[PowerPC] Don't run BV DAG Combine before legalization if it assumes legal types
[llvm-core.git] / docs / SourceLevelDebugging.rst
blobaf95245b37549a822d65dc3392d2a3c3e1dacedc
1 ================================
2 Source Level Debugging with LLVM
3 ================================
5 .. contents::
6    :local:
8 Introduction
9 ============
11 This document is the central repository for all information pertaining to debug
12 information in LLVM.  It describes the :ref:`actual format that the LLVM debug
13 information takes <format>`, which is useful for those interested in creating
14 front-ends or dealing directly with the information.  Further, this document
15 provides specific examples of what debug information for C/C++ looks like.
17 Philosophy behind LLVM debugging information
18 --------------------------------------------
20 The idea of the LLVM debugging information is to capture how the important
21 pieces of the source-language's Abstract Syntax Tree map onto LLVM code.
22 Several design aspects have shaped the solution that appears here.  The
23 important ones are:
25 * Debugging information should have very little impact on the rest of the
26   compiler.  No transformations, analyses, or code generators should need to
27   be modified because of debugging information.
29 * LLVM optimizations should interact in :ref:`well-defined and easily described
30   ways <intro_debugopt>` with the debugging information.
32 * Because LLVM is designed to support arbitrary programming languages,
33   LLVM-to-LLVM tools should not need to know anything about the semantics of
34   the source-level-language.
36 * Source-level languages are often **widely** different from one another.
37   LLVM should not put any restrictions of the flavor of the source-language,
38   and the debugging information should work with any language.
40 * With code generator support, it should be possible to use an LLVM compiler
41   to compile a program to native machine code and standard debugging
42   formats.  This allows compatibility with traditional machine-code level
43   debuggers, like GDB or DBX.
45 The approach used by the LLVM implementation is to use a small set of
46 :ref:`intrinsic functions <format_common_intrinsics>` to define a mapping
47 between LLVM program objects and the source-level objects.  The description of
48 the source-level program is maintained in LLVM metadata in an
49 :ref:`implementation-defined format <ccxx_frontend>` (the C/C++ front-end
50 currently uses working draft 7 of the `DWARF 3 standard
51 <http://www.eagercon.com/dwarf/dwarf3std.htm>`_).
53 When a program is being debugged, a debugger interacts with the user and turns
54 the stored debug information into source-language specific information.  As
55 such, a debugger must be aware of the source-language, and is thus tied to a
56 specific language or family of languages.
58 Debug information consumers
59 ---------------------------
61 The role of debug information is to provide meta information normally stripped
62 away during the compilation process.  This meta information provides an LLVM
63 user a relationship between generated code and the original program source
64 code.
66 Currently, there are two backend consumers of debug info: DwarfDebug and
67 CodeViewDebug. DwarfDebug produces DWARF suitable for use with GDB, LLDB, and
68 other DWARF-based debuggers. :ref:`CodeViewDebug <codeview>` produces CodeView,
69 the Microsoft debug info format, which is usable with Microsoft debuggers such
70 as Visual Studio and WinDBG. LLVM's debug information format is mostly derived
71 from and inspired by DWARF, but it is feasible to translate into other target
72 debug info formats such as STABS.
74 It would also be reasonable to use debug information to feed profiling tools
75 for analysis of generated code, or, tools for reconstructing the original
76 source from generated code.
78 .. _intro_debugopt:
80 Debug information and optimizations
81 -----------------------------------
83 An extremely high priority of LLVM debugging information is to make it interact
84 well with optimizations and analysis.  In particular, the LLVM debug
85 information provides the following guarantees:
87 * LLVM debug information **always provides information to accurately read
88   the source-level state of the program**, regardless of which LLVM
89   optimizations have been run, and without any modification to the
90   optimizations themselves.  However, some optimizations may impact the
91   ability to modify the current state of the program with a debugger, such
92   as setting program variables, or calling functions that have been
93   deleted.
95 * As desired, LLVM optimizations can be upgraded to be aware of debugging
96   information, allowing them to update the debugging information as they
97   perform aggressive optimizations.  This means that, with effort, the LLVM
98   optimizers could optimize debug code just as well as non-debug code.
100 * LLVM debug information does not prevent optimizations from
101   happening (for example inlining, basic block reordering/merging/cleanup,
102   tail duplication, etc).
104 * LLVM debug information is automatically optimized along with the rest of
105   the program, using existing facilities.  For example, duplicate
106   information is automatically merged by the linker, and unused information
107   is automatically removed.
109 Basically, the debug information allows you to compile a program with
110 "``-O0 -g``" and get full debug information, allowing you to arbitrarily modify
111 the program as it executes from a debugger.  Compiling a program with
112 "``-O3 -g``" gives you full debug information that is always available and
113 accurate for reading (e.g., you get accurate stack traces despite tail call
114 elimination and inlining), but you might lose the ability to modify the program
115 and call functions which were optimized out of the program, or inlined away
116 completely.
118 The :ref:`LLVM test suite <test-suite-quickstart>` provides a framework to test
119 optimizer's handling of debugging information.  It can be run like this:
121 .. code-block:: bash
123   % cd llvm/projects/test-suite/MultiSource/Benchmarks  # or some other level
124   % make TEST=dbgopt
126 This will test impact of debugging information on optimization passes.  If
127 debugging information influences optimization passes then it will be reported
128 as a failure.  See :doc:`TestingGuide` for more information on LLVM test
129 infrastructure and how to run various tests.
131 .. _format:
133 Debugging information format
134 ============================
136 LLVM debugging information has been carefully designed to make it possible for
137 the optimizer to optimize the program and debugging information without
138 necessarily having to know anything about debugging information.  In
139 particular, the use of metadata avoids duplicated debugging information from
140 the beginning, and the global dead code elimination pass automatically deletes
141 debugging information for a function if it decides to delete the function.
143 To do this, most of the debugging information (descriptors for types,
144 variables, functions, source files, etc) is inserted by the language front-end
145 in the form of LLVM metadata.
147 Debug information is designed to be agnostic about the target debugger and
148 debugging information representation (e.g. DWARF/Stabs/etc).  It uses a generic
149 pass to decode the information that represents variables, types, functions,
150 namespaces, etc: this allows for arbitrary source-language semantics and
151 type-systems to be used, as long as there is a module written for the target
152 debugger to interpret the information.
154 To provide basic functionality, the LLVM debugger does have to make some
155 assumptions about the source-level language being debugged, though it keeps
156 these to a minimum.  The only common features that the LLVM debugger assumes
157 exist are `source files <LangRef.html#difile>`_, and `program objects
158 <LangRef.html#diglobalvariable>`_.  These abstract objects are used by a
159 debugger to form stack traces, show information about local variables, etc.
161 This section of the documentation first describes the representation aspects
162 common to any source-language.  :ref:`ccxx_frontend` describes the data layout
163 conventions used by the C and C++ front-ends.
165 Debug information descriptors are `specialized metadata nodes
166 <LangRef.html#specialized-metadata>`_, first-class subclasses of ``Metadata``.
168 .. _format_common_intrinsics:
170 Debugger intrinsic functions
171 ----------------------------
173 LLVM uses several intrinsic functions (name prefixed with "``llvm.dbg``") to
174 track source local variables through optimization and code generation.
176 ``llvm.dbg.addr``
177 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
179 .. code-block:: llvm
181   void @llvm.dbg.addr(metadata, metadata, metadata)
183 This intrinsic provides information about a local element (e.g., variable).
184 The first argument is metadata holding the address of variable, typically a
185 static alloca in the function entry block.  The second argument is a
186 `local variable <LangRef.html#dilocalvariable>`_ containing a description of
187 the variable.  The third argument is a `complex expression
188 <LangRef.html#diexpression>`_.  An `llvm.dbg.addr` intrinsic describes the
189 *address* of a source variable.
191 .. code-block:: text
193     %i.addr = alloca i32, align 4
194     call void @llvm.dbg.addr(metadata i32* %i.addr, metadata !1,
195                              metadata !DIExpression()), !dbg !2
196     !1 = !DILocalVariable(name: "i", ...) ; int i
197     !2 = !DILocation(...)
198     ...
199     %buffer = alloca [256 x i8], align 8
200     ; The address of i is buffer+64.
201     call void @llvm.dbg.addr(metadata [256 x i8]* %buffer, metadata !3,
202                              metadata !DIExpression(DW_OP_plus, 64)), !dbg !4
203     !3 = !DILocalVariable(name: "i", ...) ; int i
204     !4 = !DILocation(...)
