Appease compilers that have the -Wcovered-switch-default switch.
[llvm-core.git] / docs / SourceLevelDebugging.rst
blobee4c5ce8bce069e794c85ca818d69eae9a3381d2
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 Debugging optimized code
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 provide debug information at various points in generated code.
176 ``llvm.dbg.declare``
177 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
179 .. code-block:: llvm
181   void @llvm.dbg.declare(metadata, metadata, metadata)
183 This intrinsic provides information about a local element (e.g., variable).  The
184 first argument is metadata holding the alloca for the variable.  The second
185 argument is a `local variable <LangRef.html#dilocalvariable>`_ containing a
186 description of the variable.  The third argument is a `complex expression
187 <LangRef.html#diexpression>`_.  An `llvm.dbg.declare` instrinsic describes the
188 *location* of a source variable.
190 .. code-block:: llvm
192     %i.addr = alloca i32, align 4
193     call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %i.addr, metadata !1, metadata !2), !dbg !3
194     !1 = !DILocalVariable(name: "i", ...) ; int i
195     !2 = !DIExpression()
196     !3 = !DILocation(...)
197     ...
198     %buffer = alloca [256 x i8], align 8
199     ; The address of i is buffer+64.
200     call void @llvm.dbg.declare(metadata [256 x i8]* %buffer, metadata !1, metadata !2)
201     !1 = !DILocalVariable(name: "i", ...) ; int i
202     !2 = !DIExpression(DW_OP_plus, 64)
205 ``llvm.dbg.value``
206 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
208 .. code-block:: llvm
210   void @llvm.dbg.value(metadata, metadata, metadata)
212 This intrinsic provides information when a user source variable is set to a new
213 value.  The first argument is the new value (wrapped as metadata).  The third
214 argument is a `local variable <LangRef.html#dilocalvariable>`_ containing a
215 description of the variable.  The fourth argument is a `complex expression
216 <LangRef.html#diexpression>`_.
218 Object lifetimes and scoping
219 ============================
221 In many languages, the local variables in functions can have their lifetimes or
222 scopes limited to a subset of a function.  In the C family of languages, for
223 example, variables are only live (readable and writable) within the source
224 block that they are defined in.  In functional languages, values are only
225 readable after they have been defined.  Though this is a very obvious concept,
226 it is non-trivial to model in LLVM, because it has no notion of scoping in this
227 sense, and does not want to be tied to a language's scoping rules.
229 In order to handle this, the LLVM debug format uses the metadata attached to
230 llvm instructions to encode line number and scoping information.  Consider the
231 following C fragment, for example:
233 .. code-block:: c
235   1.  void foo() {
236   2.    int X = 21;
237   3.    int Y = 22;
238   4.    {
239   5.      int Z = 23;
240   6.      Z = X;
241   7.    }
242   8.    X = Y;
243   9.  }
245 Compiled to LLVM, this function would be represented like this:
247 .. code-block:: text
249   ; Function Attrs: nounwind ssp uwtable
250   define void @foo() #0 !dbg !4 {
251   entry:
252     %X = alloca i32, align 4
253     %Y = alloca i32, align 4
254     %Z = alloca i32, align 4
255     call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %X, metadata !11, metadata !13), !dbg !14
256     store i32 21, i32* %X, align 4, !dbg !14
257     call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %Y, metadata !15, metadata !13), !dbg !16
258     store i32 22, i32* %Y, align 4, !dbg !16
259     call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %Z, metadata !17, metadata !13), !dbg !19
260     store i32 23, i32* %Z, align 4, !dbg !19
261     %0 = load i32, i32* %X, align 4, !dbg !20
262     store i32 %0, i32* %Z, align 4, !dbg !21
263     %1 = load i32, i32* %Y, align 4, !dbg !22
264     store i32 %1, i32* %X, align 4, !dbg !23
265     ret void, !dbg !24
266   }
268   ; Function Attrs: nounwind readnone
269   declare void @llvm.dbg.declare(metadata, metadata, metadata) #1
271   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" }
272   attributes #1 = { nounwind readnone }
274   !llvm.dbg.cu = !{!0}
275   !llvm.module.flags = !{!7, !8, !9}
276   !llvm.ident = !{!10}
278   !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)
279   !1 = !DIFile(filename: "/dev/stdin", directory: "/Users/dexonsmith/data/llvm/debug-info")
280   !2 = !{}
281   !3 = !{!4}
282   !4 = distinct !DISubprogram(name: "foo", scope: !1, file: !1, line: 1, type: !5, isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1, isOptimized: false, variables: !2)
283   !5 = !DISubroutineType(types: !6)
284   !6 = !{null}
285   !7 = !{i32 2, !"Dwarf Version", i32 2}
286   !8 = !{i32 2, !"Debug Info Version", i32 3}
287   !9 = !{i32 1, !"PIC Level", i32 2}
288   !10 = !{!"clang version 3.7.0 (trunk 231150) (llvm/trunk 231154)"}
289   !11 = !DILocalVariable(name: "X", scope: !4, file: !1, line: 2, type: !12)
290   !12 = !DIBasicType(name: "int", size: 32, align: 32, encoding: DW_ATE_signed)
291   !13 = !DIExpression()
292   !14 = !DILocation(line: 2, column: 9, scope: !4)
293   !15 = !DILocalVariable(name: "Y", scope: !4, file: !1, line: 3, type: !12)
294   !16 = !DILocation(line: 3, column: 9, scope: !4)
295   !17 = !DILocalVariable(name: "Z", scope: !18, file: !1, line: 5, type: !12)
296   !18 = distinct !DILexicalBlock(scope: !4, file: !1, line: 4, column: 5)
297   !19 = !DILocation(line: 5, column: 11, scope: !18)
298   !20 = !DILocation(line: 6, column: 11, scope: !18)
299   !21 = !DILocation(line: 6, column: 9, scope: !18)
300   !22 = !DILocation(line: 8, column: 9, scope: !4)
301   !23 = !DILocation(line: 8, column: 7, scope: !4)
302   !24 = !DILocation(line: 9, column: 3, scope: !4)
305 This example illustrates a few important details about LLVM debugging
306 information.  In particular, it shows how the ``llvm.dbg.declare`` intrinsic and
307 location information, which are attached to an instruction, are applied
308 together to allow a debugger to analyze the relationship between statements,
309 variable definitions, and the code used to implement the function.
