[llvm-exegesis][NFC] Pass Instruction instead of bare Opcode
[llvm-core.git] / docs / GetElementPtr.rst
blobb593871695fac9dbc754bed791f52ceba4873b3d
1 =======================================
2 The Often Misunderstood GEP Instruction
3 =======================================
5 .. contents::
6    :local:
8 Introduction
9 ============
11 This document seeks to dispel the mystery and confusion surrounding LLVM's
12 `GetElementPtr <LangRef.html#getelementptr-instruction>`_ (GEP) instruction.
13 Questions about the wily GEP instruction are probably the most frequently
14 occurring questions once a developer gets down to coding with LLVM. Here we lay
15 out the sources of confusion and show that the GEP instruction is really quite
16 simple.
18 Address Computation
19 ===================
21 When people are first confronted with the GEP instruction, they tend to relate
22 it to known concepts from other programming paradigms, most notably C array
23 indexing and field selection. GEP closely resembles C array indexing and field
24 selection, however it is a little different and this leads to the following
25 questions.
27 What is the first index of the GEP instruction?
28 -----------------------------------------------
30 Quick answer: The index stepping through the second operand.
32 The confusion with the first index usually arises from thinking about the
33 GetElementPtr instruction as if it was a C index operator. They aren't the
34 same. For example, when we write, in "C":
36 .. code-block:: c++
38   AType *Foo;
39   ...
40   X = &Foo->F;
42 it is natural to think that there is only one index, the selection of the field
43 ``F``.  However, in this example, ``Foo`` is a pointer. That pointer
44 must be indexed explicitly in LLVM. C, on the other hand, indices through it
45 transparently.  To arrive at the same address location as the C code, you would
46 provide the GEP instruction with two index operands. The first operand indexes
47 through the pointer; the second operand indexes the field ``F`` of the
48 structure, just as if you wrote:
50 .. code-block:: c++
52   X = &Foo[0].F;
54 Sometimes this question gets rephrased as:
56 .. _GEP index through first pointer:
58   *Why is it okay to index through the first pointer, but subsequent pointers
59   won't be dereferenced?*
61 The answer is simply because memory does not have to be accessed to perform the
62 computation. The second operand to the GEP instruction must be a value of a
63 pointer type. The value of the pointer is provided directly to the GEP
64 instruction as an operand without any need for accessing memory. It must,
65 therefore be indexed and requires an index operand. Consider this example:
67 .. code-block:: c++
69   struct munger_struct {
70     int f1;
71     int f2;
72   };
73   void munge(struct munger_struct *P) {
74     P[0].f1 = P[1].f1 + P[2].f2;
75   }
76   ...
77   munger_struct Array[3];
78   ...
79   munge(Array);
81 In this "C" example, the front end compiler (Clang) will generate three GEP
82 instructions for the three indices through "P" in the assignment statement.  The
83 function argument ``P`` will be the second operand of each of these GEP
84 instructions.  The third operand indexes through that pointer.  The fourth
85 operand will be the field offset into the ``struct munger_struct`` type, for
86 either the ``f1`` or ``f2`` field. So, in LLVM assembly the ``munge`` function
87 looks like:
89 .. code-block:: llvm
91   void %munge(%struct.munger_struct* %P) {
92   entry:
93     %tmp = getelementptr %struct.munger_struct, %struct.munger_struct* %P, i32 1, i32 0
94     %tmp = load i32* %tmp
95     %tmp6 = getelementptr %struct.munger_struct, %struct.munger_struct* %P, i32 2, i32 1
96     %tmp7 = load i32* %tmp6
97     %tmp8 = add i32 %tmp7, %tmp
98     %tmp9 = getelementptr %struct.munger_struct, %struct.munger_struct* %P, i32 0, i32 0
99     store i32 %tmp8, i32* %tmp9
100     ret void
101   }
103 In each case the second operand is the pointer through which the GEP instruction
104 starts. The same is true whether the second operand is an argument, allocated
105 memory, or a global variable.
107 To make this clear, let's consider a more obtuse example:
109 .. code-block:: text
111   %MyVar = uninitialized global i32
112   ...
