[SanitizerCoverage] Clang crashes if user declares `__sancov_lowest_stack` variable
[llvm-core.git] / docs / ProgrammersManual.rst
blobe2cb14b42404b48d509fca2b17790566990e9ef0
1 ========================
2 LLVM Programmer's Manual
3 ========================
5 .. contents::
6    :local:
8 .. warning::
9    This is always a work in progress.
11 .. _introduction:
13 Introduction
14 ============
16 This document is meant to highlight some of the important classes and interfaces
17 available in the LLVM source-base.  This manual is not intended to explain what
18 LLVM is, how it works, and what LLVM code looks like.  It assumes that you know
19 the basics of LLVM and are interested in writing transformations or otherwise
20 analyzing or manipulating the code.
22 This document should get you oriented so that you can find your way in the
23 continuously growing source code that makes up the LLVM infrastructure.  Note
24 that this manual is not intended to serve as a replacement for reading the
25 source code, so if you think there should be a method in one of these classes to
26 do something, but it's not listed, check the source.  Links to the `doxygen
27 <http://llvm.org/doxygen/>`__ sources are provided to make this as easy as
28 possible.
30 The first section of this document describes general information that is useful
31 to know when working in the LLVM infrastructure, and the second describes the
32 Core LLVM classes.  In the future this manual will be extended with information
33 describing how to use extension libraries, such as dominator information, CFG
34 traversal routines, and useful utilities like the ``InstVisitor`` (`doxygen
35 <http://llvm.org/doxygen/InstVisitor_8h_source.html>`__) template.
37 .. _general:
39 General Information
40 ===================
42 This section contains general information that is useful if you are working in
43 the LLVM source-base, but that isn't specific to any particular API.
45 .. _stl:
47 The C++ Standard Template Library
48 ---------------------------------
50 LLVM makes heavy use of the C++ Standard Template Library (STL), perhaps much
51 more than you are used to, or have seen before.  Because of this, you might want
52 to do a little background reading in the techniques used and capabilities of the
53 library.  There are many good pages that discuss the STL, and several books on
54 the subject that you can get, so it will not be discussed in this document.
56 Here are some useful links:
58 #. `cppreference.com
59    <http://en.cppreference.com/w/>`_ - an excellent
60    reference for the STL and other parts of the standard C++ library.
62 #. `C++ In a Nutshell <http://www.tempest-sw.com/cpp/>`_ - This is an O'Reilly
63    book in the making.  It has a decent Standard Library Reference that rivals
64    Dinkumware's, and is unfortunately no longer free since the book has been
65    published.
67 #. `C++ Frequently Asked Questions <http://www.parashift.com/c++-faq-lite/>`_.
69 #. `SGI's STL Programmer's Guide <http://www.sgi.com/tech/stl/>`_ - Contains a
70    useful `Introduction to the STL
71    <http://www.sgi.com/tech/stl/stl_introduction.html>`_.
73 #. `Bjarne Stroustrup's C++ Page
74    <http://www.research.att.com/%7Ebs/C++.html>`_.
76 #. `Bruce Eckel's Thinking in C++, 2nd ed. Volume 2 Revision 4.0
77    (even better, get the book)
78    <http://www.mindview.net/Books/TICPP/ThinkingInCPP2e.html>`_.
80 You are also encouraged to take a look at the :doc:`LLVM Coding Standards
81 <CodingStandards>` guide which focuses on how to write maintainable code more
82 than where to put your curly braces.
84 .. _resources:
86 Other useful references
87 -----------------------
89 #. `Using static and shared libraries across platforms
90    <http://www.fortran-2000.com/ArnaudRecipes/sharedlib.html>`_
92 .. _apis:
94 Important and useful LLVM APIs
95 ==============================
97 Here we highlight some LLVM APIs that are generally useful and good to know
98 about when writing transformations.
100 .. _isa:
102 The ``isa<>``, ``cast<>`` and ``dyn_cast<>`` templates
103 ------------------------------------------------------
105 The LLVM source-base makes extensive use of a custom form of RTTI.  These
106 templates have many similarities to the C++ ``dynamic_cast<>`` operator, but
107 they don't have some drawbacks (primarily stemming from the fact that
108 ``dynamic_cast<>`` only works on classes that have a v-table).  Because they are
109 used so often, you must know what they do and how they work.  All of these
110 templates are defined in the ``llvm/Support/Casting.h`` (`doxygen
111 <http://llvm.org/doxygen/Casting_8h_source.html>`__) file (note that you very
112 rarely have to include this file directly).
114 ``isa<>``:
115   The ``isa<>`` operator works exactly like the Java "``instanceof``" operator.
116   It returns true or false depending on whether a reference or pointer points to
117   an instance of the specified class.  This can be very useful for constraint
118   checking of various sorts (example below).
120 ``cast<>``:
121   The ``cast<>`` operator is a "checked cast" operation.  It converts a pointer
122   or reference from a base class to a derived class, causing an assertion
123   failure if it is not really an instance of the right type.  This should be
124   used in cases where you have some information that makes you believe that
125   something is of the right type.  An example of the ``isa<>`` and ``cast<>``
126   template is:
128   .. code-block:: c++
130     static bool isLoopInvariant(const Value *V, const Loop *L) {
131       if (isa<Constant>(V) || isa<Argument>(V) || isa<GlobalValue>(V))
132         return true;
134       // Otherwise, it must be an instruction...
135       return !L->contains(cast<Instruction>(V)->getParent());
136     }
138   Note that you should **not** use an ``isa<>`` test followed by a ``cast<>``,
139   for that use the ``dyn_cast<>`` operator.
141 ``dyn_cast<>``:
142   The ``dyn_cast<>`` operator is a "checking cast" operation.  It checks to see
143   if the operand is of the specified type, and if so, returns a pointer to it
144   (this operator does not work with references).  If the operand is not of the
145   correct type, a null pointer is returned.  Thus, this works very much like
146   the ``dynamic_cast<>`` operator in C++, and should be used in the same
147   circumstances.  Typically, the ``dyn_cast<>`` operator is used in an ``if``
148   statement or some other flow control statement like this:
150   .. code-block:: c++
152     if (auto *AI = dyn_cast<AllocationInst>(Val)) {
153       // ...
154     }
156   This form of the ``if`` statement effectively combines together a call to
157   ``isa<>`` and a call to ``cast<>`` into one statement, which is very
158   convenient.
160   Note that the ``dyn_cast<>`` operator, like C++'s ``dynamic_cast<>`` or Java's
161   ``instanceof`` operator, can be abused.  In particular, you should not use big
162   chained ``if/then/else`` blocks to check for lots of different variants of
163   classes.  If you find yourself wanting to do this, it is much cleaner and more
164   efficient to use the ``InstVisitor`` class to dispatch over the instruction
165   type directly.
167 ``cast_or_null<>``:
168   The ``cast_or_null<>`` operator works just like the ``cast<>`` operator,
169   except that it allows for a null pointer as an argument (which it then
170   propagates).  This can sometimes be useful, allowing you to combine several
171   null checks into one.
173 ``dyn_cast_or_null<>``:
174   The ``dyn_cast_or_null<>`` operator works just like the ``dyn_cast<>``
175   operator, except that it allows for a null pointer as an argument (which it
176   then propagates).  This can sometimes be useful, allowing you to combine
177   several null checks into one.
179 These five templates can be used with any classes, whether they have a v-table
180 or not.  If you want to add support for these templates, see the document
181 :doc:`How to set up LLVM-style RTTI for your class hierarchy
182 <HowToSetUpLLVMStyleRTTI>`
184 .. _string_apis:
186 Passing strings (the ``StringRef`` and ``Twine`` classes)
187 ---------------------------------------------------------
189 Although LLVM generally does not do much string manipulation, we do have several
190 important APIs which take strings.  Two important examples are the Value class
191 -- which has names for instructions, functions, etc. -- and the ``StringMap``
192 class which is used extensively in LLVM and Clang.
194 These are generic classes, and they need to be able to accept strings which may
195 have embedded null characters.  Therefore, they cannot simply take a ``const
196 char *``, and taking a ``const std::string&`` requires clients to perform a heap
197 allocation which is usually unnecessary.  Instead, many LLVM APIs use a
198 ``StringRef`` or a ``const Twine&`` for passing strings efficiently.
200 .. _StringRef:
202 The ``StringRef`` class
203 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
205 The ``StringRef`` data type represents a reference to a constant string (a
206 character array and a length) and supports the common operations available on
207 ``std::string``, but does not require heap allocation.
209 It can be implicitly constructed using a C style null-terminated string, an
210 ``std::string``, or explicitly with a character pointer and length.  For
211 example, the ``StringRef`` find function is declared as:
213 .. code-block:: c++
215   iterator find(StringRef Key);
217 and clients can call it using any one of:
219 .. code-block:: c++
221   Map.find("foo");                 // Lookup "foo"
222   Map.find(std::string("bar"));    // Lookup "bar"
223   Map.find(StringRef("\0baz", 4)); // Lookup "\0baz"
225 Similarly, APIs which need to return a string may return a ``StringRef``
226 instance, which can be used directly or converted to an ``std::string`` using
227 the ``str`` member function.  See ``llvm/ADT/StringRef.h`` (`doxygen
228 <http://llvm.org/doxygen/StringRef_8h_source.html>`__) for more
229 information.
231 You should rarely use the ``StringRef`` class directly, because it contains
232 pointers to external memory it is not generally safe to store an instance of the
233 class (unless you know that the external storage will not be freed).
234 ``StringRef`` is small and pervasive enough in LLVM that it should always be
235 passed by value.
237 The ``Twine`` class
238 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
240 The ``Twine`` (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Twine.html>`__)
241 class is an efficient way for APIs to accept concatenated strings.  For example,
242 a common LLVM paradigm is to name one instruction based on the name of another
243 instruction with a suffix, for example:
245 .. code-block:: c++
247     New = CmpInst::Create(..., SO->getName() + ".cmp");
249 The ``Twine`` class is effectively a lightweight `rope
250 <http://en.wikipedia.org/wiki/Rope_(computer_science)>`_ which points to
251 temporary (stack allocated) objects.  Twines can be implicitly constructed as
252 the result of the plus operator applied to strings (i.e., a C strings, an
253 ``std::string``, or a ``StringRef``).  The twine delays the actual concatenation
254 of strings until it is actually required, at which point it can be efficiently
255 rendered directly into a character array.  This avoids unnecessary heap
256 allocation involved in constructing the temporary results of string
257 concatenation.  See ``llvm/ADT/Twine.h`` (`doxygen
258 <http://llvm.org/doxygen/Twine_8h_source.html>`__) and :ref:`here <dss_twine>`
259 for more information.
261 As with a ``StringRef``, ``Twine`` objects point to external memory and should
262 almost never be stored or mentioned directly.  They are intended solely for use
263 when defining a function which should be able to efficiently accept concatenated
264 strings.
266 .. _formatting_strings:
268 Formatting strings (the ``formatv`` function)
269 ---------------------------------------------
270 While LLVM doesn't necessarily do a lot of string manipulation and parsing, it
271 does do a lot of string formatting.  From diagnostic messages, to llvm tool
272 outputs such as ``llvm-readobj`` to printing verbose disassembly listings and
273 LLDB runtime logging, the need for string formatting is pervasive.
275 The ``formatv`` is similar in spirit to ``printf``, but uses a different syntax
276 which borrows heavily from Python and C#.  Unlike ``printf`` it deduces the type
277 to be formatted at compile time, so it does not need a format specifier such as
278 ``%d``.  This reduces the mental overhead of trying to construct portable format
279 strings, especially for platform-specific types like ``size_t`` or pointer types.
280 Unlike both ``printf`` and Python, it additionally fails to compile if LLVM does
281 not know how to format the type.  These two properties ensure that the function
282 is both safer and simpler to use than traditional formatting methods such as 
283 the ``printf`` family of functions.
285 Simple formatting
286 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
288 A call to ``formatv`` involves a single **format string** consisting of 0 or more
289 **replacement sequences**, followed by a variable length list of **replacement values**.
290 A replacement sequence is a string of the form ``{N[[,align]:style]}``.
292 ``N`` refers to the 0-based index of the argument from the list of replacement
293 values.  Note that this means it is possible to reference the same parameter
294 multiple times, possibly with different style and/or alignment options, in any order.
296 ``align`` is an optional string specifying the width of the field to format
297 the value into, and the alignment of the value within the field.  It is specified as
298 an optional **alignment style** followed by a positive integral **field width**.  The
299 alignment style can be one of the characters ``-`` (left align), ``=`` (center align),
300 or ``+`` (right align).  The default is right aligned.  
302 ``style`` is an optional string consisting of a type specific that controls the
303 formatting of the value.  For example, to format a floating point value as a percentage,
304 you can use the style option ``P``.
306 Custom formatting
307 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
309 There are two ways to customize the formatting behavior for a type.
311 1. Provide a template specialization of ``llvm::format_provider<T>`` for your
312    type ``T`` with the appropriate static format method.
314   .. code-block:: c++
315   
316     namespace llvm {
317       template<>
318       struct format_provider<MyFooBar> {
319         static void format(const MyFooBar &V, raw_ostream &Stream, StringRef Style) {
320           // Do whatever is necessary to format `V` into `Stream`
321         }
322       };
323       void foo() {
324         MyFooBar X;
325         std::string S = formatv("{0}", X);
326       }
327     }
328     
329   This is a useful extensibility mechanism for adding support for formatting your own
330   custom types with your own custom Style options.  But it does not help when you want
331   to extend the mechanism for formatting a type that the library already knows how to
332   format.  For that, we need something else.
333     
334 2. Provide a **format adapter** inheriting from ``llvm::FormatAdapter<T>``.
336   .. code-block:: c++
337   
338     namespace anything {
339       struct format_int_custom : public llvm::FormatAdapter<int> {
340         explicit format_int_custom(int N) : llvm::FormatAdapter<int>(N) {}
341         void format(llvm::raw_ostream &Stream, StringRef Style) override {
342           // Do whatever is necessary to format ``this->Item`` into ``Stream``
343         }
344       };
345     }
346     namespace llvm {
347       void foo() {
348         std::string S = formatv("{0}", anything::format_int_custom(42));
349       }
350     }
351     
352   If the type is detected to be derived from ``FormatAdapter<T>``, ``formatv``
353   will call the
354   ``format`` method on the argument passing in the specified style.  This allows
355   one to provide custom formatting of any type, including one which already has
356   a builtin format provider.
358 ``formatv`` Examples
359 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
360 Below is intended to provide an incomplete set of examples demonstrating
361 the usage of ``formatv``.  More information can be found by reading the
362 doxygen documentation or by looking at the unit test suite.
365 .. code-block:: c++
366   
367   std::string S;
368   // Simple formatting of basic types and implicit string conversion.
369   S = formatv("{0} ({1:P})", 7, 0.35);  // S == "7 (35.00%)"
370   
371   // Out-of-order referencing and multi-referencing
372   outs() << formatv("{0} {2} {1} {0}", 1, "test", 3); // prints "1 3 test 1"
373   
374   // Left, right, and center alignment
375   S = formatv("{0,7}",  'a');  // S == "      a";
376   S = formatv("{0,-7}", 'a');  // S == "a      ";
377   S = formatv("{0,=7}", 'a');  // S == "   a   ";
378   S = formatv("{0,+7}", 'a');  // S == "      a";
379   
380   // Custom styles
381   S = formatv("{0:N} - {0:x} - {1:E}", 12345, 123908342); // S == "12,345 - 0x3039 - 1.24E8"
382   
383   // Adapters
384   S = formatv("{0}", fmt_align(42, AlignStyle::Center, 7));  // S == "  42   "
385   S = formatv("{0}", fmt_repeat("hi", 3)); // S == "hihihi"
386   S = formatv("{0}", fmt_pad("hi", 2, 6)); // S == "  hi      "
387   
388   // Ranges
389   std::vector<int> V = {8, 9, 10};
390   S = formatv("{0}", make_range(V.begin(), V.end())); // S == "8, 9, 10"
391   S = formatv("{0:$[+]}", make_range(V.begin(), V.end())); // S == "8+9+10"
392   S = formatv("{0:$[ + ]@[x]}", make_range(V.begin(), V.end())); // S == "0x8 + 0x9 + 0xA"
394 .. _error_apis:
396 Error handling
397 --------------
399 Proper error handling helps us identify bugs in our code, and helps end-users
400 understand errors in their tool usage. Errors fall into two broad categories:
401 *programmatic* and *recoverable*, with different strategies for handling and
402 reporting.
404 Programmatic Errors
405 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
407 Programmatic errors are violations of program invariants or API contracts, and
408 represent bugs within the program itself. Our aim is to document invariants, and
409 to abort quickly at the point of failure (providing some basic diagnostic) when
410 invariants are broken at runtime.
412 The fundamental tools for handling programmatic errors are assertions and the
413 llvm_unreachable function. Assertions are used to express invariant conditions,
414 and should include a message describing the invariant:
416 .. code-block:: c++
418   assert(isPhysReg(R) && "All virt regs should have been allocated already.");
420 The llvm_unreachable function can be used to document areas of control flow
421 that should never be entered if the program invariants hold:
423 .. code-block:: c++
425   enum { Foo, Bar, Baz } X = foo();
427   switch (X) {
428     case Foo: /* Handle Foo */; break;
429     case Bar: /* Handle Bar */; break;
430     default:
431       llvm_unreachable("X should be Foo or Bar here");
432   }
434 Recoverable Errors
435 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
437 Recoverable errors represent an error in the program's environment, for example
438 a resource failure (a missing file, a dropped network connection, etc.), or
439 malformed input. These errors should be detected and communicated to a level of
440 the program where they can be handled appropriately. Handling the error may be
441 as simple as reporting the issue to the user, or it may involve attempts at
442 recovery.
444 .. note::
446    While it would be ideal to use this error handling scheme throughout
447    LLVM, there are places where this hasn't been practical to apply. In
448    situations where you absolutely must emit a non-programmatic error and
449    the ``Error`` model isn't workable you can call ``report_fatal_error``,
450    which will call installed error handlers, print a message, and exit the
451    program.
453 Recoverable errors are modeled using LLVM's ``Error`` scheme. This scheme
454 represents errors using function return values, similar to classic C integer
455 error codes, or C++'s ``std::error_code``. However, the ``Error`` class is
456 actually a lightweight wrapper for user-defined error types, allowing arbitrary
457 information to be attached to describe the error. This is similar to the way C++
458 exceptions allow throwing of user-defined types.
460 Success values are created by calling ``Error::success()``, E.g.:
462 .. code-block:: c++
464   Error foo() {
465     // Do something.
466     // Return success.
467     return Error::success();
468   }
470 Success values are very cheap to construct and return - they have minimal
471 impact on program performance.
473 Failure values are constructed using ``make_error<T>``, where ``T`` is any class
474 that inherits from the ErrorInfo utility, E.g.:
476 .. code-block:: c++
478   class BadFileFormat : public ErrorInfo<BadFileFormat> {
479   public:
480     static char ID;
481     std::string Path;
483     BadFileFormat(StringRef Path) : Path(Path.str()) {}
485     void log(raw_ostream &OS) const override {
486       OS << Path << " is malformed";
487     }
489     std::error_code convertToErrorCode() const override {
490       return make_error_code(object_error::parse_failed);
491     }
492   };
494   char BadFileFormat::ID; // This should be declared in the C++ file.
496   Error printFormattedFile(StringRef Path) {
497     if (<check for valid format>)
498       return make_error<BadFileFormat>(Path);
499     // print file contents.
500     return Error::success();
501   }
503 Error values can be implicitly converted to bool: true for error, false for
504 success, enabling the following idiom:
506 .. code-block:: c++
508   Error mayFail();
510   Error foo() {
511     if (auto Err = mayFail())
512       return Err;
513     // Success! We can proceed.
514     ...
516 For functions that can fail but need to return a value the ``Expected<T>``
517 utility can be used. Values of this type can be constructed with either a
518 ``T``, or an ``Error``. Expected<T> values are also implicitly convertible to
519 boolean, but with the opposite convention to ``Error``: true for success, false
520 for error. If success, the ``T`` value can be accessed via the dereference
521 operator. If failure, the ``Error`` value can be extracted using the
522 ``takeError()`` method. Idiomatic usage looks like:
524 .. code-block:: c++
526   Expected<FormattedFile> openFormattedFile(StringRef Path) {
527     // If badly formatted, return an error.