206 A frontend should generate exactly one call to ``llvm.dbg.addr`` at the point
207 of declaration of a source variable. Optimization passes that fully promote the
208 variable from memory to SSA values will replace this call with possibly
209 multiple calls to `llvm.dbg.value`. Passes that delete stores are effectively
210 partial promotion, and they will insert a mix of calls to ``llvm.dbg.value``
211 and ``llvm.dbg.addr`` to track the source variable value when it is available.
212 After optimization, there may be multiple calls to ``llvm.dbg.addr`` describing
213 the program points where the variables lives in memory. All calls for the same
214 concrete source variable must agree on the memory location.
217 ``llvm.dbg.declare``
218 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
220 .. code-block:: llvm
222   void @llvm.dbg.declare(metadata, metadata, metadata)
224 This intrinsic is identical to `llvm.dbg.addr`, except that there can only be
225 one call to `llvm.dbg.declare` for a given concrete `local variable
226 <LangRef.html#dilocalvariable>`_. It is not control-dependent, meaning that if
227 a call to `llvm.dbg.declare` exists and has a valid location argument, that
228 address is considered to be the true home of the variable across its entire
229 lifetime. This makes it hard for optimizations to preserve accurate debug info
230 in the presence of ``llvm.dbg.declare``, so we are transitioning away from it,
231 and we plan to deprecate it in future LLVM releases.
234 ``llvm.dbg.value``
235 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
237 .. code-block:: llvm
239   void @llvm.dbg.value(metadata, metadata, metadata)
241 This intrinsic provides information when a user source variable is set to a new
242 value.  The first argument is the new value (wrapped as metadata).  The second
243 argument is a `local variable <LangRef.html#dilocalvariable>`_ containing a
244 description of the variable.  The third argument is a `complex expression
245 <LangRef.html#diexpression>`_.
247 An `llvm.dbg.value` intrinsic describes the *value* of a source variable
248 directly, not its address.  Note that the value operand of this intrinsic may
249 be indirect (i.e, a pointer to the source variable), provided that interpreting
250 the complex expression derives the direct value.
252 Object lifetimes and scoping
253 ============================
255 In many languages, the local variables in functions can have their lifetimes or
256 scopes limited to a subset of a function.  In the C family of languages, for
257 example, variables are only live (readable and writable) within the source
258 block that they are defined in.  In functional languages, values are only
259 readable after they have been defined.  Though this is a very obvious concept,
260 it is non-trivial to model in LLVM, because it has no notion of scoping in this
261 sense, and does not want to be tied to a language's scoping rules.
263 In order to handle this, the LLVM debug format uses the metadata attached to
264 llvm instructions to encode line number and scoping information.  Consider the
265 following C fragment, for example:
267 .. code-block:: c
269   1.  void foo() {
270   2.    int X = 21;
271   3.    int Y = 22;
272   4.    {
273   5.      int Z = 23;
274   6.      Z = X;
275   7.    }
276   8.    X = Y;
277   9.  }
279 .. FIXME: Update the following example to use llvm.dbg.addr once that is the
280    default in clang.
282 Compiled to LLVM, this function would be represented like this:
284 .. code-block:: text
286   ; Function Attrs: nounwind ssp uwtable
287   define void @foo() #0 !dbg !4 {
288   entry:
289     %X = alloca i32, align 4
290     %Y = alloca i32, align 4
291     %Z = alloca i32, align 4
292     call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %X, metadata !11, metadata !13), !dbg !14
293     store i32 21, i32* %X, align 4, !dbg !14
294     call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %Y, metadata !15, metadata !13), !dbg !16
295     store i32 22, i32* %Y, align 4, !dbg !16
296     call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %Z, metadata !17, metadata !13), !dbg !19
297     store i32 23, i32* %Z, align 4, !dbg !19
298     %0 = load i32, i32* %X, align 4, !dbg !20
299     store i32 %0, i32* %Z, align 4, !dbg !21
300     %1 = load i32, i32* %Y, align 4, !dbg !22
301     store i32 %1, i32* %X, align 4, !dbg !23
302     ret void, !dbg !24
303   }
305   ; Function Attrs: nounwind readnone
306   declare void @llvm.dbg.declare(metadata, metadata, metadata) #1
308   attributes #0 = { nounwind ssp uwtable "less-precise-fpmad"="false" "no-frame-pointer-elim"="true" "no-frame-pointer-elim-non-leaf" "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "stack-protector-buffer-size"="8" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }
309   attributes #1 = { nounwind readnone }
311   !llvm.dbg.cu = !{!0}
312   !llvm.module.flags = !{!7, !8, !9}
313   !llvm.ident = !{!10}
315   !0 = !DICompileUnit(language: DW_LANG_C99, file: !1, producer: "clang version 3.7.0 (trunk 231150) (llvm/trunk 231154)", isOptimized: false, runtimeVersion: 0, emissionKind: FullDebug, enums: !2, retainedTypes: !2, subprograms: !3, globals: !2, imports: !2)
316   !1 = !DIFile(filename: "/dev/stdin", directory: "/Users/dexonsmith/data/llvm/debug-info")
317   !2 = !{}
318   !3 = !{!4}
319   !4 = distinct !DISubprogram(name: "foo", scope: !1, file: !1, line: 1, type: !5, isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1, isOptimized: false, variables: !2)
320   !5 = !DISubroutineType(types: !6)
321   !6 = !{null}
322   !7 = !{i32 2, !"Dwarf Version", i32 2}
323   !8 = !{i32 2, !"Debug Info Version", i32 3}
324   !9 = !{i32 1, !"PIC Level", i32 2}
325   !10 = !{!"clang version 3.7.0 (trunk 231150) (llvm/trunk 231154)"}
326   !11 = !DILocalVariable(name: "X", scope: !4, file: !1, line: 2, type: !12)
327   !12 = !DIBasicType(name: "int", size: 32, align: 32, encoding: DW_ATE_signed)
328   !13 = !DIExpression()
329   !14 = !DILocation(line: 2, column: 9, scope: !4)
330   !15 = !DILocalVariable(name: "Y", scope: !4, file: !1, line: 3, type: !12)
331   !16 = !DILocation(line: 3, column: 9, scope: !4)
332   !17 = !DILocalVariable(name: "Z", scope: !18, file: !1, line: 5, type: !12)
333   !18 = distinct !DILexicalBlock(scope: !4, file: !1, line: 4, column: 5)
334   !19 = !DILocation(line: 5, column: 11, scope: !18)
335   !20 = !DILocation(line: 6, column: 11, scope: !18)
336   !21 = !DILocation(line: 6, column: 9, scope: !18)
337   !22 = !DILocation(line: 8, column: 9, scope: !4)
338   !23 = !DILocation(line: 8, column: 7, scope: !4)
339   !24 = !DILocation(line: 9, column: 3, scope: !4)
342 This example illustrates a few important details about LLVM debugging
343 information.  In particular, it shows how the ``llvm.dbg.declare`` intrinsic and
344 location information, which are attached to an instruction, are applied
345 together to allow a debugger to analyze the relationship between statements,
346 variable definitions, and the code used to implement the function.
348 .. code-block:: llvm
350   call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %X, metadata !11, metadata !13), !dbg !14
351     ; [debug line = 2:7] [debug variable = X]
353 The first intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for the
354 variable ``X``.  The metadata ``!dbg !14`` attached to the intrinsic provides
355 scope information for the variable ``X``.
357 .. code-block:: text
359   !14 = !DILocation(line: 2, column: 9, scope: !4)
360   !4 = distinct !DISubprogram(name: "foo", scope: !1, file: !1, line: 1, type: !5,
361                               isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1,
362                               isOptimized: false, variables: !2)
364 Here ``!14`` is metadata providing `location information
365 <LangRef.html#dilocation>`_.  In this example, scope is encoded by ``!4``, a
366 `subprogram descriptor <LangRef.html#disubprogram>`_.  This way the location
367 information attached to the intrinsics indicates that the variable ``X`` is
368 declared at line number 2 at a function level scope in function ``foo``.
370 Now lets take another example.
372 .. code-block:: llvm
374   call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %Z, metadata !17, metadata !13), !dbg !19
375     ; [debug line = 5:9] [debug variable = Z]
377 The third intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for
378 variable ``Z``.  The metadata ``!dbg !19`` attached to the intrinsic provides
379 scope information for the variable ``Z``.
381 .. code-block:: text
383   !18 = distinct !DILexicalBlock(scope: !4, file: !1, line: 4, column: 5)
384   !19 = !DILocation(line: 5, column: 11, scope: !18)
386 Here ``!19`` indicates that ``Z`` is declared at line number 5 and column
387 number 0 inside of lexical scope ``!18``.  The lexical scope itself resides
388 inside of subprogram ``!4`` described above.
