Revert "[llvm-exegesis] Add in snippet address annotation (#74218)"
[llvm-project.git] / clang / docs / InternalsManual.rst
blob05fadf5a034464364191bcd09f8f82021ae71287
1 ============================
2 "Clang" CFE Internals Manual
3 ============================
5 .. contents::
6    :local:
8 Introduction
9 ============
11 This document describes some of the more important APIs and internal design
12 decisions made in the Clang C front-end.  The purpose of this document is to
13 both capture some of this high level information and also describe some of the
14 design decisions behind it.  This is meant for people interested in hacking on
15 Clang, not for end-users.  The description below is categorized by libraries,
16 and does not describe any of the clients of the libraries.
18 LLVM Support Library
19 ====================
21 The LLVM ``libSupport`` library provides many underlying libraries and
22 `data-structures <https://llvm.org/docs/ProgrammersManual.html>`_, including
23 command line option processing, various containers and a system abstraction
24 layer, which is used for file system access.
26 The Clang "Basic" Library
27 =========================
29 This library certainly needs a better name.  The "basic" library contains a
30 number of low-level utilities for tracking and manipulating source buffers,
31 locations within the source buffers, diagnostics, tokens, target abstraction,
32 and information about the subset of the language being compiled for.
34 Part of this infrastructure is specific to C (such as the ``TargetInfo``
35 class), other parts could be reused for other non-C-based languages
36 (``SourceLocation``, ``SourceManager``, ``Diagnostics``, ``FileManager``).
37 When and if there is future demand we can figure out if it makes sense to
38 introduce a new library, move the general classes somewhere else, or introduce
39 some other solution.
41 We describe the roles of these classes in order of their dependencies.
43 The Diagnostics Subsystem
44 -------------------------
46 The Clang Diagnostics subsystem is an important part of how the compiler
47 communicates with the human.  Diagnostics are the warnings and errors produced
48 when the code is incorrect or dubious.  In Clang, each diagnostic produced has
49 (at the minimum) a unique ID, an English translation associated with it, a
50 :ref:`SourceLocation <SourceLocation>` to "put the caret", and a severity
51 (e.g., ``WARNING`` or ``ERROR``).  They can also optionally include a number of
52 arguments to the diagnostic (which fill in "%0"'s in the string) as well as a
53 number of source ranges that related to the diagnostic.
55 In this section, we'll be giving examples produced by the Clang command line
56 driver, but diagnostics can be :ref:`rendered in many different ways
57 <DiagnosticConsumer>` depending on how the ``DiagnosticConsumer`` interface is
58 implemented.  A representative example of a diagnostic is:
60 .. code-block:: text
62   t.c:38:15: error: invalid operands to binary expression ('int *' and '_Complex float')
63   P = (P-42) + Gamma*4;
64       ~~~~~~ ^ ~~~~~~~
66 In this example, you can see the English translation, the severity (error), you
67 can see the source location (the caret ("``^``") and file/line/column info),
68 the source ranges "``~~~~``", arguments to the diagnostic ("``int*``" and
69 "``_Complex float``").  You'll have to believe me that there is a unique ID
70 backing the diagnostic :).
72 Getting all of this to happen has several steps and involves many moving
73 pieces, this section describes them and talks about best practices when adding
74 a new diagnostic.
76 The ``Diagnostic*Kinds.td`` files
77 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
79 Diagnostics are created by adding an entry to one of the
80 ``clang/Basic/Diagnostic*Kinds.td`` files, depending on what library will be
81 using it.  From this file, :program:`tblgen` generates the unique ID of the
82 diagnostic, the severity of the diagnostic and the English translation + format
83 string.
85 There is little sanity with the naming of the unique ID's right now.  Some
86 start with ``err_``, ``warn_``, ``ext_`` to encode the severity into the name.
87 Since the enum is referenced in the C++ code that produces the diagnostic, it
88 is somewhat useful for it to be reasonably short.
90 The severity of the diagnostic comes from the set {``NOTE``, ``REMARK``,
91 ``WARNING``,
92 ``EXTENSION``, ``EXTWARN``, ``ERROR``}.  The ``ERROR`` severity is used for
93 diagnostics indicating the program is never acceptable under any circumstances.