528     if (auto Err = checkFormat(Path))
529       return std::move(Err);
530     // Otherwise return a FormattedFile instance.
531     return FormattedFile(Path);
532   }
534   Error processFormattedFile(StringRef Path) {
535     // Try to open a formatted file
536     if (auto FileOrErr = openFormattedFile(Path)) {
537       // On success, grab a reference to the file and continue.
538       auto &File = *FileOrErr;
539       ...
540     } else
541       // On error, extract the Error value and return it.
542       return FileOrErr.takeError();
543   }
545 If an ``Expected<T>`` value is in success mode then the ``takeError()`` method
546 will return a success value. Using this fact, the above function can be
547 rewritten as:
549 .. code-block:: c++
551   Error processFormattedFile(StringRef Path) {
552     // Try to open a formatted file
553     auto FileOrErr = openFormattedFile(Path);
554     if (auto Err = FileOrErr.takeError())
555       // On error, extract the Error value and return it.
556       return Err;
557     // On success, grab a reference to the file and continue.
558     auto &File = *FileOrErr;
559     ...
560   }
562 This second form is often more readable for functions that involve multiple
563 ``Expected<T>`` values as it limits the indentation required.
565 All ``Error`` instances, whether success or failure, must be either checked or
566 moved from (via ``std::move`` or a return) before they are destructed.
567 Accidentally discarding an unchecked error will cause a program abort at the
568 point where the unchecked value's destructor is run, making it easy to identify
569 and fix violations of this rule.
571 Success values are considered checked once they have been tested (by invoking
572 the boolean conversion operator):
574 .. code-block:: c++
576   if (auto Err = mayFail(...))
577     return Err; // Failure value - move error to caller.
579   // Safe to continue: Err was checked.
581 In contrast, the following code will always cause an abort, even if ``mayFail``
582 returns a success value:
584 .. code-block:: c++
586     mayFail();
587     // Program will always abort here, even if mayFail() returns Success, since
588     // the value is not checked.
590 Failure values are considered checked once a handler for the error type has
591 been activated:
593 .. code-block:: c++
595   handleErrors(
596     processFormattedFile(...),
597     [](const BadFileFormat &BFF) {
598       report("Unable to process " + BFF.Path + ": bad format");
599     },
600     [](const FileNotFound &FNF) {
601       report("File not found " + FNF.Path);
602     });
604 The ``handleErrors`` function takes an error as its first argument, followed by
605 a variadic list of "handlers", each of which must be a callable type (a
606 function, lambda, or class with a call operator) with one argument. The
607 ``handleErrors`` function will visit each handler in the sequence and check its
608 argument type against the dynamic type of the error, running the first handler
609 that matches. This is the same decision process that is used decide which catch
610 clause to run for a C++ exception.
612 Since the list of handlers passed to ``handleErrors`` may not cover every error
613 type that can occur, the ``handleErrors`` function also returns an Error value
614 that must be checked or propagated. If the error value that is passed to
615 ``handleErrors`` does not match any of the handlers it will be returned from
616 handleErrors. Idiomatic use of ``handleErrors`` thus looks like:
618 .. code-block:: c++
620   if (auto Err =
621         handleErrors(
622           processFormattedFile(...),
623           [](const BadFileFormat &BFF) {
624             report("Unable to process " + BFF.Path + ": bad format");
625           },
626           [](const FileNotFound &FNF) {
627             report("File not found " + FNF.Path);
628           }))
629     return Err;
631 In cases where you truly know that the handler list is exhaustive the
632 ``handleAllErrors`` function can be used instead. This is identical to
633 ``handleErrors`` except that it will terminate the program if an unhandled
634 error is passed in, and can therefore return void. The ``handleAllErrors``
635 function should generally be avoided: the introduction of a new error type
636 elsewhere in the program can easily turn a formerly exhaustive list of errors
637 into a non-exhaustive list, risking unexpected program termination. Where
638 possible, use handleErrors and propagate unknown errors up the stack instead.
640 For tool code, where errors can be handled by printing an error message then
641 exiting with an error code, the :ref:`ExitOnError <err_exitonerr>` utility
642 may be a better choice than handleErrors, as it simplifies control flow when
643 calling fallible functions.
645 In situations where it is known that a particular call to a fallible function
646 will always succeed (for example, a call to a function that can only fail on a
647 subset of inputs with an input that is known to be safe) the
648 :ref:`cantFail <err_cantfail>` functions can be used to remove the error type,
649 simplifying control flow.
651 StringError
652 """""""""""
654 Many kinds of errors have no recovery strategy, the only action that can be
655 taken is to report them to the user so that the user can attempt to fix the
656 environment. In this case representing the error as a string makes perfect
657 sense. LLVM provides the ``StringError`` class for this purpose. It takes two
658 arguments: A string error message, and an equivalent ``std::error_code`` for
659 interoperability. It also provides a ``createStringError`` function to simplify
660 common usage of this class:
662 .. code-block:: c++
664   // These two lines of code are equivalent:
665   make_error<StringError>("Bad executable", errc::executable_format_error);
666   createStringError(errc::executable_format_error, "Bad executable");
668 If you're certain that the error you're building will never need to be converted
669 to a ``std::error_code`` you can use the ``inconvertibleErrorCode()`` function:
671 .. code-block:: c++
673   createStringError(inconvertibleErrorCode(), "Bad executable");
675 This should be done only after careful consideration. If any attempt is made to
676 convert this error to a ``std::error_code`` it will trigger immediate program
677 termination. Unless you are certain that your errors will not need
678 interoperability you should look for an existing ``std::error_code`` that you
679 can convert to, and even (as painful as it is) consider introducing a new one as
680 a stopgap measure.
682 ``createStringError`` can take ``printf`` style format specifiers to provide a
683 formatted message:
685 .. code-block:: c++
687   createStringError(errc::executable_format_error,
688                     "Bad executable: %s", FileName);
690 Interoperability with std::error_code and ErrorOr
691 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
693 Many existing LLVM APIs use ``std::error_code`` and its partner ``ErrorOr<T>``
694 (which plays the same role as ``Expected<T>``, but wraps a ``std::error_code``
695 rather than an ``Error``). The infectious nature of error types means that an
696 attempt to change one of these functions to return ``Error`` or ``Expected<T>``
697 instead often results in an avalanche of changes to callers, callers of callers,
698 and so on. (The first such attempt, returning an ``Error`` from
699 MachOObjectFile's constructor, was abandoned after the diff reached 3000 lines,
700 impacted half a dozen libraries, and was still growing).
702 To solve this problem, the ``Error``/``std::error_code`` interoperability requirement was
703 introduced. Two pairs of functions allow any ``Error`` value to be converted to a
704 ``std::error_code``, any ``Expected<T>`` to be converted to an ``ErrorOr<T>``, and vice
705 versa:
707 .. code-block:: c++
709   std::error_code errorToErrorCode(Error Err);
710   Error errorCodeToError(std::error_code EC);
712   template <typename T> ErrorOr<T> expectedToErrorOr(Expected<T> TOrErr);
713   template <typename T> Expected<T> errorOrToExpected(ErrorOr<T> TOrEC);
716 Using these APIs it is easy to make surgical patches that update individual
717 functions from ``std::error_code`` to ``Error``, and from ``ErrorOr<T>`` to
718 ``Expected<T>``.
720 Returning Errors from error handlers
721 """"""""""""""""""""""""""""""""""""
723 Error recovery attempts may themselves fail. For that reason, ``handleErrors``
724 actually recognises three different forms of handler signature:
726 .. code-block:: c++
728   // Error must be handled, no new errors produced:
729   void(UserDefinedError &E);
731   // Error must be handled, new errors can be produced:
732   Error(UserDefinedError &E);
734   // Original error can be inspected, then re-wrapped and returned (or a new
735   // error can be produced):
736   Error(std::unique_ptr<UserDefinedError> E);
738 Any error returned from a handler will be returned from the ``handleErrors``
739 function so that it can be handled itself, or propagated up the stack.
741 .. _err_exitonerr:
743 Using ExitOnError to simplify tool code
744 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""
746 Library code should never call ``exit`` for a recoverable error, however in tool
747 code (especially command line tools) this can be a reasonable approach. Calling
748 ``exit`` upon encountering an error dramatically simplifies control flow as the
749 error no longer needs to be propagated up the stack. This allows code to be
750 written in straight-line style, as long as each fallible call is wrapped in a
751 check and call to exit. The ``ExitOnError`` class supports this pattern by
752 providing call operators that inspect ``Error`` values, stripping the error away
753 in the success case and logging to ``stderr`` then exiting in the failure case.
755 To use this class, declare a global ``ExitOnError`` variable in your program:
757 .. code-block:: c++
759   ExitOnError ExitOnErr;
761 Calls to fallible functions can then be wrapped with a call to ``ExitOnErr``,
762 turning them into non-failing calls:
764 .. code-block:: c++
766   Error mayFail();
767   Expected<int> mayFail2();
769   void foo() {
770     ExitOnErr(mayFail());
771     int X = ExitOnErr(mayFail2());
772   }
774 On failure, the error's log message will be written to ``stderr``, optionally
775 preceded by a string "banner" that can be set by calling the setBanner method. A
776 mapping can also be supplied from ``Error`` values to exit codes using the
777 ``setExitCodeMapper`` method:
779 .. code-block:: c++
781   int main(int argc, char *argv[]) {
782     ExitOnErr.setBanner(std::string(argv[0]) + " error:");
783     ExitOnErr.setExitCodeMapper(
784       [](const Error &Err) {
785         if (Err.isA<BadFileFormat>())
786           return 2;
787         return 1;
788       });
790 Use ``ExitOnError`` in your tool code where possible as it can greatly improve
791 readability.
793 .. _err_cantfail:
795 Using cantFail to simplify safe callsites
796 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
798 Some functions may only fail for a subset of their inputs, so calls using known
799 safe inputs can be assumed to succeed.
801 The cantFail functions encapsulate this by wrapping an assertion that their
802 argument is a success value and, in the case of Expected<T>, unwrapping the
803 T value:
805 .. code-block:: c++
807   Error onlyFailsForSomeXValues(int X);
808   Expected<int> onlyFailsForSomeXValues2(int X);
810   void foo() {
811     cantFail(onlyFailsForSomeXValues(KnownSafeValue));
812     int Y = cantFail(onlyFailsForSomeXValues2(KnownSafeValue));
813     ...
814   }
816 Like the ExitOnError utility, cantFail simplifies control flow. Their treatment
817 of error cases is very different however: Where ExitOnError is guaranteed to
818 terminate the program on an error input, cantFile simply asserts that the result
819 is success. In debug builds this will result in an assertion failure if an error
820 is encountered. In release builds the behavior of cantFail for failure values is
821 undefined. As such, care must be taken in the use of cantFail: clients must be
822 certain that a cantFail wrapped call really can not fail with the given
823 arguments.
825 Use of the cantFail functions should be rare in library code, but they are
826 likely to be of more use in tool and unit-test code where inputs and/or
827 mocked-up classes or functions may be known to be safe.
829 Fallible constructors
830 """""""""""""""""""""
832 Some classes require resource acquisition or other complex initialization that
833 can fail during construction. Unfortunately constructors can't return errors,
834 and having clients test objects after they're constructed to ensure that they're
835 valid is error prone as it's all too easy to forget the test. To work around
836 this, use the named constructor idiom and return an ``Expected<T>``:
838 .. code-block:: c++
840   class Foo {
841   public:
843     static Expected<Foo> Create(Resource R1, Resource R2) {
844       Error Err;
845       Foo F(R1, R2, Err);
846       if (Err)
847         return std::move(Err);
848       return std::move(F);
849     }
851   private:
853     Foo(Resource R1, Resource R2, Error &Err) {
854       ErrorAsOutParameter EAO(&Err);
855       if (auto Err2 = R1.acquire()) {
856         Err = std::move(Err2);
857         return;
858       }
859       Err = R2.acquire();
860     }
861   };
864 Here, the named constructor passes an ``Error`` by reference into the actual
865 constructor, which the constructor can then use to return errors. The
866 ``ErrorAsOutParameter`` utility sets the ``Error`` value's checked flag on entry
867 to the constructor so that the error can be assigned to, then resets it on exit
868 to force the client (the named constructor) to check the error.
870 By using this idiom, clients attempting to construct a Foo receive either a
871 well-formed Foo or an Error, never an object in an invalid state.
873 Propagating and consuming errors based on types
874 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
876 In some contexts, certain types of error are known to be benign. For example,
877 when walking an archive, some clients may be happy to skip over badly formatted
878 object files rather than terminating the walk immediately. Skipping badly
879 formatted objects could be achieved using an elaborate handler method, but the
880 Error.h header provides two utilities that make this idiom much cleaner: the
881 type inspection method, ``isA``, and the ``consumeError`` function:
883 .. code-block:: c++
885   Error walkArchive(Archive A) {
886     for (unsigned I = 0; I != A.numMembers(); ++I) {
887       auto ChildOrErr = A.getMember(I);
888       if (auto Err = ChildOrErr.takeError()) {
889         if (Err.isA<BadFileFormat>())
890           consumeError(std::move(Err))
891         else
892           return Err;
893       }
894       auto &Child = *ChildOrErr;
895       // Use Child
896       ...
897     }
898     return Error::success();
899   }
901 Concatenating Errors with joinErrors
902 """"""""""""""""""""""""""""""""""""
904 In the archive walking example above ``BadFileFormat`` errors are simply
905 consumed and ignored. If the client had wanted report these errors after
906 completing the walk over the archive they could use the ``joinErrors`` utility:
908 .. code-block:: c++
910   Error walkArchive(Archive A) {
911     Error DeferredErrs = Error::success();
912     for (unsigned I = 0; I != A.numMembers(); ++I) {
913       auto ChildOrErr = A.getMember(I);
914       if (auto Err = ChildOrErr.takeError())
915         if (Err.isA<BadFileFormat>())
916           DeferredErrs = joinErrors(std::move(DeferredErrs), std::move(Err));
917         else
918           return Err;
919       auto &Child = *ChildOrErr;
920       // Use Child
921       ...
922     }
923     return DeferredErrs;
924   }
926 The ``joinErrors`` routine builds a special error type called ``ErrorList``,
927 which holds a list of user defined errors. The ``handleErrors`` routine
928 recognizes this type and will attempt to handle each of the contained errors in
929 order. If all contained errors can be handled, ``handleErrors`` will return
930 ``Error::success()``, otherwise ``handleErrors`` will concatenate the remaining
931 errors and return the resulting ``ErrorList``.
933 Building fallible iterators and iterator ranges
934 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
936 The archive walking examples above retrieve archive members by index, however
937 this requires considerable boiler-plate for iteration and error checking. We can
938 clean this up by using ``Error`` with the "fallible iterator" pattern. The usual
939 C++ iterator patterns do not allow for failure on increment, but we can
940 incorporate support for it by having iterators hold an Error reference through
941 which they can report failure. In this pattern, if an increment operation fails
942 the failure is recorded via the Error reference and the iterator value is set to
943 the end of the range in order to terminate the loop. This ensures that the
944 dereference operation is safe anywhere that an ordinary iterator dereference
945 would be safe (i.e. when the iterator is not equal to end). Where this pattern
946 is followed (as in the ``llvm::object::Archive`` class) the result is much
947 cleaner iteration idiom:
949 .. code-block:: c++
951   Error Err;
952   for (auto &Child : Ar->children(Err)) {
953     // Use Child - we only enter the loop when it's valid
954     ...
955   }
956   // Check Err after the loop to ensure it didn't break due to an error.
957   if (Err)
958     return Err;
960 .. _function_apis:
962 More information on Error and its related utilities can be found in the
963 Error.h header file.
965 Passing functions and other callable objects
966 --------------------------------------------
968 Sometimes you may want a function to be passed a callback object. In order to
969 support lambda expressions and other function objects, you should not use the
970 traditional C approach of taking a function pointer and an opaque cookie:
972 .. code-block:: c++
974     void takeCallback(bool (*Callback)(Function *, void *), void *Cookie);
976 Instead, use one of the following approaches:
978 Function template
979 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
981 If you don't mind putting the definition of your function into a header file,
982 make it a function template that is templated on the callable type.
984 .. code-block:: c++
986     template<typename Callable>
987     void takeCallback(Callable Callback) {
988       Callback(1, 2, 3);
989     }
991 The ``function_ref`` class template
992 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
994 The ``function_ref``
995 (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1function__ref_3_01Ret_07Params_8_8_8_08_4.html>`__) class
996 template represents a reference to a callable object, templated over the type
997 of the callable. This is a good choice for passing a callback to a function,
998 if you don't need to hold onto the callback after the function returns. In this
999 way, ``function_ref`` is to ``std::function`` as ``StringRef`` is to
1000 ``std::string``.
1002 ``function_ref<Ret(Param1, Param2, ...)>`` can be implicitly constructed from
1003 any callable object that can be called with arguments of type ``Param1``,
1004 ``Param2``, ..., and returns a value that can be converted to type ``Ret``.
1005 For example:
1007 .. code-block:: c++
1009     void visitBasicBlocks(Function *F, function_ref<bool (BasicBlock*)> Callback) {
1010       for (BasicBlock &BB : *F)
1011         if (Callback(&BB))
1012           return;
1013     }
1015 can be called using:
1017 .. code-block:: c++
1019     visitBasicBlocks(F, [&](BasicBlock *BB) {
1020       if (process(BB))
1021         return isEmpty(BB);
1022       return false;
1023     });
1025 Note that a ``function_ref`` object contains pointers to external memory, so it
1026 is not generally safe to store an instance of the class (unless you know that
1027 the external storage will not be freed). If you need this ability, consider
1028 using ``std::function``. ``function_ref`` is small enough that it should always
1029 be passed by value.
1031 .. _DEBUG:
1033 The ``LLVM_DEBUG()`` macro and ``-debug`` option
1034 ------------------------------------------------
1036 Often when working on your pass you will put a bunch of debugging printouts and
1037 other code into your pass.  After you get it working, you want to remove it, but
1038 you may need it again in the future (to work out new bugs that you run across).
1040 Naturally, because of this, you don't want to delete the debug printouts, but
1041 you don't want them to always be noisy.  A standard compromise is to comment
1042 them out, allowing you to enable them if you need them in the future.
1044 The ``llvm/Support/Debug.h`` (`doxygen
1045 <http://llvm.org/doxygen/Debug_8h_source.html>`__) file provides a macro named
1046 ``LLVM_DEBUG()`` that is a much nicer solution to this problem.  Basically, you can
1047 put arbitrary code into the argument of the ``LLVM_DEBUG`` macro, and it is only
1048 executed if '``opt``' (or any other tool) is run with the '``-debug``' command
1049 line argument:
1051 .. code-block:: c++
1053   LLVM_DEBUG(dbgs() << "I am here!\n");
1055 Then you can run your pass like this:
1057 .. code-block:: none
1059   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass
1060   <no output>
1061   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug
1062   I am here!
1064 Using the ``LLVM_DEBUG()`` macro instead of a home-brewed solution allows you to not
1065 have to create "yet another" command line option for the debug output for your
1066 pass.  Note that ``LLVM_DEBUG()`` macros are disabled for non-asserts builds, so they
1067 do not cause a performance impact at all (for the same reason, they should also
1068 not contain side-effects!).
1070 One additional nice thing about the ``LLVM_DEBUG()`` macro is that you can enable or
1071 disable it directly in gdb.  Just use "``set DebugFlag=0``" or "``set
1072 DebugFlag=1``" from the gdb if the program is running.  If the program hasn't
1073 been started yet, you can always just run it with ``-debug``.
1075 .. _DEBUG_TYPE:
1077 Fine grained debug info with ``DEBUG_TYPE`` and the ``-debug-only`` option
1078 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1080 Sometimes you may find yourself in a situation where enabling ``-debug`` just
1081 turns on **too much** information (such as when working on the code generator).