311 .. code-block:: llvm
313   call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %X, metadata !11, metadata !13), !dbg !14
314     ; [debug line = 2:7] [debug variable = X]
316 The first intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for the
317 variable ``X``.  The metadata ``!dbg !14`` attached to the intrinsic provides
318 scope information for the variable ``X``.
320 .. code-block:: text
322   !14 = !DILocation(line: 2, column: 9, scope: !4)
323   !4 = distinct !DISubprogram(name: "foo", scope: !1, file: !1, line: 1, type: !5,
324                               isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1,
325                               isOptimized: false, variables: !2)
327 Here ``!14`` is metadata providing `location information
328 <LangRef.html#dilocation>`_.  In this example, scope is encoded by ``!4``, a
329 `subprogram descriptor <LangRef.html#disubprogram>`_.  This way the location
330 information attached to the intrinsics indicates that the variable ``X`` is
331 declared at line number 2 at a function level scope in function ``foo``.
333 Now lets take another example.
335 .. code-block:: llvm
337   call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %Z, metadata !17, metadata !13), !dbg !19
338     ; [debug line = 5:9] [debug variable = Z]
340 The third intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for
341 variable ``Z``.  The metadata ``!dbg !19`` attached to the intrinsic provides
342 scope information for the variable ``Z``.
344 .. code-block:: text
346   !18 = distinct !DILexicalBlock(scope: !4, file: !1, line: 4, column: 5)
347   !19 = !DILocation(line: 5, column: 11, scope: !18)
349 Here ``!19`` indicates that ``Z`` is declared at line number 5 and column
350 number 0 inside of lexical scope ``!18``.  The lexical scope itself resides
351 inside of subprogram ``!4`` described above.
353 The scope information attached with each instruction provides a straightforward
354 way to find instructions covered by a scope.
356 .. _ccxx_frontend:
358 C/C++ front-end specific debug information
359 ==========================================
361 The C and C++ front-ends represent information about the program in a format
362 that is effectively identical to `DWARF 3.0
363 <http://www.eagercon.com/dwarf/dwarf3std.htm>`_ in terms of information
364 content.  This allows code generators to trivially support native debuggers by
365 generating standard dwarf information, and contains enough information for
366 non-dwarf targets to translate it as needed.
368 This section describes the forms used to represent C and C++ programs.  Other
369 languages could pattern themselves after this (which itself is tuned to
370 representing programs in the same way that DWARF 3 does), or they could choose
371 to provide completely different forms if they don't fit into the DWARF model.
372 As support for debugging information gets added to the various LLVM
373 source-language front-ends, the information used should be documented here.
375 The following sections provide examples of a few C/C++ constructs and the debug
376 information that would best describe those constructs.  The canonical
377 references are the ``DIDescriptor`` classes defined in
378 ``include/llvm/IR/DebugInfo.h`` and the implementations of the helper functions
379 in ``lib/IR/DIBuilder.cpp``.
381 C/C++ source file information
382 -----------------------------
384 ``llvm::Instruction`` provides easy access to metadata attached with an
385 instruction.  One can extract line number information encoded in LLVM IR using
386 ``Instruction::getDebugLoc()`` and ``DILocation::getLine()``.
388 .. code-block:: c++
390   if (DILocation *Loc = I->getDebugLoc()) { // Here I is an LLVM instruction
391     unsigned Line = Loc->getLine();
392     StringRef File = Loc->getFilename();
393     StringRef Dir = Loc->getDirectory();
394   }
396 C/C++ global variable information
397 ---------------------------------
399 Given an integer global variable declared as follows:
401 .. code-block:: c
403   _Alignas(8) int MyGlobal = 100;
405 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
407 .. code-block:: text
409   ;;
410   ;; Define the global itself.
411   ;;
412   @MyGlobal = global i32 100, align 8, !dbg !0
414   ;;
415   ;; List of debug info of globals
416   ;;
417   !llvm.dbg.cu = !{!1}
419   ;; Some unrelated metadata.
420   !llvm.module.flags = !{!6, !7}
421   !llvm.ident = !{!8}
423   ;; Define the global variable itself
424   !0 = distinct !DIGlobalVariable(name: "MyGlobal", scope: !1, file: !2, line: 1, type: !5, isLocal: false, isDefinition: true, align: 64)
426   ;; Define the compile unit.
427   !1 = distinct !DICompileUnit(language: DW_LANG_C99, file: !2,
428                                producer: "clang version 4.0.0 (http://llvm.org/git/clang.git ae4deadbea242e8ea517eef662c30443f75bd086) (http://llvm.org/git/llvm.git 818b4c1539df3e51dc7e62c89ead4abfd348827d)",
429                                isOptimized: false, runtimeVersion: 0, emissionKind: FullDebug,
430                                enums: !3, globals: !4)
432   ;;
433   ;; Define the file
434   ;;
435   !2 = !DIFile(filename: "/dev/stdin",
436                directory: "/Users/dexonsmith/data/llvm/debug-info")
438   ;; An empty array.
439   !3 = !{}
441   ;; The Array of Global Variables
442   !4 = !{!0}
444   ;;
445   ;; Define the type
446   ;;
447   !5 = !DIBasicType(name: "int", size: 32, encoding: DW_ATE_signed)
449   ;; Dwarf version to output.
450   !6 = !{i32 2, !"Dwarf Version", i32 4}
452   ;; Debug info schema version.
453   !7 = !{i32 2, !"Debug Info Version", i32 3}
455   ;; Compiler identification
456   !8 = !{!"clang version 4.0.0 (http://llvm.org/git/clang.git ae4deadbea242e8ea517eef662c30443f75bd086) (http://llvm.org/git/llvm.git 818b4c1539df3e51dc7e62c89ead4abfd348827d)"}
459 The align value in DIGlobalVariable description specifies variable alignment in
460 case it was forced by C11 _Alignas(), C++11 alignas() keywords or compiler
461 attribute __attribute__((aligned ())). In other case (when this field is missing)
462 alignment is considered default. This is used when producing DWARF output
463 for DW_AT_alignment value.
465 C/C++ function information
466 --------------------------
468 Given a function declared as follows:
470 .. code-block:: c
472   int main(int argc, char *argv[]) {
473     return 0;
474   }
476 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
478 .. code-block:: text
480   ;;
481   ;; Define the anchor for subprograms.
482   ;;
483   !4 = !DISubprogram(name: "main", scope: !1, file: !1, line: 1, type: !5,
484                      isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1,
485                      flags: DIFlagPrototyped, isOptimized: false,
486                      variables: !2)
488   ;;
489   ;; Define the subprogram itself.