113   %idx1 = getelementptr i32, i32* %MyVar, i64 0
114   %idx2 = getelementptr i32, i32* %MyVar, i64 1
115   %idx3 = getelementptr i32, i32* %MyVar, i64 2
117 These GEP instructions are simply making address computations from the base
118 address of ``MyVar``.  They compute, as follows (using C syntax):
120 .. code-block:: c++
122   idx1 = (char*) &MyVar + 0
123   idx2 = (char*) &MyVar + 4
124   idx3 = (char*) &MyVar + 8
126 Since the type ``i32`` is known to be four bytes long, the indices 0, 1 and 2
127 translate into memory offsets of 0, 4, and 8, respectively. No memory is
128 accessed to make these computations because the address of ``%MyVar`` is passed
129 directly to the GEP instructions.
131 The obtuse part of this example is in the cases of ``%idx2`` and ``%idx3``. They
132 result in the computation of addresses that point to memory past the end of the
133 ``%MyVar`` global, which is only one ``i32`` long, not three ``i32``\s long.
134 While this is legal in LLVM, it is inadvisable because any load or store with
135 the pointer that results from these GEP instructions would produce undefined
136 results.
138 Why is the extra 0 index required?
139 ----------------------------------
141 Quick answer: there are no superfluous indices.
143 This question arises most often when the GEP instruction is applied to a global
144 variable which is always a pointer type. For example, consider this:
146 .. code-block:: text
148   %MyStruct = uninitialized global { float*, i32 }
149   ...
150   %idx = getelementptr { float*, i32 }, { float*, i32 }* %MyStruct, i64 0, i32 1
152 The GEP above yields an ``i32*`` by indexing the ``i32`` typed field of the
153 structure ``%MyStruct``. When people first look at it, they wonder why the ``i64
154 0`` index is needed. However, a closer inspection of how globals and GEPs work
155 reveals the need. Becoming aware of the following facts will dispel the
156 confusion:
158 #. The type of ``%MyStruct`` is *not* ``{ float*, i32 }`` but rather ``{ float*,
159    i32 }*``. That is, ``%MyStruct`` is a pointer to a structure containing a
160    pointer to a ``float`` and an ``i32``.
162 #. Point #1 is evidenced by noticing the type of the second operand of the GEP
163    instruction (``%MyStruct``) which is ``{ float*, i32 }*``.
165 #. The first index, ``i64 0`` is required to step over the global variable
166    ``%MyStruct``.  Since the second argument to the GEP instruction must always
167    be a value of pointer type, the first index steps through that pointer. A
168    value of 0 means 0 elements offset from that pointer.
170 #. The second index, ``i32 1`` selects the second field of the structure (the
171    ``i32``).
173 What is dereferenced by GEP?
174 ----------------------------
176 Quick answer: nothing.
178 The GetElementPtr instruction dereferences nothing. That is, it doesn't access
179 memory in any way. That's what the Load and Store instructions are for.  GEP is
180 only involved in the computation of addresses. For example, consider this:
182 .. code-block:: text
184   %MyVar = uninitialized global { [40 x i32 ]* }
185   ...
186   %idx = getelementptr { [40 x i32]* }, { [40 x i32]* }* %MyVar, i64 0, i32 0, i64 0, i64 17
188 In this example, we have a global variable, ``%MyVar`` that is a pointer to a
189 structure containing a pointer to an array of 40 ints. The GEP instruction seems
190 to be accessing the 18th integer of the structure's array of ints. However, this
191 is actually an illegal GEP instruction. It won't compile. The reason is that the
192 pointer in the structure *must* be dereferenced in order to index into the
193 array of 40 ints. Since the GEP instruction never accesses memory, it is
194 illegal.
196 In order to access the 18th integer in the array, you would need to do the
197 following:
199 .. code-block:: text
201   %idx = getelementptr { [40 x i32]* }, { [40 x i32]* }* %, i64 0, i32 0
202   %arr = load [40 x i32]** %idx
203   %idx = getelementptr [40 x i32], [40 x i32]* %arr, i64 0, i64 17
205 In this case, we have to load the pointer in the structure with a load
206 instruction before we can index into the array. If the example was changed to:
208 .. code-block:: text
210   %MyVar = uninitialized global { [40 x i32 ] }
211   ...
212   %idx = getelementptr { [40 x i32] }, { [40 x i32] }*, i64 0, i32 0, i64 17
214 then everything works fine. In this case, the structure does not contain a
215 pointer and the GEP instruction can index through the global variable, into the
216 first field of the structure and access the 18th ``i32`` in the array there.
