AMDGPU: add missing llvm.amdgcn.{raw,struct}.buffer.atomic.{inc,dec}
[llvm-core.git] / docs / Coroutines.rst
blobf3667585c6c26213f8e043161b81e20602ce3e80
1 =====================================
2 Coroutines in LLVM
3 =====================================
5 .. contents::
6    :local:
7    :depth: 3
9 .. warning::
10   This is a work in progress. Compatibility across LLVM releases is not 
11   guaranteed.
13 Introduction
14 ============
16 .. _coroutine handle:
18 LLVM coroutines are functions that have one or more `suspend points`_. 
19 When a suspend point is reached, the execution of a coroutine is suspended and
20 control is returned back to its caller. A suspended coroutine can be resumed 
21 to continue execution from the last suspend point or it can be destroyed. 
23 In the following example, we call function `f` (which may or may not be a 
24 coroutine itself) that returns a handle to a suspended coroutine 
25 (**coroutine handle**) that is used by `main` to resume the coroutine twice and
26 then destroy it:
28 .. code-block:: llvm
30   define i32 @main() {
31   entry:
32     %hdl = call i8* @f(i32 4)
33     call void @llvm.coro.resume(i8* %hdl)
34     call void @llvm.coro.resume(i8* %hdl)
35     call void @llvm.coro.destroy(i8* %hdl)
36     ret i32 0
37   }
39 .. _coroutine frame:
41 In addition to the function stack frame which exists when a coroutine is 
42 executing, there is an additional region of storage that contains objects that 
43 keep the coroutine state when a coroutine is suspended. This region of storage
44 is called **coroutine frame**. It is created when a coroutine is called and 
45 destroyed when a coroutine runs to completion or destroyed by a call to 
46 the `coro.destroy`_ intrinsic. 
48 An LLVM coroutine is represented as an LLVM function that has calls to
49 `coroutine intrinsics`_ defining the structure of the coroutine.
50 After lowering, a coroutine is split into several
51 functions that represent three different ways of how control can enter the 
52 coroutine: 
54 1. a ramp function, which represents an initial invocation of the coroutine that
55    creates the coroutine frame and executes the coroutine code until it 
56    encounters a suspend point or reaches the end of the function;
58 2. a coroutine resume function that is invoked when the coroutine is resumed;
60 3. a coroutine destroy function that is invoked when the coroutine is destroyed.
62 .. note:: Splitting out resume and destroy functions are just one of the 
63    possible ways of lowering the coroutine. We chose it for initial 
64    implementation as it matches closely the mental model and results in 
65    reasonably nice code.
67 Coroutines by Example
68 =====================
70 Coroutine Representation
71 ------------------------
73 Let's look at an example of an LLVM coroutine with the behavior sketched
74 by the following pseudo-code.
76 .. code-block:: c++
78   void *f(int n) {
79      for(;;) {
80        print(n++);
81        <suspend> // returns a coroutine handle on first suspend
82      }     
83   } 
85 This coroutine calls some function `print` with value `n` as an argument and
86 suspends execution. Every time this coroutine resumes, it calls `print` again with an argument one bigger than the last time. This coroutine never completes by itself and must be destroyed explicitly. If we use this coroutine with 
87 a `main` shown in the previous section. It will call `print` with values 4, 5 
88 and 6 after which the coroutine will be destroyed.
90 The LLVM IR for this coroutine looks like this:
92 .. code-block:: llvm
94   define i8* @f(i32 %n) {
95   entry:
96     %id = call token @llvm.coro.id(i32 0, i8* null, i8* null, i8* null)
97     %size = call i32 @llvm.coro.size.i32()
98     %alloc = call i8* @malloc(i32 %size)
99     %hdl = call noalias i8* @llvm.coro.begin(token %id, i8* %alloc)
100     br label %loop
101   loop:
102     %n.val = phi i32 [ %n, %entry ], [ %inc, %loop ]
103     %inc = add nsw i32 %n.val, 1
104     call void @print(i32 %n.val)
105     %0 = call i8 @llvm.coro.suspend(token none, i1 false)
106     switch i8 %0, label %suspend [i8 0, label %loop
107                                   i8 1, label %cleanup]
108   cleanup:
109     %mem = call i8* @llvm.coro.free(token %id, i8* %hdl)
110     call void @free(i8* %mem)
111     br label %suspend
112   suspend:
113     %unused = call i1 @llvm.coro.end(i8* %hdl, i1 false)
114     ret i8* %hdl
115   }
117 The `entry` block establishes the coroutine frame. The `coro.size`_ intrinsic is
118 lowered to a constant representing the size required for the coroutine frame. 
119 The `coro.begin`_ intrinsic initializes the coroutine frame and returns the 
120 coroutine handle. The second parameter of `coro.begin` is given a block of memory 
121 to be used if the coroutine frame needs to be allocated dynamically.
122 The `coro.id`_ intrinsic serves as coroutine identity useful in cases when the
123 `coro.begin`_ intrinsic get duplicated by optimization passes such as 
124 jump-threading.
126 The `cleanup` block destroys the coroutine frame. The `coro.free`_ intrinsic, 
127 given the coroutine handle, returns a pointer of the memory block to be freed or
128 `null` if the coroutine frame was not allocated dynamically. The `cleanup` 
129 block is entered when coroutine runs to completion by itself or destroyed via
130 call to the `coro.destroy`_ intrinsic.
132 The `suspend` block contains code to be executed when coroutine runs to 
133 completion or suspended. The `coro.end`_ intrinsic marks the point where 
134 a coroutine needs to return control back to the caller if it is not an initial 
135 invocation of the coroutine. 
137 The `loop` blocks represents the body of the coroutine. The `coro.suspend`_ 
138 intrinsic in combination with the following switch indicates what happens to 
139 control flow when a coroutine is suspended (default case), resumed (case 0) or 
140 destroyed (case 1).