490   ;;
491   define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) !dbg !4 {
492   ...
493   }
495 Debugging information format
496 ============================
498 Debugging Information Extension for Objective C Properties
499 ----------------------------------------------------------
501 Introduction
502 ^^^^^^^^^^^^
504 Objective C provides a simpler way to declare and define accessor methods using
505 declared properties.  The language provides features to declare a property and
506 to let compiler synthesize accessor methods.
508 The debugger lets developer inspect Objective C interfaces and their instance
509 variables and class variables.  However, the debugger does not know anything
510 about the properties defined in Objective C interfaces.  The debugger consumes
511 information generated by compiler in DWARF format.  The format does not support
512 encoding of Objective C properties.  This proposal describes DWARF extensions to
513 encode Objective C properties, which the debugger can use to let developers
514 inspect Objective C properties.
516 Proposal
517 ^^^^^^^^
519 Objective C properties exist separately from class members.  A property can be
520 defined only by "setter" and "getter" selectors, and be calculated anew on each
521 access.  Or a property can just be a direct access to some declared ivar.
522 Finally it can have an ivar "automatically synthesized" for it by the compiler,
523 in which case the property can be referred to in user code directly using the
524 standard C dereference syntax as well as through the property "dot" syntax, but
525 there is no entry in the ``@interface`` declaration corresponding to this ivar.
527 To facilitate debugging, these properties we will add a new DWARF TAG into the
528 ``DW_TAG_structure_type`` definition for the class to hold the description of a
529 given property, and a set of DWARF attributes that provide said description.
530 The property tag will also contain the name and declared type of the property.
532 If there is a related ivar, there will also be a DWARF property attribute placed
533 in the ``DW_TAG_member`` DIE for that ivar referring back to the property TAG
534 for that property.  And in the case where the compiler synthesizes the ivar
535 directly, the compiler is expected to generate a ``DW_TAG_member`` for that
536 ivar (with the ``DW_AT_artificial`` set to 1), whose name will be the name used
537 to access this ivar directly in code, and with the property attribute pointing
538 back to the property it is backing.
540 The following examples will serve as illustration for our discussion:
542 .. code-block:: objc
544   @interface I1 {
545     int n2;
546   }
548   @property int p1;
549   @property int p2;
550   @end
552   @implementation I1
553   @synthesize p1;
554   @synthesize p2 = n2;
555   @end
557 This produces the following DWARF (this is a "pseudo dwarfdump" output):
559 .. code-block:: none
561   0x00000100:  TAG_structure_type [7] *
562                  AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
563                  AT_name( "I1" )
564                  AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
565                  AT_decl_line( 3 )
567   0x00000110    TAG_APPLE_property
568                   AT_name ( "p1" )
569                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
571   0x00000120:   TAG_APPLE_property
572                   AT_name ( "p2" )
573                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
575   0x00000130:   TAG_member [8]
576                   AT_name( "_p1" )
577                   AT_APPLE_property ( {0x00000110} "p1" )
578                   AT_type( {0x00000150} ( int ) )
579                   AT_artificial ( 0x1 )
581   0x00000140:    TAG_member [8]
582                    AT_name( "n2" )
583                    AT_APPLE_property ( {0x00000120} "p2" )
584                    AT_type( {0x00000150} ( int ) )
586   0x00000150:  AT_type( ( int ) )
588 Note, the current convention is that the name of the ivar for an
589 auto-synthesized property is the name of the property from which it derives
590 with an underscore prepended, as is shown in the example.  But we actually
591 don't need to know this convention, since we are given the name of the ivar
592 directly.
594 Also, it is common practice in ObjC to have different property declarations in
595 the @interface and @implementation - e.g. to provide a read-only property in
596 the interface,and a read-write interface in the implementation.  In that case,
597 the compiler should emit whichever property declaration will be in force in the
598 current translation unit.
600 Developers can decorate a property with attributes which are encoded using
601 ``DW_AT_APPLE_property_attribute``.
603 .. code-block:: objc
605   @property (readonly, nonatomic) int pr;
607 .. code-block:: none
609   TAG_APPLE_property [8]
610     AT_name( "pr" )
611     AT_type ( {0x00000147} (int) )
612     AT_APPLE_property_attribute (DW_APPLE_PROPERTY_readonly, DW_APPLE_PROPERTY_nonatomic)
614 The setter and getter method names are attached to the property using
615 ``DW_AT_APPLE_property_setter`` and ``DW_AT_APPLE_property_getter`` attributes.
617 .. code-block:: objc
619   @interface I1
620   @property (setter=myOwnP3Setter:) int p3;
621   -(void)myOwnP3Setter:(int)a;
622   @end
624   @implementation I1
625   @synthesize p3;
626   -(void)myOwnP3Setter:(int)a{ }
627   @end
629 The DWARF for this would be:
631 .. code-block:: none
633   0x000003bd: TAG_structure_type [7] *
634                 AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
635                 AT_name( "I1" )
636                 AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
637                 AT_decl_line( 3 )
639   0x000003cd      TAG_APPLE_property
640                     AT_name ( "p3" )
641                     AT_APPLE_property_setter ( "myOwnP3Setter:" )
642                     AT_type( {0x00000147} ( int ) )
644   0x000003f3:     TAG_member [8]
645                     AT_name( "_p3" )
646                     AT_type ( {0x00000147} ( int ) )
647                     AT_APPLE_property ( {0x000003cd} )
648                     AT_artificial ( 0x1 )
650 New DWARF Tags
651 ^^^^^^^^^^^^^^
653 +-----------------------+--------+
654 | TAG                   | Value  |
655 +=======================+========+
656 | DW_TAG_APPLE_property | 0x4200 |
657 +-----------------------+--------+
659 New DWARF Attributes
660 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
662 +--------------------------------+--------+-----------+
663 | Attribute                      | Value  | Classes   |
664 +================================+========+===========+
665 | DW_AT_APPLE_property           | 0x3fed | Reference |
666 +--------------------------------+--------+-----------+
667 | DW_AT_APPLE_property_getter    | 0x3fe9 | String    |
668 +--------------------------------+--------+-----------+
669 | DW_AT_APPLE_property_setter    | 0x3fea | String    |
670 +--------------------------------+--------+-----------+
671 | DW_AT_APPLE_property_attribute | 0x3feb | Constant  |
672 +--------------------------------+--------+-----------+
674 New DWARF Constants
675 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