1082 If you want to enable debug information with more fine-grained control, you
1083 should define the ``DEBUG_TYPE`` macro and use the ``-debug-only`` option as
1084 follows:
1086 .. code-block:: c++
1088   #define DEBUG_TYPE "foo"
1089   LLVM_DEBUG(dbgs() << "'foo' debug type\n");
1090   #undef  DEBUG_TYPE
1091   #define DEBUG_TYPE "bar"
1092   LLVM_DEBUG(dbgs() << "'bar' debug type\n");
1093   #undef  DEBUG_TYPE
1095 Then you can run your pass like this:
1097 .. code-block:: none
1099   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass
1100   <no output>
1101   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug
1102   'foo' debug type
1103   'bar' debug type
1104   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug-only=foo
1105   'foo' debug type
1106   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug-only=bar
1107   'bar' debug type
1108   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug-only=foo,bar
1109   'foo' debug type
1110   'bar' debug type
1112 Of course, in practice, you should only set ``DEBUG_TYPE`` at the top of a file,
1113 to specify the debug type for the entire module. Be careful that you only do
1114 this after including Debug.h and not around any #include of headers. Also, you
1115 should use names more meaningful than "foo" and "bar", because there is no
1116 system in place to ensure that names do not conflict. If two different modules
1117 use the same string, they will all be turned on when the name is specified.
1118 This allows, for example, all debug information for instruction scheduling to be
1119 enabled with ``-debug-only=InstrSched``, even if the source lives in multiple
1120 files. The name must not include a comma (,) as that is used to separate the
1121 arguments of the ``-debug-only`` option.
1123 For performance reasons, -debug-only is not available in optimized build
1124 (``--enable-optimized``) of LLVM.
1126 The ``DEBUG_WITH_TYPE`` macro is also available for situations where you would
1127 like to set ``DEBUG_TYPE``, but only for one specific ``DEBUG`` statement.  It
1128 takes an additional first parameter, which is the type to use.  For example, the
1129 preceding example could be written as:
1131 .. code-block:: c++
1133   DEBUG_WITH_TYPE("foo", dbgs() << "'foo' debug type\n");
1134   DEBUG_WITH_TYPE("bar", dbgs() << "'bar' debug type\n");
1136 .. _Statistic:
1138 The ``Statistic`` class & ``-stats`` option
1139 -------------------------------------------
1141 The ``llvm/ADT/Statistic.h`` (`doxygen
1142 <http://llvm.org/doxygen/Statistic_8h_source.html>`__) file provides a class
1143 named ``Statistic`` that is used as a unified way to keep track of what the LLVM
1144 compiler is doing and how effective various optimizations are.  It is useful to
1145 see what optimizations are contributing to making a particular program run
1146 faster.
1148 Often you may run your pass on some big program, and you're interested to see
1149 how many times it makes a certain transformation.  Although you can do this with
1150 hand inspection, or some ad-hoc method, this is a real pain and not very useful
1151 for big programs.  Using the ``Statistic`` class makes it very easy to keep
1152 track of this information, and the calculated information is presented in a
1153 uniform manner with the rest of the passes being executed.
1155 There are many examples of ``Statistic`` uses, but the basics of using it are as
1156 follows:
1158 Define your statistic like this:
1160 .. code-block:: c++
1162   #define DEBUG_TYPE "mypassname"   // This goes before any #includes.
1163   STATISTIC(NumXForms, "The # of times I did stuff");
1165 The ``STATISTIC`` macro defines a static variable, whose name is specified by
1166 the first argument.  The pass name is taken from the ``DEBUG_TYPE`` macro, and
1167 the description is taken from the second argument.  The variable defined
1168 ("NumXForms" in this case) acts like an unsigned integer.
1170 Whenever you make a transformation, bump the counter:
1172 .. code-block:: c++
1174   ++NumXForms;   // I did stuff!
1176 That's all you have to do.  To get '``opt``' to print out the statistics
1177 gathered, use the '``-stats``' option:
1179 .. code-block:: none
1181   $ opt -stats -mypassname < program.bc > /dev/null
1182   ... statistics output ...
1184 Note that in order to use the '``-stats``' option, LLVM must be
1185 compiled with assertions enabled.
1187 When running ``opt`` on a C file from the SPEC benchmark suite, it gives a
1188 report that looks like this:
1190 .. code-block:: none
1192    7646 bitcodewriter   - Number of normal instructions
1193     725 bitcodewriter   - Number of oversized instructions
1194  129996 bitcodewriter   - Number of bitcode bytes written
1195    2817 raise           - Number of insts DCEd or constprop'd
1196    3213 raise           - Number of cast-of-self removed
1197    5046 raise           - Number of expression trees converted
1198      75 raise           - Number of other getelementptr's formed
1199     138 raise           - Number of load/store peepholes
1200      42 deadtypeelim    - Number of unused typenames removed from symtab
1201     392 funcresolve     - Number of varargs functions resolved
1202      27 globaldce       - Number of global variables removed
1203       2 adce            - Number of basic blocks removed
1204     134 cee             - Number of branches revectored
1205      49 cee             - Number of setcc instruction eliminated
1206     532 gcse            - Number of loads removed
1207    2919 gcse            - Number of instructions removed
1208      86 indvars         - Number of canonical indvars added
1209      87 indvars         - Number of aux indvars removed
1210      25 instcombine     - Number of dead inst eliminate
1211     434 instcombine     - Number of insts combined
1212     248 licm            - Number of load insts hoisted
1213    1298 licm            - Number of insts hoisted to a loop pre-header
1214       3 licm            - Number of insts hoisted to multiple loop preds (bad, no loop pre-header)
1215      75 mem2reg         - Number of alloca's promoted
1216    1444 cfgsimplify     - Number of blocks simplified
1218 Obviously, with so many optimizations, having a unified framework for this stuff
1219 is very nice.  Making your pass fit well into the framework makes it more
1220 maintainable and useful.
1222 .. _DebugCounters:
1224 Adding debug counters to aid in debugging your code
1225 ---------------------------------------------------
1227 Sometimes, when writing new passes, or trying to track down bugs, it
1228 is useful to be able to control whether certain things in your pass
1229 happen or not.  For example, there are times the minimization tooling
1230 can only easily give you large testcases.  You would like to narrow
1231 your bug down to a specific transformation happening or not happening,
1232 automatically, using bisection.  This is where debug counters help.
1233 They provide a framework for making parts of your code only execute a
1234 certain number of times.
1236 The ``llvm/Support/DebugCounter.h`` (`doxygen
1237 <http://llvm.org/doxygen/DebugCounter_8h_source.html>`__) file
1238 provides a class named ``DebugCounter`` that can be used to create
1239 command line counter options that control execution of parts of your code.
1241 Define your DebugCounter like this:
1243 .. code-block:: c++
1245   DEBUG_COUNTER(DeleteAnInstruction, "passname-delete-instruction",
1246                 "Controls which instructions get delete");
1248 The ``DEBUG_COUNTER`` macro defines a static variable, whose name
1249 is specified by the first argument.  The name of the counter
1250 (which is used on the command line) is specified by the second
1251 argument, and the description used in the help is specified by the
1252 third argument.
1254 Whatever code you want that control, use ``DebugCounter::shouldExecute`` to control it.
1256 .. code-block:: c++
1258   if (DebugCounter::shouldExecute(DeleteAnInstruction))
1259     I->eraseFromParent();
1261 That's all you have to do.  Now, using opt, you can control when this code triggers using
1262 the '``--debug-counter``' option.  There are two counters provided, ``skip`` and ``count``.
1263 ``skip`` is the number of times to skip execution of the codepath.  ``count`` is the number
1264 of times, once we are done skipping, to execute the codepath.
1266 .. code-block:: none
1268   $ opt --debug-counter=passname-delete-instruction-skip=1,passname-delete-instruction-count=2 -passname
1270 This will skip the above code the first time we hit it, then execute it twice, then skip the rest of the executions.
1272 So if executed on the following code:
1274 .. code-block:: llvm
1276   %1 = add i32 %a, %b
1277   %2 = add i32 %a, %b
1278   %3 = add i32 %a, %b
1279   %4 = add i32 %a, %b
1281 It would delete number ``%2`` and ``%3``.
1283 A utility is provided in `utils/bisect-skip-count` to binary search
1284 skip and count arguments. It can be used to automatically minimize the
1285 skip and count for a debug-counter variable.
1287 .. _ViewGraph:
1289 Viewing graphs while debugging code
1290 -----------------------------------
1292 Several of the important data structures in LLVM are graphs: for example CFGs
1293 made out of LLVM :ref:`BasicBlocks <BasicBlock>`, CFGs made out of LLVM
1294 :ref:`MachineBasicBlocks <MachineBasicBlock>`, and :ref:`Instruction Selection
1295 DAGs <SelectionDAG>`.  In many cases, while debugging various parts of the
1296 compiler, it is nice to instantly visualize these graphs.
1298 LLVM provides several callbacks that are available in a debug build to do
1299 exactly that.  If you call the ``Function::viewCFG()`` method, for example, the
1300 current LLVM tool will pop up a window containing the CFG for the function where
1301 each basic block is a node in the graph, and each node contains the instructions
1302 in the block.  Similarly, there also exists ``Function::viewCFGOnly()`` (does
1303 not include the instructions), the ``MachineFunction::viewCFG()`` and
1304 ``MachineFunction::viewCFGOnly()``, and the ``SelectionDAG::viewGraph()``
1305 methods.  Within GDB, for example, you can usually use something like ``call
1306 DAG.viewGraph()`` to pop up a window.  Alternatively, you can sprinkle calls to
1307 these functions in your code in places you want to debug.
1309 Getting this to work requires a small amount of setup.  On Unix systems
1310 with X11, install the `graphviz <http://www.graphviz.org>`_ toolkit, and make
1311 sure 'dot' and 'gv' are in your path.  If you are running on Mac OS X, download
1312 and install the Mac OS X `Graphviz program
1313 <http://www.pixelglow.com/graphviz/>`_ and add
1314 ``/Applications/Graphviz.app/Contents/MacOS/`` (or wherever you install it) to
1315 your path. The programs need not be present when configuring, building or
1316 running LLVM and can simply be installed when needed during an active debug
1317 session.
1319 ``SelectionDAG`` has been extended to make it easier to locate *interesting*
1320 nodes in large complex graphs.  From gdb, if you ``call DAG.setGraphColor(node,
1321 "color")``, then the next ``call DAG.viewGraph()`` would highlight the node in
1322 the specified color (choices of colors can be found at `colors
1323 <http://www.graphviz.org/doc/info/colors.html>`_.) More complex node attributes
1324 can be provided with ``call DAG.setGraphAttrs(node, "attributes")`` (choices can
1325 be found at `Graph attributes <http://www.graphviz.org/doc/info/attrs.html>`_.)
1326 If you want to restart and clear all the current graph attributes, then you can
1327 ``call DAG.clearGraphAttrs()``.
1329 Note that graph visualization features are compiled out of Release builds to
1330 reduce file size.  This means that you need a Debug+Asserts or Release+Asserts
1331 build to use these features.
1333 .. _datastructure:
1335 Picking the Right Data Structure for a Task
1336 ===========================================
1338 LLVM has a plethora of data structures in the ``llvm/ADT/`` directory, and we
1339 commonly use STL data structures.  This section describes the trade-offs you
1340 should consider when you pick one.
1342 The first step is a choose your own adventure: do you want a sequential
1343 container, a set-like container, or a map-like container?  The most important
1344 thing when choosing a container is the algorithmic properties of how you plan to
1345 access the container.  Based on that, you should use:
1348 * a :ref:`map-like <ds_map>` container if you need efficient look-up of a
1349   value based on another value.  Map-like containers also support efficient
1350   queries for containment (whether a key is in the map).  Map-like containers
1351   generally do not support efficient reverse mapping (values to keys).  If you
1352   need that, use two maps.  Some map-like containers also support efficient
1353   iteration through the keys in sorted order.  Map-like containers are the most
1354   expensive sort, only use them if you need one of these capabilities.
1356 * a :ref:`set-like <ds_set>` container if you need to put a bunch of stuff into
1357   a container that automatically eliminates duplicates.  Some set-like
1358   containers support efficient iteration through the elements in sorted order.
1359   Set-like containers are more expensive than sequential containers.
1361 * a :ref:`sequential <ds_sequential>` container provides the most efficient way
1362   to add elements and keeps track of the order they are added to the collection.
1363   They permit duplicates and support efficient iteration, but do not support
1364   efficient look-up based on a key.
1366 * a :ref:`string <ds_string>` container is a specialized sequential container or
1367   reference structure that is used for character or byte arrays.
1369 * a :ref:`bit <ds_bit>` container provides an efficient way to store and
1370   perform set operations on sets of numeric id's, while automatically
1371   eliminating duplicates.  Bit containers require a maximum of 1 bit for each
1372   identifier you want to store.
1374 Once the proper category of container is determined, you can fine tune the
1375 memory use, constant factors, and cache behaviors of access by intelligently
1376 picking a member of the category.  Note that constant factors and cache behavior
1377 can be a big deal.  If you have a vector that usually only contains a few
1378 elements (but could contain many), for example, it's much better to use
1379 :ref:`SmallVector <dss_smallvector>` than :ref:`vector <dss_vector>`.  Doing so
1380 avoids (relatively) expensive malloc/free calls, which dwarf the cost of adding
1381 the elements to the container.
1383 .. _ds_sequential:
1385 Sequential Containers (std::vector, std::list, etc)
1386 ---------------------------------------------------
1388 There are a variety of sequential containers available for you, based on your
1389 needs.  Pick the first in this section that will do what you want.
1391 .. _dss_arrayref:
1393 llvm/ADT/ArrayRef.h
1394 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1396 The ``llvm::ArrayRef`` class is the preferred class to use in an interface that
1397 accepts a sequential list of elements in memory and just reads from them.  By
1398 taking an ``ArrayRef``, the API can be passed a fixed size array, an
1399 ``std::vector``, an ``llvm::SmallVector`` and anything else that is contiguous
1400 in memory.
1402 .. _dss_fixedarrays:
1404 Fixed Size Arrays
1405 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
1407 Fixed size arrays are very simple and very fast.  They are good if you know
1408 exactly how many elements you have, or you have a (low) upper bound on how many
1409 you have.
1411 .. _dss_heaparrays:
1413 Heap Allocated Arrays
1414 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1416 Heap allocated arrays (``new[]`` + ``delete[]``) are also simple.  They are good
1417 if the number of elements is variable, if you know how many elements you will
1418 need before the array is allocated, and if the array is usually large (if not,
1419 consider a :ref:`SmallVector <dss_smallvector>`).  The cost of a heap allocated
1420 array is the cost of the new/delete (aka malloc/free).  Also note that if you
1421 are allocating an array of a type with a constructor, the constructor and
1422 destructors will be run for every element in the array (re-sizable vectors only
1423 construct those elements actually used).
1425 .. _dss_tinyptrvector:
1427 llvm/ADT/TinyPtrVector.h
1428 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1430 ``TinyPtrVector<Type>`` is a highly specialized collection class that is
1431 optimized to avoid allocation in the case when a vector has zero or one
1432 elements.  It has two major restrictions: 1) it can only hold values of pointer
1433 type, and 2) it cannot hold a null pointer.
1435 Since this container is highly specialized, it is rarely used.
1437 .. _dss_smallvector:
1439 llvm/ADT/SmallVector.h
1440 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1442 ``SmallVector<Type, N>`` is a simple class that looks and smells just like
1443 ``vector<Type>``: it supports efficient iteration, lays out elements in memory
1444 order (so you can do pointer arithmetic between elements), supports efficient
1445 push_back/pop_back operations, supports efficient random access to its elements,
1446 etc.
1448 The main advantage of SmallVector is that it allocates space for some number of
1449 elements (N) **in the object itself**.  Because of this, if the SmallVector is
1450 dynamically smaller than N, no malloc is performed.  This can be a big win in
1451 cases where the malloc/free call is far more expensive than the code that
1452 fiddles around with the elements.
1454 This is good for vectors that are "usually small" (e.g. the number of
1455 predecessors/successors of a block is usually less than 8).  On the other hand,
1456 this makes the size of the SmallVector itself large, so you don't want to
1457 allocate lots of them (doing so will waste a lot of space).  As such,
1458 SmallVectors are most useful when on the stack.
1460 SmallVector also provides a nice portable and efficient replacement for
1461 ``alloca``.
1463 SmallVector has grown a few other minor advantages over std::vector, causing
1464 ``SmallVector<Type, 0>`` to be preferred over ``std::vector<Type>``.
1466 #. std::vector is exception-safe, and some implementations have pessimizations
1467    that copy elements when SmallVector would move them.
1469 #. SmallVector understands ``llvm::is_trivially_copyable<Type>`` and uses realloc aggressively.
1471 #. Many LLVM APIs take a SmallVectorImpl as an out parameter (see the note
1472    below).
1474 #. SmallVector with N equal to 0 is smaller than std::vector on 64-bit
1475    platforms, since it uses ``unsigned`` (instead of ``void*``) for its size
1476    and capacity.
1478 .. note::
1480    Prefer to use ``SmallVectorImpl<T>`` as a parameter type.
1482    In APIs that don't care about the "small size" (most?), prefer to use
1483    the ``SmallVectorImpl<T>`` class, which is basically just the "vector
1484    header" (and methods) without the elements allocated after it. Note that
1485    ``SmallVector<T, N>`` inherits from ``SmallVectorImpl<T>`` so the
1486    conversion is implicit and costs nothing. E.g.
1488    .. code-block:: c++
1490       // BAD: Clients cannot pass e.g. SmallVector<Foo, 4>.
1491       hardcodedSmallSize(SmallVector<Foo, 2> &Out);
1492       // GOOD: Clients can pass any SmallVector<Foo, N>.
1493       allowsAnySmallSize(SmallVectorImpl<Foo> &Out);
1495       void someFunc() {
1496         SmallVector<Foo, 8> Vec;
1497         hardcodedSmallSize(Vec); // Error.
1498         allowsAnySmallSize(Vec); // Works.
1499       }
1501    Even though it has "``Impl``" in the name, this is so widely used that
1502    it really isn't "private to the implementation" anymore. A name like
1503    ``SmallVectorHeader`` would be more appropriate.
1505 .. _dss_vector:
1507 <vector>
1508 ^^^^^^^^
1510 ``std::vector<T>`` is well loved and respected.  However, ``SmallVector<T, 0>``
1511 is often a better option due to the advantages listed above.  std::vector is
1512 still useful when you need to store more than ``UINT32_MAX`` elements or when
1513 interfacing with code that expects vectors :).
1515 One worthwhile note about std::vector: avoid code like this:
1517 .. code-block:: c++
1519   for ( ... ) {
1520      std::vector<foo> V;
1521      // make use of V.
1522   }
1524 Instead, write this as:
1526 .. code-block:: c++
1528   std::vector<foo> V;
1529   for ( ... ) {
1530      // make use of V.
1531      V.clear();
1532   }
1534 Doing so will save (at least) one heap allocation and free per iteration of the
1535 loop.
1537 .. _dss_deque:
1539 <deque>
1540 ^^^^^^^
1542 ``std::deque`` is, in some senses, a generalized version of ``std::vector``.
1543 Like ``std::vector``, it provides constant time random access and other similar
1544 properties, but it also provides efficient access to the front of the list.  It
1545 does not guarantee continuity of elements within memory.
1547 In exchange for this extra flexibility, ``std::deque`` has significantly higher
1548 constant factor costs than ``std::vector``.  If possible, use ``std::vector`` or
1549 something cheaper.
1551 .. _dss_list:
1553 <list>
1554 ^^^^^^
1556 ``std::list`` is an extremely inefficient class that is rarely useful.  It
1557 performs a heap allocation for every element inserted into it, thus having an
1558 extremely high constant factor, particularly for small data types.
1559 ``std::list`` also only supports bidirectional iteration, not random access
1560 iteration.
1562 In exchange for this high cost, std::list supports efficient access to both ends
1563 of the list (like ``std::deque``, but unlike ``std::vector`` or
1564 ``SmallVector``).  In addition, the iterator invalidation characteristics of
1565 std::list are stronger than that of a vector class: inserting or removing an
1566 element into the list does not invalidate iterator or pointers to other elements
1567 in the list.