142 Coroutine Transformation
143 ------------------------
145 One of the steps of coroutine lowering is building the coroutine frame. The
146 def-use chains are analyzed to determine which objects need be kept alive across
147 suspend points. In the coroutine shown in the previous section, use of virtual register 
148 `%n.val` is separated from the definition by a suspend point, therefore, it 
149 cannot reside on the stack frame since the latter goes away once the coroutine 
150 is suspended and control is returned back to the caller. An i32 slot is 
151 allocated in the coroutine frame and `%n.val` is spilled and reloaded from that
152 slot as needed.
154 We also store addresses of the resume and destroy functions so that the 
155 `coro.resume` and `coro.destroy` intrinsics can resume and destroy the coroutine
156 when its identity cannot be determined statically at compile time. For our 
157 example, the coroutine frame will be:
159 .. code-block:: llvm
161   %f.frame = type { void (%f.frame*)*, void (%f.frame*)*, i32 }
163 After resume and destroy parts are outlined, function `f` will contain only the 
164 code responsible for creation and initialization of the coroutine frame and 
165 execution of the coroutine until a suspend point is reached:
167 .. code-block:: llvm
169   define i8* @f(i32 %n) {
170   entry:
171     %id = call token @llvm.coro.id(i32 0, i8* null, i8* null, i8* null)
172     %alloc = call noalias i8* @malloc(i32 24)
173     %0 = call noalias i8* @llvm.coro.begin(token %id, i8* %alloc)
174     %frame = bitcast i8* %0 to %f.frame*
175     %1 = getelementptr %f.frame, %f.frame* %frame, i32 0, i32 0
176     store void (%f.frame*)* @f.resume, void (%f.frame*)** %1
177     %2 = getelementptr %f.frame, %f.frame* %frame, i32 0, i32 1
178     store void (%f.frame*)* @f.destroy, void (%f.frame*)** %2
179    
180     %inc = add nsw i32 %n, 1
181     %inc.spill.addr = getelementptr inbounds %f.Frame, %f.Frame* %FramePtr, i32 0, i32 2
182     store i32 %inc, i32* %inc.spill.addr
183     call void @print(i32 %n)
184    
185     ret i8* %frame
186   }
188 Outlined resume part of the coroutine will reside in function `f.resume`:
190 .. code-block:: llvm
192   define internal fastcc void @f.resume(%f.frame* %frame.ptr.resume) {
193   entry:
194     %inc.spill.addr = getelementptr %f.frame, %f.frame* %frame.ptr.resume, i64 0, i32 2
195     %inc.spill = load i32, i32* %inc.spill.addr, align 4
196     %inc = add i32 %n.val, 1
197     store i32 %inc, i32* %inc.spill.addr, align 4
198     tail call void @print(i32 %inc)
199     ret void
200   }
202 Whereas function `f.destroy` will contain the cleanup code for the coroutine:
204 .. code-block:: llvm
206   define internal fastcc void @f.destroy(%f.frame* %frame.ptr.destroy) {
207   entry:
208     %0 = bitcast %f.frame* %frame.ptr.destroy to i8*
209     tail call void @free(i8* %0)
210     ret void
211   }
213 Avoiding Heap Allocations
214 -------------------------
216 A particular coroutine usage pattern, which is illustrated by the `main` 
217 function in the overview section, where a coroutine is created, manipulated and 
218 destroyed by the same calling function, is common for coroutines implementing
219 RAII idiom and is suitable for allocation elision optimization which avoid 
220 dynamic allocation by storing the coroutine frame as a static `alloca` in its 
221 caller.
223 In the entry block, we will call `coro.alloc`_ intrinsic that will return `true`
224 when dynamic allocation is required, and `false` if dynamic allocation is 
225 elided.
227 .. code-block:: llvm
229   entry:
230     %id = call token @llvm.coro.id(i32 0, i8* null, i8* null, i8* null)
231     %need.dyn.alloc = call i1 @llvm.coro.alloc(token %id)
232     br i1 %need.dyn.alloc, label %dyn.alloc, label %coro.begin
233   dyn.alloc:
234     %size = call i32 @llvm.coro.size.i32()
235     %alloc = call i8* @CustomAlloc(i32 %size)
236     br label %coro.begin
237   coro.begin:
238     %phi = phi i8* [ null, %entry ], [ %alloc, %dyn.alloc ]
239     %hdl = call noalias i8* @llvm.coro.begin(token %id, i8* %phi)
241 In the cleanup block, we will make freeing the coroutine frame conditional on
242 `coro.free`_ intrinsic. If allocation is elided, `coro.free`_ returns `null`
243 thus skipping the deallocation code:
245 .. code-block:: llvm
247   cleanup:
248     %mem = call i8* @llvm.coro.free(token %id, i8* %hdl)
249     %need.dyn.free = icmp ne i8* %mem, null
250     br i1 %need.dyn.free, label %dyn.free, label %if.end
251   dyn.free:
252     call void @CustomFree(i8* %mem)
253     br label %if.end
254   if.end:
255     ...