677 +--------------------------------------+-------+
678 | Name                                 | Value |
679 +======================================+=======+
680 | DW_APPLE_PROPERTY_readonly           | 0x01  |
681 +--------------------------------------+-------+
682 | DW_APPLE_PROPERTY_getter             | 0x02  |
683 +--------------------------------------+-------+
684 | DW_APPLE_PROPERTY_assign             | 0x04  |
685 +--------------------------------------+-------+
686 | DW_APPLE_PROPERTY_readwrite          | 0x08  |
687 +--------------------------------------+-------+
688 | DW_APPLE_PROPERTY_retain             | 0x10  |
689 +--------------------------------------+-------+
690 | DW_APPLE_PROPERTY_copy               | 0x20  |
691 +--------------------------------------+-------+
692 | DW_APPLE_PROPERTY_nonatomic          | 0x40  |
693 +--------------------------------------+-------+
694 | DW_APPLE_PROPERTY_setter             | 0x80  |
695 +--------------------------------------+-------+
696 | DW_APPLE_PROPERTY_atomic             | 0x100 |
697 +--------------------------------------+-------+
698 | DW_APPLE_PROPERTY_weak               | 0x200 |
699 +--------------------------------------+-------+
700 | DW_APPLE_PROPERTY_strong             | 0x400 |
701 +--------------------------------------+-------+
702 | DW_APPLE_PROPERTY_unsafe_unretained  | 0x800 |
703 +--------------------------------------+-------+
704 | DW_APPLE_PROPERTY_nullability        | 0x1000|
705 +--------------------------------------+-------+
706 | DW_APPLE_PROPERTY_null_resettable    | 0x2000|
707 +--------------------------------------+-------+
708 | DW_APPLE_PROPERTY_class              | 0x4000|
709 +--------------------------------------+-------+
711 Name Accelerator Tables
712 -----------------------
714 Introduction
715 ^^^^^^^^^^^^
717 The "``.debug_pubnames``" and "``.debug_pubtypes``" formats are not what a
718 debugger needs.  The "``pub``" in the section name indicates that the entries
719 in the table are publicly visible names only.  This means no static or hidden
720 functions show up in the "``.debug_pubnames``".  No static variables or private
721 class variables are in the "``.debug_pubtypes``".  Many compilers add different
722 things to these tables, so we can't rely upon the contents between gcc, icc, or
723 clang.
725 The typical query given by users tends not to match up with the contents of
726 these tables.  For example, the DWARF spec states that "In the case of the name
727 of a function member or static data member of a C++ structure, class or union,
728 the name presented in the "``.debug_pubnames``" section is not the simple name
729 given by the ``DW_AT_name attribute`` of the referenced debugging information
730 entry, but rather the fully qualified name of the data or function member."
731 So the only names in these tables for complex C++ entries is a fully
732 qualified name.  Debugger users tend not to enter their search strings as
733 "``a::b::c(int,const Foo&) const``", but rather as "``c``", "``b::c``" , or
734 "``a::b::c``".  So the name entered in the name table must be demangled in
735 order to chop it up appropriately and additional names must be manually entered
736 into the table to make it effective as a name lookup table for debuggers to
737 use.
739 All debuggers currently ignore the "``.debug_pubnames``" table as a result of
740 its inconsistent and useless public-only name content making it a waste of
741 space in the object file.  These tables, when they are written to disk, are not
742 sorted in any way, leaving every debugger to do its own parsing and sorting.
743 These tables also include an inlined copy of the string values in the table
744 itself making the tables much larger than they need to be on disk, especially
745 for large C++ programs.
747 Can't we just fix the sections by adding all of the names we need to this
748 table? No, because that is not what the tables are defined to contain and we
749 won't know the difference between the old bad tables and the new good tables.
750 At best we could make our own renamed sections that contain all of the data we
751 need.
753 These tables are also insufficient for what a debugger like LLDB needs.  LLDB
754 uses clang for its expression parsing where LLDB acts as a PCH.  LLDB is then
755 often asked to look for type "``foo``" or namespace "``bar``", or list items in
756 namespace "``baz``".  Namespaces are not included in the pubnames or pubtypes
757 tables.  Since clang asks a lot of questions when it is parsing an expression,
758 we need to be very fast when looking up names, as it happens a lot.  Having new
759 accelerator tables that are optimized for very quick lookups will benefit this
760 type of debugging experience greatly.
762 We would like to generate name lookup tables that can be mapped into memory
763 from disk, and used as is, with little or no up-front parsing.  We would also
764 be able to control the exact content of these different tables so they contain
765 exactly what we need.  The Name Accelerator Tables were designed to fix these
766 issues.  In order to solve these issues we need to:
768 * Have a format that can be mapped into memory from disk and used as is
769 * Lookups should be very fast
770 * Extensible table format so these tables can be made by many producers
771 * Contain all of the names needed for typical lookups out of the box
772 * Strict rules for the contents of tables
774 Table size is important and the accelerator table format should allow the reuse
775 of strings from common string tables so the strings for the names are not
776 duplicated.  We also want to make sure the table is ready to be used as-is by
777 simply mapping the table into memory with minimal header parsing.
779 The name lookups need to be fast and optimized for the kinds of lookups that
780 debuggers tend to do.  Optimally we would like to touch as few parts of the
781 mapped table as possible when doing a name lookup and be able to quickly find
782 the name entry we are looking for, or discover there are no matches.  In the
783 case of debuggers we optimized for lookups that fail most of the time.
785 Each table that is defined should have strict rules on exactly what is in the
786 accelerator tables and documented so clients can rely on the content.
788 Hash Tables
789 ^^^^^^^^^^^
791 Standard Hash Tables
792 """"""""""""""""""""
794 Typical hash tables have a header, buckets, and each bucket points to the
795 bucket contents:
797 .. code-block:: none
799   .------------.
800   |  HEADER    |
801   |------------|
802   |  BUCKETS   |
803   |------------|
804   |  DATA      |
805   `------------'
807 The BUCKETS are an array of offsets to DATA for each hash:
809 .. code-block:: none
811   .------------.
812   | 0x00001000 | BUCKETS[0]
813   | 0x00002000 | BUCKETS[1]
814   | 0x00002200 | BUCKETS[2]
815   | 0x000034f0 | BUCKETS[3]
816   |            | ...
817   | 0xXXXXXXXX | BUCKETS[n_buckets]
818   '------------'
820 So for ``bucket[3]`` in the example above, we have an offset into the table
821 0x000034f0 which points to a chain of entries for the bucket.  Each bucket must
822 contain a next pointer, full 32 bit hash value, the string itself, and the data
823 for the current string value.