218 Why don't GEP x,0,0,1 and GEP x,1 alias?
219 ----------------------------------------
221 Quick Answer: They compute different address locations.
223 If you look at the first indices in these GEP instructions you find that they
224 are different (0 and 1), therefore the address computation diverges with that
225 index. Consider this example:
227 .. code-block:: llvm
229   %MyVar = global { [10 x i32] }
230   %idx1 = getelementptr { [10 x i32] }, { [10 x i32] }* %MyVar, i64 0, i32 0, i64 1
231   %idx2 = getelementptr { [10 x i32] }, { [10 x i32] }* %MyVar, i64 1
233 In this example, ``idx1`` computes the address of the second integer in the
234 array that is in the structure in ``%MyVar``, that is ``MyVar+4``. The type of
235 ``idx1`` is ``i32*``. However, ``idx2`` computes the address of *the next*
236 structure after ``%MyVar``. The type of ``idx2`` is ``{ [10 x i32] }*`` and its
237 value is equivalent to ``MyVar + 40`` because it indexes past the ten 4-byte
238 integers in ``MyVar``. Obviously, in such a situation, the pointers don't
239 alias.
241 Why do GEP x,1,0,0 and GEP x,1 alias?
242 -------------------------------------
244 Quick Answer: They compute the same address location.
246 These two GEP instructions will compute the same address because indexing
247 through the 0th element does not change the address. However, it does change the
248 type. Consider this example:
250 .. code-block:: llvm
252   %MyVar = global { [10 x i32] }
253   %idx1 = getelementptr { [10 x i32] }, { [10 x i32] }* %MyVar, i64 1, i32 0, i64 0
254   %idx2 = getelementptr { [10 x i32] }, { [10 x i32] }* %MyVar, i64 1
256 In this example, the value of ``%idx1`` is ``%MyVar+40`` and its type is
257 ``i32*``. The value of ``%idx2`` is also ``MyVar+40`` but its type is ``{ [10 x
258 i32] }*``.
260 Can GEP index into vector elements?
261 -----------------------------------
263 This hasn't always been forcefully disallowed, though it's not recommended.  It
264 leads to awkward special cases in the optimizers, and fundamental inconsistency
265 in the IR. In the future, it will probably be outright disallowed.
267 What effect do address spaces have on GEPs?
268 -------------------------------------------
270 None, except that the address space qualifier on the second operand pointer type
271 always matches the address space qualifier on the result type.
273 How is GEP different from ``ptrtoint``, arithmetic, and ``inttoptr``?
274 ---------------------------------------------------------------------
276 It's very similar; there are only subtle differences.
278 With ptrtoint, you have to pick an integer type. One approach is to pick i64;
279 this is safe on everything LLVM supports (LLVM internally assumes pointers are
280 never wider than 64 bits in many places), and the optimizer will actually narrow
281 the i64 arithmetic down to the actual pointer size on targets which don't
282 support 64-bit arithmetic in most cases. However, there are some cases where it
283 doesn't do this. With GEP you can avoid this problem.
285 Also, GEP carries additional pointer aliasing rules. It's invalid to take a GEP
286 from one object, address into a different separately allocated object, and
287 dereference it. IR producers (front-ends) must follow this rule, and consumers
288 (optimizers, specifically alias analysis) benefit from being able to rely on
289 it. See the `Rules`_ section for more information.
291 And, GEP is more concise in common cases.
293 However, for the underlying integer computation implied, there is no
294 difference.
297 I'm writing a backend for a target which needs custom lowering for GEP. How do I do this?
298 -----------------------------------------------------------------------------------------
300 You don't. The integer computation implied by a GEP is target-independent.
301 Typically what you'll need to do is make your backend pattern-match expressions
302 trees involving ADD, MUL, etc., which are what GEP is lowered into. This has the
303 advantage of letting your code work correctly in more cases.
305 GEP does use target-dependent parameters for the size and layout of data types,
306 which targets can customize.
308 If you require support for addressing units which are not 8 bits, you'll need to
309 fix a lot of code in the backend, with GEP lowering being only a small piece of
310 the overall picture.
312 How does VLA addressing work with GEPs?
313 ---------------------------------------
315 GEPs don't natively support VLAs. LLVM's type system is entirely static, and GEP
316 address computations are guided by an LLVM type.