257 With allocations and deallocations represented as described as above, after
258 coroutine heap allocation elision optimization, the resulting main will be:
260 .. code-block:: llvm
262   define i32 @main() {
263   entry:
264     call void @print(i32 4)
265     call void @print(i32 5)
266     call void @print(i32 6)
267     ret i32 0
268   }
270 Multiple Suspend Points
271 -----------------------
273 Let's consider the coroutine that has more than one suspend point:
275 .. code-block:: c++
277   void *f(int n) {
278      for(;;) {
279        print(n++);
280        <suspend>
281        print(-n);
282        <suspend>
283      }
284   }
286 Matching LLVM code would look like (with the rest of the code remaining the same
287 as the code in the previous section):
289 .. code-block:: llvm
291   loop:
292     %n.addr = phi i32 [ %n, %entry ], [ %inc, %loop.resume ]
293     call void @print(i32 %n.addr) #4
294     %2 = call i8 @llvm.coro.suspend(token none, i1 false)
295     switch i8 %2, label %suspend [i8 0, label %loop.resume
296                                   i8 1, label %cleanup]
297   loop.resume:
298     %inc = add nsw i32 %n.addr, 1
299     %sub = xor i32 %n.addr, -1
300     call void @print(i32 %sub)
301     %3 = call i8 @llvm.coro.suspend(token none, i1 false)
302     switch i8 %3, label %suspend [i8 0, label %loop
303                                   i8 1, label %cleanup]
305 In this case, the coroutine frame would include a suspend index that will 
306 indicate at which suspend point the coroutine needs to resume. The resume 
307 function will use an index to jump to an appropriate basic block and will look 
308 as follows:
310 .. code-block:: llvm
312   define internal fastcc void @f.Resume(%f.Frame* %FramePtr) {
313   entry.Resume:
314     %index.addr = getelementptr inbounds %f.Frame, %f.Frame* %FramePtr, i64 0, i32 2
315     %index = load i8, i8* %index.addr, align 1
316     %switch = icmp eq i8 %index, 0
317     %n.addr = getelementptr inbounds %f.Frame, %f.Frame* %FramePtr, i64 0, i32 3
318     %n = load i32, i32* %n.addr, align 4
319     br i1 %switch, label %loop.resume, label %loop
321   loop.resume:
322     %sub = xor i32 %n, -1
323     call void @print(i32 %sub)
324     br label %suspend
325   loop:
326     %inc = add nsw i32 %n, 1
327     store i32 %inc, i32* %n.addr, align 4
328     tail call void @print(i32 %inc)
329     br label %suspend
331   suspend:
332     %storemerge = phi i8 [ 0, %loop ], [ 1, %loop.resume ]
333     store i8 %storemerge, i8* %index.addr, align 1
334     ret void
335   }
337 If different cleanup code needs to get executed for different suspend points, 
338 a similar switch will be in the `f.destroy` function.
340 .. note ::
342   Using suspend index in a coroutine state and having a switch in `f.resume` and
343   `f.destroy` is one of the possible implementation strategies. We explored 
344   another option where a distinct `f.resume1`, `f.resume2`, etc. are created for
345   every suspend point, and instead of storing an index, the resume and destroy 
346   function pointers are updated at every suspend. Early testing showed that the
347   current approach is easier on the optimizer than the latter so it is a 
348   lowering strategy implemented at the moment.
350 Distinct Save and Suspend
351 -------------------------
353 In the previous example, setting a resume index (or some other state change that 
354 needs to happen to prepare a coroutine for resumption) happens at the same time as
355 a suspension of a coroutine. However, in certain cases, it is necessary to control 
356 when coroutine is prepared for resumption and when it is suspended.
358 In the following example, a coroutine represents some activity that is driven
359 by completions of asynchronous operations `async_op1` and `async_op2` which get
360 a coroutine handle as a parameter and resume the coroutine once async
361 operation is finished.
363 .. code-block:: text
365   void g() {
366      for (;;)
367        if (cond()) {
368           async_op1(<coroutine-handle>); // will resume once async_op1 completes
369           <suspend>
370           do_one();
371        }
372        else {
373           async_op2(<coroutine-handle>); // will resume once async_op2 completes
374           <suspend>
375           do_two();
376        }
377      }
378   }
380 In this case, coroutine should be ready for resumption prior to a call to 
381 `async_op1` and `async_op2`. The `coro.save`_ intrinsic is used to indicate a
382 point when coroutine should be ready for resumption (namely, when a resume index
383 should be stored in the coroutine frame, so that it can be resumed at the 
384 correct resume point):
386 .. code-block:: llvm
388   if.true:
389     %save1 = call token @llvm.coro.save(i8* %hdl)
390     call void @async_op1(i8* %hdl)
391     %suspend1 = call i1 @llvm.coro.suspend(token %save1, i1 false)
392     switch i8 %suspend1, label %suspend [i8 0, label %resume1
393                                          i8 1, label %cleanup]
394   if.false:
395     %save2 = call token @llvm.coro.save(i8* %hdl)
396     call void @async_op2(i8* %hdl)
397     %suspend2 = call i1 @llvm.coro.suspend(token %save2, i1 false)
398     switch i8 %suspend1, label %suspend [i8 0, label %resume2
399                                          i8 1, label %cleanup]
401 .. _coroutine promise:
403 Coroutine Promise
404 -----------------
406 A coroutine author or a frontend may designate a distinguished `alloca` that can
407 be used to communicate with the coroutine. This distinguished alloca is called
408 **coroutine promise** and is provided as the second parameter to the 
409 `coro.id`_ intrinsic.
411 The following coroutine designates a 32 bit integer `promise` and uses it to
412 store the current value produced by a coroutine.