825 .. code-block:: none
827               .------------.
828   0x000034f0: | 0x00003500 | next pointer
829               | 0x12345678 | 32 bit hash
830               | "erase"    | string value
831               | data[n]    | HashData for this bucket
832               |------------|
833   0x00003500: | 0x00003550 | next pointer
834               | 0x29273623 | 32 bit hash
835               | "dump"     | string value
836               | data[n]    | HashData for this bucket
837               |------------|
838   0x00003550: | 0x00000000 | next pointer
839               | 0x82638293 | 32 bit hash
840               | "main"     | string value
841               | data[n]    | HashData for this bucket
842               `------------'
844 The problem with this layout for debuggers is that we need to optimize for the
845 negative lookup case where the symbol we're searching for is not present.  So
846 if we were to lookup "``printf``" in the table above, we would make a 32-bit
847 hash for "``printf``", it might match ``bucket[3]``.  We would need to go to
848 the offset 0x000034f0 and start looking to see if our 32 bit hash matches.  To
849 do so, we need to read the next pointer, then read the hash, compare it, and
850 skip to the next bucket.  Each time we are skipping many bytes in memory and
851 touching new pages just to do the compare on the full 32 bit hash.  All of
852 these accesses then tell us that we didn't have a match.
854 Name Hash Tables
855 """"""""""""""""
857 To solve the issues mentioned above we have structured the hash tables a bit
858 differently: a header, buckets, an array of all unique 32 bit hash values,
859 followed by an array of hash value data offsets, one for each hash value, then
860 the data for all hash values:
862 .. code-block:: none
864   .-------------.
865   |  HEADER     |
866   |-------------|
867   |  BUCKETS    |
868   |-------------|
869   |  HASHES     |
870   |-------------|
871   |  OFFSETS    |
872   |-------------|
873   |  DATA       |
874   `-------------'
876 The ``BUCKETS`` in the name tables are an index into the ``HASHES`` array.  By
877 making all of the full 32 bit hash values contiguous in memory, we allow
878 ourselves to efficiently check for a match while touching as little memory as
879 possible.  Most often checking the 32 bit hash values is as far as the lookup
880 goes.  If it does match, it usually is a match with no collisions.  So for a
881 table with "``n_buckets``" buckets, and "``n_hashes``" unique 32 bit hash
882 values, we can clarify the contents of the ``BUCKETS``, ``HASHES`` and
883 ``OFFSETS`` as:
885 .. code-block:: none
887   .-------------------------.
888   |  HEADER.magic           | uint32_t
889   |  HEADER.version         | uint16_t
890   |  HEADER.hash_function   | uint16_t
891   |  HEADER.bucket_count    | uint32_t
892   |  HEADER.hashes_count    | uint32_t
893   |  HEADER.header_data_len | uint32_t
894   |  HEADER_DATA            | HeaderData
895   |-------------------------|
896   |  BUCKETS                | uint32_t[n_buckets] // 32 bit hash indexes
897   |-------------------------|
898   |  HASHES                 | uint32_t[n_hashes] // 32 bit hash values
899   |-------------------------|
900   |  OFFSETS                | uint32_t[n_hashes] // 32 bit offsets to hash value data
901   |-------------------------|
902   |  ALL HASH DATA          |
903   `-------------------------'
905 So taking the exact same data from the standard hash example above we end up
906 with:
908 .. code-block:: none
910               .------------.
911               | HEADER     |
912               |------------|
913               |          0 | BUCKETS[0]
914               |          2 | BUCKETS[1]
915               |          5 | BUCKETS[2]
916               |          6 | BUCKETS[3]
917               |            | ...
918               |        ... | BUCKETS[n_buckets]
919               |------------|
920               | 0x........ | HASHES[0]
921               | 0x........ | HASHES[1]
922               | 0x........ | HASHES[2]
923               | 0x........ | HASHES[3]
924               | 0x........ | HASHES[4]
925               | 0x........ | HASHES[5]
926               | 0x12345678 | HASHES[6]    hash for BUCKETS[3]
927               | 0x29273623 | HASHES[7]    hash for BUCKETS[3]
928               | 0x82638293 | HASHES[8]    hash for BUCKETS[3]
929               | 0x........ | HASHES[9]
930               | 0x........ | HASHES[10]
931               | 0x........ | HASHES[11]
932               | 0x........ | HASHES[12]
933               | 0x........ | HASHES[13]
934               | 0x........ | HASHES[n_hashes]
935               |------------|
936               | 0x........ | OFFSETS[0]
937               | 0x........ | OFFSETS[1]
938               | 0x........ | OFFSETS[2]
939               | 0x........ | OFFSETS[3]
940               | 0x........ | OFFSETS[4]
941               | 0x........ | OFFSETS[5]
942               | 0x000034f0 | OFFSETS[6]   offset for BUCKETS[3]
943               | 0x00003500 | OFFSETS[7]   offset for BUCKETS[3]
944               | 0x00003550 | OFFSETS[8]   offset for BUCKETS[3]
945               | 0x........ | OFFSETS[9]
946               | 0x........ | OFFSETS[10]
947               | 0x........ | OFFSETS[11]
948               | 0x........ | OFFSETS[12]
949               | 0x........ | OFFSETS[13]
950               | 0x........ | OFFSETS[n_hashes]
951               |------------|
952               |            |
953               |            |
954               |            |
955               |            |
956               |            |
957               |------------|
958   0x000034f0: | 0x00001203 | .debug_str ("erase")
959               | 0x00000004 | A 32 bit array count - number of HashData with name "erase"
960               | 0x........ | HashData[0]
961               | 0x........ | HashData[1]
962               | 0x........ | HashData[2]
963               | 0x........ | HashData[3]
964               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
965               |------------|
966   0x00003500: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("collision")
967               | 0x00000002 | A 32 bit array count - number of HashData with name "collision"
968               | 0x........ | HashData[0]
969               | 0x........ | HashData[1]
970               | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("dump")
971               | 0x00000003 | A 32 bit array count - number of HashData with name "dump"
972               | 0x........ | HashData[0]
973               | 0x........ | HashData[1]
974               | 0x........ | HashData[2]
975               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
976               |------------|
977   0x00003550: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("main")
978               | 0x00000009 | A 32 bit array count - number of HashData with name "main"
979               | 0x........ | HashData[0]
980               | 0x........ | HashData[1]
981               | 0x........ | HashData[2]
982               | 0x........ | HashData[3]
983               | 0x........ | HashData[4]
984               | 0x........ | HashData[5]
985               | 0x........ | HashData[6]
986               | 0x........ | HashData[7]
987               | 0x........ | HashData[8]
988               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
989               `------------'
991 So we still have all of the same data, we just organize it more efficiently for
992 debugger lookup.  If we repeat the same "``printf``" lookup from above, we
993 would hash "``printf``" and find it matches ``BUCKETS[3]`` by taking the 32 bit
994 hash value and modulo it by ``n_buckets``.  ``BUCKETS[3]`` contains "6" which
995 is the index into the ``HASHES`` table.  We would then compare any consecutive
996 32 bit hashes values in the ``HASHES`` array as long as the hashes would be in
997 ``BUCKETS[3]``.  We do this by verifying that each subsequent hash value modulo
998 ``n_buckets`` is still 3.  In the case of a failed lookup we would access the
999 memory for ``BUCKETS[3]``, and then compare a few consecutive 32 bit hashes
1000 before we know that we have no match.  We don't end up marching through
1001 multiple words of memory and we really keep the number of processor data cache
1002 lines being accessed as small as possible.