318 VLA indices can be implemented as linearized indices. For example, an expression
319 like ``X[a][b][c]``, must be effectively lowered into a form like
320 ``X[a*m+b*n+c]``, so that it appears to the GEP as a single-dimensional array
321 reference.
323 This means if you want to write an analysis which understands array indices and
324 you want to support VLAs, your code will have to be prepared to reverse-engineer
325 the linearization. One way to solve this problem is to use the ScalarEvolution
326 library, which always presents VLA and non-VLA indexing in the same manner.
328 .. _Rules:
330 Rules
331 =====
333 What happens if an array index is out of bounds?
334 ------------------------------------------------
336 There are two senses in which an array index can be out of bounds.
338 First, there's the array type which comes from the (static) type of the first
339 operand to the GEP. Indices greater than the number of elements in the
340 corresponding static array type are valid. There is no problem with out of
341 bounds indices in this sense. Indexing into an array only depends on the size of
342 the array element, not the number of elements.
344 A common example of how this is used is arrays where the size is not known.
345 It's common to use array types with zero length to represent these. The fact
346 that the static type says there are zero elements is irrelevant; it's perfectly
347 valid to compute arbitrary element indices, as the computation only depends on
348 the size of the array element, not the number of elements. Note that zero-sized
349 arrays are not a special case here.
351 This sense is unconnected with ``inbounds`` keyword. The ``inbounds`` keyword is
352 designed to describe low-level pointer arithmetic overflow conditions, rather
353 than high-level array indexing rules.
355 Analysis passes which wish to understand array indexing should not assume that
356 the static array type bounds are respected.
358 The second sense of being out of bounds is computing an address that's beyond
359 the actual underlying allocated object.
361 With the ``inbounds`` keyword, the result value of the GEP is undefined if the
362 address is outside the actual underlying allocated object and not the address
363 one-past-the-end.
365 Without the ``inbounds`` keyword, there are no restrictions on computing
366 out-of-bounds addresses. Obviously, performing a load or a store requires an
367 address of allocated and sufficiently aligned memory. But the GEP itself is only
368 concerned with computing addresses.
370 Can array indices be negative?
371 ------------------------------
373 Yes. This is basically a special case of array indices being out of bounds.
375 Can I compare two values computed with GEPs?
376 --------------------------------------------
378 Yes. If both addresses are within the same allocated object, or
379 one-past-the-end, you'll get the comparison result you expect. If either is
380 outside of it, integer arithmetic wrapping may occur, so the comparison may not
381 be meaningful.
383 Can I do GEP with a different pointer type than the type of the underlying object?
384 ----------------------------------------------------------------------------------
386 Yes. There are no restrictions on bitcasting a pointer value to an arbitrary
387 pointer type. The types in a GEP serve only to define the parameters for the
388 underlying integer computation. They need not correspond with the actual type of
389 the underlying object.
391 Furthermore, loads and stores don't have to use the same types as the type of
392 the underlying object. Types in this context serve only to specify memory size
393 and alignment. Beyond that there are merely a hint to the optimizer indicating
394 how the value will likely be used.
396 Can I cast an object's address to integer and add it to null?
397 -------------------------------------------------------------
399 You can compute an address that way, but if you use GEP to do the add, you can't
400 use that pointer to actually access the object, unless the object is managed
401 outside of LLVM.
403 The underlying integer computation is sufficiently defined; null has a defined
404 value --- zero --- and you can add whatever value you want to it.
406 However, it's invalid to access (load from or store to) an LLVM-aware object
407 with such a pointer. This includes ``GlobalVariables``, ``Allocas``, and objects
408 pointed to by noalias pointers.
410 If you really need this functionality, you can do the arithmetic with explicit
411 integer instructions, and use inttoptr to convert the result to an address. Most
412 of GEP's special aliasing rules do not apply to pointers computed from ptrtoint,
413 arithmetic, and inttoptr sequences.
415 Can I compute the distance between two objects, and add that value to one address to compute the other address?
416 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
418 As with arithmetic on null, you can use GEP to compute an address that way, but
419 you can't use that pointer to actually access the object if you do, unless the
420 object is managed outside of LLVM.
422 Also as above, ptrtoint and inttoptr provide an alternative way to do this which
423 do not have this restriction.
425 Can I do type-based alias analysis on LLVM IR?
426 ----------------------------------------------
428 You can't do type-based alias analysis using LLVM's built-in type system,
429 because LLVM has no restrictions on mixing types in addressing, loads or stores.