390 The scope information attached with each instruction provides a straightforward
391 way to find instructions covered by a scope.
393 .. _ccxx_frontend:
395 C/C++ front-end specific debug information
396 ==========================================
398 The C and C++ front-ends represent information about the program in a format
399 that is effectively identical to `DWARF 3.0
400 <http://www.eagercon.com/dwarf/dwarf3std.htm>`_ in terms of information
401 content.  This allows code generators to trivially support native debuggers by
402 generating standard dwarf information, and contains enough information for
403 non-dwarf targets to translate it as needed.
405 This section describes the forms used to represent C and C++ programs.  Other
406 languages could pattern themselves after this (which itself is tuned to
407 representing programs in the same way that DWARF 3 does), or they could choose
408 to provide completely different forms if they don't fit into the DWARF model.
409 As support for debugging information gets added to the various LLVM
410 source-language front-ends, the information used should be documented here.
412 The following sections provide examples of a few C/C++ constructs and the debug
413 information that would best describe those constructs.  The canonical
414 references are the ``DIDescriptor`` classes defined in
415 ``include/llvm/IR/DebugInfo.h`` and the implementations of the helper functions
416 in ``lib/IR/DIBuilder.cpp``.
418 C/C++ source file information
419 -----------------------------
421 ``llvm::Instruction`` provides easy access to metadata attached with an
422 instruction.  One can extract line number information encoded in LLVM IR using
423 ``Instruction::getDebugLoc()`` and ``DILocation::getLine()``.
425 .. code-block:: c++
427   if (DILocation *Loc = I->getDebugLoc()) { // Here I is an LLVM instruction
428     unsigned Line = Loc->getLine();
429     StringRef File = Loc->getFilename();
430     StringRef Dir = Loc->getDirectory();
431   }
433 C/C++ global variable information
434 ---------------------------------
436 Given an integer global variable declared as follows:
438 .. code-block:: c
440   _Alignas(8) int MyGlobal = 100;
442 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
444 .. code-block:: text
446   ;;
447   ;; Define the global itself.
448   ;;
449   @MyGlobal = global i32 100, align 8, !dbg !0
451   ;;
452   ;; List of debug info of globals
453   ;;
454   !llvm.dbg.cu = !{!1}
456   ;; Some unrelated metadata.
457   !llvm.module.flags = !{!6, !7}
458   !llvm.ident = !{!8}
460   ;; Define the global variable itself
461   !0 = distinct !DIGlobalVariable(name: "MyGlobal", scope: !1, file: !2, line: 1, type: !5, isLocal: false, isDefinition: true, align: 64)
463   ;; Define the compile unit.
464   !1 = distinct !DICompileUnit(language: DW_LANG_C99, file: !2,
465                                producer: "clang version 4.0.0 (http://llvm.org/git/clang.git ae4deadbea242e8ea517eef662c30443f75bd086) (http://llvm.org/git/llvm.git 818b4c1539df3e51dc7e62c89ead4abfd348827d)",
466                                isOptimized: false, runtimeVersion: 0, emissionKind: FullDebug,
467                                enums: !3, globals: !4)
469   ;;
470   ;; Define the file
471   ;;
472   !2 = !DIFile(filename: "/dev/stdin",
473                directory: "/Users/dexonsmith/data/llvm/debug-info")
475   ;; An empty array.
476   !3 = !{}
478   ;; The Array of Global Variables
479   !4 = !{!0}
481   ;;
482   ;; Define the type
483   ;;
484   !5 = !DIBasicType(name: "int", size: 32, encoding: DW_ATE_signed)
486   ;; Dwarf version to output.
487   !6 = !{i32 2, !"Dwarf Version", i32 4}
489   ;; Debug info schema version.
490   !7 = !{i32 2, !"Debug Info Version", i32 3}
492   ;; Compiler identification
493   !8 = !{!"clang version 4.0.0 (http://llvm.org/git/clang.git ae4deadbea242e8ea517eef662c30443f75bd086) (http://llvm.org/git/llvm.git 818b4c1539df3e51dc7e62c89ead4abfd348827d)"}
496 The align value in DIGlobalVariable description specifies variable alignment in
497 case it was forced by C11 _Alignas(), C++11 alignas() keywords or compiler
498 attribute __attribute__((aligned ())). In other case (when this field is missing)
499 alignment is considered default. This is used when producing DWARF output
500 for DW_AT_alignment value.
502 C/C++ function information
503 --------------------------
505 Given a function declared as follows:
507 .. code-block:: c
509   int main(int argc, char *argv[]) {
510     return 0;
511   }
513 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
515 .. code-block:: text
517   ;;
518   ;; Define the anchor for subprograms.
519   ;;
520   !4 = !DISubprogram(name: "main", scope: !1, file: !1, line: 1, type: !5,
521                      isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1,
522                      flags: DIFlagPrototyped, isOptimized: false,
523                      variables: !2)
525   ;;
526   ;; Define the subprogram itself.
527   ;;
528   define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) !dbg !4 {
529   ...
530   }
532 Debugging information format
533 ============================
535 Debugging Information Extension for Objective C Properties
536 ----------------------------------------------------------
538 Introduction
539 ^^^^^^^^^^^^
541 Objective C provides a simpler way to declare and define accessor methods using
542 declared properties.  The language provides features to declare a property and
543 to let compiler synthesize accessor methods.
545 The debugger lets developer inspect Objective C interfaces and their instance
546 variables and class variables.  However, the debugger does not know anything
547 about the properties defined in Objective C interfaces.  The debugger consumes
548 information generated by compiler in DWARF format.  The format does not support
549 encoding of Objective C properties.  This proposal describes DWARF extensions to
550 encode Objective C properties, which the debugger can use to let developers
551 inspect Objective C properties.
553 Proposal
554 ^^^^^^^^
556 Objective C properties exist separately from class members.  A property can be
557 defined only by "setter" and "getter" selectors, and be calculated anew on each
558 access.  Or a property can just be a direct access to some declared ivar.
559 Finally it can have an ivar "automatically synthesized" for it by the compiler,
560 in which case the property can be referred to in user code directly using the
561 standard C dereference syntax as well as through the property "dot" syntax, but
562 there is no entry in the ``@interface`` declaration corresponding to this ivar.
564 To facilitate debugging, these properties we will add a new DWARF TAG into the
565 ``DW_TAG_structure_type`` definition for the class to hold the description of a
566 given property, and a set of DWARF attributes that provide said description.
567 The property tag will also contain the name and declared type of the property.
569 If there is a related ivar, there will also be a DWARF property attribute placed
570 in the ``DW_TAG_member`` DIE for that ivar referring back to the property TAG
571 for that property.  And in the case where the compiler synthesizes the ivar
572 directly, the compiler is expected to generate a ``DW_TAG_member`` for that
573 ivar (with the ``DW_AT_artificial`` set to 1), whose name will be the name used
574 to access this ivar directly in code, and with the property attribute pointing
575 back to the property it is backing.
577 The following examples will serve as illustration for our discussion:
579 .. code-block:: objc
581   @interface I1 {
582     int n2;
583   }
585   @property int p1;
586   @property int p2;
587   @end
589   @implementation I1
590   @synthesize p1;
591   @synthesize p2 = n2;
592   @end
594 This produces the following DWARF (this is a "pseudo dwarfdump" output):
596 .. code-block:: none
598   0x00000100:  TAG_structure_type [7] *
599                  AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
600                  AT_name( "I1" )
601                  AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
602                  AT_decl_line( 3 )
604   0x00000110    TAG_APPLE_property
605                   AT_name ( "p1" )
606                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
608   0x00000120:   TAG_APPLE_property
609                   AT_name ( "p2" )
610                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
612   0x00000130:   TAG_member [8]
613                   AT_name( "_p1" )
614                   AT_APPLE_property ( {0x00000110} "p1" )
615                   AT_type( {0x00000150} ( int ) )
616                   AT_artificial ( 0x1 )
618   0x00000140:    TAG_member [8]
619                    AT_name( "n2" )
620                    AT_APPLE_property ( {0x00000120} "p2" )
621                    AT_type( {0x00000150} ( int ) )
623   0x00000150:  AT_type( ( int ) )
625 Note, the current convention is that the name of the ivar for an
626 auto-synthesized property is the name of the property from which it derives
627 with an underscore prepended, as is shown in the example.  But we actually
628 don't need to know this convention, since we are given the name of the ivar
629 directly.