414 .. code-block:: llvm
416   define i8* @f(i32 %n) {
417   entry:
418     %promise = alloca i32
419     %pv = bitcast i32* %promise to i8*
420     %id = call token @llvm.coro.id(i32 0, i8* %pv, i8* null, i8* null)
421     %need.dyn.alloc = call i1 @llvm.coro.alloc(token %id)
422     br i1 %need.dyn.alloc, label %dyn.alloc, label %coro.begin
423   dyn.alloc:
424     %size = call i32 @llvm.coro.size.i32()
425     %alloc = call i8* @malloc(i32 %size)
426     br label %coro.begin
427   coro.begin:
428     %phi = phi i8* [ null, %entry ], [ %alloc, %dyn.alloc ]
429     %hdl = call noalias i8* @llvm.coro.begin(token %id, i8* %phi)
430     br label %loop
431   loop:
432     %n.val = phi i32 [ %n, %coro.begin ], [ %inc, %loop ]
433     %inc = add nsw i32 %n.val, 1
434     store i32 %n.val, i32* %promise
435     %0 = call i8 @llvm.coro.suspend(token none, i1 false)
436     switch i8 %0, label %suspend [i8 0, label %loop
437                                   i8 1, label %cleanup]
438   cleanup:
439     %mem = call i8* @llvm.coro.free(token %id, i8* %hdl)
440     call void @free(i8* %mem)
441     br label %suspend
442   suspend:
443     %unused = call i1 @llvm.coro.end(i8* %hdl, i1 false)
444     ret i8* %hdl
445   }
447 A coroutine consumer can rely on the `coro.promise`_ intrinsic to access the
448 coroutine promise.
450 .. code-block:: llvm
452   define i32 @main() {
453   entry:
454     %hdl = call i8* @f(i32 4)
455     %promise.addr.raw = call i8* @llvm.coro.promise(i8* %hdl, i32 4, i1 false)
456     %promise.addr = bitcast i8* %promise.addr.raw to i32*
457     %val0 = load i32, i32* %promise.addr
458     call void @print(i32 %val0)
459     call void @llvm.coro.resume(i8* %hdl)
460     %val1 = load i32, i32* %promise.addr
461     call void @print(i32 %val1)
462     call void @llvm.coro.resume(i8* %hdl)
463     %val2 = load i32, i32* %promise.addr
464     call void @print(i32 %val2)
465     call void @llvm.coro.destroy(i8* %hdl)
466     ret i32 0
467   }
469 After example in this section is compiled, result of the compilation will be:
471 .. code-block:: llvm
473   define i32 @main() {
474   entry:
475     tail call void @print(i32 4)
476     tail call void @print(i32 5)
477     tail call void @print(i32 6)
478     ret i32 0
479   }
481 .. _final:
482 .. _final suspend:
484 Final Suspend
485 -------------
487 A coroutine author or a frontend may designate a particular suspend to be final,
488 by setting the second argument of the `coro.suspend`_ intrinsic to `true`.
489 Such a suspend point has two properties:
491 * it is possible to check whether a suspended coroutine is at the final suspend
492   point via `coro.done`_ intrinsic;
494 * a resumption of a coroutine stopped at the final suspend point leads to 
495   undefined behavior. The only possible action for a coroutine at a final
496   suspend point is destroying it via `coro.destroy`_ intrinsic.
498 From the user perspective, the final suspend point represents an idea of a 
499 coroutine reaching the end. From the compiler perspective, it is an optimization
500 opportunity for reducing number of resume points (and therefore switch cases) in
501 the resume function.
503 The following is an example of a function that keeps resuming the coroutine
504 until the final suspend point is reached after which point the coroutine is 
505 destroyed:
507 .. code-block:: llvm
509   define i32 @main() {
510   entry:
511     %hdl = call i8* @f(i32 4)
512     br label %while
513   while:
514     call void @llvm.coro.resume(i8* %hdl)
515     %done = call i1 @llvm.coro.done(i8* %hdl)
516     br i1 %done, label %end, label %while
517   end:
518     call void @llvm.coro.destroy(i8* %hdl)
519     ret i32 0
520   }
522 Usually, final suspend point is a frontend injected suspend point that does not
523 correspond to any explicitly authored suspend point of the high level language.
524 For example, for a Python generator that has only one suspend point:
526 .. code-block:: python
528   def coroutine(n):
529     for i in range(n):
530       yield i
532 Python frontend would inject two more suspend points, so that the actual code
533 looks like this:
535 .. code-block:: c
537   void* coroutine(int n) {
538     int current_value; 
539     <designate current_value to be coroutine promise>
540     <SUSPEND> // injected suspend point, so that the coroutine starts suspended
541     for (int i = 0; i < n; ++i) {
542       current_value = i; <SUSPEND>; // corresponds to "yield i"
543     }
544     <SUSPEND final=true> // injected final suspend point
545   }
547 and python iterator `__next__` would look like:
549 .. code-block:: c++
551   int __next__(void* hdl) {
552     coro.resume(hdl);
553     if (coro.done(hdl)) throw StopIteration();
554     return *(int*)coro.promise(hdl, 4, false);
555   }
557 Intrinsics
558 ==========
560 Coroutine Manipulation Intrinsics
561 ---------------------------------
563 Intrinsics described in this section are used to manipulate an existing
564 coroutine. They can be used in any function which happen to have a pointer
565 to a `coroutine frame`_ or a pointer to a `coroutine promise`_.
567 .. _coro.destroy:
569 'llvm.coro.destroy' Intrinsic
570 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
572 Syntax:
573 """""""
577       declare void @llvm.coro.destroy(i8* <handle>)
579 Overview:
580 """""""""
582 The '``llvm.coro.destroy``' intrinsic destroys a suspended
583 coroutine.
585 Arguments:
586 """"""""""
588 The argument is a coroutine handle to a suspended coroutine.
590 Semantics:
591 """"""""""
593 When possible, the `coro.destroy` intrinsic is replaced with a direct call to 
594 the coroutine destroy function. Otherwise it is replaced with an indirect call 
595 based on the function pointer for the destroy function stored in the coroutine
596 frame. Destroying a coroutine that is not suspended leads to undefined behavior.
598 .. _coro.resume:
600 'llvm.coro.resume' Intrinsic
601 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
605       declare void @llvm.coro.resume(i8* <handle>)
607 Overview:
608 """""""""
610 The '``llvm.coro.resume``' intrinsic resumes a suspended coroutine.
612 Arguments:
613 """"""""""
615 The argument is a handle to a suspended coroutine.
617 Semantics:
618 """"""""""
620 When possible, the `coro.resume` intrinsic is replaced with a direct call to the
621 coroutine resume function. Otherwise it is replaced with an indirect call based 
622 on the function pointer for the resume function stored in the coroutine frame. 