431 LLVM's type-based alias analysis pass uses metadata to describe a different type
432 system (such as the C type system), and performs type-based aliasing on top of
433 that.  Further details are in the
434 `language reference <LangRef.html#tbaa-metadata>`_.
436 What happens if a GEP computation overflows?
437 --------------------------------------------
439 If the GEP lacks the ``inbounds`` keyword, the value is the result from
440 evaluating the implied two's complement integer computation. However, since
441 there's no guarantee of where an object will be allocated in the address space,
442 such values have limited meaning.
444 If the GEP has the ``inbounds`` keyword, the result value is undefined (a "trap
445 value") if the GEP overflows (i.e. wraps around the end of the address space).
447 As such, there are some ramifications of this for inbounds GEPs: scales implied
448 by array/vector/pointer indices are always known to be "nsw" since they are
449 signed values that are scaled by the element size.  These values are also
450 allowed to be negative (e.g. "``gep i32 *%P, i32 -1``") but the pointer itself
451 is logically treated as an unsigned value.  This means that GEPs have an
452 asymmetric relation between the pointer base (which is treated as unsigned) and
453 the offset applied to it (which is treated as signed). The result of the
454 additions within the offset calculation cannot have signed overflow, but when
455 applied to the base pointer, there can be signed overflow.
457 How can I tell if my front-end is following the rules?
458 ------------------------------------------------------
460 There is currently no checker for the getelementptr rules. Currently, the only
461 way to do this is to manually check each place in your front-end where
462 GetElementPtr operators are created.
464 It's not possible to write a checker which could find all rule violations
465 statically. It would be possible to write a checker which works by instrumenting
466 the code with dynamic checks though. Alternatively, it would be possible to
467 write a static checker which catches a subset of possible problems. However, no
468 such checker exists today.
470 Rationale
471 =========
473 Why is GEP designed this way?
474 -----------------------------
476 The design of GEP has the following goals, in rough unofficial order of
477 priority:
479 * Support C, C-like languages, and languages which can be conceptually lowered
480   into C (this covers a lot).
482 * Support optimizations such as those that are common in C compilers. In
483   particular, GEP is a cornerstone of LLVM's `pointer aliasing
484   model <LangRef.html#pointeraliasing>`_.
486 * Provide a consistent method for computing addresses so that address
487   computations don't need to be a part of load and store instructions in the IR.
489 * Support non-C-like languages, to the extent that it doesn't interfere with
490   other goals.
492 * Minimize target-specific information in the IR.
494 Why do struct member indices always use ``i32``?
495 ------------------------------------------------
497 The specific type i32 is probably just a historical artifact, however it's wide
498 enough for all practical purposes, so there's been no need to change it.  It
499 doesn't necessarily imply i32 address arithmetic; it's just an identifier which
500 identifies a field in a struct. Requiring that all struct indices be the same
501 reduces the range of possibilities for cases where two GEPs are effectively the
502 same but have distinct operand types.
504 What's an uglygep?
505 ------------------
507 Some LLVM optimizers operate on GEPs by internally lowering them into more
508 primitive integer expressions, which allows them to be combined with other
509 integer expressions and/or split into multiple separate integer expressions. If
510 they've made non-trivial changes, translating back into LLVM IR can involve
511 reverse-engineering the structure of the addressing in order to fit it into the
512 static type of the original first operand. It isn't always possibly to fully
513 reconstruct this structure; sometimes the underlying addressing doesn't
514 correspond with the static type at all. In such cases the optimizer instead will
515 emit a GEP with the base pointer casted to a simple address-unit pointer, using
516 the name "uglygep". This isn't pretty, but it's just as valid, and it's
517 sufficient to preserve the pointer aliasing guarantees that GEP provides.
519 Summary
520 =======
522 In summary, here's some things to always remember about the GetElementPtr
523 instruction:
526 #. The GEP instruction never accesses memory, it only provides pointer
527    computations.
529 #. The second operand to the GEP instruction is always a pointer and it must be
530    indexed.
532 #. There are no superfluous indices for the GEP instruction.
534 #. Trailing zero indices are superfluous for pointer aliasing, but not for the
535    types of the pointers.
537 #. Leading zero indices are not superfluous for pointer aliasing nor the types
538    of the pointers.