1004 The string hash that is used for these lookup tables is the Daniel J.
1005 Bernstein hash which is also used in the ELF ``GNU_HASH`` sections.  It is a
1006 very good hash for all kinds of names in programs with very few hash
1007 collisions.
1009 Empty buckets are designated by using an invalid hash index of ``UINT32_MAX``.
1011 Details
1012 ^^^^^^^
1014 These name hash tables are designed to be generic where specializations of the
1015 table get to define additional data that goes into the header ("``HeaderData``"),
1016 how the string value is stored ("``KeyType``") and the content of the data for each
1017 hash value.
1019 Header Layout
1020 """""""""""""
1022 The header has a fixed part, and the specialized part.  The exact format of the
1023 header is:
1025 .. code-block:: c
1027   struct Header
1028   {
1029     uint32_t   magic;           // 'HASH' magic value to allow endian detection
1030     uint16_t   version;         // Version number
1031     uint16_t   hash_function;   // The hash function enumeration that was used
1032     uint32_t   bucket_count;    // The number of buckets in this hash table
1033     uint32_t   hashes_count;    // The total number of unique hash values and hash data offsets in this table
1034     uint32_t   header_data_len; // The bytes to skip to get to the hash indexes (buckets) for correct alignment
1035                                 // Specifically the length of the following HeaderData field - this does not
1036                                 // include the size of the preceding fields
1037     HeaderData header_data;     // Implementation specific header data
1038   };
1040 The header starts with a 32 bit "``magic``" value which must be ``'HASH'``
1041 encoded as an ASCII integer.  This allows the detection of the start of the
1042 hash table and also allows the table's byte order to be determined so the table
1043 can be correctly extracted.  The "``magic``" value is followed by a 16 bit
1044 ``version`` number which allows the table to be revised and modified in the
1045 future.  The current version number is 1. ``hash_function`` is a ``uint16_t``
1046 enumeration that specifies which hash function was used to produce this table.
1047 The current values for the hash function enumerations include:
1049 .. code-block:: c
1051   enum HashFunctionType
1052   {
1053     eHashFunctionDJB = 0u, // Daniel J Bernstein hash function
1054   };
1056 ``bucket_count`` is a 32 bit unsigned integer that represents how many buckets
1057 are in the ``BUCKETS`` array.  ``hashes_count`` is the number of unique 32 bit
1058 hash values that are in the ``HASHES`` array, and is the same number of offsets
1059 are contained in the ``OFFSETS`` array.  ``header_data_len`` specifies the size
1060 in bytes of the ``HeaderData`` that is filled in by specialized versions of
1061 this table.
1063 Fixed Lookup
1064 """"""""""""
1066 The header is followed by the buckets, hashes, offsets, and hash value data.
1068 .. code-block:: c
1070   struct FixedTable
1071   {
1072     uint32_t buckets[Header.bucket_count];  // An array of hash indexes into the "hashes[]" array below
1073     uint32_t hashes [Header.hashes_count];  // Every unique 32 bit hash for the entire table is in this table
1074     uint32_t offsets[Header.hashes_count];  // An offset that corresponds to each item in the "hashes[]" array above
1075   };
1077 ``buckets`` is an array of 32 bit indexes into the ``hashes`` array.  The
1078 ``hashes`` array contains all of the 32 bit hash values for all names in the
1079 hash table.  Each hash in the ``hashes`` table has an offset in the ``offsets``
1080 array that points to the data for the hash value.
1082 This table setup makes it very easy to repurpose these tables to contain
1083 different data, while keeping the lookup mechanism the same for all tables.
1084 This layout also makes it possible to save the table to disk and map it in
1085 later and do very efficient name lookups with little or no parsing.
1087 DWARF lookup tables can be implemented in a variety of ways and can store a lot
1088 of information for each name.  We want to make the DWARF tables extensible and
1089 able to store the data efficiently so we have used some of the DWARF features
1090 that enable efficient data storage to define exactly what kind of data we store
1091 for each name.
1093 The ``HeaderData`` contains a definition of the contents of each HashData chunk.
1094 We might want to store an offset to all of the debug information entries (DIEs)
1095 for each name.  To keep things extensible, we create a list of items, or
1096 Atoms, that are contained in the data for each name.  First comes the type of
1097 the data in each atom:
1099 .. code-block:: c
1101   enum AtomType
1102   {
1103     eAtomTypeNULL       = 0u,
1104     eAtomTypeDIEOffset  = 1u,   // DIE offset, check form for encoding
1105     eAtomTypeCUOffset   = 2u,   // DIE offset of the compiler unit header that contains the item in question
1106     eAtomTypeTag        = 3u,   // DW_TAG_xxx value, should be encoded as DW_FORM_data1 (if no tags exceed 255) or DW_FORM_data2
1107     eAtomTypeNameFlags  = 4u,   // Flags from enum NameFlags
1108     eAtomTypeTypeFlags  = 5u,   // Flags from enum TypeFlags
1109   };
1111 The enumeration values and their meanings are:
1113 .. code-block:: none
1115   eAtomTypeNULL       - a termination atom that specifies the end of the atom list
1116   eAtomTypeDIEOffset  - an offset into the .debug_info section for the DWARF DIE for this name
1117   eAtomTypeCUOffset   - an offset into the .debug_info section for the CU that contains the DIE
1118   eAtomTypeDIETag     - The DW_TAG_XXX enumeration value so you don't have to parse the DWARF to see what it is
1119   eAtomTypeNameFlags  - Flags for functions and global variables (isFunction, isInlined, isExternal...)