94 When an error is emitted, the AST for the input code may not be fully built.
95 The ``EXTENSION`` and ``EXTWARN`` severities are used for extensions to the
96 language that Clang accepts.  This means that Clang fully understands and can
97 represent them in the AST, but we produce diagnostics to tell the user their
98 code is non-portable.  The difference is that the former are ignored by
99 default, and the later warn by default.  The ``WARNING`` severity is used for
100 constructs that are valid in the currently selected source language but that
101 are dubious in some way.  The ``REMARK`` severity provides generic information
102 about the compilation that is not necessarily related to any dubious code.  The
103 ``NOTE`` level is used to staple more information onto previous diagnostics.
105 These *severities* are mapped into a smaller set (the ``Diagnostic::Level``
106 enum, {``Ignored``, ``Note``, ``Remark``, ``Warning``, ``Error``, ``Fatal``}) of
107 output
108 *levels* by the diagnostics subsystem based on various configuration options.
109 Clang internally supports a fully fine grained mapping mechanism that allows
110 you to map almost any diagnostic to the output level that you want.  The only
111 diagnostics that cannot be mapped are ``NOTE``\ s, which always follow the
112 severity of the previously emitted diagnostic and ``ERROR``\ s, which can only
113 be mapped to ``Fatal`` (it is not possible to turn an error into a warning, for
114 example).
116 Diagnostic mappings are used in many ways.  For example, if the user specifies
117 ``-pedantic``, ``EXTENSION`` maps to ``Warning``, if they specify
118 ``-pedantic-errors``, it turns into ``Error``.  This is used to implement
119 options like ``-Wunused_macros``, ``-Wundef`` etc.
121 Mapping to ``Fatal`` should only be used for diagnostics that are considered so
122 severe that error recovery won't be able to recover sensibly from them (thus
123 spewing a ton of bogus errors).  One example of this class of error are failure
124 to ``#include`` a file.
126 The Format String
127 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
129 The format string for the diagnostic is very simple, but it has some power.  It
130 takes the form of a string in English with markers that indicate where and how
131 arguments to the diagnostic are inserted and formatted.  For example, here are
132 some simple format strings:
134 .. code-block:: c++
136   "binary integer literals are an extension"
137   "format string contains '\\0' within the string body"
138   "more '%%' conversions than data arguments"
139   "invalid operands to binary expression (%0 and %1)"
140   "overloaded '%0' must be a %select{unary|binary|unary or binary}2 operator"
141        " (has %1 parameter%s1)"
143 These examples show some important points of format strings.  You can use any
144 plain ASCII character in the diagnostic string except "``%``" without a
145 problem, but these are C strings, so you have to use and be aware of all the C
146 escape sequences (as in the second example).  If you want to produce a "``%``"
147 in the output, use the "``%%``" escape sequence, like the third diagnostic.
148 Finally, Clang uses the "``%...[digit]``" sequences to specify where and how
149 arguments to the diagnostic are formatted.
151 Arguments to the diagnostic are numbered according to how they are specified by
152 the C++ code that :ref:`produces them <internals-producing-diag>`, and are
153 referenced by ``%0`` .. ``%9``.  If you have more than 10 arguments to your
154 diagnostic, you are doing something wrong :).  Unlike ``printf``, there is no
155 requirement that arguments to the diagnostic end up in the output in the same
156 order as they are specified, you could have a format string with "``%1 %0``"
157 that swaps them, for example.  The text in between the percent and digit are
158 formatting instructions.  If there are no instructions, the argument is just
159 turned into a string and substituted in.
161 Here are some "best practices" for writing the English format string:
163 * Keep the string short.  It should ideally fit in the 80 column limit of the
164   ``DiagnosticKinds.td`` file.  This avoids the diagnostic wrapping when
165   printed, and forces you to think about the important point you are conveying
166   with the diagnostic.
167 * Take advantage of location information.  The user will be able to see the
168   line and location of the caret, so you don't need to tell them that the
169   problem is with the 4th argument to the function: just point to it.
170 * Do not capitalize the diagnostic string, and do not end it with a period.
171 * If you need to quote something in the diagnostic string, use single quotes.
173 Diagnostics should never take random English strings as arguments: you
174 shouldn't use "``you have a problem with %0``" and pass in things like "``your
175 argument``" or "``your return value``" as arguments.  Doing this prevents
176 :ref:`translating <internals-diag-translation>` the Clang diagnostics to other
177 languages (because they'll get random English words in their otherwise
178 localized diagnostic).  The exceptions to this are C/C++ language keywords
179 (e.g., ``auto``, ``const``, ``mutable``, etc) and C/C++ operators (``/=``).