623 Resuming a coroutine that is not suspended leads to undefined behavior.
625 .. _coro.done:
627 'llvm.coro.done' Intrinsic
628 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
632       declare i1 @llvm.coro.done(i8* <handle>)
634 Overview:
635 """""""""
637 The '``llvm.coro.done``' intrinsic checks whether a suspended coroutine is at 
638 the final suspend point or not.
640 Arguments:
641 """"""""""
643 The argument is a handle to a suspended coroutine.
645 Semantics:
646 """"""""""
648 Using this intrinsic on a coroutine that does not have a `final suspend`_ point 
649 or on a coroutine that is not suspended leads to undefined behavior.
651 .. _coro.promise:
653 'llvm.coro.promise' Intrinsic
654 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
658       declare i8* @llvm.coro.promise(i8* <ptr>, i32 <alignment>, i1 <from>)
660 Overview:
661 """""""""
663 The '``llvm.coro.promise``' intrinsic obtains a pointer to a 
664 `coroutine promise`_ given a coroutine handle and vice versa.
666 Arguments:
667 """"""""""
669 The first argument is a handle to a coroutine if `from` is false. Otherwise, 
670 it is a pointer to a coroutine promise.
672 The second argument is an alignment requirements of the promise. 
673 If a frontend designated `%promise = alloca i32` as a promise, the alignment 
674 argument to `coro.promise` should be the alignment of `i32` on the target 
675 platform. If a frontend designated `%promise = alloca i32, align 16` as a 
676 promise, the alignment argument should be 16.
677 This argument only accepts constants.
679 The third argument is a boolean indicating a direction of the transformation.
680 If `from` is true, the intrinsic returns a coroutine handle given a pointer 
681 to a promise. If `from` is false, the intrinsics return a pointer to a promise 
682 from a coroutine handle. This argument only accepts constants.
684 Semantics:
685 """"""""""
687 Using this intrinsic on a coroutine that does not have a coroutine promise
688 leads to undefined behavior. It is possible to read and modify coroutine
689 promise of the coroutine which is currently executing. The coroutine author and
690 a coroutine user are responsible to makes sure there is no data races.
692 Example:
693 """"""""
695 .. code-block:: llvm
697   define i8* @f(i32 %n) {
698   entry:
699     %promise = alloca i32
700     %pv = bitcast i32* %promise to i8*
701     ; the second argument to coro.id points to the coroutine promise.
702     %id = call token @llvm.coro.id(i32 0, i8* %pv, i8* null, i8* null)
703     ...
704     %hdl = call noalias i8* @llvm.coro.begin(token %id, i8* %alloc)
705     ...
706     store i32 42, i32* %promise ; store something into the promise
707     ...
708     ret i8* %hdl
709   }
711   define i32 @main() {
712   entry:
713     %hdl = call i8* @f(i32 4) ; starts the coroutine and returns its handle
714     %promise.addr.raw = call i8* @llvm.coro.promise(i8* %hdl, i32 4, i1 false)
715     %promise.addr = bitcast i8* %promise.addr.raw to i32*    
716     %val = load i32, i32* %promise.addr ; load a value from the promise
717     call void @print(i32 %val)
718     call void @llvm.coro.destroy(i8* %hdl)
719     ret i32 0
720   }
722 .. _coroutine intrinsics:
724 Coroutine Structure Intrinsics
725 ------------------------------
726 Intrinsics described in this section are used within a coroutine to describe
727 the coroutine structure. They should not be used outside of a coroutine.
729 .. _coro.size:
731 'llvm.coro.size' Intrinsic
732 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
735     declare i32 @llvm.coro.size.i32()
736     declare i64 @llvm.coro.size.i64()
738 Overview:
739 """""""""
741 The '``llvm.coro.size``' intrinsic returns the number of bytes
742 required to store a `coroutine frame`_.
744 Arguments:
745 """"""""""
747 None
749 Semantics:
750 """"""""""
752 The `coro.size` intrinsic is lowered to a constant representing the size of
753 the coroutine frame. 
755 .. _coro.begin:
757 'llvm.coro.begin' Intrinsic
758 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
761   declare i8* @llvm.coro.begin(token <id>, i8* <mem>)
763 Overview:
764 """""""""
766 The '``llvm.coro.begin``' intrinsic returns an address of the coroutine frame.
768 Arguments:
769 """"""""""
771 The first argument is a token returned by a call to '``llvm.coro.id``' 
772 identifying the coroutine.
774 The second argument is a pointer to a block of memory where coroutine frame
775 will be stored if it is allocated dynamically.
777 Semantics:
778 """"""""""
780 Depending on the alignment requirements of the objects in the coroutine frame
781 and/or on the codegen compactness reasons the pointer returned from `coro.begin` 
782 may be at offset to the `%mem` argument. (This could be beneficial if 
783 instructions that express relative access to data can be more compactly encoded 
784 with small positive and negative offsets).
786 A frontend should emit exactly one `coro.begin` intrinsic per coroutine.
788 .. _coro.free:
790 'llvm.coro.free' Intrinsic
791 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
794   declare i8* @llvm.coro.free(token %id, i8* <frame>)
796 Overview:
797 """""""""
799 The '``llvm.coro.free``' intrinsic returns a pointer to a block of memory where 
800 coroutine frame is stored or `null` if this instance of a coroutine did not use
801 dynamically allocated memory for its coroutine frame.
803 Arguments:
804 """"""""""
806 The first argument is a token returned by a call to '``llvm.coro.id``' 
807 identifying the coroutine.
809 The second argument is a pointer to the coroutine frame. This should be the same
810 pointer that was returned by prior `coro.begin` call.