631 Also, it is common practice in ObjC to have different property declarations in
632 the @interface and @implementation - e.g. to provide a read-only property in
633 the interface,and a read-write interface in the implementation.  In that case,
634 the compiler should emit whichever property declaration will be in force in the
635 current translation unit.
637 Developers can decorate a property with attributes which are encoded using
638 ``DW_AT_APPLE_property_attribute``.
640 .. code-block:: objc
642   @property (readonly, nonatomic) int pr;
644 .. code-block:: none
646   TAG_APPLE_property [8]
647     AT_name( "pr" )
648     AT_type ( {0x00000147} (int) )
649     AT_APPLE_property_attribute (DW_APPLE_PROPERTY_readonly, DW_APPLE_PROPERTY_nonatomic)
651 The setter and getter method names are attached to the property using
652 ``DW_AT_APPLE_property_setter`` and ``DW_AT_APPLE_property_getter`` attributes.
654 .. code-block:: objc
656   @interface I1
657   @property (setter=myOwnP3Setter:) int p3;
658   -(void)myOwnP3Setter:(int)a;
659   @end
661   @implementation I1
662   @synthesize p3;
663   -(void)myOwnP3Setter:(int)a{ }
664   @end
666 The DWARF for this would be:
668 .. code-block:: none
670   0x000003bd: TAG_structure_type [7] *
671                 AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
672                 AT_name( "I1" )
673                 AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
674                 AT_decl_line( 3 )
676   0x000003cd      TAG_APPLE_property
677                     AT_name ( "p3" )
678                     AT_APPLE_property_setter ( "myOwnP3Setter:" )
679                     AT_type( {0x00000147} ( int ) )
681   0x000003f3:     TAG_member [8]
682                     AT_name( "_p3" )
683                     AT_type ( {0x00000147} ( int ) )
684                     AT_APPLE_property ( {0x000003cd} )
685                     AT_artificial ( 0x1 )
687 New DWARF Tags
688 ^^^^^^^^^^^^^^
690 +-----------------------+--------+
691 | TAG                   | Value  |
692 +=======================+========+
693 | DW_TAG_APPLE_property | 0x4200 |
694 +-----------------------+--------+
696 New DWARF Attributes
697 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
699 +--------------------------------+--------+-----------+
700 | Attribute                      | Value  | Classes   |
701 +================================+========+===========+
702 | DW_AT_APPLE_property           | 0x3fed | Reference |
703 +--------------------------------+--------+-----------+
704 | DW_AT_APPLE_property_getter    | 0x3fe9 | String    |
705 +--------------------------------+--------+-----------+
706 | DW_AT_APPLE_property_setter    | 0x3fea | String    |
707 +--------------------------------+--------+-----------+
708 | DW_AT_APPLE_property_attribute | 0x3feb | Constant  |
709 +--------------------------------+--------+-----------+
711 New DWARF Constants
712 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
714 +--------------------------------------+-------+
715 | Name                                 | Value |
716 +======================================+=======+
717 | DW_APPLE_PROPERTY_readonly           | 0x01  |
718 +--------------------------------------+-------+
719 | DW_APPLE_PROPERTY_getter             | 0x02  |
720 +--------------------------------------+-------+
721 | DW_APPLE_PROPERTY_assign             | 0x04  |
722 +--------------------------------------+-------+
723 | DW_APPLE_PROPERTY_readwrite          | 0x08  |
724 +--------------------------------------+-------+
725 | DW_APPLE_PROPERTY_retain             | 0x10  |
726 +--------------------------------------+-------+
727 | DW_APPLE_PROPERTY_copy               | 0x20  |
728 +--------------------------------------+-------+
729 | DW_APPLE_PROPERTY_nonatomic          | 0x40  |
730 +--------------------------------------+-------+
731 | DW_APPLE_PROPERTY_setter             | 0x80  |
732 +--------------------------------------+-------+
733 | DW_APPLE_PROPERTY_atomic             | 0x100 |
734 +--------------------------------------+-------+
735 | DW_APPLE_PROPERTY_weak               | 0x200 |
736 +--------------------------------------+-------+
737 | DW_APPLE_PROPERTY_strong             | 0x400 |
738 +--------------------------------------+-------+
739 | DW_APPLE_PROPERTY_unsafe_unretained  | 0x800 |
740 +--------------------------------------+-------+
741 | DW_APPLE_PROPERTY_nullability        | 0x1000|
742 +--------------------------------------+-------+
743 | DW_APPLE_PROPERTY_null_resettable    | 0x2000|
744 +--------------------------------------+-------+
745 | DW_APPLE_PROPERTY_class              | 0x4000|
746 +--------------------------------------+-------+
748 Name Accelerator Tables
749 -----------------------
751 Introduction
752 ^^^^^^^^^^^^
754 The "``.debug_pubnames``" and "``.debug_pubtypes``" formats are not what a
755 debugger needs.  The "``pub``" in the section name indicates that the entries
756 in the table are publicly visible names only.  This means no static or hidden
757 functions show up in the "``.debug_pubnames``".  No static variables or private
758 class variables are in the "``.debug_pubtypes``".  Many compilers add different
759 things to these tables, so we can't rely upon the contents between gcc, icc, or
760 clang.
762 The typical query given by users tends not to match up with the contents of
763 these tables.  For example, the DWARF spec states that "In the case of the name
764 of a function member or static data member of a C++ structure, class or union,
765 the name presented in the "``.debug_pubnames``" section is not the simple name
766 given by the ``DW_AT_name attribute`` of the referenced debugging information
767 entry, but rather the fully qualified name of the data or function member."
768 So the only names in these tables for complex C++ entries is a fully
769 qualified name.  Debugger users tend not to enter their search strings as
770 "``a::b::c(int,const Foo&) const``", but rather as "``c``", "``b::c``" , or
771 "``a::b::c``".  So the name entered in the name table must be demangled in
772 order to chop it up appropriately and additional names must be manually entered
773 into the table to make it effective as a name lookup table for debuggers to
774 use.
776 All debuggers currently ignore the "``.debug_pubnames``" table as a result of
777 its inconsistent and useless public-only name content making it a waste of
778 space in the object file.  These tables, when they are written to disk, are not
779 sorted in any way, leaving every debugger to do its own parsing and sorting.
780 These tables also include an inlined copy of the string values in the table
781 itself making the tables much larger than they need to be on disk, especially
782 for large C++ programs.
784 Can't we just fix the sections by adding all of the names we need to this
785 table? No, because that is not what the tables are defined to contain and we
786 won't know the difference between the old bad tables and the new good tables.
787 At best we could make our own renamed sections that contain all of the data we
788 need.
790 These tables are also insufficient for what a debugger like LLDB needs.  LLDB
791 uses clang for its expression parsing where LLDB acts as a PCH.  LLDB is then
792 often asked to look for type "``foo``" or namespace "``bar``", or list items in
793 namespace "``baz``".  Namespaces are not included in the pubnames or pubtypes
794 tables.  Since clang asks a lot of questions when it is parsing an expression,
795 we need to be very fast when looking up names, as it happens a lot.  Having new
796 accelerator tables that are optimized for very quick lookups will benefit this
797 type of debugging experience greatly.
799 We would like to generate name lookup tables that can be mapped into memory
800 from disk, and used as is, with little or no up-front parsing.  We would also
801 be able to control the exact content of these different tables so they contain
802 exactly what we need.  The Name Accelerator Tables were designed to fix these
803 issues.  In order to solve these issues we need to:
805 * Have a format that can be mapped into memory from disk and used as is
806 * Lookups should be very fast
807 * Extensible table format so these tables can be made by many producers
808 * Contain all of the names needed for typical lookups out of the box
809 * Strict rules for the contents of tables
811 Table size is important and the accelerator table format should allow the reuse
812 of strings from common string tables so the strings for the names are not
813 duplicated.  We also want to make sure the table is ready to be used as-is by
814 simply mapping the table into memory with minimal header parsing.
816 The name lookups need to be fast and optimized for the kinds of lookups that
817 debuggers tend to do.  Optimally we would like to touch as few parts of the
818 mapped table as possible when doing a name lookup and be able to quickly find
819 the name entry we are looking for, or discover there are no matches.  In the
820 case of debuggers we optimized for lookups that fail most of the time.
822 Each table that is defined should have strict rules on exactly what is in the
823 accelerator tables and documented so clients can rely on the content.
825 Hash Tables
826 ^^^^^^^^^^^
828 Standard Hash Tables
829 """"""""""""""""""""
831 Typical hash tables have a header, buckets, and each bucket points to the
832 bucket contents:
834 .. code-block:: none
836   .------------.