180 Note that things like "pointer" and "reference" are not keywords.  On the other
181 hand, you *can* include anything that comes from the user's source code,
182 including variable names, types, labels, etc.  The "``select``" format can be
183 used to achieve this sort of thing in a localizable way, see below.
185 Formatting a Diagnostic Argument
186 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
188 Arguments to diagnostics are fully typed internally, and come from a couple
189 different classes: integers, types, names, and random strings.  Depending on
190 the class of the argument, it can be optionally formatted in different ways.
191 This gives the ``DiagnosticConsumer`` information about what the argument means
192 without requiring it to use a specific presentation (consider this MVC for
193 Clang :).
195 It is really easy to add format specifiers to the Clang diagnostics system, but
196 they should be discussed before they are added.  If you are creating a lot of
197 repetitive diagnostics and/or have an idea for a useful formatter, please bring
198 it up on the cfe-dev mailing list.
200 Here are the different diagnostic argument formats currently supported by
201 Clang:
203 **"s" format**
205 Example:
206   ``"requires %0 parameter%s0"``
207 Class:
208   Integers
209 Description:
210   This is a simple formatter for integers that is useful when producing English
211   diagnostics.  When the integer is 1, it prints as nothing.  When the integer
212   is not 1, it prints as "``s``".  This allows some simple grammatical forms to
213   be to be handled correctly, and eliminates the need to use gross things like
214   ``"requires %1 parameter(s)"``. Note, this only handles adding a simple
215   "``s``" character, it will not handle situations where pluralization is more
216   complicated such as turning ``fancy`` into ``fancies`` or ``mouse`` into
217   ``mice``. You can use the "plural" format specifier to handle such situations.
219 **"select" format**
221 Example:
222   ``"must be a %select{unary|binary|unary or binary}0 operator"``
223 Class:
224   Integers
225 Description:
226   This format specifier is used to merge multiple related diagnostics together
227   into one common one, without requiring the difference to be specified as an
228   English string argument.  Instead of specifying the string, the diagnostic
229   gets an integer argument and the format string selects the numbered option.
230   In this case, the "``%0``" value must be an integer in the range [0..2].  If
231   it is 0, it prints "unary", if it is 1 it prints "binary" if it is 2, it
232   prints "unary or binary".  This allows other language translations to
233   substitute reasonable words (or entire phrases) based on the semantics of the
234   diagnostic instead of having to do things textually.  The selected string
235   does undergo formatting.
237 **"plural" format**
239 Example:
240   ``"you have %0 %plural{1:mouse|:mice}0 connected to your computer"``
241 Class:
242   Integers
243 Description:
244   This is a formatter for complex plural forms. It is designed to handle even
245   the requirements of languages with very complex plural forms, as many Baltic
246   languages have.  The argument consists of a series of expression/form pairs,
247   separated by ":", where the first form whose expression evaluates to true is
248   the result of the modifier.
250   An expression can be empty, in which case it is always true.  See the example
251   at the top.  Otherwise, it is a series of one or more numeric conditions,
252   separated by ",".  If any condition matches, the expression matches.  Each
253   numeric condition can take one of three forms.
255   * number: A simple decimal number matches if the argument is the same as the
256     number.  Example: ``"%plural{1:mouse|:mice}0"``
257   * range: A range in square brackets matches if the argument is within the
258     range.  Then range is inclusive on both ends.  Example:
259     ``"%plural{0:none|1:one|[2,5]:some|:many}0"``
260   * modulo: A modulo operator is followed by a number, and equals sign and
261     either a number or a range.  The tests are the same as for plain numbers
262     and ranges, but the argument is taken modulo the number first.  Example:
263     ``"%plural{%100=0:even hundred|%100=[1,50]:lower half|:everything else}1"``
265   The parser is very unforgiving.  A syntax error, even whitespace, will abort,
266   as will a failure to match the argument against any expression.
268 **"ordinal" format**
270 Example:
271   ``"ambiguity in %ordinal0 argument"``
272 Class:
273   Integers
274 Description:
275   This is a formatter which represents the argument number as an ordinal: the
276   value ``1`` becomes ``1st``, ``3`` becomes ``3rd``, and so on.  Values less
277   than ``1`` are not supported.  This formatter is currently hard-coded to use
278   English ordinals.
280 **"objcclass" format**
282 Example:
283   ``"method %objcclass0 not found"``
284 Class:
285   ``DeclarationName``
286 Description:
287   This is a simple formatter that indicates the ``DeclarationName`` corresponds
288   to an Objective-C class method selector.  As such, it prints the selector
289   with a leading "``+``".