812 Example (custom deallocation function):
813 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""
815 .. code-block:: llvm
817   cleanup:
818     %mem = call i8* @llvm.coro.free(token %id, i8* %frame)
819     %mem_not_null = icmp ne i8* %mem, null
820     br i1 %mem_not_null, label %if.then, label %if.end
821   if.then:
822     call void @CustomFree(i8* %mem)
823     br label %if.end
824   if.end:
825     ret void
827 Example (standard deallocation functions):
828 """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
830 .. code-block:: llvm
832   cleanup:
833     %mem = call i8* @llvm.coro.free(token %id, i8* %frame)
834     call void @free(i8* %mem)
835     ret void
837 .. _coro.alloc:
839 'llvm.coro.alloc' Intrinsic
840 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
843   declare i1 @llvm.coro.alloc(token <id>)
845 Overview:
846 """""""""
848 The '``llvm.coro.alloc``' intrinsic returns `true` if dynamic allocation is
849 required to obtain a memory for the coroutine frame and `false` otherwise.
851 Arguments:
852 """"""""""
854 The first argument is a token returned by a call to '``llvm.coro.id``' 
855 identifying the coroutine.
857 Semantics:
858 """"""""""
860 A frontend should emit at most one `coro.alloc` intrinsic per coroutine.
861 The intrinsic is used to suppress dynamic allocation of the coroutine frame
862 when possible.
864 Example:
865 """"""""
867 .. code-block:: llvm
869   entry:
870     %id = call token @llvm.coro.id(i32 0, i8* null, i8* null, i8* null)
871     %dyn.alloc.required = call i1 @llvm.coro.alloc(token %id)
872     br i1 %dyn.alloc.required, label %coro.alloc, label %coro.begin
874   coro.alloc:
875     %frame.size = call i32 @llvm.coro.size()
876     %alloc = call i8* @MyAlloc(i32 %frame.size)
877     br label %coro.begin
879   coro.begin:
880     %phi = phi i8* [ null, %entry ], [ %alloc, %coro.alloc ]
881     %frame = call i8* @llvm.coro.begin(token %id, i8* %phi)
883 .. _coro.noop:
885 'llvm.coro.noop' Intrinsic
886 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
889   declare i8* @llvm.coro.noop()
891 Overview:
892 """""""""
894 The '``llvm.coro.noop``' intrinsic returns an address of the coroutine frame of
895 a coroutine that does nothing when resumed or destroyed.
897 Arguments:
898 """"""""""
900 None
902 Semantics:
903 """"""""""
905 This intrinsic is lowered to refer to a private constant coroutine frame. The
906 resume and destroy handlers for this frame are empty functions that do nothing.
907 Note that in different translation units llvm.coro.noop may return different pointers.
909 .. _coro.frame:
911 'llvm.coro.frame' Intrinsic
912 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
915   declare i8* @llvm.coro.frame()
917 Overview:
918 """""""""
920 The '``llvm.coro.frame``' intrinsic returns an address of the coroutine frame of
921 the enclosing coroutine.
923 Arguments:
924 """"""""""
926 None
928 Semantics:
929 """"""""""
931 This intrinsic is lowered to refer to the `coro.begin`_ instruction. This is
932 a frontend convenience intrinsic that makes it easier to refer to the
933 coroutine frame.
935 .. _coro.id:
937 'llvm.coro.id' Intrinsic
938 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
941   declare token @llvm.coro.id(i32 <align>, i8* <promise>, i8* <coroaddr>, 
942                                                           i8* <fnaddrs>)
944 Overview:
945 """""""""
947 The '``llvm.coro.id``' intrinsic returns a token identifying a coroutine.
949 Arguments:
950 """"""""""
952 The first argument provides information on the alignment of the memory returned 
953 by the allocation function and given to `coro.begin` by the first argument. If 
954 this argument is 0, the memory is assumed to be aligned to 2 * sizeof(i8*).
955 This argument only accepts constants.
957 The second argument, if not `null`, designates a particular alloca instruction
958 to be a `coroutine promise`_.
960 The third argument is `null` coming out of the frontend. The CoroEarly pass sets
961 this argument to point to the function this coro.id belongs to. 
963 The fourth argument is `null` before coroutine is split, and later is replaced 
964 to point to a private global constant array containing function pointers to 
965 outlined resume and destroy parts of the coroutine.
968 Semantics:
969 """"""""""
971 The purpose of this intrinsic is to tie together `coro.id`, `coro.alloc` and
972 `coro.begin` belonging to the same coroutine to prevent optimization passes from
973 duplicating any of these instructions unless entire body of the coroutine is
974 duplicated.
976 A frontend should emit exactly one `coro.id` intrinsic per coroutine.
978 .. _coro.end:
980 'llvm.coro.end' Intrinsic
981 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
984   declare i1 @llvm.coro.end(i8* <handle>, i1 <unwind>)
986 Overview:
987 """""""""
989 The '``llvm.coro.end``' marks the point where execution of the resume part of 
990 the coroutine should end and control should return to the caller.
993 Arguments:
994 """"""""""
996 The first argument should refer to the coroutine handle of the enclosing
997 coroutine. A frontend is allowed to supply null as the first parameter, in this
998 case `coro-early` pass will replace the null with an appropriate coroutine 
999 handle value.
1001 The second argument should be `true` if this coro.end is in the block that is 
1002 part of the unwind sequence leaving the coroutine body due to an exception and 
1003 `false` otherwise.
1005 Semantics:
1006 """"""""""
1007 The purpose of this intrinsic is to allow frontends to mark the cleanup and
1008 other code that is only relevant during the initial invocation of the coroutine
1009 and should not be present in resume and destroy parts. 