1120   eAtomTypeTypeFlags  - Flags for types (isCXXClass, isObjCClass, ...)
1122 Then we allow each atom type to define the atom type and how the data for each
1123 atom type data is encoded:
1125 .. code-block:: c
1127   struct Atom
1128   {
1129     uint16_t type;  // AtomType enum value
1130     uint16_t form;  // DWARF DW_FORM_XXX defines
1131   };
1133 The ``form`` type above is from the DWARF specification and defines the exact
1134 encoding of the data for the Atom type.  See the DWARF specification for the
1135 ``DW_FORM_`` definitions.
1137 .. code-block:: c
1139   struct HeaderData
1140   {
1141     uint32_t die_offset_base;
1142     uint32_t atom_count;
1143     Atoms    atoms[atom_count0];
1144   };
1146 ``HeaderData`` defines the base DIE offset that should be added to any atoms
1147 that are encoded using the ``DW_FORM_ref1``, ``DW_FORM_ref2``,
1148 ``DW_FORM_ref4``, ``DW_FORM_ref8`` or ``DW_FORM_ref_udata``.  It also defines
1149 what is contained in each ``HashData`` object -- ``Atom.form`` tells us how large
1150 each field will be in the ``HashData`` and the ``Atom.type`` tells us how this data
1151 should be interpreted.
1153 For the current implementations of the "``.apple_names``" (all functions +
1154 globals), the "``.apple_types``" (names of all types that are defined), and
1155 the "``.apple_namespaces``" (all namespaces), we currently set the ``Atom``
1156 array to be:
1158 .. code-block:: c
1160   HeaderData.atom_count = 1;
1161   HeaderData.atoms[0].type = eAtomTypeDIEOffset;
1162   HeaderData.atoms[0].form = DW_FORM_data4;
1164 This defines the contents to be the DIE offset (eAtomTypeDIEOffset) that is
1165 encoded as a 32 bit value (DW_FORM_data4).  This allows a single name to have
1166 multiple matching DIEs in a single file, which could come up with an inlined
1167 function for instance.  Future tables could include more information about the
1168 DIE such as flags indicating if the DIE is a function, method, block,
1169 or inlined.
1171 The KeyType for the DWARF table is a 32 bit string table offset into the
1172 ".debug_str" table.  The ".debug_str" is the string table for the DWARF which
1173 may already contain copies of all of the strings.  This helps make sure, with
1174 help from the compiler, that we reuse the strings between all of the DWARF
1175 sections and keeps the hash table size down.  Another benefit to having the
1176 compiler generate all strings as DW_FORM_strp in the debug info, is that
1177 DWARF parsing can be made much faster.
1179 After a lookup is made, we get an offset into the hash data.  The hash data
1180 needs to be able to deal with 32 bit hash collisions, so the chunk of data
1181 at the offset in the hash data consists of a triple:
1183 .. code-block:: c
1185   uint32_t str_offset
1186   uint32_t hash_data_count
1187   HashData[hash_data_count]
1189 If "str_offset" is zero, then the bucket contents are done. 99.9% of the
1190 hash data chunks contain a single item (no 32 bit hash collision):
1192 .. code-block:: none
1194   .------------.
1195   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
1196   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
1197   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
1198   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
1199   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
1200   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
1201   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
1202   `------------'
1204 If there are collisions, you will have multiple valid string offsets:
1206 .. code-block:: none
1208   .------------.
1209   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
1210   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
1211   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
1212   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
1213   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
1214   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
1215   | 0x00002023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0002023] => "print")
1216   | 0x00000002 | uint32_t HashData count
1217   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
1218   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
1219   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
1220   `------------'
1222 Current testing with real world C++ binaries has shown that there is around 1
1223 32 bit hash collision per 100,000 name entries.
1225 Contents
1226 ^^^^^^^^
1228 As we said, we want to strictly define exactly what is included in the
1229 different tables.  For DWARF, we have 3 tables: "``.apple_names``",
1230 "``.apple_types``", and "``.apple_namespaces``".
1232 "``.apple_names``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
1233 ``DW_TAG`` is a ``DW_TAG_label``, ``DW_TAG_inlined_subroutine``, or
1234 ``DW_TAG_subprogram`` that has address attributes: ``DW_AT_low_pc``,
1235 ``DW_AT_high_pc``, ``DW_AT_ranges`` or ``DW_AT_entry_pc``.  It also contains
1236 ``DW_TAG_variable`` DIEs that have a ``DW_OP_addr`` in the location (global and
1237 static variables).  All global and static variables should be included,
1238 including those scoped within functions and classes.  For example using the
1239 following code:
1241 .. code-block:: c
1243   static int var = 0;
1245   void f ()
1246   {
1247     static int var = 0;
1248   }
1250 Both of the static ``var`` variables would be included in the table.  All
1251 functions should emit both their full names and their basenames.  For C or C++,
1252 the full name is the mangled name (if available) which is usually in the
1253 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, and the ``DW_AT_name`` contains the
1254 function basename.  If global or static variables have a mangled name in a
1255 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, this should be emitted along with the
1256 simple name found in the ``DW_AT_name`` attribute.
1258 "``.apple_types``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
1259 tag is one of:
1261 * DW_TAG_array_type
1262 * DW_TAG_class_type
1263 * DW_TAG_enumeration_type
1264 * DW_TAG_pointer_type
1265 * DW_TAG_reference_type
1266 * DW_TAG_string_type
1267 * DW_TAG_structure_type
1268 * DW_TAG_subroutine_type
1269 * DW_TAG_typedef
1270 * DW_TAG_union_type
1271 * DW_TAG_ptr_to_member_type
1272 * DW_TAG_set_type
1273 * DW_TAG_subrange_type
1274 * DW_TAG_base_type
1275 * DW_TAG_const_type
1276 * DW_TAG_file_type
1277 * DW_TAG_namelist
1278 * DW_TAG_packed_type
1279 * DW_TAG_volatile_type
1280 * DW_TAG_restrict_type
1281 * DW_TAG_atomic_type
1282 * DW_TAG_interface_type
1283 * DW_TAG_unspecified_type
1284 * DW_TAG_shared_type
1286 Only entries with a ``DW_AT_name`` attribute are included, and the entry must
1287 not be a forward declaration (``DW_AT_declaration`` attribute with a non-zero
1288 value).  For example, using the following code:
1290 .. code-block:: c
1292   int main ()
1293   {
1294     int *b = 0;
1295     return *b;
1296   }
1298 We get a few type DIEs:
1300 .. code-block:: none
1302   0x00000067:     TAG_base_type [5]
1303                   AT_encoding( DW_ATE_signed )
1304                   AT_name( "int" )
1305                   AT_byte_size( 0x04 )
1307   0x0000006e:     TAG_pointer_type [6]
1308                   AT_type( {0x00000067} ( int ) )
1309                   AT_byte_size( 0x08 )
1311 The DW_TAG_pointer_type is not included because it does not have a ``DW_AT_name``.
1313 "``.apple_namespaces``" section should contain all ``DW_TAG_namespace`` DIEs.