1569 .. _dss_ilist:
1571 llvm/ADT/ilist.h
1572 ^^^^^^^^^^^^^^^^
1574 ``ilist<T>`` implements an 'intrusive' doubly-linked list.  It is intrusive,
1575 because it requires the element to store and provide access to the prev/next
1576 pointers for the list.
1578 ``ilist`` has the same drawbacks as ``std::list``, and additionally requires an
1579 ``ilist_traits`` implementation for the element type, but it provides some novel
1580 characteristics.  In particular, it can efficiently store polymorphic objects,
1581 the traits class is informed when an element is inserted or removed from the
1582 list, and ``ilist``\ s are guaranteed to support a constant-time splice
1583 operation.
1585 These properties are exactly what we want for things like ``Instruction``\ s and
1586 basic blocks, which is why these are implemented with ``ilist``\ s.
1588 Related classes of interest are explained in the following subsections:
1590 * :ref:`ilist_traits <dss_ilist_traits>`
1592 * :ref:`iplist <dss_iplist>`
1594 * :ref:`llvm/ADT/ilist_node.h <dss_ilist_node>`
1596 * :ref:`Sentinels <dss_ilist_sentinel>`
1598 .. _dss_packedvector:
1600 llvm/ADT/PackedVector.h
1601 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1603 Useful for storing a vector of values using only a few number of bits for each
1604 value.  Apart from the standard operations of a vector-like container, it can
1605 also perform an 'or' set operation.
1607 For example:
1609 .. code-block:: c++
1611   enum State {
1612       None = 0x0,
1613       FirstCondition = 0x1,
1614       SecondCondition = 0x2,
1615       Both = 0x3
1616   };
1618   State get() {
1619       PackedVector<State, 2> Vec1;
1620       Vec1.push_back(FirstCondition);
1622       PackedVector<State, 2> Vec2;
1623       Vec2.push_back(SecondCondition);
1625       Vec1 |= Vec2;
1626       return Vec1[0]; // returns 'Both'.
1627   }
1629 .. _dss_ilist_traits:
1631 ilist_traits
1632 ^^^^^^^^^^^^
1634 ``ilist_traits<T>`` is ``ilist<T>``'s customization mechanism. ``iplist<T>``
1635 (and consequently ``ilist<T>``) publicly derive from this traits class.
1637 .. _dss_iplist:
1639 iplist
1640 ^^^^^^
1642 ``iplist<T>`` is ``ilist<T>``'s base and as such supports a slightly narrower
1643 interface.  Notably, inserters from ``T&`` are absent.
1645 ``ilist_traits<T>`` is a public base of this class and can be used for a wide
1646 variety of customizations.
1648 .. _dss_ilist_node:
1650 llvm/ADT/ilist_node.h
1651 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1653 ``ilist_node<T>`` implements the forward and backward links that are expected
1654 by the ``ilist<T>`` (and analogous containers) in the default manner.
1656 ``ilist_node<T>``\ s are meant to be embedded in the node type ``T``, usually
1657 ``T`` publicly derives from ``ilist_node<T>``.
1659 .. _dss_ilist_sentinel:
1661 Sentinels
1662 ^^^^^^^^^
1664 ``ilist``\ s have another specialty that must be considered.  To be a good
1665 citizen in the C++ ecosystem, it needs to support the standard container
1666 operations, such as ``begin`` and ``end`` iterators, etc.  Also, the
1667 ``operator--`` must work correctly on the ``end`` iterator in the case of
1668 non-empty ``ilist``\ s.
1670 The only sensible solution to this problem is to allocate a so-called *sentinel*
1671 along with the intrusive list, which serves as the ``end`` iterator, providing
1672 the back-link to the last element.  However conforming to the C++ convention it
1673 is illegal to ``operator++`` beyond the sentinel and it also must not be
1674 dereferenced.
1676 These constraints allow for some implementation freedom to the ``ilist`` how to
1677 allocate and store the sentinel.  The corresponding policy is dictated by
1678 ``ilist_traits<T>``.  By default a ``T`` gets heap-allocated whenever the need
1679 for a sentinel arises.
1681 While the default policy is sufficient in most cases, it may break down when
1682 ``T`` does not provide a default constructor.  Also, in the case of many
1683 instances of ``ilist``\ s, the memory overhead of the associated sentinels is
1684 wasted.  To alleviate the situation with numerous and voluminous
1685 ``T``-sentinels, sometimes a trick is employed, leading to *ghostly sentinels*.
1687 Ghostly sentinels are obtained by specially-crafted ``ilist_traits<T>`` which
1688 superpose the sentinel with the ``ilist`` instance in memory.  Pointer
1689 arithmetic is used to obtain the sentinel, which is relative to the ``ilist``'s
1690 ``this`` pointer.  The ``ilist`` is augmented by an extra pointer, which serves
1691 as the back-link of the sentinel.  This is the only field in the ghostly
1692 sentinel which can be legally accessed.
1694 .. _dss_other:
1696 Other Sequential Container options
1697 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1699 Other STL containers are available, such as ``std::string``.
1701 There are also various STL adapter classes such as ``std::queue``,
1702 ``std::priority_queue``, ``std::stack``, etc.  These provide simplified access
1703 to an underlying container but don't affect the cost of the container itself.
1705 .. _ds_string:
1707 String-like containers
1708 ----------------------
1710 There are a variety of ways to pass around and use strings in C and C++, and
1711 LLVM adds a few new options to choose from.  Pick the first option on this list
1712 that will do what you need, they are ordered according to their relative cost.
1714 Note that it is generally preferred to *not* pass strings around as ``const
1715 char*``'s.  These have a number of problems, including the fact that they
1716 cannot represent embedded nul ("\0") characters, and do not have a length
1717 available efficiently.  The general replacement for '``const char*``' is
1718 StringRef.
1720 For more information on choosing string containers for APIs, please see
1721 :ref:`Passing Strings <string_apis>`.
1723 .. _dss_stringref:
1725 llvm/ADT/StringRef.h
1726 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1728 The StringRef class is a simple value class that contains a pointer to a
1729 character and a length, and is quite related to the :ref:`ArrayRef
1730 <dss_arrayref>` class (but specialized for arrays of characters).  Because
1731 StringRef carries a length with it, it safely handles strings with embedded nul
1732 characters in it, getting the length does not require a strlen call, and it even
1733 has very convenient APIs for slicing and dicing the character range that it
1734 represents.
1736 StringRef is ideal for passing simple strings around that are known to be live,
1737 either because they are C string literals, std::string, a C array, or a
1738 SmallVector.  Each of these cases has an efficient implicit conversion to
1739 StringRef, which doesn't result in a dynamic strlen being executed.
1741 StringRef has a few major limitations which make more powerful string containers
1742 useful:
1744 #. You cannot directly convert a StringRef to a 'const char*' because there is
1745    no way to add a trailing nul (unlike the .c_str() method on various stronger
1746    classes).
1748 #. StringRef doesn't own or keep alive the underlying string bytes.
1749    As such it can easily lead to dangling pointers, and is not suitable for
1750    embedding in datastructures in most cases (instead, use an std::string or
1751    something like that).
1753 #. For the same reason, StringRef cannot be used as the return value of a
1754    method if the method "computes" the result string.  Instead, use std::string.
1756 #. StringRef's do not allow you to mutate the pointed-to string bytes and it
1757    doesn't allow you to insert or remove bytes from the range.  For editing
1758    operations like this, it interoperates with the :ref:`Twine <dss_twine>`
1759    class.
1761 Because of its strengths and limitations, it is very common for a function to
1762 take a StringRef and for a method on an object to return a StringRef that points
1763 into some string that it owns.
1765 .. _dss_twine:
1767 llvm/ADT/Twine.h
1768 ^^^^^^^^^^^^^^^^
1770 The Twine class is used as an intermediary datatype for APIs that want to take a
1771 string that can be constructed inline with a series of concatenations.  Twine
1772 works by forming recursive instances of the Twine datatype (a simple value
1773 object) on the stack as temporary objects, linking them together into a tree
1774 which is then linearized when the Twine is consumed.  Twine is only safe to use
1775 as the argument to a function, and should always be a const reference, e.g.:
1777 .. code-block:: c++
1779   void foo(const Twine &T);
1780   ...
1781   StringRef X = ...
1782   unsigned i = ...
1783   foo(X + "." + Twine(i));
1785 This example forms a string like "blarg.42" by concatenating the values
1786 together, and does not form intermediate strings containing "blarg" or "blarg.".
1788 Because Twine is constructed with temporary objects on the stack, and because
1789 these instances are destroyed at the end of the current statement, it is an
1790 inherently dangerous API.  For example, this simple variant contains undefined
1791 behavior and will probably crash:
1793 .. code-block:: c++
1795   void foo(const Twine &T);
1796   ...
1797   StringRef X = ...
1798   unsigned i = ...
1799   const Twine &Tmp = X + "." + Twine(i);
1800   foo(Tmp);
1802 ... because the temporaries are destroyed before the call.  That said, Twine's
1803 are much more efficient than intermediate std::string temporaries, and they work
1804 really well with StringRef.  Just be aware of their limitations.
1806 .. _dss_smallstring:
1808 llvm/ADT/SmallString.h
1809 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1811 SmallString is a subclass of :ref:`SmallVector <dss_smallvector>` that adds some
1812 convenience APIs like += that takes StringRef's.  SmallString avoids allocating
1813 memory in the case when the preallocated space is enough to hold its data, and
1814 it calls back to general heap allocation when required.  Since it owns its data,
1815 it is very safe to use and supports full mutation of the string.
1817 Like SmallVector's, the big downside to SmallString is their sizeof.  While they
1818 are optimized for small strings, they themselves are not particularly small.
1819 This means that they work great for temporary scratch buffers on the stack, but
1820 should not generally be put into the heap: it is very rare to see a SmallString
1821 as the member of a frequently-allocated heap data structure or returned
1822 by-value.
1824 .. _dss_stdstring:
1826 std::string
1827 ^^^^^^^^^^^
1829 The standard C++ std::string class is a very general class that (like
1830 SmallString) owns its underlying data.  sizeof(std::string) is very reasonable
1831 so it can be embedded into heap data structures and returned by-value.  On the
1832 other hand, std::string is highly inefficient for inline editing (e.g.
1833 concatenating a bunch of stuff together) and because it is provided by the
1834 standard library, its performance characteristics depend a lot of the host
1835 standard library (e.g. libc++ and MSVC provide a highly optimized string class,
1836 GCC contains a really slow implementation).
1838 The major disadvantage of std::string is that almost every operation that makes
1839 them larger can allocate memory, which is slow.  As such, it is better to use
1840 SmallVector or Twine as a scratch buffer, but then use std::string to persist
1841 the result.
1843 .. _ds_set:
1845 Set-Like Containers (std::set, SmallSet, SetVector, etc)
1846 --------------------------------------------------------
1848 Set-like containers are useful when you need to canonicalize multiple values
1849 into a single representation.  There are several different choices for how to do
1850 this, providing various trade-offs.
1852 .. _dss_sortedvectorset:
1854 A sorted 'vector'
1855 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
1857 If you intend to insert a lot of elements, then do a lot of queries, a great
1858 approach is to use an std::vector (or other sequential container) with
1859 std::sort+std::unique to remove duplicates.  This approach works really well if
1860 your usage pattern has these two distinct phases (insert then query), and can be
1861 coupled with a good choice of :ref:`sequential container <ds_sequential>`.
1863 This combination provides the several nice properties: the result data is
1864 contiguous in memory (good for cache locality), has few allocations, is easy to
1865 address (iterators in the final vector are just indices or pointers), and can be
1866 efficiently queried with a standard binary search (e.g.
1867 ``std::lower_bound``; if you want the whole range of elements comparing
1868 equal, use ``std::equal_range``).
1870 .. _dss_smallset:
1872 llvm/ADT/SmallSet.h
1873 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1875 If you have a set-like data structure that is usually small and whose elements
1876 are reasonably small, a ``SmallSet<Type, N>`` is a good choice.  This set has
1877 space for N elements in place (thus, if the set is dynamically smaller than N,
1878 no malloc traffic is required) and accesses them with a simple linear search.
1879 When the set grows beyond N elements, it allocates a more expensive
1880 representation that guarantees efficient access (for most types, it falls back
1881 to :ref:`std::set <dss_set>`, but for pointers it uses something far better,
1882 :ref:`SmallPtrSet <dss_smallptrset>`.
1884 The magic of this class is that it handles small sets extremely efficiently, but
1885 gracefully handles extremely large sets without loss of efficiency.
1887 .. _dss_smallptrset:
1889 llvm/ADT/SmallPtrSet.h
1890 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1892 ``SmallPtrSet`` has all the advantages of ``SmallSet`` (and a ``SmallSet`` of
1893 pointers is transparently implemented with a ``SmallPtrSet``). If more than N
1894 insertions are performed, a single quadratically probed hash table is allocated
1895 and grows as needed, providing extremely efficient access (constant time
1896 insertion/deleting/queries with low constant factors) and is very stingy with
1897 malloc traffic.
1899 Note that, unlike :ref:`std::set <dss_set>`, the iterators of ``SmallPtrSet``
1900 are invalidated whenever an insertion occurs.  Also, the values visited by the
1901 iterators are not visited in sorted order.
1903 .. _dss_stringset:
1905 llvm/ADT/StringSet.h
1906 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1908 ``StringSet`` is a thin wrapper around :ref:`StringMap\<char\> <dss_stringmap>`,
1909 and it allows efficient storage and retrieval of unique strings.
1911 Functionally analogous to ``SmallSet<StringRef>``, ``StringSet`` also supports
1912 iteration. (The iterator dereferences to a ``StringMapEntry<char>``, so you
1913 need to call ``i->getKey()`` to access the item of the StringSet.)  On the
1914 other hand, ``StringSet`` doesn't support range-insertion and
1915 copy-construction, which :ref:`SmallSet <dss_smallset>` and :ref:`SmallPtrSet
1916 <dss_smallptrset>` do support.
1918 .. _dss_denseset:
1920 llvm/ADT/DenseSet.h
1921 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1923 DenseSet is a simple quadratically probed hash table.  It excels at supporting
1924 small values: it uses a single allocation to hold all of the pairs that are
1925 currently inserted in the set.  DenseSet is a great way to unique small values
1926 that are not simple pointers (use :ref:`SmallPtrSet <dss_smallptrset>` for
1927 pointers).  Note that DenseSet has the same requirements for the value type that
1928 :ref:`DenseMap <dss_densemap>` has.
1930 .. _dss_sparseset:
1932 llvm/ADT/SparseSet.h
1933 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1935 SparseSet holds a small number of objects identified by unsigned keys of
1936 moderate size.  It uses a lot of memory, but provides operations that are almost
1937 as fast as a vector.  Typical keys are physical registers, virtual registers, or
1938 numbered basic blocks.
1940 SparseSet is useful for algorithms that need very fast clear/find/insert/erase
1941 and fast iteration over small sets.  It is not intended for building composite
1942 data structures.
1944 .. _dss_sparsemultiset:
1946 llvm/ADT/SparseMultiSet.h
1947 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1949 SparseMultiSet adds multiset behavior to SparseSet, while retaining SparseSet's
1950 desirable attributes. Like SparseSet, it typically uses a lot of memory, but
1951 provides operations that are almost as fast as a vector.  Typical keys are
1952 physical registers, virtual registers, or numbered basic blocks.
1954 SparseMultiSet is useful for algorithms that need very fast
1955 clear/find/insert/erase of the entire collection, and iteration over sets of
1956 elements sharing a key. It is often a more efficient choice than using composite
1957 data structures (e.g. vector-of-vectors, map-of-vectors). It is not intended for
1958 building composite data structures.
1960 .. _dss_FoldingSet:
1962 llvm/ADT/FoldingSet.h
1963 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1965 FoldingSet is an aggregate class that is really good at uniquing
1966 expensive-to-create or polymorphic objects.  It is a combination of a chained
1967 hash table with intrusive links (uniqued objects are required to inherit from
1968 FoldingSetNode) that uses :ref:`SmallVector <dss_smallvector>` as part of its ID
1969 process.
1971 Consider a case where you want to implement a "getOrCreateFoo" method for a
1972 complex object (for example, a node in the code generator).  The client has a
1973 description of **what** it wants to generate (it knows the opcode and all the
1974 operands), but we don't want to 'new' a node, then try inserting it into a set
1975 only to find out it already exists, at which point we would have to delete it
1976 and return the node that already exists.
1978 To support this style of client, FoldingSet perform a query with a
1979 FoldingSetNodeID (which wraps SmallVector) that can be used to describe the
1980 element that we want to query for.  The query either returns the element
1981 matching the ID or it returns an opaque ID that indicates where insertion should
1982 take place.  Construction of the ID usually does not require heap traffic.
1984 Because FoldingSet uses intrusive links, it can support polymorphic objects in
1985 the set (for example, you can have SDNode instances mixed with LoadSDNodes).
1986 Because the elements are individually allocated, pointers to the elements are
1987 stable: inserting or removing elements does not invalidate any pointers to other
1988 elements.
1990 .. _dss_set:
1992 <set>
1993 ^^^^^
1995 ``std::set`` is a reasonable all-around set class, which is decent at many
1996 things but great at nothing.  std::set allocates memory for each element
1997 inserted (thus it is very malloc intensive) and typically stores three pointers
1998 per element in the set (thus adding a large amount of per-element space
1999 overhead).  It offers guaranteed log(n) performance, which is not particularly
2000 fast from a complexity standpoint (particularly if the elements of the set are
2001 expensive to compare, like strings), and has extremely high constant factors for
2002 lookup, insertion and removal.
2004 The advantages of std::set are that its iterators are stable (deleting or
2005 inserting an element from the set does not affect iterators or pointers to other
2006 elements) and that iteration over the set is guaranteed to be in sorted order.
2007 If the elements in the set are large, then the relative overhead of the pointers
2008 and malloc traffic is not a big deal, but if the elements of the set are small,
2009 std::set is almost never a good choice.
2011 .. _dss_setvector:
2013 llvm/ADT/SetVector.h
2014 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2016 LLVM's ``SetVector<Type>`` is an adapter class that combines your choice of a
2017 set-like container along with a :ref:`Sequential Container <ds_sequential>` The
2018 important property that this provides is efficient insertion with uniquing
2019 (duplicate elements are ignored) with iteration support.  It implements this by
2020 inserting elements into both a set-like container and the sequential container,
2021 using the set-like container for uniquing and the sequential container for
2022 iteration.
2024 The difference between SetVector and other sets is that the order of iteration
2025 is guaranteed to match the order of insertion into the SetVector.  This property
2026 is really important for things like sets of pointers.  Because pointer values
2027 are non-deterministic (e.g. vary across runs of the program on different
2028 machines), iterating over the pointers in the set will not be in a well-defined
2029 order.
2031 The drawback of SetVector is that it requires twice as much space as a normal
2032 set and has the sum of constant factors from the set-like container and the
2033 sequential container that it uses.  Use it **only** if you need to iterate over
2034 the elements in a deterministic order.  SetVector is also expensive to delete
2035 elements out of (linear time), unless you use its "pop_back" method, which is
2036 faster.
2038 ``SetVector`` is an adapter class that defaults to using ``std::vector`` and a
2039 size 16 ``SmallSet`` for the underlying containers, so it is quite expensive.
2040 However, ``"llvm/ADT/SetVector.h"`` also provides a ``SmallSetVector`` class,
2041 which defaults to using a ``SmallVector`` and ``SmallSet`` of a specified size.
2042 If you use this, and if your sets are dynamically smaller than ``N``, you will
2043 save a lot of heap traffic.
2045 .. _dss_uniquevector:
2047 llvm/ADT/UniqueVector.h
2048 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2050 UniqueVector is similar to :ref:`SetVector <dss_setvector>` but it retains a
2051 unique ID for each element inserted into the set.  It internally contains a map
2052 and a vector, and it assigns a unique ID for each value inserted into the set.
2054 UniqueVector is very expensive: its cost is the sum of the cost of maintaining
2055 both the map and vector, it has high complexity, high constant factors, and
2056 produces a lot of malloc traffic.  It should be avoided.