291 **"objcinstance" format**
293 Example:
294   ``"method %objcinstance0 not found"``
295 Class:
296   ``DeclarationName``
297 Description:
298   This is a simple formatter that indicates the ``DeclarationName`` corresponds
299   to an Objective-C instance method selector.  As such, it prints the selector
300   with a leading "``-``".
302 **"q" format**
304 Example:
305   ``"candidate found by name lookup is %q0"``
306 Class:
307   ``NamedDecl *``
308 Description:
309   This formatter indicates that the fully-qualified name of the declaration
310   should be printed, e.g., "``std::vector``" rather than "``vector``".
312 **"diff" format**
314 Example:
315   ``"no known conversion %diff{from $ to $|from argument type to parameter type}1,2"``
316 Class:
317   ``QualType``
318 Description:
319   This formatter takes two ``QualType``\ s and attempts to print a template
320   difference between the two.  If tree printing is off, the text inside the
321   braces before the pipe is printed, with the formatted text replacing the $.
322   If tree printing is on, the text after the pipe is printed and a type tree is
323   printed after the diagnostic message.
325 **"sub" format**
327 Example:
328   Given the following record definition of type ``TextSubstitution``:
330   .. code-block:: text
332     def select_ovl_candidate : TextSubstitution<
333       "%select{function|constructor}0%select{| template| %2}1">;
335   which can be used as
337   .. code-block:: text
339     def note_ovl_candidate : Note<
340       "candidate %sub{select_ovl_candidate}3,2,1 not viable">;
342   and will act as if it was written
343   ``"candidate %select{function|constructor}3%select{| template| %1}2 not viable"``.
344 Description:
345   This format specifier is used to avoid repeating strings verbatim in multiple
346   diagnostics. The argument to ``%sub`` must name a ``TextSubstitution`` tblgen
347   record. The substitution must specify all arguments used by the substitution,
348   and the modifier indexes in the substitution are re-numbered accordingly. The
349   substituted text must itself be a valid format string before substitution.
351 .. _internals-producing-diag:
353 Producing the Diagnostic
354 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
356 Now that you've created the diagnostic in the ``Diagnostic*Kinds.td`` file, you
357 need to write the code that detects the condition in question and emits the new
358 diagnostic.  Various components of Clang (e.g., the preprocessor, ``Sema``,
359 etc.) provide a helper function named "``Diag``".  It creates a diagnostic and
360 accepts the arguments, ranges, and other information that goes along with it.
362 For example, the binary expression error comes from code like this:
364 .. code-block:: c++
366   if (various things that are bad)
367     Diag(Loc, diag::err_typecheck_invalid_operands)
368       << lex->getType() << rex->getType()
369       << lex->getSourceRange() << rex->getSourceRange();
371 This shows that use of the ``Diag`` method: it takes a location (a
372 :ref:`SourceLocation <SourceLocation>` object) and a diagnostic enum value
373 (which matches the name from ``Diagnostic*Kinds.td``).  If the diagnostic takes
374 arguments, they are specified with the ``<<`` operator: the first argument
375 becomes ``%0``, the second becomes ``%1``, etc.  The diagnostic interface
376 allows you to specify arguments of many different types, including ``int`` and
377 ``unsigned`` for integer arguments, ``const char*`` and ``std::string`` for
378 string arguments, ``DeclarationName`` and ``const IdentifierInfo *`` for names,
379 ``QualType`` for types, etc.  ``SourceRange``\ s are also specified with the
380 ``<<`` operator, but do not have a specific ordering requirement.
382 As you can see, adding and producing a diagnostic is pretty straightforward.
383 The hard part is deciding exactly what you need to say to help the user,
384 picking a suitable wording, and providing the information needed to format it
385 correctly.  The good news is that the call site that issues a diagnostic should
386 be completely independent of how the diagnostic is formatted and in what
387 language it is rendered.
389 Fix-It Hints
390 ^^^^^^^^^^^^
392 In some cases, the front end emits diagnostics when it is clear that some small
393 change to the source code would fix the problem.  For example, a missing
394 semicolon at the end of a statement or a use of deprecated syntax that is
395 easily rewritten into a more modern form.  Clang tries very hard to emit the
396 diagnostic and recover gracefully in these and other cases.