1314 If we run into a namespace that has no name this is an anonymous namespace, and
1315 the name should be output as "``(anonymous namespace)``" (without the quotes).
1316 Why?  This matches the output of the ``abi::cxa_demangle()`` that is in the
1317 standard C++ library that demangles mangled names.
1320 Language Extensions and File Format Changes
1321 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1323 Objective-C Extensions
1324 """"""""""""""""""""""
1326 "``.apple_objc``" section should contain all ``DW_TAG_subprogram`` DIEs for an
1327 Objective-C class.  The name used in the hash table is the name of the
1328 Objective-C class itself.  If the Objective-C class has a category, then an
1329 entry is made for both the class name without the category, and for the class
1330 name with the category.  So if we have a DIE at offset 0x1234 with a name of
1331 method "``-[NSString(my_additions) stringWithSpecialString:]``", we would add
1332 an entry for "``NSString``" that points to DIE 0x1234, and an entry for
1333 "``NSString(my_additions)``" that points to 0x1234.  This allows us to quickly
1334 track down all Objective-C methods for an Objective-C class when doing
1335 expressions.  It is needed because of the dynamic nature of Objective-C where
1336 anyone can add methods to a class.  The DWARF for Objective-C methods is also
1337 emitted differently from C++ classes where the methods are not usually
1338 contained in the class definition, they are scattered about across one or more
1339 compile units.  Categories can also be defined in different shared libraries.
1340 So we need to be able to quickly find all of the methods and class functions
1341 given the Objective-C class name, or quickly find all methods and class
1342 functions for a class + category name.  This table does not contain any
1343 selector names, it just maps Objective-C class names (or class names +
1344 category) to all of the methods and class functions.  The selectors are added
1345 as function basenames in the "``.debug_names``" section.
1347 In the "``.apple_names``" section for Objective-C functions, the full name is
1348 the entire function name with the brackets ("``-[NSString
1349 stringWithCString:]``") and the basename is the selector only
1350 ("``stringWithCString:``").
1352 Mach-O Changes
1353 """"""""""""""
1355 The sections names for the apple hash tables are for non-mach-o files.  For
1356 mach-o files, the sections should be contained in the ``__DWARF`` segment with
1357 names as follows:
1359 * "``.apple_names``" -> "``__apple_names``"
1360 * "``.apple_types``" -> "``__apple_types``"
1361 * "``.apple_namespaces``" -> "``__apple_namespac``" (16 character limit)
1362 * "``.apple_objc``" -> "``__apple_objc``"
1364 .. _codeview:
1366 CodeView Debug Info Format
1367 ==========================
1369 LLVM supports emitting CodeView, the Microsoft debug info format, and this
1370 section describes the design and implementation of that support.
1372 Format Background
1373 -----------------
1375 CodeView as a format is clearly oriented around C++ debugging, and in C++, the
1376 majority of debug information tends to be type information. Therefore, the
1377 overriding design constraint of CodeView is the separation of type information
1378 from other "symbol" information so that type information can be efficiently
1379 merged across translation units. Both type information and symbol information is
1380 generally stored as a sequence of records, where each record begins with a
1381 16-bit record size and a 16-bit record kind.
1383 Type information is usually stored in the ``.debug$T`` section of the object
1384 file.  All other debug info, such as line info, string table, symbol info, and
1385 inlinee info, is stored in one or more ``.debug$S`` sections. There may only be
1386 one ``.debug$T`` section per object file, since all other debug info refers to
1387 it. If a PDB (enabled by the ``/Zi`` MSVC option) was used during compilation,
1388 the ``.debug$T`` section will contain only an ``LF_TYPESERVER2`` record pointing
1389 to the PDB. When using PDBs, symbol information appears to remain in the object
1390 file ``.debug$S`` sections.
1392 Type records are referred to by their index, which is the number of records in
1393 the stream before a given record plus ``0x1000``. Many common basic types, such
1394 as the basic integral types and unqualified pointers to them, are represented
1395 using type indices less than ``0x1000``. Such basic types are built in to
1396 CodeView consumers and do not require type records.
1398 Each type record may only contain type indices that are less than its own type
1399 index. This ensures that the graph of type stream references is acyclic. While
1400 the source-level type graph may contain cycles through pointer types (consider a
1401 linked list struct), these cycles are removed from the type stream by always
1402 referring to the forward declaration record of user-defined record types. Only
1403 "symbol" records in the ``.debug$S`` streams may refer to complete,
1404 non-forward-declaration type records.
1406 Working with CodeView
1407 ---------------------
1409 These are instructions for some common tasks for developers working to improve
1410 LLVM's CodeView support. Most of them revolve around using the CodeView dumper
1411 embedded in ``llvm-readobj``.
1413 * Testing MSVC's output::
1415     $ cl -c -Z7 foo.cpp # Use /Z7 to keep types in the object file
1416     $ llvm-readobj -codeview foo.obj
1418 * Getting LLVM IR debug info out of Clang::
1420     $ clang -g -gcodeview --target=x86_64-windows-msvc foo.cpp -S -emit-llvm
1422   Use this to generate LLVM IR for LLVM test cases.
1424 * Generate and dump CodeView from LLVM IR metadata::
1426     $ llc foo.ll -filetype=obj -o foo.obj
1427     $ llvm-readobj -codeview foo.obj > foo.txt
1429   Use this pattern in lit test cases and FileCheck the output of llvm-readobj
1431 Improving LLVM's CodeView support is a process of finding interesting type
1432 records, constructing a C++ test case that makes MSVC emit those records,
1433 dumping the records, understanding them, and then generating equivalent records
1434 in LLVM's backend.