2058 .. _dss_immutableset:
2060 llvm/ADT/ImmutableSet.h
2061 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2063 ImmutableSet is an immutable (functional) set implementation based on an AVL
2064 tree.  Adding or removing elements is done through a Factory object and results
2065 in the creation of a new ImmutableSet object.  If an ImmutableSet already exists
2066 with the given contents, then the existing one is returned; equality is compared
2067 with a FoldingSetNodeID.  The time and space complexity of add or remove
2068 operations is logarithmic in the size of the original set.
2070 There is no method for returning an element of the set, you can only check for
2071 membership.
2073 .. _dss_otherset:
2075 Other Set-Like Container Options
2076 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2078 The STL provides several other options, such as std::multiset and the various
2079 "hash_set" like containers (whether from C++ TR1 or from the SGI library).  We
2080 never use hash_set and unordered_set because they are generally very expensive
2081 (each insertion requires a malloc) and very non-portable.
2083 std::multiset is useful if you're not interested in elimination of duplicates,
2084 but has all the drawbacks of :ref:`std::set <dss_set>`.  A sorted vector
2085 (where you don't delete duplicate entries) or some other approach is almost
2086 always better.
2088 .. _ds_map:
2090 Map-Like Containers (std::map, DenseMap, etc)
2091 ---------------------------------------------
2093 Map-like containers are useful when you want to associate data to a key.  As
2094 usual, there are a lot of different ways to do this. :)
2096 .. _dss_sortedvectormap:
2098 A sorted 'vector'
2099 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
2101 If your usage pattern follows a strict insert-then-query approach, you can
2102 trivially use the same approach as :ref:`sorted vectors for set-like containers
2103 <dss_sortedvectorset>`.  The only difference is that your query function (which
2104 uses std::lower_bound to get efficient log(n) lookup) should only compare the
2105 key, not both the key and value.  This yields the same advantages as sorted
2106 vectors for sets.
2108 .. _dss_stringmap:
2110 llvm/ADT/StringMap.h
2111 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2113 Strings are commonly used as keys in maps, and they are difficult to support
2114 efficiently: they are variable length, inefficient to hash and compare when
2115 long, expensive to copy, etc.  StringMap is a specialized container designed to
2116 cope with these issues.  It supports mapping an arbitrary range of bytes to an
2117 arbitrary other object.
2119 The StringMap implementation uses a quadratically-probed hash table, where the
2120 buckets store a pointer to the heap allocated entries (and some other stuff).
2121 The entries in the map must be heap allocated because the strings are variable
2122 length.  The string data (key) and the element object (value) are stored in the
2123 same allocation with the string data immediately after the element object.
2124 This container guarantees the "``(char*)(&Value+1)``" points to the key string
2125 for a value.
2127 The StringMap is very fast for several reasons: quadratic probing is very cache
2128 efficient for lookups, the hash value of strings in buckets is not recomputed
2129 when looking up an element, StringMap rarely has to touch the memory for
2130 unrelated objects when looking up a value (even when hash collisions happen),
2131 hash table growth does not recompute the hash values for strings already in the
2132 table, and each pair in the map is store in a single allocation (the string data
2133 is stored in the same allocation as the Value of a pair).
2135 StringMap also provides query methods that take byte ranges, so it only ever
2136 copies a string if a value is inserted into the table.
2138 StringMap iteration order, however, is not guaranteed to be deterministic, so
2139 any uses which require that should instead use a std::map.
2141 .. _dss_indexmap:
2143 llvm/ADT/IndexedMap.h
2144 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2146 IndexedMap is a specialized container for mapping small dense integers (or
2147 values that can be mapped to small dense integers) to some other type.  It is
2148 internally implemented as a vector with a mapping function that maps the keys
2149 to the dense integer range.
2151 This is useful for cases like virtual registers in the LLVM code generator: they
2152 have a dense mapping that is offset by a compile-time constant (the first
2153 virtual register ID).
2155 .. _dss_densemap:
2157 llvm/ADT/DenseMap.h
2158 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2160 DenseMap is a simple quadratically probed hash table.  It excels at supporting
2161 small keys and values: it uses a single allocation to hold all of the pairs
2162 that are currently inserted in the map.  DenseMap is a great way to map
2163 pointers to pointers, or map other small types to each other.
2165 There are several aspects of DenseMap that you should be aware of, however.
2166 The iterators in a DenseMap are invalidated whenever an insertion occurs,
2167 unlike map.  Also, because DenseMap allocates space for a large number of
2168 key/value pairs (it starts with 64 by default), it will waste a lot of space if
2169 your keys or values are large.  Finally, you must implement a partial
2170 specialization of DenseMapInfo for the key that you want, if it isn't already
2171 supported.  This is required to tell DenseMap about two special marker values
2172 (which can never be inserted into the map) that it needs internally.
2174 DenseMap's find_as() method supports lookup operations using an alternate key
2175 type.  This is useful in cases where the normal key type is expensive to
2176 construct, but cheap to compare against.  The DenseMapInfo is responsible for
2177 defining the appropriate comparison and hashing methods for each alternate key
2178 type used.
2180 .. _dss_valuemap:
2182 llvm/IR/ValueMap.h
2183 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2185 ValueMap is a wrapper around a :ref:`DenseMap <dss_densemap>` mapping
2186 ``Value*``\ s (or subclasses) to another type.  When a Value is deleted or
2187 RAUW'ed, ValueMap will update itself so the new version of the key is mapped to
2188 the same value, just as if the key were a WeakVH.  You can configure exactly how
2189 this happens, and what else happens on these two events, by passing a ``Config``
2190 parameter to the ValueMap template.
2192 .. _dss_intervalmap:
2194 llvm/ADT/IntervalMap.h
2195 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2197 IntervalMap is a compact map for small keys and values.  It maps key intervals
2198 instead of single keys, and it will automatically coalesce adjacent intervals.
2199 When the map only contains a few intervals, they are stored in the map object
2200 itself to avoid allocations.
2202 The IntervalMap iterators are quite big, so they should not be passed around as
2203 STL iterators.  The heavyweight iterators allow a smaller data structure.
2205 .. _dss_map:
2207 <map>
2208 ^^^^^
2210 std::map has similar characteristics to :ref:`std::set <dss_set>`: it uses a
2211 single allocation per pair inserted into the map, it offers log(n) lookup with
2212 an extremely large constant factor, imposes a space penalty of 3 pointers per
2213 pair in the map, etc.
2215 std::map is most useful when your keys or values are very large, if you need to
2216 iterate over the collection in sorted order, or if you need stable iterators
2217 into the map (i.e. they don't get invalidated if an insertion or deletion of
2218 another element takes place).
2220 .. _dss_mapvector:
2222 llvm/ADT/MapVector.h
2223 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2225 ``MapVector<KeyT,ValueT>`` provides a subset of the DenseMap interface.  The
2226 main difference is that the iteration order is guaranteed to be the insertion
2227 order, making it an easy (but somewhat expensive) solution for non-deterministic
2228 iteration over maps of pointers.
2230 It is implemented by mapping from key to an index in a vector of key,value
2231 pairs.  This provides fast lookup and iteration, but has two main drawbacks:
2232 the key is stored twice and removing elements takes linear time.  If it is
2233 necessary to remove elements, it's best to remove them in bulk using
2234 ``remove_if()``.
2236 .. _dss_inteqclasses:
2238 llvm/ADT/IntEqClasses.h
2239 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2241 IntEqClasses provides a compact representation of equivalence classes of small
2242 integers.  Initially, each integer in the range 0..n-1 has its own equivalence
2243 class.  Classes can be joined by passing two class representatives to the
2244 join(a, b) method.  Two integers are in the same class when findLeader() returns
2245 the same representative.
2247 Once all equivalence classes are formed, the map can be compressed so each
2248 integer 0..n-1 maps to an equivalence class number in the range 0..m-1, where m
2249 is the total number of equivalence classes.  The map must be uncompressed before
2250 it can be edited again.
2252 .. _dss_immutablemap:
2254 llvm/ADT/ImmutableMap.h
2255 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2257 ImmutableMap is an immutable (functional) map implementation based on an AVL
2258 tree.  Adding or removing elements is done through a Factory object and results
2259 in the creation of a new ImmutableMap object.  If an ImmutableMap already exists
2260 with the given key set, then the existing one is returned; equality is compared
2261 with a FoldingSetNodeID.  The time and space complexity of add or remove
2262 operations is logarithmic in the size of the original map.
2264 .. _dss_othermap:
2266 Other Map-Like Container Options
2267 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2269 The STL provides several other options, such as std::multimap and the various
2270 "hash_map" like containers (whether from C++ TR1 or from the SGI library).  We
2271 never use hash_set and unordered_set because they are generally very expensive
2272 (each insertion requires a malloc) and very non-portable.
2274 std::multimap is useful if you want to map a key to multiple values, but has all
2275 the drawbacks of std::map.  A sorted vector or some other approach is almost
2276 always better.
2278 .. _ds_bit:
2280 Bit storage containers (BitVector, SparseBitVector)
2281 ---------------------------------------------------
2283 Unlike the other containers, there are only two bit storage containers, and
2284 choosing when to use each is relatively straightforward.
2286 One additional option is ``std::vector<bool>``: we discourage its use for two
2287 reasons 1) the implementation in many common compilers (e.g.  commonly
2288 available versions of GCC) is extremely inefficient and 2) the C++ standards
2289 committee is likely to deprecate this container and/or change it significantly
2290 somehow.  In any case, please don't use it.
2292 .. _dss_bitvector:
2294 BitVector
2295 ^^^^^^^^^
2297 The BitVector container provides a dynamic size set of bits for manipulation.
2298 It supports individual bit setting/testing, as well as set operations.  The set
2299 operations take time O(size of bitvector), but operations are performed one word
2300 at a time, instead of one bit at a time.  This makes the BitVector very fast for
2301 set operations compared to other containers.  Use the BitVector when you expect
2302 the number of set bits to be high (i.e. a dense set).
2304 .. _dss_smallbitvector:
2306 SmallBitVector
2307 ^^^^^^^^^^^^^^
2309 The SmallBitVector container provides the same interface as BitVector, but it is
2310 optimized for the case where only a small number of bits, less than 25 or so,
2311 are needed.  It also transparently supports larger bit counts, but slightly less
2312 efficiently than a plain BitVector, so SmallBitVector should only be used when
2313 larger counts are rare.
2315 At this time, SmallBitVector does not support set operations (and, or, xor), and
2316 its operator[] does not provide an assignable lvalue.
2318 .. _dss_sparsebitvector:
2320 SparseBitVector
2321 ^^^^^^^^^^^^^^^
2323 The SparseBitVector container is much like BitVector, with one major difference:
2324 Only the bits that are set, are stored.  This makes the SparseBitVector much
2325 more space efficient than BitVector when the set is sparse, as well as making
2326 set operations O(number of set bits) instead of O(size of universe).  The
2327 downside to the SparseBitVector is that setting and testing of random bits is
2328 O(N), and on large SparseBitVectors, this can be slower than BitVector.  In our
2329 implementation, setting or testing bits in sorted order (either forwards or
2330 reverse) is O(1) worst case.  Testing and setting bits within 128 bits (depends
2331 on size) of the current bit is also O(1).  As a general statement,
2332 testing/setting bits in a SparseBitVector is O(distance away from last set bit).
2334 .. _debugging:
2336 Debugging
2337 =========
2339 A handful of `GDB pretty printers
2340 <https://sourceware.org/gdb/onlinedocs/gdb/Pretty-Printing.html>`__ are
2341 provided for some of the core LLVM libraries. To use them, execute the
2342 following (or add it to your ``~/.gdbinit``)::
2344   source /path/to/llvm/src/utils/gdb-scripts/prettyprinters.py
2346 It also might be handy to enable the `print pretty
2347 <http://ftp.gnu.org/old-gnu/Manuals/gdb/html_node/gdb_57.html>`__ option to
2348 avoid data structures being printed as a big block of text.
2350 .. _common:
2352 Helpful Hints for Common Operations
2353 ===================================
2355 This section describes how to perform some very simple transformations of LLVM
2356 code.  This is meant to give examples of common idioms used, showing the
2357 practical side of LLVM transformations.
2359 Because this is a "how-to" section, you should also read about the main classes
2360 that you will be working with.  The :ref:`Core LLVM Class Hierarchy Reference
2361 <coreclasses>` contains details and descriptions of the main classes that you
2362 should know about.
2364 .. _inspection:
2366 Basic Inspection and Traversal Routines
2367 ---------------------------------------
2369 The LLVM compiler infrastructure have many different data structures that may be
2370 traversed.  Following the example of the C++ standard template library, the
2371 techniques used to traverse these various data structures are all basically the
2372 same.  For a enumerable sequence of values, the ``XXXbegin()`` function (or
2373 method) returns an iterator to the start of the sequence, the ``XXXend()``
2374 function returns an iterator pointing to one past the last valid element of the
2375 sequence, and there is some ``XXXiterator`` data type that is common between the
2376 two operations.
2378 Because the pattern for iteration is common across many different aspects of the
2379 program representation, the standard template library algorithms may be used on
2380 them, and it is easier to remember how to iterate.  First we show a few common
2381 examples of the data structures that need to be traversed.  Other data
2382 structures are traversed in very similar ways.
2384 .. _iterate_function:
2386 Iterating over the ``BasicBlock`` in a ``Function``
2387 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2389 It's quite common to have a ``Function`` instance that you'd like to transform
2390 in some way; in particular, you'd like to manipulate its ``BasicBlock``\ s.  To
2391 facilitate this, you'll need to iterate over all of the ``BasicBlock``\ s that
2392 constitute the ``Function``.  The following is an example that prints the name
2393 of a ``BasicBlock`` and the number of ``Instruction``\ s it contains:
2395 .. code-block:: c++
2397   Function &Func = ...
2398   for (BasicBlock &BB : Func)
2399     // Print out the name of the basic block if it has one, and then the
2400     // number of instructions that it contains
2401     errs() << "Basic block (name=" << BB.getName() << ") has "
2402                << BB.size() << " instructions.\n";
2404 .. _iterate_basicblock:
2406 Iterating over the ``Instruction`` in a ``BasicBlock``
2407 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2409 Just like when dealing with ``BasicBlock``\ s in ``Function``\ s, it's easy to
2410 iterate over the individual instructions that make up ``BasicBlock``\ s.  Here's
2411 a code snippet that prints out each instruction in a ``BasicBlock``:
2413 .. code-block:: c++
2415   BasicBlock& BB = ...
2416   for (Instruction &I : BB)
2417      // The next statement works since operator<<(ostream&,...)
2418      // is overloaded for Instruction&
2419      errs() << I << "\n";
2422 However, this isn't really the best way to print out the contents of a
2423 ``BasicBlock``!  Since the ostream operators are overloaded for virtually
2424 anything you'll care about, you could have just invoked the print routine on the
2425 basic block itself: ``errs() << BB << "\n";``.
2427 .. _iterate_insiter:
2429 Iterating over the ``Instruction`` in a ``Function``
2430 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2432 If you're finding that you commonly iterate over a ``Function``'s
2433 ``BasicBlock``\ s and then that ``BasicBlock``'s ``Instruction``\ s,
2434 ``InstIterator`` should be used instead.  You'll need to include
2435 ``llvm/IR/InstIterator.h`` (`doxygen
2436 <http://llvm.org/doxygen/InstIterator_8h.html>`__) and then instantiate
2437 ``InstIterator``\ s explicitly in your code.  Here's a small example that shows
2438 how to dump all instructions in a function to the standard error stream:
2440 .. code-block:: c++
2442   #include "llvm/IR/InstIterator.h"
2444   // F is a pointer to a Function instance
2445   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
2446     errs() << *I << "\n";
2448 Easy, isn't it?  You can also use ``InstIterator``\ s to fill a work list with
2449 its initial contents.  For example, if you wanted to initialize a work list to
2450 contain all instructions in a ``Function`` F, all you would need to do is
2451 something like:
2453 .. code-block:: c++
2455   std::set<Instruction*> worklist;
2456   // or better yet, SmallPtrSet<Instruction*, 64> worklist;
2458   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
2459     worklist.insert(&*I);
2461 The STL set ``worklist`` would now contain all instructions in the ``Function``
2462 pointed to by F.
2464 .. _iterate_convert:
2466 Turning an iterator into a class pointer (and vice-versa)
2467 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2469 Sometimes, it'll be useful to grab a reference (or pointer) to a class instance
2470 when all you've got at hand is an iterator.  Well, extracting a reference or a
2471 pointer from an iterator is very straight-forward.  Assuming that ``i`` is a
2472 ``BasicBlock::iterator`` and ``j`` is a ``BasicBlock::const_iterator``:
2474 .. code-block:: c++
2476   Instruction& inst = *i;   // Grab reference to instruction reference
2477   Instruction* pinst = &*i; // Grab pointer to instruction reference
2478   const Instruction& inst = *j;
2480 However, the iterators you'll be working with in the LLVM framework are special:
2481 they will automatically convert to a ptr-to-instance type whenever they need to.
2482 Instead of dereferencing the iterator and then taking the address of the result,
2483 you can simply assign the iterator to the proper pointer type and you get the
2484 dereference and address-of operation as a result of the assignment (behind the
2485 scenes, this is a result of overloading casting mechanisms).  Thus the second
2486 line of the last example,
2488 .. code-block:: c++
2490   Instruction *pinst = &*i;
2492 is semantically equivalent to
2494 .. code-block:: c++
2496   Instruction *pinst = i;
2498 It's also possible to turn a class pointer into the corresponding iterator, and
2499 this is a constant time operation (very efficient).  The following code snippet
2500 illustrates use of the conversion constructors provided by LLVM iterators.  By
2501 using these, you can explicitly grab the iterator of something without actually
2502 obtaining it via iteration over some structure:
2504 .. code-block:: c++
2506   void printNextInstruction(Instruction* inst) {
2507     BasicBlock::iterator it(inst);
2508     ++it; // After this line, it refers to the instruction after *inst
2509     if (it != inst->getParent()->end()) errs() << *it << "\n";
2510   }
2512 Unfortunately, these implicit conversions come at a cost; they prevent these
2513 iterators from conforming to standard iterator conventions, and thus from being
2514 usable with standard algorithms and containers.  For example, they prevent the
2515 following code, where ``B`` is a ``BasicBlock``, from compiling:
2517 .. code-block:: c++
2519   llvm::SmallVector<llvm::Instruction *, 16>(B->begin(), B->end());
2521 Because of this, these implicit conversions may be removed some day, and
2522 ``operator*`` changed to return a pointer instead of a reference.
2524 .. _iterate_complex:
2526 Finding call sites: a slightly more complex example
2527 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2529 Say that you're writing a FunctionPass and would like to count all the locations
2530 in the entire module (that is, across every ``Function``) where a certain
2531 function (i.e., some ``Function *``) is already in scope.  As you'll learn
2532 later, you may want to use an ``InstVisitor`` to accomplish this in a much more
2533 straight-forward manner, but this example will allow us to explore how you'd do
2534 it if you didn't have ``InstVisitor`` around.  In pseudo-code, this is what we
2535 want to do:
2537 .. code-block:: none
2539   initialize callCounter to zero
2540   for each Function f in the Module
2541     for each BasicBlock b in f
2542       for each Instruction i in b
2543         if (i is a CallInst and calls the given function)
2544           increment callCounter
2546 And the actual code is (remember, because we're writing a ``FunctionPass``, our
2547 ``FunctionPass``-derived class simply has to override the ``runOnFunction``
2548 method):
2550 .. code-block:: c++
2552   Function* targetFunc = ...;
2554   class OurFunctionPass : public FunctionPass {
2555     public:
2556       OurFunctionPass(): callCounter(0) { }
2558       virtual runOnFunction(Function& F) {
2559         for (BasicBlock &B : F) {
2560           for (Instruction &I: B) {
2561             if (auto *CallInst = dyn_cast<CallInst>(&I)) {
2562               // We know we've encountered a call instruction, so we
2563               // need to determine if it's a call to the
2564               // function pointed to by m_func or not.
