, line: 3, type: !10)
1554    !12 = !DILocation(line: 1, column: 1, scope: !6)
1555    !13 = !DILocation(line: 2, column: 1, scope: !6)
1556    !14 = !DILocation(line: 3, column: 1, scope: !6)
1557    !15 = !DILocation(line: 4, column: 1, scope: !6)
1558    !16 = !DILocation(line: 5, column: 1, scope: !6)
1560 The following is an example of the -check-debugify output:
1562 .. code-block:: none
1564    $ opt -enable-debugify -loop-vectorize llvm/test/Transforms/LoopVectorize/i8-induction.ll -disable-output
1565    ERROR: Instruction with empty DebugLoc in function f --  %index = phi i32 [ 0, %vector.ph ], [ %index.next, %vector.body ]
1567 Errors/warnings can range from instructions with empty debug location to an
1568 instruction having a type that's incompatible with the source variable it describes,
1569 all the way to missing lines and missing debug value intrinsics.
1571 Fixing errors
1572 ^^^^^^^^^^^^^
1574 Each of the errors above has a relevant API available to fix it.
1576 * In the case of missing debug location, ``Instruction::setDebugLoc`` or possibly
1577   ``IRBuilder::setCurrentDebugLocation`` when using a Builder and the new location
1578   should be reused.
1580 * When a debug value has incompatible type ``llvm::replaceAllDbgUsesWith`` can be used.
1581   After a RAUW call an incompatible type error can occur because RAUW does not handle
1582   widening and narrowing of variables while ``llvm::replaceAllDbgUsesWith`` does. It is
1583   also capable of changing the DWARF expression used by the debugger to describe the variable.
1584   It also prevents use-before-def by salvaging or deleting invalid debug values.
1586 * When a debug value is missing ``llvm::salvageDebugInfo`` can be used when no replacement
1587   exists, or ``llvm::replaceAllDbgUsesWith`` when a replacement exists.
1589 Using ``debugify``
1590 ------------------
1592 In order for ``check-debugify`` to work, the DI must be coming from
1593 ``debugify``. Thus, modules with existing DI will be skipped.
1595 The most straightforward way to use ``debugify`` is as follows::
1597   $ opt -debugify -pass-to-test -check-debugify sample.ll
1599 This will inject synthetic DI to ``sample.ll`` run the ``pass-to-test``
1600 and then check for missing DI.
1602 Some other ways to run debugify are avaliable:
1604 .. code-block:: bash
1606    # Same as the above example.
1607    $ opt -enable-debugify -pass-to-test sample.ll
1609    # Suppresses verbose debugify output.
1610    $ opt -enable-debugify -debugify-quiet -pass-to-test sample.ll
1612    # Prepend -debugify before and append -check-debugify -strip after
1613    # each pass on the pipeline (similar to -verify-each).
1614    $ opt -debugify-each -O2 sample.ll
1616 ``debugify`` can also be used to test a backend, e.g:
1618 .. code-block:: bash
1620    $ opt -debugify < sample.ll | llc -o -
1622 ``debugify`` in regression tests
1623 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1625 The ``-debugify`` pass is especially helpful when it comes to testing that
1626 a given pass preserves DI while transforming the module. For this to work,
1627 the ``-debugify`` output must be stable enough to use in regression tests.
1628 Changes to this pass are not allowed to break existing tests.
1630 It allows us to test for DI loss in the same tests we check that the
1631 transformation is actually doing what it should.
1633 Here is an example from ``test/Transforms/InstCombine/cast-mul-select.ll``:
1635 .. code-block:: llvm
1637    ; RUN: opt < %s -debugify -instcombine -S | FileCheck %s --check-prefix=DEBUGINFO
1639    define i32 @mul(i32 %x, i32 %y) {
1640    ; DBGINFO-LABEL: @mul(
1641    ; DBGINFO-NEXT:    [[C:%.*]] = mul i32 {{.*}}
1642    ; DBGINFO-NEXT:    call void @llvm.dbg.value(metadata i32 [[C]]
1643    ; DBGINFO-NEXT:    [[D:%.*]] = and i32 {{.*}}
1644    ; DBGINFO-NEXT:    call void @llvm.dbg.value(metadata i32 [[D]]
1646      %A = trunc i32 %x to i8
1647      %B = trunc i32 %y to i8
1648      %C = mul i8 %A, %B
1649      %D = zext i8 %C to i32
1650      ret i32 %D
1651    }
1653 Here we test that the two ``dbg.value`` instrinsics are preserved and
1654 are correctly pointing to the ``[[C]]`` and ``[[D]]`` variables.
1656 .. note::
1658    Note, that when writing this kind of regression tests, it is important
1659    to make them as robust as possible. That's why we should try to avoid
1660    hardcoding line/variable numbers in check lines. If for example you test
1661    for a ``DILocation`` to have a specific line number, and someone later adds
1662    an instruction before the one we check the test will fail. In the cases this
1663    can't be avoided (say, if a test wouldn't be precise enough), moving the
1664    test to it's own file is preferred.