837   |  HEADER    |
838   |------------|
839   |  BUCKETS   |
840   |------------|
841   |  DATA      |
842   `------------'
844 The BUCKETS are an array of offsets to DATA for each hash:
846 .. code-block:: none
848   .------------.
849   | 0x00001000 | BUCKETS[0]
850   | 0x00002000 | BUCKETS[1]
851   | 0x00002200 | BUCKETS[2]
852   | 0x000034f0 | BUCKETS[3]
853   |            | ...
854   | 0xXXXXXXXX | BUCKETS[n_buckets]
855   '------------'
857 So for ``bucket[3]`` in the example above, we have an offset into the table
858 0x000034f0 which points to a chain of entries for the bucket.  Each bucket must
859 contain a next pointer, full 32 bit hash value, the string itself, and the data
860 for the current string value.
862 .. code-block:: none
864               .------------.
865   0x000034f0: | 0x00003500 | next pointer
866               | 0x12345678 | 32 bit hash
867               | "erase"    | string value
868               | data[n]    | HashData for this bucket
869               |------------|
870   0x00003500: | 0x00003550 | next pointer
871               | 0x29273623 | 32 bit hash
872               | "dump"     | string value
873               | data[n]    | HashData for this bucket
874               |------------|
875   0x00003550: | 0x00000000 | next pointer
876               | 0x82638293 | 32 bit hash
877               | "main"     | string value
878               | data[n]    | HashData for this bucket
879               `------------'
881 The problem with this layout for debuggers is that we need to optimize for the
882 negative lookup case where the symbol we're searching for is not present.  So
883 if we were to lookup "``printf``" in the table above, we would make a 32-bit
884 hash for "``printf``", it might match ``bucket[3]``.  We would need to go to
885 the offset 0x000034f0 and start looking to see if our 32 bit hash matches.  To
886 do so, we need to read the next pointer, then read the hash, compare it, and
887 skip to the next bucket.  Each time we are skipping many bytes in memory and
888 touching new pages just to do the compare on the full 32 bit hash.  All of
889 these accesses then tell us that we didn't have a match.
891 Name Hash Tables
892 """"""""""""""""
894 To solve the issues mentioned above we have structured the hash tables a bit
895 differently: a header, buckets, an array of all unique 32 bit hash values,
896 followed by an array of hash value data offsets, one for each hash value, then
897 the data for all hash values:
899 .. code-block:: none
901   .-------------.
902   |  HEADER     |
903   |-------------|
904   |  BUCKETS    |
905   |-------------|
906   |  HASHES     |
907   |-------------|
908   |  OFFSETS    |
909   |-------------|
910   |  DATA       |
911   `-------------'
913 The ``BUCKETS`` in the name tables are an index into the ``HASHES`` array.  By
914 making all of the full 32 bit hash values contiguous in memory, we allow
915 ourselves to efficiently check for a match while touching as little memory as
916 possible.  Most often checking the 32 bit hash values is as far as the lookup
917 goes.  If it does match, it usually is a match with no collisions.  So for a
918 table with "``n_buckets``" buckets, and "``n_hashes``" unique 32 bit hash
919 values, we can clarify the contents of the ``BUCKETS``, ``HASHES`` and
920 ``OFFSETS`` as:
922 .. code-block:: none
924   .-------------------------.
925   |  HEADER.magic           | uint32_t
926   |  HEADER.version         | uint16_t
927   |  HEADER.hash_function   | uint16_t
928   |  HEADER.bucket_count    | uint32_t
929   |  HEADER.hashes_count    | uint32_t
930   |  HEADER.header_data_len | uint32_t
931   |  HEADER_DATA            | HeaderData
932   |-------------------------|
933   |  BUCKETS                | uint32_t[n_buckets] // 32 bit hash indexes
934   |-------------------------|
935   |  HASHES                 | uint32_t[n_hashes] // 32 bit hash values
936   |-------------------------|
937   |  OFFSETS                | uint32_t[n_hashes] // 32 bit offsets to hash value data
938   |-------------------------|
939   |  ALL HASH DATA          |
940   `-------------------------'
942 So taking the exact same data from the standard hash example above we end up
943 with:
945 .. code-block:: none
947               .------------.
948               | HEADER     |
949               |------------|
950               |          0 | BUCKETS[0]
951               |          2 | BUCKETS[1]
952               |          5 | BUCKETS[2]
953               |          6 | BUCKETS[3]
954               |            | ...
955               |        ... | BUCKETS[n_buckets]
956               |------------|
957               | 0x........ | HASHES[0]
958               | 0x........ | HASHES[1]
959               | 0x........ | HASHES[2]
960               | 0x........ | HASHES[3]
961               | 0x........ | HASHES[4]
962               | 0x........ | HASHES[5]
963               | 0x12345678 | HASHES[6]    hash for BUCKETS[3]
964               | 0x29273623 | HASHES[7]    hash for BUCKETS[3]
965               | 0x82638293 | HASHES[8]    hash for BUCKETS[3]
966               | 0x........ | HASHES[9]
967               | 0x........ | HASHES[10]
968               | 0x........ | HASHES[11]
969               | 0x........ | HASHES[12]
970               | 0x........ | HASHES[13]
971               | 0x........ | HASHES[n_hashes]
972               |------------|
973               | 0x........ | OFFSETS[0]
974               | 0x........ | OFFSETS[1]
975               | 0x........ | OFFSETS[2]
976               | 0x........ | OFFSETS[3]
977               | 0x........ | OFFSETS[4]
978               | 0x........ | OFFSETS[5]
979               | 0x000034f0 | OFFSETS[6]   offset for BUCKETS[3]
980               | 0x00003500 | OFFSETS[7]   offset for BUCKETS[3]
981               | 0x00003550 | OFFSETS[8]   offset for BUCKETS[3]
982               | 0x........ | OFFSETS[9]
983               | 0x........ | OFFSETS[10]
984               | 0x........ | OFFSETS[11]
985               | 0x........ | OFFSETS[12]
986               | 0x........ | OFFSETS[13]
987               | 0x........ | OFFSETS[n_hashes]
988               |------------|
989               |            |
990               |            |
991               |            |
992               |            |
993               |            |
994               |------------|
995   0x000034f0: | 0x00001203 | .debug_str ("erase")
996               | 0x00000004 | A 32 bit array count - number of HashData with name "erase"
997               | 0x........ | HashData[0]
998               | 0x........ | HashData[1]
999               | 0x........ | HashData[2]
1000               | 0x........ | HashData[3]
1001               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1002               |------------|
1003   0x00003500: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("collision")
1004               | 0x00000002 | A 32 bit array count - number of HashData with name "collision"
1005               | 0x........ | HashData[0]
1006               | 0x........ | HashData[1]
1007               | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("dump")
1008               | 0x00000003 | A 32 bit array count - number of HashData with name "dump"
1009               | 0x........ | HashData[0]
1010               | 0x........ | HashData[1]
1011               | 0x........ | HashData[2]
1012               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1013               |------------|
1014   0x00003550: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("main")
1015               | 0x00000009 | A 32 bit array count - number of HashData with name "main"
1016               | 0x........ | HashData[0]
1017               | 0x........ | HashData[1]
1018               | 0x........ | HashData[2]
1019               | 0x........ | HashData[3]
1020               | 0x........ | HashData[4]
1021               | 0x........ | HashData[5]
1022               | 0x........ | HashData[6]
1023               | 0x........ | HashData[7]
1024               | 0x........ | HashData[8]
1025               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1026               `------------'
1028 So we still have all of the same data, we just organize it more efficiently for
1029 debugger lookup.  If we repeat the same "``printf``" lookup from above, we
1030 would hash "``printf``" and find it matches ``BUCKETS[3]`` by taking the 32 bit
1031 hash value and modulo it by ``n_buckets``.  ``BUCKETS[3]`` contains "6" which
1032 is the index into the ``HASHES`` table.  We would then compare any consecutive
1033 32 bit hashes values in the ``HASHES`` array as long as the hashes would be in
1034 ``BUCKETS[3]``.  We do this by verifying that each subsequent hash value modulo
1035 ``n_buckets`` is still 3.  In the case of a failed lookup we would access the
1036 memory for ``BUCKETS[3]``, and then compare a few consecutive 32 bit hashes
1037 before we know that we have no match.  We don't end up marching through
1038 multiple words of memory and we really keep the number of processor data cache
1039 lines being accessed as small as possible.
1041 The string hash that is used for these lookup tables is the Daniel J.
1042 Bernstein hash which is also used in the ELF ``GNU_HASH`` sections.  It is a
1043 very good hash for all kinds of names in programs with very few hash
1044 collisions.