2565               if (CallInst->getCalledFunction() == targetFunc)
2566                 ++callCounter;
2567             }
2568           }
2569         }
2570       }
2572     private:
2573       unsigned callCounter;
2574   };
2576 .. _calls_and_invokes:
2578 Treating calls and invokes the same way
2579 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2581 You may have noticed that the previous example was a bit oversimplified in that
2582 it did not deal with call sites generated by 'invoke' instructions.  In this,
2583 and in other situations, you may find that you want to treat ``CallInst``\ s and
2584 ``InvokeInst``\ s the same way, even though their most-specific common base
2585 class is ``Instruction``, which includes lots of less closely-related things.
2586 For these cases, LLVM provides a handy wrapper class called ``CallSite``
2587 (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1CallSite.html>`__) It is
2588 essentially a wrapper around an ``Instruction`` pointer, with some methods that
2589 provide functionality common to ``CallInst``\ s and ``InvokeInst``\ s.
2591 This class has "value semantics": it should be passed by value, not by reference
2592 and it should not be dynamically allocated or deallocated using ``operator new``
2593 or ``operator delete``.  It is efficiently copyable, assignable and
2594 constructable, with costs equivalents to that of a bare pointer.  If you look at
2595 its definition, it has only a single pointer member.
2597 .. _iterate_chains:
2599 Iterating over def-use & use-def chains
2600 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2602 Frequently, we might have an instance of the ``Value`` class (`doxygen
2603 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`__) and we want to determine
2604 which ``User`` s use the ``Value``.  The list of all ``User``\ s of a particular
2605 ``Value`` is called a *def-use* chain.  For example, let's say we have a
2606 ``Function*`` named ``F`` to a particular function ``foo``.  Finding all of the
2607 instructions that *use* ``foo`` is as simple as iterating over the *def-use*
2608 chain of ``F``:
2610 .. code-block:: c++
2612   Function *F = ...;
2614   for (User *U : F->users()) {
2615     if (Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(U)) {
2616       errs() << "F is used in instruction:\n";
2617       errs() << *Inst << "\n";
2618     }
2620 Alternatively, it's common to have an instance of the ``User`` Class (`doxygen
2621 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`__) and need to know what
2622 ``Value``\ s are used by it.  The list of all ``Value``\ s used by a ``User`` is
2623 known as a *use-def* chain.  Instances of class ``Instruction`` are common
2624 ``User`` s, so we might want to iterate over all of the values that a particular
2625 instruction uses (that is, the operands of the particular ``Instruction``):
2627 .. code-block:: c++
2629   Instruction *pi = ...;
2631   for (Use &U : pi->operands()) {
2632     Value *v = U.get();
2633     // ...
2634   }
2636 Declaring objects as ``const`` is an important tool of enforcing mutation free
2637 algorithms (such as analyses, etc.).  For this purpose above iterators come in
2638 constant flavors as ``Value::const_use_iterator`` and
2639 ``Value::const_op_iterator``.  They automatically arise when calling
2640 ``use/op_begin()`` on ``const Value*``\ s or ``const User*``\ s respectively.
2641 Upon dereferencing, they return ``const Use*``\ s.  Otherwise the above patterns
2642 remain unchanged.
2644 .. _iterate_preds:
2646 Iterating over predecessors & successors of blocks
2647 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2649 Iterating over the predecessors and successors of a block is quite easy with the
2650 routines defined in ``"llvm/IR/CFG.h"``.  Just use code like this to
2651 iterate over all predecessors of BB:
2653 .. code-block:: c++
2655   #include "llvm/IR/CFG.h"
2656   BasicBlock *BB = ...;
2658   for (BasicBlock *Pred : predecessors(BB)) {
2659     // ...
2660   }
2662 Similarly, to iterate over successors use ``successors``.
2664 .. _simplechanges:
2666 Making simple changes
2667 ---------------------
2669 There are some primitive transformation operations present in the LLVM
2670 infrastructure that are worth knowing about.  When performing transformations,
2671 it's fairly common to manipulate the contents of basic blocks.  This section
2672 describes some of the common methods for doing so and gives example code.
2674 .. _schanges_creating:
2676 Creating and inserting new ``Instruction``\ s
2677 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2679 *Instantiating Instructions*
2681 Creation of ``Instruction``\ s is straight-forward: simply call the constructor
2682 for the kind of instruction to instantiate and provide the necessary parameters.
2683 For example, an ``AllocaInst`` only *requires* a (const-ptr-to) ``Type``.  Thus:
2685 .. code-block:: c++
2687   auto *ai = new AllocaInst(Type::Int32Ty);
2689 will create an ``AllocaInst`` instance that represents the allocation of one
2690 integer in the current stack frame, at run time.  Each ``Instruction`` subclass
2691 is likely to have varying default parameters which change the semantics of the
2692 instruction, so refer to the `doxygen documentation for the subclass of
2693 Instruction <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Instruction.html>`_ that
2694 you're interested in instantiating.
2696 *Naming values*
2698 It is very useful to name the values of instructions when you're able to, as
2699 this facilitates the debugging of your transformations.  If you end up looking
2700 at generated LLVM machine code, you definitely want to have logical names
2701 associated with the results of instructions!  By supplying a value for the
2702 ``Name`` (default) parameter of the ``Instruction`` constructor, you associate a
2703 logical name with the result of the instruction's execution at run time.  For
2704 example, say that I'm writing a transformation that dynamically allocates space
2705 for an integer on the stack, and that integer is going to be used as some kind
2706 of index by some other code.  To accomplish this, I place an ``AllocaInst`` at
2707 the first point in the first ``BasicBlock`` of some ``Function``, and I'm
2708 intending to use it within the same ``Function``.  I might do:
2710 .. code-block:: c++
2712   auto *pa = new AllocaInst(Type::Int32Ty, 0, "indexLoc");
2714 where ``indexLoc`` is now the logical name of the instruction's execution value,
2715 which is a pointer to an integer on the run time stack.
2717 *Inserting instructions*
2719 There are essentially three ways to insert an ``Instruction`` into an existing
2720 sequence of instructions that form a ``BasicBlock``:
2722 * Insertion into an explicit instruction list
2724   Given a ``BasicBlock* pb``, an ``Instruction* pi`` within that ``BasicBlock``,
2725   and a newly-created instruction we wish to insert before ``*pi``, we do the
2726   following:
2728   .. code-block:: c++
2730       BasicBlock *pb = ...;
2731       Instruction *pi = ...;
2732       auto *newInst = new Instruction(...);
2734       pb->getInstList().insert(pi, newInst); // Inserts newInst before pi in pb
2736   Appending to the end of a ``BasicBlock`` is so common that the ``Instruction``
2737   class and ``Instruction``-derived classes provide constructors which take a
2738   pointer to a ``BasicBlock`` to be appended to.  For example code that looked
2739   like:
2741   .. code-block:: c++
2743     BasicBlock *pb = ...;
2744     auto *newInst = new Instruction(...);
2746     pb->getInstList().push_back(newInst); // Appends newInst to pb
2748   becomes:
2750   .. code-block:: c++
2752     BasicBlock *pb = ...;
2753     auto *newInst = new Instruction(..., pb);
2755   which is much cleaner, especially if you are creating long instruction
2756   streams.
2758 * Insertion into an implicit instruction list
2760   ``Instruction`` instances that are already in ``BasicBlock``\ s are implicitly
2761   associated with an existing instruction list: the instruction list of the
2762   enclosing basic block.  Thus, we could have accomplished the same thing as the
2763   above code without being given a ``BasicBlock`` by doing:
2765   .. code-block:: c++
2767     Instruction *pi = ...;
2768     auto *newInst = new Instruction(...);
2770     pi->getParent()->getInstList().insert(pi, newInst);
2772   In fact, this sequence of steps occurs so frequently that the ``Instruction``
2773   class and ``Instruction``-derived classes provide constructors which take (as
2774   a default parameter) a pointer to an ``Instruction`` which the newly-created
2775   ``Instruction`` should precede.  That is, ``Instruction`` constructors are
2776   capable of inserting the newly-created instance into the ``BasicBlock`` of a
2777   provided instruction, immediately before that instruction.  Using an
2778   ``Instruction`` constructor with a ``insertBefore`` (default) parameter, the
2779   above code becomes:
2781   .. code-block:: c++
2783     Instruction* pi = ...;
2784     auto *newInst = new Instruction(..., pi);
2786   which is much cleaner, especially if you're creating a lot of instructions and
2787   adding them to ``BasicBlock``\ s.
2789 * Insertion using an instance of ``IRBuilder``
2791   Inserting several ``Instruction``\ s can be quite laborious using the previous
2792   methods. The ``IRBuilder`` is a convenience class that can be used to add
2793   several instructions to the end of a ``BasicBlock`` or before a particular
2794   ``Instruction``. It also supports constant folding and renaming named
2795   registers (see ``IRBuilder``'s template arguments).
2797   The example below demonstrates a very simple use of the ``IRBuilder`` where
2798   three instructions are inserted before the instruction ``pi``. The first two
2799   instructions are Call instructions and third instruction multiplies the return
2800   value of the two calls.
2802   .. code-block:: c++
2804     Instruction *pi = ...;
2805     IRBuilder<> Builder(pi);
2806     CallInst* callOne = Builder.CreateCall(...);
2807     CallInst* callTwo = Builder.CreateCall(...);
2808     Value* result = Builder.CreateMul(callOne, callTwo);
2810   The example below is similar to the above example except that the created
2811   ``IRBuilder`` inserts instructions at the end of the ``BasicBlock`` ``pb``.
2813   .. code-block:: c++
2815     BasicBlock *pb = ...;
2816     IRBuilder<> Builder(pb);
2817     CallInst* callOne = Builder.CreateCall(...);
2818     CallInst* callTwo = Builder.CreateCall(...);
2819     Value* result = Builder.CreateMul(callOne, callTwo);
2821   See :doc:`tutorial/LangImpl03` for a practical use of the ``IRBuilder``.
2824 .. _schanges_deleting:
2826 Deleting Instructions
2827 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2829 Deleting an instruction from an existing sequence of instructions that form a
2830 BasicBlock_ is very straight-forward: just call the instruction's
2831 ``eraseFromParent()`` method.  For example:
2833 .. code-block:: c++
2835   Instruction *I = .. ;
2836   I->eraseFromParent();
2838 This unlinks the instruction from its containing basic block and deletes it.  If
2839 you'd just like to unlink the instruction from its containing basic block but
2840 not delete it, you can use the ``removeFromParent()`` method.
2842 .. _schanges_replacing:
2844 Replacing an Instruction with another Value
2845 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2847 Replacing individual instructions
2848 """""""""""""""""""""""""""""""""
2850 Including "`llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h
2851 <http://llvm.org/doxygen/BasicBlockUtils_8h_source.html>`_" permits use of two
2852 very useful replace functions: ``ReplaceInstWithValue`` and
2853 ``ReplaceInstWithInst``.
2855 .. _schanges_deleting_sub:
2857 Deleting Instructions
2858 """""""""""""""""""""
2860 * ``ReplaceInstWithValue``
2862   This function replaces all uses of a given instruction with a value, and then
2863   removes the original instruction.  The following example illustrates the
2864   replacement of the result of a particular ``AllocaInst`` that allocates memory
2865   for a single integer with a null pointer to an integer.
2867   .. code-block:: c++
2869     AllocaInst* instToReplace = ...;
2870     BasicBlock::iterator ii(instToReplace);
2872     ReplaceInstWithValue(instToReplace->getParent()->getInstList(), ii,
2873                          Constant::getNullValue(PointerType::getUnqual(Type::Int32Ty)));
2875 * ``ReplaceInstWithInst``
2877   This function replaces a particular instruction with another instruction,
2878   inserting the new instruction into the basic block at the location where the
2879   old instruction was, and replacing any uses of the old instruction with the
2880   new instruction.  The following example illustrates the replacement of one
2881   ``AllocaInst`` with another.
2883   .. code-block:: c++
2885     AllocaInst* instToReplace = ...;
2886     BasicBlock::iterator ii(instToReplace);
2888     ReplaceInstWithInst(instToReplace->getParent()->getInstList(), ii,
2889                         new AllocaInst(Type::Int32Ty, 0, "ptrToReplacedInt"));
2892 Replacing multiple uses of Users and Values
2893 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
2895 You can use ``Value::replaceAllUsesWith`` and ``User::replaceUsesOfWith`` to
2896 change more than one use at a time.  See the doxygen documentation for the
2897 `Value Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`_ and `User Class
2898 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`_, respectively, for more
2899 information.
2901 .. _schanges_deletingGV:
2903 Deleting GlobalVariables
2904 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2906 Deleting a global variable from a module is just as easy as deleting an
2907 Instruction.  First, you must have a pointer to the global variable that you
2908 wish to delete.  You use this pointer to erase it from its parent, the module.
2909 For example:
2911 .. code-block:: c++
2913   GlobalVariable *GV = .. ;
2915   GV->eraseFromParent();
2918 .. _threading:
2920 Threads and LLVM
2921 ================
2923 This section describes the interaction of the LLVM APIs with multithreading,
2924 both on the part of client applications, and in the JIT, in the hosted
2925 application.
2927 Note that LLVM's support for multithreading is still relatively young.  Up
2928 through version 2.5, the execution of threaded hosted applications was
2929 supported, but not threaded client access to the APIs.  While this use case is
2930 now supported, clients *must* adhere to the guidelines specified below to ensure
2931 proper operation in multithreaded mode.
2933 Note that, on Unix-like platforms, LLVM requires the presence of GCC's atomic
2934 intrinsics in order to support threaded operation.  If you need a
2935 multhreading-capable LLVM on a platform without a suitably modern system
2936 compiler, consider compiling LLVM and LLVM-GCC in single-threaded mode, and
2937 using the resultant compiler to build a copy of LLVM with multithreading
2938 support.
2940 .. _shutdown:
2942 Ending Execution with ``llvm_shutdown()``
2943 -----------------------------------------
2945 When you are done using the LLVM APIs, you should call ``llvm_shutdown()`` to
2946 deallocate memory used for internal structures.
2948 .. _managedstatic:
2950 Lazy Initialization with ``ManagedStatic``
2951 ------------------------------------------
2953 ``ManagedStatic`` is a utility class in LLVM used to implement static
2954 initialization of static resources, such as the global type tables.  In a
2955 single-threaded environment, it implements a simple lazy initialization scheme.
2956 When LLVM is compiled with support for multi-threading, however, it uses
2957 double-checked locking to implement thread-safe lazy initialization.
2959 .. _llvmcontext:
2961 Achieving Isolation with ``LLVMContext``
2962 ----------------------------------------
2964 ``LLVMContext`` is an opaque class in the LLVM API which clients can use to
2965 operate multiple, isolated instances of LLVM concurrently within the same
2966 address space.  For instance, in a hypothetical compile-server, the compilation
2967 of an individual translation unit is conceptually independent from all the
2968 others, and it would be desirable to be able to compile incoming translation
2969 units concurrently on independent server threads.  Fortunately, ``LLVMContext``
2970 exists to enable just this kind of scenario!
2972 Conceptually, ``LLVMContext`` provides isolation.  Every LLVM entity
2973 (``Module``\ s, ``Value``\ s, ``Type``\ s, ``Constant``\ s, etc.) in LLVM's
2974 in-memory IR belongs to an ``LLVMContext``.  Entities in different contexts
2975 *cannot* interact with each other: ``Module``\ s in different contexts cannot be
2976 linked together, ``Function``\ s cannot be added to ``Module``\ s in different
2977 contexts, etc.  What this means is that is safe to compile on multiple
2978 threads simultaneously, as long as no two threads operate on entities within the
2979 same context.
2981 In practice, very few places in the API require the explicit specification of a
2982 ``LLVMContext``, other than the ``Type`` creation/lookup APIs.  Because every
2983 ``Type`` carries a reference to its owning context, most other entities can
2984 determine what context they belong to by looking at their own ``Type``.  If you
2985 are adding new entities to LLVM IR, please try to maintain this interface
2986 design.
2988 .. _jitthreading:
2990 Threads and the JIT
2991 -------------------
2993 LLVM's "eager" JIT compiler is safe to use in threaded programs.  Multiple
2994 threads can call ``ExecutionEngine::getPointerToFunction()`` or
2995 ``ExecutionEngine::runFunction()`` concurrently, and multiple threads can run
2996 code output by the JIT concurrently.  The user must still ensure that only one
2997 thread accesses IR in a given ``LLVMContext`` while another thread might be
2998 modifying it.  One way to do that is to always hold the JIT lock while accessing
2999 IR outside the JIT (the JIT *modifies* the IR by adding ``CallbackVH``\ s).
3000 Another way is to only call ``getPointerToFunction()`` from the
3001 ``LLVMContext``'s thread.
3003 When the JIT is configured to compile lazily (using
3004 ``ExecutionEngine::DisableLazyCompilation(false)``), there is currently a `race
3005 condition <https://bugs.llvm.org/show_bug.cgi?id=5184>`_ in updating call sites
3006 after a function is lazily-jitted.  It's still possible to use the lazy JIT in a
3007 threaded program if you ensure that only one thread at a time can call any
3008 particular lazy stub and that the JIT lock guards any IR access, but we suggest
3009 using only the eager JIT in threaded programs.
3011 .. _advanced:
3013 Advanced Topics
3014 ===============
3016 This section describes some of the advanced or obscure API's that most clients
3017 do not need to be aware of.  These API's tend manage the inner workings of the
3018 LLVM system, and only need to be accessed in unusual circumstances.
3020 .. _SymbolTable:
3022 The ``ValueSymbolTable`` class
3023 ------------------------------
3025 The ``ValueSymbolTable`` (`doxygen
3026 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ValueSymbolTable.html>`__) class provides
3027 a symbol table that the :ref:`Function <c_Function>` and Module_ classes use for
3028 naming value definitions.  The symbol table can provide a name for any Value_.
3030 Note that the ``SymbolTable`` class should not be directly accessed by most
3031 clients.  It should only be used when iteration over the symbol table names
3032 themselves are required, which is very special purpose.  Note that not all LLVM
3033 Value_\ s have names, and those without names (i.e. they have an empty name) do
3034 not exist in the symbol table.
3036 Symbol tables support iteration over the values in the symbol table with
3037 ``begin/end/iterator`` and supports querying to see if a specific name is in the
3038 symbol table (with ``lookup``).  The ``ValueSymbolTable`` class exposes no
3039 public mutator methods, instead, simply call ``setName`` on a value, which will
3040 autoinsert it into the appropriate symbol table.
3042 .. _UserLayout:
3044 The ``User`` and owned ``Use`` classes' memory layout
3045 -----------------------------------------------------
3047 The ``User`` (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`__)
3048 class provides a basis for expressing the ownership of ``User`` towards other
3049 `Value instance <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`_\ s.  The
3050 ``Use`` (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Use.html>`__) helper
3051 class is employed to do the bookkeeping and to facilitate *O(1)* addition and
3052 removal.
3054 .. _Use2User:
3056 Interaction and relationship between ``User`` and ``Use`` objects
3057 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3059 A subclass of ``User`` can choose between incorporating its ``Use`` objects or
3060 refer to them out-of-line by means of a pointer.  A mixed variant (some ``Use``
3061 s inline others hung off) is impractical and breaks the invariant that the
3062 ``Use`` objects belonging to the same ``User`` form a contiguous array.
3064 We have 2 different layouts in the ``User`` (sub)classes:
3066 * Layout a)
3068   The ``Use`` object(s) are inside (resp. at fixed offset) of the ``User``
3069   object and there are a fixed number of them.
3071 * Layout b)
3073   The ``Use`` object(s) are referenced by a pointer to an array from the
3074   ``User`` object and there may be a variable number of them.
3076 As of v2.4 each layout still possesses a direct pointer to the start of the
3077 array of ``Use``\ s.  Though not mandatory for layout a), we stick to this
3078 redundancy for the sake of simplicity.  The ``User`` object also stores the
3079 number of ``Use`` objects it has. (Theoretically this information can also be
3080 calculated given the scheme presented below.)
3082 Special forms of allocation operators (``operator new``) enforce the following
3083 memory layouts:
3085 * Layout a) is modelled by prepending the ``User`` object by the ``Use[]``
3086   array.