1011 This intrinsic is lowered when a coroutine is split into
1012 the start, resume and destroy parts. In the start part, it is a no-op,
1013 in resume and destroy parts, it is replaced with `ret void` instruction and
1014 the rest of the block containing `coro.end` instruction is discarded.
1015 In landing pads it is replaced with an appropriate instruction to unwind to 
1016 caller. The handling of coro.end differs depending on whether the target is 
1017 using landingpad or WinEH exception model.
1019 For landingpad based exception model, it is expected that frontend uses the 
1020 `coro.end`_ intrinsic as follows:
1022 .. code-block:: llvm
1024     ehcleanup:
1025       %InResumePart = call i1 @llvm.coro.end(i8* null, i1 true)
1026       br i1 %InResumePart, label %eh.resume, label %cleanup.cont
1028     cleanup.cont:
1029       ; rest of the cleanup
1031     eh.resume:
1032       %exn = load i8*, i8** %exn.slot, align 8
1033       %sel = load i32, i32* %ehselector.slot, align 4
1034       %lpad.val = insertvalue { i8*, i32 } undef, i8* %exn, 0
1035       %lpad.val29 = insertvalue { i8*, i32 } %lpad.val, i32 %sel, 1
1036       resume { i8*, i32 } %lpad.val29
1038 The `CoroSpit` pass replaces `coro.end` with ``True`` in the resume functions,
1039 thus leading to immediate unwind to the caller, whereas in start function it
1040 is replaced with ``False``, thus allowing to proceed to the rest of the cleanup
1041 code that is only needed during initial invocation of the coroutine.
1043 For Windows Exception handling model, a frontend should attach a funclet bundle
1044 referring to an enclosing cleanuppad as follows:
1046 .. code-block:: llvm
1048     ehcleanup: 
1049       %tok = cleanuppad within none []
1050       %unused = call i1 @llvm.coro.end(i8* null, i1 true) [ "funclet"(token %tok) ]
1051       cleanupret from %tok unwind label %RestOfTheCleanup
1053 The `CoroSplit` pass, if the funclet bundle is present, will insert 
1054 ``cleanupret from %tok unwind to caller`` before
1055 the `coro.end`_ intrinsic and will remove the rest of the block.
1057 The following table summarizes the handling of `coro.end`_ intrinsic.
1059 +--------------------------+-------------------+-------------------------------+
1060 |                          | In Start Function | In Resume/Destroy Functions   |
1061 +--------------------------+-------------------+-------------------------------+
1062 |unwind=false              | nothing           |``ret void``                   |
1063 +------------+-------------+-------------------+-------------------------------+
1064 |            | WinEH       | nothing           |``cleanupret unwind to caller``|
1065 |unwind=true +-------------+-------------------+-------------------------------+
1066 |            | Landingpad  | nothing           | nothing                       |
1067 +------------+-------------+-------------------+-------------------------------+
1069 .. _coro.suspend:
1070 .. _suspend points:
1072 'llvm.coro.suspend' Intrinsic
1073 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1076   declare i8 @llvm.coro.suspend(token <save>, i1 <final>)
1078 Overview:
1079 """""""""
1081 The '``llvm.coro.suspend``' marks the point where execution of the coroutine 
1082 need to get suspended and control returned back to the caller.
1083 Conditional branches consuming the result of this intrinsic lead to basic blocks
1084 where coroutine should proceed when suspended (-1), resumed (0) or destroyed 
1085 (1).
1087 Arguments:
1088 """"""""""
1090 The first argument refers to a token of `coro.save` intrinsic that marks the 
1091 point when coroutine state is prepared for suspension. If `none` token is passed,
1092 the intrinsic behaves as if there were a `coro.save` immediately preceding
1093 the `coro.suspend` intrinsic.
1095 The second argument indicates whether this suspension point is `final`_.
1096 The second argument only accepts constants. If more than one suspend point is
1097 designated as final, the resume and destroy branches should lead to the same
1098 basic blocks.
1100 Example (normal suspend point):
1101 """""""""""""""""""""""""""""""
1103 .. code-block:: llvm
1105     %0 = call i8 @llvm.coro.suspend(token none, i1 false)
1106     switch i8 %0, label %suspend [i8 0, label %resume
1107                                   i8 1, label %cleanup]
1109 Example (final suspend point):
1110 """"""""""""""""""""""""""""""
1112 .. code-block:: llvm
1114   while.end:
1115     %s.final = call i8 @llvm.coro.suspend(token none, i1 true)
1116     switch i8 %s.final, label %suspend [i8 0, label %trap
1117                                         i8 1, label %cleanup]
1118   trap: 
1119     call void @llvm.trap()
1120     unreachable
1122 Semantics:
1123 """"""""""
1125 If a coroutine that was suspended at the suspend point marked by this intrinsic
1126 is resumed via `coro.resume`_ the control will transfer to the basic block
1127 of the 0-case. If it is resumed via `coro.destroy`_, it will proceed to the
1128 basic block indicated by the 1-case. To suspend, coroutine proceed to the 
1129 default label.
1131 If suspend intrinsic is marked as final, it can consider the `true` branch
1132 unreachable and can perform optimizations that can take advantage of that fact.
1134 .. _coro.save:
1136 'llvm.coro.save' Intrinsic
1137 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1140   declare token @llvm.coro.save(i8* <handle>)
1142 Overview:
1143 """""""""
1145 The '``llvm.coro.save``' marks the point where a coroutine need to update its 
1146 state to prepare for resumption to be considered suspended (and thus eligible 
1147 for resumption). 
1149 Arguments:
1150 """"""""""
1152 The first argument points to a coroutine handle of the enclosing coroutine.
1154 Semantics:
1155 """"""""""
1157 Whatever coroutine state changes are required to enable resumption of
1158 the coroutine from the corresponding suspend point should be done at the point 
1159 of `coro.save` intrinsic.