1046 Empty buckets are designated by using an invalid hash index of ``UINT32_MAX``.
1048 Details
1049 ^^^^^^^
1051 These name hash tables are designed to be generic where specializations of the
1052 table get to define additional data that goes into the header ("``HeaderData``"),
1053 how the string value is stored ("``KeyType``") and the content of the data for each
1054 hash value.
1056 Header Layout
1057 """""""""""""
1059 The header has a fixed part, and the specialized part.  The exact format of the
1060 header is:
1062 .. code-block:: c
1064   struct Header
1065   {
1066     uint32_t   magic;           // 'HASH' magic value to allow endian detection
1067     uint16_t   version;         // Version number
1068     uint16_t   hash_function;   // The hash function enumeration that was used
1069     uint32_t   bucket_count;    // The number of buckets in this hash table
1070     uint32_t   hashes_count;    // The total number of unique hash values and hash data offsets in this table
1071     uint32_t   header_data_len; // The bytes to skip to get to the hash indexes (buckets) for correct alignment
1072                                 // Specifically the length of the following HeaderData field - this does not
1073                                 // include the size of the preceding fields
1074     HeaderData header_data;     // Implementation specific header data
1075   };
1077 The header starts with a 32 bit "``magic``" value which must be ``'HASH'``
1078 encoded as an ASCII integer.  This allows the detection of the start of the
1079 hash table and also allows the table's byte order to be determined so the table
1080 can be correctly extracted.  The "``magic``" value is followed by a 16 bit
1081 ``version`` number which allows the table to be revised and modified in the
1082 future.  The current version number is 1. ``hash_function`` is a ``uint16_t``
1083 enumeration that specifies which hash function was used to produce this table.
1084 The current values for the hash function enumerations include:
1086 .. code-block:: c
1088   enum HashFunctionType
1089   {
1090     eHashFunctionDJB = 0u, // Daniel J Bernstein hash function
1091   };
1093 ``bucket_count`` is a 32 bit unsigned integer that represents how many buckets
1094 are in the ``BUCKETS`` array.  ``hashes_count`` is the number of unique 32 bit
1095 hash values that are in the ``HASHES`` array, and is the same number of offsets
1096 are contained in the ``OFFSETS`` array.  ``header_data_len`` specifies the size
1097 in bytes of the ``HeaderData`` that is filled in by specialized versions of
1098 this table.
1100 Fixed Lookup
1101 """"""""""""
1103 The header is followed by the buckets, hashes, offsets, and hash value data.
1105 .. code-block:: c
1107   struct FixedTable
1108   {
1109     uint32_t buckets[Header.bucket_count];  // An array of hash indexes into the "hashes[]" array below
1110     uint32_t hashes [Header.hashes_count];  // Every unique 32 bit hash for the entire table is in this table
1111     uint32_t offsets[Header.hashes_count];  // An offset that corresponds to each item in the "hashes[]" array above
1112   };
1114 ``buckets`` is an array of 32 bit indexes into the ``hashes`` array.  The
1115 ``hashes`` array contains all of the 32 bit hash values for all names in the
1116 hash table.  Each hash in the ``hashes`` table has an offset in the ``offsets``
1117 array that points to the data for the hash value.
1119 This table setup makes it very easy to repurpose these tables to contain
1120 different data, while keeping the lookup mechanism the same for all tables.
1121 This layout also makes it possible to save the table to disk and map it in
1122 later and do very efficient name lookups with little or no parsing.
1124 DWARF lookup tables can be implemented in a variety of ways and can store a lot
1125 of information for each name.  We want to make the DWARF tables extensible and
1126 able to store the data efficiently so we have used some of the DWARF features
1127 that enable efficient data storage to define exactly what kind of data we store
1128 for each name.
1130 The ``HeaderData`` contains a definition of the contents of each HashData chunk.
1131 We might want to store an offset to all of the debug information entries (DIEs)
1132 for each name.  To keep things extensible, we create a list of items, or
1133 Atoms, that are contained in the data for each name.  First comes the type of
1134 the data in each atom:
1136 .. code-block:: c
1138   enum AtomType
1139   {
1140     eAtomTypeNULL       = 0u,
1141     eAtomTypeDIEOffset  = 1u,   // DIE offset, check form for encoding
1142     eAtomTypeCUOffset   = 2u,   // DIE offset of the compiler unit header that contains the item in question
1143     eAtomTypeTag        = 3u,   // DW_TAG_xxx value, should be encoded as DW_FORM_data1 (if no tags exceed 255) or DW_FORM_data2
1144     eAtomTypeNameFlags  = 4u,   // Flags from enum NameFlags
1145     eAtomTypeTypeFlags  = 5u,   // Flags from enum TypeFlags
1146   };
1148 The enumeration values and their meanings are:
1150 .. code-block:: none
1152   eAtomTypeNULL       - a termination atom that specifies the end of the atom list
1153   eAtomTypeDIEOffset  - an offset into the .debug_info section for the DWARF DIE for this name
1154   eAtomTypeCUOffset   - an offset into the .debug_info section for the CU that contains the DIE
1155   eAtomTypeDIETag     - The DW_TAG_XXX enumeration value so you don't have to parse the DWARF to see what it is
1156   eAtomTypeNameFlags  - Flags for functions and global variables (isFunction, isInlined, isExternal...)
1157   eAtomTypeTypeFlags  - Flags for types (isCXXClass, isObjCClass, ...)
1159 Then we allow each atom type to define the atom type and how the data for each
1160 atom type data is encoded:
1162 .. code-block:: c
1164   struct Atom
1165   {
1166     uint16_t type;  // AtomType enum value
1167     uint16_t form;  // DWARF DW_FORM_XXX defines
1168   };
1170 The ``form`` type above is from the DWARF specification and defines the exact
1171 encoding of the data for the Atom type.  See the DWARF specification for the
1172 ``DW_FORM_`` definitions.
1174 .. code-block:: c
1176   struct HeaderData
1177   {
1178     uint32_t die_offset_base;
1179     uint32_t atom_count;
1180     Atoms    atoms[atom_count0];
1181   };
1183 ``HeaderData`` defines the base DIE offset that should be added to any atoms
1184 that are encoded using the ``DW_FORM_ref1``, ``DW_FORM_ref2``,
1185 ``DW_FORM_ref4``, ``DW_FORM_ref8`` or ``DW_FORM_ref_udata``.  It also defines
1186 what is contained in each ``HashData`` object -- ``Atom.form`` tells us how large
1187 each field will be in the ``HashData`` and the ``Atom.type`` tells us how this data
1188 should be interpreted.
1190 For the current implementations of the "``.apple_names``" (all functions +
1191 globals), the "``.apple_types``" (names of all types that are defined), and
1192 the "``.apple_namespaces``" (all namespaces), we currently set the ``Atom``
1193 array to be:
1195 .. code-block:: c
1197   HeaderData.atom_count = 1;
1198   HeaderData.atoms[0].type = eAtomTypeDIEOffset;
1199   HeaderData.atoms[0].form = DW_FORM_data4;
1201 This defines the contents to be the DIE offset (eAtomTypeDIEOffset) that is
1202 encoded as a 32 bit value (DW_FORM_data4).  This allows a single name to have
1203 multiple matching DIEs in a single file, which could come up with an inlined
1204 function for instance.  Future tables could include more information about the
1205 DIE such as flags indicating if the DIE is a function, method, block,
1206 or inlined.
1208 The KeyType for the DWARF table is a 32 bit string table offset into the
1209 ".debug_str" table.  The ".debug_str" is the string table for the DWARF which
1210 may already contain copies of all of the strings.  This helps make sure, with
1211 help from the compiler, that we reuse the strings between all of the DWARF
1212 sections and keeps the hash table size down.  Another benefit to having the
1213 compiler generate all strings as DW_FORM_strp in the debug info, is that
1214 DWARF parsing can be made much faster.
1216 After a lookup is made, we get an offset into the hash data.  The hash data
1217 needs to be able to deal with 32 bit hash collisions, so the chunk of data
1218 at the offset in the hash data consists of a triple:
1220 .. code-block:: c
1222   uint32_t str_offset
1223   uint32_t hash_data_count
1224   HashData[hash_data_count]
1226 If "str_offset" is zero, then the bucket contents are done. 99.9% of the
1227 hash data chunks contain a single item (no 32 bit hash collision):
1229 .. code-block:: none
1231   .------------.
1232   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
1233   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
1234   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
1235   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
1236   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
1237   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
1238   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
1239   `------------'
1241 If there are collisions, you will have multiple valid string offsets:
1243 .. code-block:: none
1245   .------------.