3088   .. code-block:: none
3090     ...---.---.---.---.-------...
3091       | P | P | P | P | User
3092     '''---'---'---'---'-------'''
3094 * Layout b) is modelled by pointing at the ``Use[]`` array.
3096   .. code-block:: none
3098     .-------...
3099     | User
3100     '-------'''
3101         |
3102         v
3103         .---.---.---.---...
3104         | P | P | P | P |
3105         '---'---'---'---'''
3107 *(In the above figures* '``P``' *stands for the* ``Use**`` *that is stored in
3108 each* ``Use`` *object in the member* ``Use::Prev`` *)*
3110 .. _Waymarking:
3112 The waymarking algorithm
3113 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3115 Since the ``Use`` objects are deprived of the direct (back)pointer to their
3116 ``User`` objects, there must be a fast and exact method to recover it.  This is
3117 accomplished by the following scheme:
3119 A bit-encoding in the 2 LSBits (least significant bits) of the ``Use::Prev``
3120 allows to find the start of the ``User`` object:
3122 * ``00`` --- binary digit 0
3124 * ``01`` --- binary digit 1
3126 * ``10`` --- stop and calculate (``s``)
3128 * ``11`` --- full stop (``S``)
3130 Given a ``Use*``, all we have to do is to walk till we get a stop and we either
3131 have a ``User`` immediately behind or we have to walk to the next stop picking
3132 up digits and calculating the offset:
3134 .. code-block:: none
3136   .---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.----------------
3137   | 1 | s | 1 | 0 | 1 | 0 | s | 1 | 1 | 0 | s | 1 | 1 | s | 1 | S | User (or User*)
3138   '---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'----------------
3139       |+15                |+10            |+6         |+3     |+1
3140       |                   |               |           |       | __>
3141       |                   |               |           | __________>
3142       |                   |               | ______________________>
3143       |                   | ______________________________________>
3144       | __________________________________________________________>
3146 Only the significant number of bits need to be stored between the stops, so that
3147 the *worst case is 20 memory accesses* when there are 1000 ``Use`` objects
3148 associated with a ``User``.
3150 .. _ReferenceImpl:
3152 Reference implementation
3153 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3155 The following literate Haskell fragment demonstrates the concept:
3157 .. code-block:: haskell
3159   > import Test.QuickCheck
3160   >
3161   > digits :: Int -> [Char] -> [Char]
3162   > digits 0 acc = '0' : acc
3163   > digits 1 acc = '1' : acc
3164   > digits n acc = digits (n `div` 2) $ digits (n `mod` 2) acc
3165   >
3166   > dist :: Int -> [Char] -> [Char]
3167   > dist 0 [] = ['S']
3168   > dist 0 acc = acc
3169   > dist 1 acc = let r = dist 0 acc in 's' : digits (length r) r
3170   > dist n acc = dist (n - 1) $ dist 1 acc
3171   >
3172   > takeLast n ss = reverse $ take n $ reverse ss
3173   >
3174   > test = takeLast 40 $ dist 20 []
3175   >
3177 Printing <test> gives: ``"1s100000s11010s10100s1111s1010s110s11s1S"``
3179 The reverse algorithm computes the length of the string just by examining a
3180 certain prefix:
3182 .. code-block:: haskell
3184   > pref :: [Char] -> Int
3185   > pref "S" = 1
3186   > pref ('s':'1':rest) = decode 2 1 rest
3187   > pref (_:rest) = 1 + pref rest
3188   >
3189   > decode walk acc ('0':rest) = decode (walk + 1) (acc * 2) rest
3190   > decode walk acc ('1':rest) = decode (walk + 1) (acc * 2 + 1) rest
3191   > decode walk acc _ = walk + acc
3192   >
3194 Now, as expected, printing <pref test> gives ``40``.
3196 We can *quickCheck* this with following property:
3198 .. code-block:: haskell
3200   > testcase = dist 2000 []
3201   > testcaseLength = length testcase
3202   >
3203   > identityProp n = n > 0 && n <= testcaseLength ==> length arr == pref arr
3204   >     where arr = takeLast n testcase
3205   >
3207 As expected <quickCheck identityProp> gives:
3211   *Main> quickCheck identityProp
3212   OK, passed 100 tests.
3214 Let's be a bit more exhaustive:
3216 .. code-block:: haskell
3218   >
3219   > deepCheck p = check (defaultConfig { configMaxTest = 500 }) p
3220   >
3222 And here is the result of <deepCheck identityProp>:
3226   *Main> deepCheck identityProp
3227   OK, passed 500 tests.
3229 .. _Tagging:
3231 Tagging considerations
3232 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3234 To maintain the invariant that the 2 LSBits of each ``Use**`` in ``Use`` never
3235 change after being set up, setters of ``Use::Prev`` must re-tag the new
3236 ``Use**`` on every modification.  Accordingly getters must strip the tag bits.
3238 For layout b) instead of the ``User`` we find a pointer (``User*`` with LSBit
3239 set).  Following this pointer brings us to the ``User``.  A portable trick
3240 ensures that the first bytes of ``User`` (if interpreted as a pointer) never has
3241 the LSBit set. (Portability is relying on the fact that all known compilers
3242 place the ``vptr`` in the first word of the instances.)
3244 .. _polymorphism:
3246 Designing Type Hiercharies and Polymorphic Interfaces
3247 -----------------------------------------------------
3249 There are two different design patterns that tend to result in the use of
3250 virtual dispatch for methods in a type hierarchy in C++ programs. The first is
3251 a genuine type hierarchy where different types in the hierarchy model
3252 a specific subset of the functionality and semantics, and these types nest
3253 strictly within each other. Good examples of this can be seen in the ``Value``
3254 or ``Type`` type hierarchies.
3256 A second is the desire to dispatch dynamically across a collection of
3257 polymorphic interface implementations. This latter use case can be modeled with
3258 virtual dispatch and inheritance by defining an abstract interface base class
3259 which all implementations derive from and override. However, this
3260 implementation strategy forces an **"is-a"** relationship to exist that is not
3261 actually meaningful. There is often not some nested hierarchy of useful
3262 generalizations which code might interact with and move up and down. Instead,
3263 there is a singular interface which is dispatched across a range of
3264 implementations.
3266 The preferred implementation strategy for the second use case is that of
3267 generic programming (sometimes called "compile-time duck typing" or "static
3268 polymorphism"). For example, a template over some type parameter ``T`` can be
3269 instantiated across any particular implementation that conforms to the
3270 interface or *concept*. A good example here is the highly generic properties of
3271 any type which models a node in a directed graph. LLVM models these primarily
3272 through templates and generic programming. Such templates include the
3273 ``LoopInfoBase`` and ``DominatorTreeBase``. When this type of polymorphism
3274 truly needs **dynamic** dispatch you can generalize it using a technique
3275 called *concept-based polymorphism*. This pattern emulates the interfaces and
3276 behaviors of templates using a very limited form of virtual dispatch for type
3277 erasure inside its implementation. You can find examples of this technique in
3278 the ``PassManager.h`` system, and there is a more detailed introduction to it
3279 by Sean Parent in several of his talks and papers:
3281 #. `Inheritance Is The Base Class of Evil
3282    <http://channel9.msdn.com/Events/GoingNative/2013/Inheritance-Is-The-Base-Class-of-Evil>`_
3283    - The GoingNative 2013 talk describing this technique, and probably the best
3284    place to start.
3285 #. `Value Semantics and Concepts-based Polymorphism
3286    <http://www.youtube.com/watch?v=_BpMYeUFXv8>`_ - The C++Now! 2012 talk
3287    describing this technique in more detail.
3288 #. `Sean Parent's Papers and Presentations
3289    <http://github.com/sean-parent/sean-parent.github.com/wiki/Papers-and-Presentations>`_
3290    - A Github project full of links to slides, video, and sometimes code.
3292 When deciding between creating a type hierarchy (with either tagged or virtual
3293 dispatch) and using templates or concepts-based polymorphism, consider whether
3294 there is some refinement of an abstract base class which is a semantically
3295 meaningful type on an interface boundary. If anything more refined than the
3296 root abstract interface is meaningless to talk about as a partial extension of
3297 the semantic model, then your use case likely fits better with polymorphism and
3298 you should avoid using virtual dispatch. However, there may be some exigent
3299 circumstances that require one technique or the other to be used.
3301 If you do need to introduce a type hierarchy, we prefer to use explicitly
3302 closed type hierarchies with manual tagged dispatch and/or RTTI rather than the
3303 open inheritance model and virtual dispatch that is more common in C++ code.
3304 This is because LLVM rarely encourages library consumers to extend its core
3305 types, and leverages the closed and tag-dispatched nature of its hierarchies to
3306 generate significantly more efficient code. We have also found that a large
3307 amount of our usage of type hierarchies fits better with tag-based pattern
3308 matching rather than dynamic dispatch across a common interface. Within LLVM we
3309 have built custom helpers to facilitate this design. See this document's
3310 section on :ref:`isa and dyn_cast <isa>` and our :doc:`detailed document
3311 <HowToSetUpLLVMStyleRTTI>` which describes how you can implement this
3312 pattern for use with the LLVM helpers.
3314 .. _abi_breaking_checks:
3316 ABI Breaking Checks
3317 -------------------
3319 Checks and asserts that alter the LLVM C++ ABI are predicated on the
3320 preprocessor symbol `LLVM_ENABLE_ABI_BREAKING_CHECKS` -- LLVM
3321 libraries built with `LLVM_ENABLE_ABI_BREAKING_CHECKS` are not ABI
3322 compatible LLVM libraries built without it defined.  By default,
3323 turning on assertions also turns on `LLVM_ENABLE_ABI_BREAKING_CHECKS`
3324 so a default +Asserts build is not ABI compatible with a
3325 default -Asserts build.  Clients that want ABI compatibility
3326 between +Asserts and -Asserts builds should use the CMake or autoconf
3327 build systems to set `LLVM_ENABLE_ABI_BREAKING_CHECKS` independently
3328 of `LLVM_ENABLE_ASSERTIONS`.
3330 .. _coreclasses:
3332 The Core LLVM Class Hierarchy Reference
3333 =======================================
3335 ``#include "llvm/IR/Type.h"``
3337 header source: `Type.h <http://llvm.org/doxygen/Type_8h_source.html>`_
3339 doxygen info: `Type Clases <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Type.html>`_
3341 The Core LLVM classes are the primary means of representing the program being
3342 inspected or transformed.  The core LLVM classes are defined in header files in
3343 the ``include/llvm/IR`` directory, and implemented in the ``lib/IR``
3344 directory. It's worth noting that, for historical reasons, this library is
3345 called ``libLLVMCore.so``, not ``libLLVMIR.so`` as you might expect.
3347 .. _Type:
3349 The Type class and Derived Types
3350 --------------------------------
3352 ``Type`` is a superclass of all type classes.  Every ``Value`` has a ``Type``.
3353 ``Type`` cannot be instantiated directly but only through its subclasses.
3354 Certain primitive types (``VoidType``, ``LabelType``, ``FloatType`` and
3355 ``DoubleType``) have hidden subclasses.  They are hidden because they offer no
3356 useful functionality beyond what the ``Type`` class offers except to distinguish
3357 themselves from other subclasses of ``Type``.
3359 All other types are subclasses of ``DerivedType``.  Types can be named, but this
3360 is not a requirement.  There exists exactly one instance of a given shape at any
3361 one time.  This allows type equality to be performed with address equality of
3362 the Type Instance.  That is, given two ``Type*`` values, the types are identical
3363 if the pointers are identical.
3365 .. _m_Type:
3367 Important Public Methods
3368 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3370 * ``bool isIntegerTy() const``: Returns true for any integer type.
3372 * ``bool isFloatingPointTy()``: Return true if this is one of the five
3373   floating point types.
3375 * ``bool isSized()``: Return true if the type has known size.  Things
3376   that don't have a size are abstract types, labels and void.
3378 .. _derivedtypes:
3380 Important Derived Types
3381 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3383 ``IntegerType``
3384   Subclass of DerivedType that represents integer types of any bit width.  Any
3385   bit width between ``IntegerType::MIN_INT_BITS`` (1) and
3386   ``IntegerType::MAX_INT_BITS`` (~8 million) can be represented.
3388   * ``static const IntegerType* get(unsigned NumBits)``: get an integer
3389     type of a specific bit width.
3391   * ``unsigned getBitWidth() const``: Get the bit width of an integer type.
3393 ``SequentialType``
3394   This is subclassed by ArrayType and VectorType.
3396   * ``const Type * getElementType() const``: Returns the type of each
3397     of the elements in the sequential type.
3399   * ``uint64_t getNumElements() const``: Returns the number of elements
3400     in the sequential type.
3402 ``ArrayType``
3403   This is a subclass of SequentialType and defines the interface for array
3404   types.
3406 ``PointerType``
3407   Subclass of Type for pointer types.
3409 ``VectorType``
3410   Subclass of SequentialType for vector types.  A vector type is similar to an
3411   ArrayType but is distinguished because it is a first class type whereas
3412   ArrayType is not.  Vector types are used for vector operations and are usually
3413   small vectors of an integer or floating point type.
3415 ``StructType``
3416   Subclass of DerivedTypes for struct types.
3418 .. _FunctionType:
3420 ``FunctionType``
3421   Subclass of DerivedTypes for function types.
3423   * ``bool isVarArg() const``: Returns true if it's a vararg function.
3425   * ``const Type * getReturnType() const``: Returns the return type of the
3426     function.
3428   * ``const Type * getParamType (unsigned i)``: Returns the type of the ith
3429     parameter.
3431   * ``const unsigned getNumParams() const``: Returns the number of formal
3432     parameters.
3434 .. _Module:
3436 The ``Module`` class
3437 --------------------
3439 ``#include "llvm/IR/Module.h"``
3441 header source: `Module.h <http://llvm.org/doxygen/Module_8h_source.html>`_
3443 doxygen info: `Module Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Module.html>`_
3445 The ``Module`` class represents the top level structure present in LLVM
3446 programs.  An LLVM module is effectively either a translation unit of the
3447 original program or a combination of several translation units merged by the
3448 linker.  The ``Module`` class keeps track of a list of :ref:`Function
3449 <c_Function>`\ s, a list of GlobalVariable_\ s, and a SymbolTable_.
3450 Additionally, it contains a few helpful member functions that try to make common
3451 operations easy.
3453 .. _m_Module:
3455 Important Public Members of the ``Module`` class
3456 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3458 * ``Module::Module(std::string name = "")``
3460   Constructing a Module_ is easy.  You can optionally provide a name for it
3461   (probably based on the name of the translation unit).
3463 * | ``Module::iterator`` - Typedef for function list iterator
3464   | ``Module::const_iterator`` - Typedef for const_iterator.
3465   | ``begin()``, ``end()``, ``size()``, ``empty()``
3467   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
3468   ``Module`` object's :ref:`Function <c_Function>` list.
3470 * ``Module::FunctionListType &getFunctionList()``
3472   Returns the list of :ref:`Function <c_Function>`\ s.  This is necessary to use
3473   when you need to update the list or perform a complex action that doesn't have
3474   a forwarding method.
3476 ----------------
3478 * | ``Module::global_iterator`` - Typedef for global variable list iterator
3479   | ``Module::const_global_iterator`` - Typedef for const_iterator.
3480   | ``global_begin()``, ``global_end()``, ``global_size()``, ``global_empty()``
3482   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
3483   ``Module`` object's GlobalVariable_ list.
3485 * ``Module::GlobalListType &getGlobalList()``
3487   Returns the list of GlobalVariable_\ s.  This is necessary to use when you
3488   need to update the list or perform a complex action that doesn't have a
3489   forwarding method.
3491 ----------------
3493 * ``SymbolTable *getSymbolTable()``
3495   Return a reference to the SymbolTable_ for this ``Module``.
3497 ----------------
3499 * ``Function *getFunction(StringRef Name) const``
3501   Look up the specified function in the ``Module`` SymbolTable_.  If it does not
3502   exist, return ``null``.
3504 * ``FunctionCallee getOrInsertFunction(const std::string &Name,
3505   const FunctionType *T)``
3507   Look up the specified function in the ``Module`` SymbolTable_.  If
3508   it does not exist, add an external declaration for the function and
3509   return it. Note that the function signature already present may not
3510   match the requested signature. Thus, in order to enable the common
3511   usage of passing the result directly to EmitCall, the return type is
3512   a struct of ``{FunctionType *T, Constant *FunctionPtr}``, rather
3513   than simply the ``Function*`` with potentially an unexpected
3514   signature.
3516 * ``std::string getTypeName(const Type *Ty)``
3518   If there is at least one entry in the SymbolTable_ for the specified Type_,
3519   return it.  Otherwise return the empty string.
3521 * ``bool addTypeName(const std::string &Name, const Type *Ty)``
3523   Insert an entry in the SymbolTable_ mapping ``Name`` to ``Ty``.  If there is
3524   already an entry for this name, true is returned and the SymbolTable_ is not
3525   modified.
3527 .. _Value:
3529 The ``Value`` class
3530 -------------------
3532 ``#include "llvm/IR/Value.h"``
3534 header source: `Value.h <http://llvm.org/doxygen/Value_8h_source.html>`_
3536 doxygen info: `Value Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`_
3538 The ``Value`` class is the most important class in the LLVM Source base.  It
3539 represents a typed value that may be used (among other things) as an operand to
3540 an instruction.  There are many different types of ``Value``\ s, such as
3541 Constant_\ s, Argument_\ s.  Even Instruction_\ s and :ref:`Function
3542 <c_Function>`\ s are ``Value``\ s.
3544 A particular ``Value`` may be used many times in the LLVM representation for a
3545 program.  For example, an incoming argument to a function (represented with an
3546 instance of the Argument_ class) is "used" by every instruction in the function
3547 that references the argument.  To keep track of this relationship, the ``Value``
3548 class keeps a list of all of the ``User``\ s that is using it (the User_ class
3549 is a base class for all nodes in the LLVM graph that can refer to ``Value``\ s).
3550 This use list is how LLVM represents def-use information in the program, and is
3551 accessible through the ``use_*`` methods, shown below.
3553 Because LLVM is a typed representation, every LLVM ``Value`` is typed, and this
3554 Type_ is available through the ``getType()`` method.  In addition, all LLVM
3555 values can be named.  The "name" of the ``Value`` is a symbolic string printed
3556 in the LLVM code:
3558 .. code-block:: llvm
3560   %foo = add i32 1, 2
3562 .. _nameWarning:
3564 The name of this instruction is "foo". **NOTE** that the name of any value may
3565 be missing (an empty string), so names should **ONLY** be used for debugging
3566 (making the source code easier to read, debugging printouts), they should not be
3567 used to keep track of values or map between them.  For this purpose, use a
3568 ``std::map`` of pointers to the ``Value`` itself instead.
3570 One important aspect of LLVM is that there is no distinction between an SSA
3571 variable and the operation that produces it.  Because of this, any reference to
3572 the value produced by an instruction (or the value available as an incoming
3573 argument, for example) is represented as a direct pointer to the instance of the
3574 class that represents this value.  Although this may take some getting used to,
3575 it simplifies the representation and makes it easier to manipulate.
3577 .. _m_Value:
3579 Important Public Members of the ``Value`` class
3580 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3582 * | ``Value::use_iterator`` - Typedef for iterator over the use-list
3583   | ``Value::const_use_iterator`` - Typedef for const_iterator over the
3584     use-list
3585   | ``unsigned use_size()`` - Returns the number of users of the value.
3586   | ``bool use_empty()`` - Returns true if there are no users.
3587   | ``use_iterator use_begin()`` - Get an iterator to the start of the
3588     use-list.
3589   | ``use_iterator use_end()`` - Get an iterator to the end of the use-list.
3590   | ``User *use_back()`` - Returns the last element in the list.
3592   These methods are the interface to access the def-use information in LLVM.
3593   As with all other iterators in LLVM, the naming conventions follow the
3594   conventions defined by the STL_.
3596 * ``Type *getType() const``
3597   This method returns the Type of the Value.
3599 * | ``bool hasName() const``
3600   | ``std::string getName() const``
3601   | ``void setName(const std::string &Name)``
3603   This family of methods is used to access and assign a name to a ``Value``, be
3604   aware of the :ref:`precaution above <nameWarning>`.