1161 Example:
1162 """"""""
1164 Separate save and suspend points are necessary when a coroutine is used to 
1165 represent an asynchronous control flow driven by callbacks representing
1166 completions of asynchronous operations.
1168 In such a case, a coroutine should be ready for resumption prior to a call to 
1169 `async_op` function that may trigger resumption of a coroutine from the same or
1170 a different thread possibly prior to `async_op` call returning control back
1171 to the coroutine:
1173 .. code-block:: llvm
1175     %save1 = call token @llvm.coro.save(i8* %hdl)
1176     call void @async_op1(i8* %hdl)
1177     %suspend1 = call i1 @llvm.coro.suspend(token %save1, i1 false)
1178     switch i8 %suspend1, label %suspend [i8 0, label %resume1
1179                                          i8 1, label %cleanup]
1181 .. _coro.param:
1183 'llvm.coro.param' Intrinsic
1184 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1187   declare i1 @llvm.coro.param(i8* <original>, i8* <copy>)
1189 Overview:
1190 """""""""
1192 The '``llvm.coro.param``' is used by a frontend to mark up the code used to
1193 construct and destruct copies of the parameters. If the optimizer discovers that
1194 a particular parameter copy is not used after any suspends, it can remove the
1195 construction and destruction of the copy by replacing corresponding coro.param
1196 with `i1 false` and replacing any use of the `copy` with the `original`.
1198 Arguments:
1199 """"""""""
1201 The first argument points to an `alloca` storing the value of a parameter to a 
1202 coroutine. 
1204 The second argument points to an `alloca` storing the value of the copy of that
1205 parameter.
1207 Semantics:
1208 """"""""""
1210 The optimizer is free to always replace this intrinsic with `i1 true`.
1212 The optimizer is also allowed to replace it with `i1 false` provided that the 
1213 parameter copy is only used prior to control flow reaching any of the suspend
1214 points. The code that would be DCE'd if the `coro.param` is replaced with 
1215 `i1 false` is not considered to be a use of the parameter copy.
1217 The frontend can emit this intrinsic if its language rules allow for this 
1218 optimization.
1220 Example:
1221 """"""""
1222 Consider the following example. A coroutine takes two parameters `a` and `b`
1223 that has a destructor and a move constructor.
1225 .. code-block:: c++
1227   struct A { ~A(); A(A&&); bool foo(); void bar(); };
1229   task<int> f(A a, A b) {
1230     if (a.foo())
1231       return 42;
1233     a.bar();
1234     co_await read_async(); // introduces suspend point
1235     b.bar();
1236   }
1238 Note that, uses of `b` is used after a suspend point and thus must be copied
1239 into a coroutine frame, whereas `a` does not have to, since it never used 
1240 after suspend.
1242 A frontend can create parameter copies for `a` and `b` as follows:
1244 .. code-block:: text
1246   task<int> f(A a', A b') {
1247     a = alloca A;
1248     b = alloca A;
1249     // move parameters to its copies
1250     if (coro.param(a', a)) A::A(a, A&& a');
1251     if (coro.param(b', b)) A::A(b, A&& b');
1252     ...
1253     // destroy parameters copies
1254     if (coro.param(a', a)) A::~A(a);
1255     if (coro.param(b', b)) A::~A(b);
1256   }
1258 The optimizer can replace coro.param(a',a) with `i1 false` and replace all uses
1259 of `a` with `a'`, since it is not used after suspend.
1261 The optimizer must replace coro.param(b', b) with `i1 true`, since `b` is used
1262 after suspend and therefore, it has to reside in the coroutine frame.
1264 Coroutine Transformation Passes
1265 ===============================
1266 CoroEarly
1267 ---------
1268 The pass CoroEarly lowers coroutine intrinsics that hide the details of the
1269 structure of the coroutine frame, but, otherwise not needed to be preserved to
1270 help later coroutine passes. This pass lowers `coro.frame`_, `coro.done`_, 
1271 and `coro.promise`_ intrinsics.
1273 .. _CoroSplit:
1275 CoroSplit
1276 ---------
1277 The pass CoroSplit buides coroutine frame and outlines resume and destroy parts 
1278 into separate functions.
1280 CoroElide
1281 ---------
1282 The pass CoroElide examines if the inlined coroutine is eligible for heap 
1283 allocation elision optimization. If so, it replaces 
1284 `coro.begin` intrinsic with an address of a coroutine frame placed on its caller
1285 and replaces `coro.alloc` and `coro.free` intrinsics with `false` and `null`
1286 respectively to remove the deallocation code. 
1287 This pass also replaces `coro.resume` and `coro.destroy` intrinsics with direct 
1288 calls to resume and destroy functions for a particular coroutine where possible.
1290 CoroCleanup
1291 -----------
1292 This pass runs late to lower all coroutine related intrinsics not replaced by
1293 earlier passes.
1295 Areas Requiring Attention
1296 =========================
1297 #. A coroutine frame is bigger than it could be. Adding stack packing and stack 
1298    coloring like optimization on the coroutine frame will result in tighter
1299    coroutine frames.
1301 #. Take advantage of the lifetime intrinsics for the data that goes into the
1302    coroutine frame. Leave lifetime intrinsics as is for the data that stays in
1303    allocas.
1305 #. The CoroElide optimization pass relies on coroutine ramp function to be
1306    inlined. It would be beneficial to split the ramp function further to 
1307    increase the chance that it will get inlined into its caller.
1309 #. Design a convention that would make it possible to apply coroutine heap
1310    elision optimization across ABI boundaries.
1312 #. Cannot handle coroutines with `inalloca` parameters (used in x86 on Windows).
1314 #. Alignment is ignored by coro.begin and coro.free intrinsics.
1316 #. Make required changes to make sure that coroutine optimizations work with
1317    LTO.
1319 #. More tests, more tests, more tests