1246   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
1247   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
1248   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
1249   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
1250   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
1251   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
1252   | 0x00002023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0002023] => "print")
1253   | 0x00000002 | uint32_t HashData count
1254   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
1255   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
1256   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
1257   `------------'
1259 Current testing with real world C++ binaries has shown that there is around 1
1260 32 bit hash collision per 100,000 name entries.
1262 Contents
1263 ^^^^^^^^
1265 As we said, we want to strictly define exactly what is included in the
1266 different tables.  For DWARF, we have 3 tables: "``.apple_names``",
1267 "``.apple_types``", and "``.apple_namespaces``".
1269 "``.apple_names``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
1270 ``DW_TAG`` is a ``DW_TAG_label``, ``DW_TAG_inlined_subroutine``, or
1271 ``DW_TAG_subprogram`` that has address attributes: ``DW_AT_low_pc``,
1272 ``DW_AT_high_pc``, ``DW_AT_ranges`` or ``DW_AT_entry_pc``.  It also contains
1273 ``DW_TAG_variable`` DIEs that have a ``DW_OP_addr`` in the location (global and
1274 static variables).  All global and static variables should be included,
1275 including those scoped within functions and classes.  For example using the
1276 following code:
1278 .. code-block:: c
1280   static int var = 0;
1282   void f ()
1283   {
1284     static int var = 0;
1285   }
1287 Both of the static ``var`` variables would be included in the table.  All
1288 functions should emit both their full names and their basenames.  For C or C++,
1289 the full name is the mangled name (if available) which is usually in the
1290 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, and the ``DW_AT_name`` contains the
1291 function basename.  If global or static variables have a mangled name in a
1292 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, this should be emitted along with the
1293 simple name found in the ``DW_AT_name`` attribute.
1295 "``.apple_types``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
1296 tag is one of:
1298 * DW_TAG_array_type
1299 * DW_TAG_class_type
1300 * DW_TAG_enumeration_type
1301 * DW_TAG_pointer_type
1302 * DW_TAG_reference_type
1303 * DW_TAG_string_type
1304 * DW_TAG_structure_type
1305 * DW_TAG_subroutine_type
1306 * DW_TAG_typedef
1307 * DW_TAG_union_type
1308 * DW_TAG_ptr_to_member_type
1309 * DW_TAG_set_type
1310 * DW_TAG_subrange_type
1311 * DW_TAG_base_type
1312 * DW_TAG_const_type
1313 * DW_TAG_file_type
1314 * DW_TAG_namelist
1315 * DW_TAG_packed_type
1316 * DW_TAG_volatile_type
1317 * DW_TAG_restrict_type
1318 * DW_TAG_atomic_type
1319 * DW_TAG_interface_type
1320 * DW_TAG_unspecified_type
1321 * DW_TAG_shared_type
1323 Only entries with a ``DW_AT_name`` attribute are included, and the entry must
1324 not be a forward declaration (``DW_AT_declaration`` attribute with a non-zero
1325 value).  For example, using the following code:
1327 .. code-block:: c
1329   int main ()
1330   {
1331     int *b = 0;
1332     return *b;
1333   }
1335 We get a few type DIEs:
1337 .. code-block:: none
1339   0x00000067:     TAG_base_type [5]
1340                   AT_encoding( DW_ATE_signed )
1341                   AT_name( "int" )
1342                   AT_byte_size( 0x04 )
1344   0x0000006e:     TAG_pointer_type [6]
1345                   AT_type( {0x00000067} ( int ) )
1346                   AT_byte_size( 0x08 )
1348 The DW_TAG_pointer_type is not included because it does not have a ``DW_AT_name``.
1350 "``.apple_namespaces``" section should contain all ``DW_TAG_namespace`` DIEs.
1351 If we run into a namespace that has no name this is an anonymous namespace, and
1352 the name should be output as "``(anonymous namespace)``" (without the quotes).
1353 Why?  This matches the output of the ``abi::cxa_demangle()`` that is in the
1354 standard C++ library that demangles mangled names.
1357 Language Extensions and File Format Changes
1358 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1360 Objective-C Extensions
1361 """"""""""""""""""""""
1363 "``.apple_objc``" section should contain all ``DW_TAG_subprogram`` DIEs for an
1364 Objective-C class.  The name used in the hash table is the name of the
1365 Objective-C class itself.  If the Objective-C class has a category, then an
1366 entry is made for both the class name without the category, and for the class
1367 name with the category.  So if we have a DIE at offset 0x1234 with a name of
1368 method "``-[NSString(my_additions) stringWithSpecialString:]``", we would add
1369 an entry for "``NSString``" that points to DIE 0x1234, and an entry for
1370 "``NSString(my_additions)``" that points to 0x1234.  This allows us to quickly
1371 track down all Objective-C methods for an Objective-C class when doing
1372 expressions.  It is needed because of the dynamic nature of Objective-C where
1373 anyone can add methods to a class.  The DWARF for Objective-C methods is also
1374 emitted differently from C++ classes where the methods are not usually
1375 contained in the class definition, they are scattered about across one or more
1376 compile units.  Categories can also be defined in different shared libraries.
1377 So we need to be able to quickly find all of the methods and class functions
1378 given the Objective-C class name, or quickly find all methods and class
1379 functions for a class + category name.  This table does not contain any
1380 selector names, it just maps Objective-C class names (or class names +
1381 category) to all of the methods and class functions.  The selectors are added
1382 as function basenames in the "``.debug_names``" section.
1384 In the "``.apple_names``" section for Objective-C functions, the full name is
1385 the entire function name with the brackets ("``-[NSString
1386 stringWithCString:]``") and the basename is the selector only
1387 ("``stringWithCString:``").
1389 Mach-O Changes
1390 """"""""""""""
1392 The sections names for the apple hash tables are for non-mach-o files.  For
1393 mach-o files, the sections should be contained in the ``__DWARF`` segment with
1394 names as follows:
1396 * "``.apple_names``" -> "``__apple_names``"
1397 * "``.apple_types``" -> "``__apple_types``"
1398 * "``.apple_namespaces``" -> "``__apple_namespac``" (16 character limit)
1399 * "``.apple_objc``" -> "``__apple_objc``"
1401 .. _codeview:
1403 CodeView Debug Info Format
1404 ==========================
1406 LLVM supports emitting CodeView, the Microsoft debug info format, and this
1407 section describes the design and implementation of that support.
1409 Format Background
1410 -----------------
1412 CodeView as a format is clearly oriented around C++ debugging, and in C++, the
1413 majority of debug information tends to be type information. Therefore, the
1414 overriding design constraint of CodeView is the separation of type information
1415 from other "symbol" information so that type information can be efficiently
1416 merged across translation units. Both type information and symbol information is
1417 generally stored as a sequence of records, where each record begins with a
1418 16-bit record size and a 16-bit record kind.
1420 Type information is usually stored in the ``.debug$T`` section of the object
1421 file.  All other debug info, such as line info, string table, symbol info, and
1422 inlinee info, is stored in one or more ``.debug$S`` sections. There may only be
1423 one ``.debug$T`` section per object file, since all other debug info refers to
1424 it. If a PDB (enabled by the ``/Zi`` MSVC option) was used during compilation,
1425 the ``.debug$T`` section will contain only an ``LF_TYPESERVER2`` record pointing
1426 to the PDB. When using PDBs, symbol information appears to remain in the object
1427 file ``.debug$S`` sections.
1429 Type records are referred to by their index, which is the number of records in
1430 the stream before a given record plus ``0x1000``. Many common basic types, such
1431 as the basic integral types and unqualified pointers to them, are represented
1432 using type indices less than ``0x1000``. Such basic types are built in to
1433 CodeView consumers and do not require type records.
1435 Each type record may only contain type indices that are less than its own type
1436 index. This ensures that the graph of type stream references is acyclic. While
1437 the source-level type graph may contain cycles through pointer types (consider a
1438 linked list struct), these cycles are removed from the type stream by always
1439 referring to the forward declaration record of user-defined record types. Only
1440 "symbol" records in the ``.debug$S`` streams may refer to complete,
1441 non-forward-declaration type records.
1443 Working with CodeView
1444 ---------------------
1446 These are instructions for some common tasks for developers working to improve
1447 LLVM's CodeView support. Most of them revolve around using the CodeView dumper
1448 embedded in ``llvm-readobj``.