3606 * ``void replaceAllUsesWith(Value *V)``
3608   This method traverses the use list of a ``Value`` changing all User_\ s of the
3609   current value to refer to "``V``" instead.  For example, if you detect that an
3610   instruction always produces a constant value (for example through constant
3611   folding), you can replace all uses of the instruction with the constant like
3612   this:
3614   .. code-block:: c++
3616     Inst->replaceAllUsesWith(ConstVal);
3618 .. _User:
3620 The ``User`` class
3621 ------------------
3623 ``#include "llvm/IR/User.h"``
3625 header source: `User.h <http://llvm.org/doxygen/User_8h_source.html>`_
3627 doxygen info: `User Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`_
3629 Superclass: Value_
3631 The ``User`` class is the common base class of all LLVM nodes that may refer to
3632 ``Value``\ s.  It exposes a list of "Operands" that are all of the ``Value``\ s
3633 that the User is referring to.  The ``User`` class itself is a subclass of
3634 ``Value``.
3636 The operands of a ``User`` point directly to the LLVM ``Value`` that it refers
3637 to.  Because LLVM uses Static Single Assignment (SSA) form, there can only be
3638 one definition referred to, allowing this direct connection.  This connection
3639 provides the use-def information in LLVM.
3641 .. _m_User:
3643 Important Public Members of the ``User`` class
3644 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3646 The ``User`` class exposes the operand list in two ways: through an index access
3647 interface and through an iterator based interface.
3649 * | ``Value *getOperand(unsigned i)``
3650   | ``unsigned getNumOperands()``
3652   These two methods expose the operands of the ``User`` in a convenient form for
3653   direct access.
3655 * | ``User::op_iterator`` - Typedef for iterator over the operand list
3656   | ``op_iterator op_begin()`` - Get an iterator to the start of the operand
3657     list.
3658   | ``op_iterator op_end()`` - Get an iterator to the end of the operand list.
3660   Together, these methods make up the iterator based interface to the operands
3661   of a ``User``.
3664 .. _Instruction:
3666 The ``Instruction`` class
3667 -------------------------
3669 ``#include "llvm/IR/Instruction.h"``
3671 header source: `Instruction.h
3672 <http://llvm.org/doxygen/Instruction_8h_source.html>`_
3674 doxygen info: `Instruction Class
3675 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Instruction.html>`_
3677 Superclasses: User_, Value_
3679 The ``Instruction`` class is the common base class for all LLVM instructions.
3680 It provides only a few methods, but is a very commonly used class.  The primary
3681 data tracked by the ``Instruction`` class itself is the opcode (instruction
3682 type) and the parent BasicBlock_ the ``Instruction`` is embedded into.  To
3683 represent a specific type of instruction, one of many subclasses of
3684 ``Instruction`` are used.
3686 Because the ``Instruction`` class subclasses the User_ class, its operands can
3687 be accessed in the same way as for other ``User``\ s (with the
3688 ``getOperand()``/``getNumOperands()`` and ``op_begin()``/``op_end()`` methods).
3689 An important file for the ``Instruction`` class is the ``llvm/Instruction.def``
3690 file.  This file contains some meta-data about the various different types of
3691 instructions in LLVM.  It describes the enum values that are used as opcodes
3692 (for example ``Instruction::Add`` and ``Instruction::ICmp``), as well as the
3693 concrete sub-classes of ``Instruction`` that implement the instruction (for
3694 example BinaryOperator_ and CmpInst_).  Unfortunately, the use of macros in this
3695 file confuses doxygen, so these enum values don't show up correctly in the
3696 `doxygen output <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Instruction.html>`_.
3698 .. _s_Instruction:
3700 Important Subclasses of the ``Instruction`` class
3701 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3703 .. _BinaryOperator:
3705 * ``BinaryOperator``
3707   This subclasses represents all two operand instructions whose operands must be
3708   the same type, except for the comparison instructions.
3710 .. _CastInst:
3712 * ``CastInst``
3713   This subclass is the parent of the 12 casting instructions.  It provides
3714   common operations on cast instructions.
3716 .. _CmpInst:
3718 * ``CmpInst``
3720   This subclass represents the two comparison instructions,
3721   `ICmpInst <LangRef.html#i_icmp>`_ (integer opreands), and
3722   `FCmpInst <LangRef.html#i_fcmp>`_ (floating point operands).
3724 .. _m_Instruction:
3726 Important Public Members of the ``Instruction`` class
3727 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3729 * ``BasicBlock *getParent()``
3731   Returns the BasicBlock_ that this
3732   ``Instruction`` is embedded into.
3734 * ``bool mayWriteToMemory()``
3736   Returns true if the instruction writes to memory, i.e. it is a ``call``,
3737   ``free``, ``invoke``, or ``store``.
3739 * ``unsigned getOpcode()``
3741   Returns the opcode for the ``Instruction``.
3743 * ``Instruction *clone() const``
3745   Returns another instance of the specified instruction, identical in all ways
3746   to the original except that the instruction has no parent (i.e. it's not
3747   embedded into a BasicBlock_), and it has no name.
3749 .. _Constant:
3751 The ``Constant`` class and subclasses
3752 -------------------------------------
3754 Constant represents a base class for different types of constants.  It is
3755 subclassed by ConstantInt, ConstantArray, etc. for representing the various
3756 types of Constants.  GlobalValue_ is also a subclass, which represents the
3757 address of a global variable or function.
3759 .. _s_Constant:
3761 Important Subclasses of Constant
3762 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3764 * ConstantInt : This subclass of Constant represents an integer constant of
3765   any width.
3767   * ``const APInt& getValue() const``: Returns the underlying
3768     value of this constant, an APInt value.
3770   * ``int64_t getSExtValue() const``: Converts the underlying APInt value to an
3771     int64_t via sign extension.  If the value (not the bit width) of the APInt
3772     is too large to fit in an int64_t, an assertion will result.  For this
3773     reason, use of this method is discouraged.
3775   * ``uint64_t getZExtValue() const``: Converts the underlying APInt value
3776     to a uint64_t via zero extension.  IF the value (not the bit width) of the
3777     APInt is too large to fit in a uint64_t, an assertion will result.  For this
3778     reason, use of this method is discouraged.
3780   * ``static ConstantInt* get(const APInt& Val)``: Returns the ConstantInt
3781     object that represents the value provided by ``Val``.  The type is implied
3782     as the IntegerType that corresponds to the bit width of ``Val``.
3784   * ``static ConstantInt* get(const Type *Ty, uint64_t Val)``: Returns the
3785     ConstantInt object that represents the value provided by ``Val`` for integer
3786     type ``Ty``.
3788 * ConstantFP : This class represents a floating point constant.
3790   * ``double getValue() const``: Returns the underlying value of this constant.
3792 * ConstantArray : This represents a constant array.
3794   * ``const std::vector<Use> &getValues() const``: Returns a vector of
3795     component constants that makeup this array.
3797 * ConstantStruct : This represents a constant struct.
3799   * ``const std::vector<Use> &getValues() const``: Returns a vector of
3800     component constants that makeup this array.
3802 * GlobalValue : This represents either a global variable or a function.  In
3803   either case, the value is a constant fixed address (after linking).
3805 .. _GlobalValue:
3807 The ``GlobalValue`` class
3808 -------------------------
3810 ``#include "llvm/IR/GlobalValue.h"``
3812 header source: `GlobalValue.h
3813 <http://llvm.org/doxygen/GlobalValue_8h_source.html>`_
3815 doxygen info: `GlobalValue Class
3816 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1GlobalValue.html>`_
3818 Superclasses: Constant_, User_, Value_
3820 Global values ( GlobalVariable_\ s or :ref:`Function <c_Function>`\ s) are the
3821 only LLVM values that are visible in the bodies of all :ref:`Function
3822 <c_Function>`\ s.  Because they are visible at global scope, they are also
3823 subject to linking with other globals defined in different translation units.
3824 To control the linking process, ``GlobalValue``\ s know their linkage rules.
3825 Specifically, ``GlobalValue``\ s know whether they have internal or external
3826 linkage, as defined by the ``LinkageTypes`` enumeration.
3828 If a ``GlobalValue`` has internal linkage (equivalent to being ``static`` in C),
3829 it is not visible to code outside the current translation unit, and does not
3830 participate in linking.  If it has external linkage, it is visible to external
3831 code, and does participate in linking.  In addition to linkage information,
3832 ``GlobalValue``\ s keep track of which Module_ they are currently part of.
3834 Because ``GlobalValue``\ s are memory objects, they are always referred to by
3835 their **address**.  As such, the Type_ of a global is always a pointer to its
3836 contents.  It is important to remember this when using the ``GetElementPtrInst``
3837 instruction because this pointer must be dereferenced first.  For example, if
3838 you have a ``GlobalVariable`` (a subclass of ``GlobalValue)`` that is an array
3839 of 24 ints, type ``[24 x i32]``, then the ``GlobalVariable`` is a pointer to
3840 that array.  Although the address of the first element of this array and the
3841 value of the ``GlobalVariable`` are the same, they have different types.  The
3842 ``GlobalVariable``'s type is ``[24 x i32]``.  The first element's type is
3843 ``i32.`` Because of this, accessing a global value requires you to dereference
3844 the pointer with ``GetElementPtrInst`` first, then its elements can be accessed.
3845 This is explained in the `LLVM Language Reference Manual
3846 <LangRef.html#globalvars>`_.
3848 .. _m_GlobalValue:
3850 Important Public Members of the ``GlobalValue`` class
3851 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3853 * | ``bool hasInternalLinkage() const``
3854   | ``bool hasExternalLinkage() const``
3855   | ``void setInternalLinkage(bool HasInternalLinkage)``
3857   These methods manipulate the linkage characteristics of the ``GlobalValue``.
3859 * ``Module *getParent()``
3861   This returns the Module_ that the
3862   GlobalValue is currently embedded into.
3864 .. _c_Function:
3866 The ``Function`` class
3867 ----------------------
3869 ``#include "llvm/IR/Function.h"``
3871 header source: `Function.h <http://llvm.org/doxygen/Function_8h_source.html>`_
3873 doxygen info: `Function Class
3874 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Function.html>`_
3876 Superclasses: GlobalValue_, Constant_, User_, Value_
3878 The ``Function`` class represents a single procedure in LLVM.  It is actually
3879 one of the more complex classes in the LLVM hierarchy because it must keep track
3880 of a large amount of data.  The ``Function`` class keeps track of a list of
3881 BasicBlock_\ s, a list of formal Argument_\ s, and a SymbolTable_.
3883 The list of BasicBlock_\ s is the most commonly used part of ``Function``
3884 objects.  The list imposes an implicit ordering of the blocks in the function,
3885 which indicate how the code will be laid out by the backend.  Additionally, the
3886 first BasicBlock_ is the implicit entry node for the ``Function``.  It is not
3887 legal in LLVM to explicitly branch to this initial block.  There are no implicit
3888 exit nodes, and in fact there may be multiple exit nodes from a single
3889 ``Function``.  If the BasicBlock_ list is empty, this indicates that the
3890 ``Function`` is actually a function declaration: the actual body of the function
3891 hasn't been linked in yet.
3893 In addition to a list of BasicBlock_\ s, the ``Function`` class also keeps track
3894 of the list of formal Argument_\ s that the function receives.  This container
3895 manages the lifetime of the Argument_ nodes, just like the BasicBlock_ list does
3896 for the BasicBlock_\ s.
3898 The SymbolTable_ is a very rarely used LLVM feature that is only used when you
3899 have to look up a value by name.  Aside from that, the SymbolTable_ is used
3900 internally to make sure that there are not conflicts between the names of
3901 Instruction_\ s, BasicBlock_\ s, or Argument_\ s in the function body.
3903 Note that ``Function`` is a GlobalValue_ and therefore also a Constant_.  The
3904 value of the function is its address (after linking) which is guaranteed to be
3905 constant.
3907 .. _m_Function:
3909 Important Public Members of the ``Function``
3910 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3912 * ``Function(const FunctionType *Ty, LinkageTypes Linkage,
3913   const std::string &N = "", Module* Parent = 0)``
3915   Constructor used when you need to create new ``Function``\ s to add the
3916   program.  The constructor must specify the type of the function to create and
3917   what type of linkage the function should have.  The FunctionType_ argument
3918   specifies the formal arguments and return value for the function.  The same
3919   FunctionType_ value can be used to create multiple functions.  The ``Parent``
3920   argument specifies the Module in which the function is defined.  If this
3921   argument is provided, the function will automatically be inserted into that
3922   module's list of functions.
3924 * ``bool isDeclaration()``
3926   Return whether or not the ``Function`` has a body defined.  If the function is
3927   "external", it does not have a body, and thus must be resolved by linking with
3928   a function defined in a different translation unit.
3930 * | ``Function::iterator`` - Typedef for basic block list iterator
3931   | ``Function::const_iterator`` - Typedef for const_iterator.
3932   | ``begin()``, ``end()``, ``size()``, ``empty()``
3934   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
3935   ``Function`` object's BasicBlock_ list.
3937 * ``Function::BasicBlockListType &getBasicBlockList()``
3939   Returns the list of BasicBlock_\ s.  This is necessary to use when you need to
3940   update the list or perform a complex action that doesn't have a forwarding
3941   method.
3943 * | ``Function::arg_iterator`` - Typedef for the argument list iterator
3944   | ``Function::const_arg_iterator`` - Typedef for const_iterator.
3945   | ``arg_begin()``, ``arg_end()``, ``arg_size()``, ``arg_empty()``
3947   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
3948   ``Function`` object's Argument_ list.
3950 * ``Function::ArgumentListType &getArgumentList()``
3952   Returns the list of Argument_.  This is necessary to use when you need to
3953   update the list or perform a complex action that doesn't have a forwarding
3954   method.
3956 * ``BasicBlock &getEntryBlock()``
3958   Returns the entry ``BasicBlock`` for the function.  Because the entry block
3959   for the function is always the first block, this returns the first block of
3960   the ``Function``.
3962 * | ``Type *getReturnType()``
3963   | ``FunctionType *getFunctionType()``
3965   This traverses the Type_ of the ``Function`` and returns the return type of
3966   the function, or the FunctionType_ of the actual function.
3968 * ``SymbolTable *getSymbolTable()``
3970   Return a pointer to the SymbolTable_ for this ``Function``.
3972 .. _GlobalVariable:
3974 The ``GlobalVariable`` class
3975 ----------------------------
3977 ``#include "llvm/IR/GlobalVariable.h"``
3979 header source: `GlobalVariable.h
3980 <http://llvm.org/doxygen/GlobalVariable_8h_source.html>`_
3982 doxygen info: `GlobalVariable Class
3983 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1GlobalVariable.html>`_
3985 Superclasses: GlobalValue_, Constant_, User_, Value_
3987 Global variables are represented with the (surprise surprise) ``GlobalVariable``
3988 class.  Like functions, ``GlobalVariable``\ s are also subclasses of
3989 GlobalValue_, and as such are always referenced by their address (global values
3990 must live in memory, so their "name" refers to their constant address).  See
3991 GlobalValue_ for more on this.  Global variables may have an initial value
3992 (which must be a Constant_), and if they have an initializer, they may be marked
3993 as "constant" themselves (indicating that their contents never change at
3994 runtime).
3996 .. _m_GlobalVariable:
3998 Important Public Members of the ``GlobalVariable`` class
3999 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
4001 * ``GlobalVariable(const Type *Ty, bool isConstant, LinkageTypes &Linkage,
4002   Constant *Initializer = 0, const std::string &Name = "", Module* Parent = 0)``
4004   Create a new global variable of the specified type.  If ``isConstant`` is true
4005   then the global variable will be marked as unchanging for the program.  The
4006   Linkage parameter specifies the type of linkage (internal, external, weak,
4007   linkonce, appending) for the variable.  If the linkage is InternalLinkage,
4008   WeakAnyLinkage, WeakODRLinkage, LinkOnceAnyLinkage or LinkOnceODRLinkage, then
4009   the resultant global variable will have internal linkage.  AppendingLinkage
4010   concatenates together all instances (in different translation units) of the
4011   variable into a single variable but is only applicable to arrays.  See the
4012   `LLVM Language Reference <LangRef.html#modulestructure>`_ for further details
4013   on linkage types.  Optionally an initializer, a name, and the module to put
4014   the variable into may be specified for the global variable as well.
4016 * ``bool isConstant() const``
4018   Returns true if this is a global variable that is known not to be modified at
4019   runtime.
4021 * ``bool hasInitializer()``
4023   Returns true if this ``GlobalVariable`` has an intializer.
4025 * ``Constant *getInitializer()``
4027   Returns the initial value for a ``GlobalVariable``.  It is not legal to call
4028   this method if there is no initializer.
4030 .. _BasicBlock:
4032 The ``BasicBlock`` class
4033 ------------------------
4035 ``#include "llvm/IR/BasicBlock.h"``
4037 header source: `BasicBlock.h
4038 <http://llvm.org/doxygen/BasicBlock_8h_source.html>`_
4040 doxygen info: `BasicBlock Class
4041 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1BasicBlock.html>`_
4043 Superclass: Value_
4045 This class represents a single entry single exit section of the code, commonly
4046 known as a basic block by the compiler community.  The ``BasicBlock`` class
4047 maintains a list of Instruction_\ s, which form the body of the block.  Matching
4048 the language definition, the last element of this list of instructions is always
4049 a terminator instruction.
4051 In addition to tracking the list of instructions that make up the block, the
4052 ``BasicBlock`` class also keeps track of the :ref:`Function <c_Function>` that
4053 it is embedded into.
4055 Note that ``BasicBlock``\ s themselves are Value_\ s, because they are
4056 referenced by instructions like branches and can go in the switch tables.
4057 ``BasicBlock``\ s have type ``label``.
4059 .. _m_BasicBlock:
4061 Important Public Members of the ``BasicBlock`` class
4062 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
4064 * ``BasicBlock(const std::string &Name = "", Function *Parent = 0)``
4066   The ``BasicBlock`` constructor is used to create new basic blocks for
4067   insertion into a function.  The constructor optionally takes a name for the
4068   new block, and a :ref:`Function <c_Function>` to insert it into.  If the
4069   ``Parent`` parameter is specified, the new ``BasicBlock`` is automatically
4070   inserted at the end of the specified :ref:`Function <c_Function>`, if not
4071   specified, the BasicBlock must be manually inserted into the :ref:`Function
4072   <c_Function>`.
4074 * | ``BasicBlock::iterator`` - Typedef for instruction list iterator
4075   | ``BasicBlock::const_iterator`` - Typedef for const_iterator.
4076   | ``begin()``, ``end()``, ``front()``, ``back()``,
4077     ``size()``, ``empty()``
4078     STL-style functions for accessing the instruction list.
4080   These methods and typedefs are forwarding functions that have the same
4081   semantics as the standard library methods of the same names.  These methods
4082   expose the underlying instruction list of a basic block in a way that is easy
4083   to manipulate.  To get the full complement of container operations (including
4084   operations to update the list), you must use the ``getInstList()`` method.
4086 * ``BasicBlock::InstListType &getInstList()``
4088   This method is used to get access to the underlying container that actually
4089   holds the Instructions.  This method must be used when there isn't a
4090   forwarding function in the ``BasicBlock`` class for the operation that you
4091   would like to perform.  Because there are no forwarding functions for
4092   "updating" operations, you need to use this if you want to update the contents
4093   of a ``BasicBlock``.
4095 * ``Function *getParent()``
4097   Returns a pointer to :ref:`Function <c_Function>` the block is embedded into,
4098   or a null pointer if it is homeless.
4100 * ``Instruction *getTerminator()``
4102   Returns a pointer to the terminator instruction that appears at the end of the
4103   ``BasicBlock``.  If there is no terminator instruction, or if the last
4104   instruction in the block is not a terminator, then a null pointer is returned.
4106 .. _Argument:
4108 The ``Argument`` class
4109 ----------------------
4111 This subclass of Value defines the interface for incoming formal arguments to a
4112 function.  A Function maintains a list of its formal arguments.  An argument has
4113 a pointer to the parent Function.