1450 * Testing MSVC's output::
1452     $ cl -c -Z7 foo.cpp # Use /Z7 to keep types in the object file
1453     $ llvm-readobj -codeview foo.obj
1455 * Getting LLVM IR debug info out of Clang::
1457     $ clang -g -gcodeview --target=x86_64-windows-msvc foo.cpp -S -emit-llvm
1459   Use this to generate LLVM IR for LLVM test cases.
1461 * Generate and dump CodeView from LLVM IR metadata::
1463     $ llc foo.ll -filetype=obj -o foo.obj
1464     $ llvm-readobj -codeview foo.obj > foo.txt
1466   Use this pattern in lit test cases and FileCheck the output of llvm-readobj
1468 Improving LLVM's CodeView support is a process of finding interesting type
1469 records, constructing a C++ test case that makes MSVC emit those records,
1470 dumping the records, understanding them, and then generating equivalent records
1471 in LLVM's backend.
1473 Testing Debug Info Preservation in Optimizations
1474 ================================================
1476 The following paragraphs are an introduction to the debugify utility
1477 and examples of how to use it in regression tests to check debug info
1478 preservation after optimizations.
1480 The ``debugify`` utility
1481 ------------------------
1483 The ``debugify`` synthetic debug info testing utility consists of two
1484 main parts. The ``debugify`` pass and the ``check-debugify`` one. They are
1485 meant to be used with ``opt`` for development purposes.
1487 The first applies synthetic debug information to every instruction of the module,
1488 while the latter checks that this DI is still available after an optimization
1489 has occurred, reporting any errors/warnings while doing so.
1491 The instructions are assigned sequentially increasing line locations,
1492 and are immediately used by debug value intrinsics when possible.
1494 For example, here is a module before:
1496 .. code-block:: llvm
1498    define void @f(i32* %x) {
1499    entry:
1500      %x.addr = alloca i32*, align 8
1501      store i32* %x, i32** %x.addr, align 8
1502      %0 = load i32*, i32** %x.addr, align 8
1503      store i32 10, i32* %0, align 4
1504      ret void
1505    }
1507 and after running ``opt -debugify``  on it we get:
1509 .. code-block:: text
1511    define void @f(i32* %x) !dbg !6 {
1512    entry:
1513      %x.addr = alloca i32*, align 8, !dbg !12
1514      call void @llvm.dbg.value(metadata i32** %x.addr, metadata !9, metadata !DIExpression()), !dbg !12
1515      store i32* %x, i32** %x.addr, align 8, !dbg !13
1516      %0 = load i32*, i32** %x.addr, align 8, !dbg !14
1517      call void @llvm.dbg.value(metadata i32* %0, metadata !11, metadata !DIExpression()), !dbg !14
1518      store i32 10, i32* %0, align 4, !dbg !15
1519      ret void, !dbg !16
1520    }
1522    !llvm.dbg.cu = !{!0}
1523    !llvm.debugify = !{!3, !4}
1524    !llvm.module.flags = !{!5}
1526    !0 = distinct !DICompileUnit(language: DW_LANG_C, file: !1, producer: "debugify", isOptimized: true, runtimeVersion: 0, emissionKind: FullDebug, enums: !2)
1527    !1 = !DIFile(filename: "debugify-sample.ll", directory: "/")
1528    !2 = !{}
1529    !3 = !{i32 5}
1530    !4 = !{i32 2}
1531    !5 = !{i32 2, !"Debug Info Version", i32 3}
1532    !6 = distinct !DISubprogram(name: "f", linkageName: "f", scope: null, file: !1, line: 1, type: !7, isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1, isOptimized: true, unit: !0, retainedNodes: !8)
1533    !7 = !DISubroutineType(types: !2)
1534    !8 = !{!9, !11}
1535    !9 = !DILocalVariable(name: "1", scope: !6, file: !1, line: 1, type: !10)
1536    !10 = !DIBasicType(name: "ty64", size: 64, encoding: DW_ATE_unsigned)
1537    !11 = !DILocalVariable(name: "2", scope: !6, file: !1, line: 3, type: !10)
1538    !12 = !DILocation(line: 1, column: 1, scope: !6)
1539    !13 = !DILocation(line: 2, column: 1, scope: !6)
1540    !14 = !DILocation(line: 3, column: 1, scope: !6)
1541    !15 = !DILocation(line: 4, column: 1, scope: !6)
1542    !16 = !DILocation(line: 5, column: 1, scope: !6)
1544 The following is an example of the -check-debugify output:
1546 .. code-block:: none
1548    $ opt -enable-debugify -loop-vectorize llvm/test/Transforms/LoopVectorize/i8-induction.ll -disable-output
1549    ERROR: Instruction with empty DebugLoc in function f --  %index = phi i32 [ 0, %vector.ph ], [ %index.next, %vector.body ]
1551 Errors/warnings can range from instructions with empty debug location to an
1552 instruction having a type that's incompatible with the source variable it describes,
1553 all the way to missing lines and missing debug value intrinsics.
1555 Fixing errors
1556 ^^^^^^^^^^^^^
1558 Each of the errors above has a relevant API available to fix it.
1560 * In the case of missing debug location, ``Instruction::setDebugLoc`` or possibly
1561   ``IRBuilder::setCurrentDebugLocation`` when using a Builder and the new location
1562   should be reused.
1564 * When a debug value has incompatible type ``llvm::replaceAllDbgUsesWith`` can be used.
1565   After a RAUW call an incompatible type error can occur because RAUW does not handle
1566   widening and narrowing of variables while ``llvm::replaceAllDbgUsesWith`` does. It is
1567   also capable of changing the DWARF expression used by the debugger to describe the variable.
1568   It also prevents use-before-def by salvaging or deleting invalid debug values.
1570 * When a debug value is missing ``llvm::salvageDebugInfo`` can be used when no replacement
1571   exists, or ``llvm::replaceAllDbgUsesWith`` when a replacement exists.
1573 Using ``debugify``
1574 ------------------
1576 In order for ``check-debugify`` to work, the DI must be coming from
1577 ``debugify``. Thus, modules with existing DI will be skipped.
1579 The most straightforward way to use ``debugify`` is as follows::
1581   $ opt -debugify -pass-to-test -check-debugify sample.ll
1583 This will inject synthetic DI to ``sample.ll`` run the ``pass-to-test``
1584 and then check for missing DI.
1586 Some other ways to run debugify are avaliable:
1588 .. code-block:: bash
1590    # Same as the above example.
1591    $ opt -enable-debugify -pass-to-test sample.ll
1593    # Suppresses verbose debugify output.
1594    $ opt -enable-debugify -debugify-quiet -pass-to-test sample.ll
1596    # Prepend -debugify before and append -check-debugify -strip after
1597    # each pass on the pipeline (similar to -verify-each).
1598    $ opt -debugify-each -O2 sample.ll
1600 ``debugify`` can also be used to test a backend, e.g:
1602 .. code-block:: bash
1604    $ opt -debugify < sample.ll | llc -o -
1606 ``debugify`` in regression tests
1607 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1609 The ``-debugify`` pass is especially helpful when it comes to testing that
1610 a given pass preserves DI while transforming the module. For this to work,
1611 the ``-debugify`` output must be stable enough to use in regression tests.
1612 Changes to this pass are not allowed to break existing tests.
1614 It allows us to test for DI loss in the same tests we check that the
1615 transformation is actually doing what it should.
1617 Here is an example from ``test/Transforms/InstCombine/cast-mul-select.ll``:
1619 .. code-block:: llvm
1621    ; RUN: opt < %s -debugify -instcombine -S | FileCheck %s --check-prefix=DEBUGINFO
1623    define i32 @mul(i32 %x, i32 %y) {
1624    ; DBGINFO-LABEL: @mul(
1625    ; DBGINFO-NEXT:    [[C:%.*]] = mul i32 {{.*}}
1626    ; DBGINFO-NEXT:    call void @llvm.dbg.value(metadata i32 [[C]]
1627    ; DBGINFO-NEXT:    [[D:%.*]] = and i32 {{.*}}
1628    ; DBGINFO-NEXT:    call void @llvm.dbg.value(metadata i32 [[D]]
1630      %A = trunc i32 %x to i8
1631      %B = trunc i32 %y to i8
1632      %C = mul i8 %A, %B
1633      %D = zext i8 %C to i32
1634      ret i32 %D
1635    }
1637 Here we test that the two ``dbg.value`` instrinsics are preserved and
1638 are correctly pointing to the ``[[C]]`` and ``[[D]]`` variables.
1640 .. note::
1642    Note, that when writing this kind of regression tests, it is important
1643    to make them as robust as possible. That's why we should try to avoid
1644    hardcoding line/variable numbers in check lines. If for example you test
1645    for a ``DILocation`` to have a specific line number, and someone later adds
1646    an instruction before the one we check the test will fail. In the cases this
1647    can't be avoided (say, if a test wouldn't be precise enough), moving the
1648    test to it's own file is preferred.