398 However, for these cases where the fix is obvious, the diagnostic can be
399 annotated with a hint (referred to as a "fix-it hint") that describes how to
400 change the code referenced by the diagnostic to fix the problem.  For example,
401 it might add the missing semicolon at the end of the statement or rewrite the
402 use of a deprecated construct into something more palatable.  Here is one such
403 example from the C++ front end, where we warn about the right-shift operator
404 changing meaning from C++98 to C++11:
406 .. code-block:: text
408   test.cpp:3:7: warning: use of right-shift operator ('>>') in template argument
409                          will require parentheses in C++11
410   A<100 >> 2> *a;
411         ^
412     (       )
414 Here, the fix-it hint is suggesting that parentheses be added, and showing
415 exactly where those parentheses would be inserted into the source code.  The
416 fix-it hints themselves describe what changes to make to the source code in an
417 abstract manner, which the text diagnostic printer renders as a line of
418 "insertions" below the caret line.  :ref:`Other diagnostic clients
419 <DiagnosticConsumer>` might choose to render the code differently (e.g., as
420 markup inline) or even give the user the ability to automatically fix the
421 problem.
423 Fix-it hints on errors and warnings need to obey these rules:
425 * Since they are automatically applied if ``-Xclang -fixit`` is passed to the
426   driver, they should only be used when it's very likely they match the user's
427   intent.
428 * Clang must recover from errors as if the fix-it had been applied.
429 * Fix-it hints on a warning must not change the meaning of the code.
430   However, a hint may clarify the meaning as intentional, for example by adding
431   parentheses when the precedence of operators isn't obvious.
433 If a fix-it can't obey these rules, put the fix-it on a note.  Fix-its on notes
434 are not applied automatically.
436 All fix-it hints are described by the ``FixItHint`` class, instances of which
437 should be attached to the diagnostic using the ``<<`` operator in the same way
438 that highlighted source ranges and arguments are passed to the diagnostic.
439 Fix-it hints can be created with one of three constructors:
441 * ``FixItHint::CreateInsertion(Loc, Code)``
443     Specifies that the given ``Code`` (a string) should be inserted before the
444     source location ``Loc``.
446 * ``FixItHint::CreateRemoval(Range)``
448     Specifies that the code in the given source ``Range`` should be removed.
450 * ``FixItHint::CreateReplacement(Range, Code)``
452     Specifies that the code in the given source ``Range`` should be removed,
453     and replaced with the given ``Code`` string.
455 .. _DiagnosticConsumer:
457 The ``DiagnosticConsumer`` Interface
458 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
460 Once code generates a diagnostic with all of the arguments and the rest of the
461 relevant information, Clang needs to know what to do with it.  As previously
462 mentioned, the diagnostic machinery goes through some filtering to map a
463 severity onto a diagnostic level, then (assuming the diagnostic is not mapped
464 to "``Ignore``") it invokes an object that implements the ``DiagnosticConsumer``
465 interface with the information.
467 It is possible to implement this interface in many different ways.  For
468 example, the normal Clang ``DiagnosticConsumer`` (named
469 ``TextDiagnosticPrinter``) turns the arguments into strings (according to the
470 various formatting rules), prints out the file/line/column information and the
471 string, then prints out the line of code, the source ranges, and the caret.
472 However, this behavior isn't required.
474 Another implementation of the ``DiagnosticConsumer`` interface is the
475 ``TextDiagnosticBuffer`` class, which is used when Clang is in ``-verify``
476 mode.  Instead of formatting and printing out the diagnostics, this
477 implementation just captures and remembers the diagnostics as they fly by.
478 Then ``-verify`` compares the list of produced diagnostics to the list of
479 expected ones.  If they disagree, it prints out its own output.  Full
480 documentation for the ``-verify`` mode can be found at
481 :ref:`verifying-diagnostics`.
483 There are many other possible implementations of this interface, and this is
484 why we prefer diagnostics to pass down rich structured information in
485 arguments.  For example, an HTML output might want declaration names be
486 linkified to where they come from in the source.  Another example is that a GUI
487 might let you click on typedefs to expand them.  This application would want to
488 pass significantly more information about types through to the GUI than a
489 simple flat string.  The interface allows this to happen.
491 .. _internals-diag-translation:
493 Adding Translations to Clang
494 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
496 Not possible yet! Diagnostic strings should be written in UTF-8, the client can
497 translate to the relevant code page if needed.  Each translation completely
498 replaces the format string for the diagnostic.
500 .. _SourceLocation:
501 .. _SourceManager:
503 The ``SourceLocation`` and ``SourceManager`` classes
504 ----------------------------------------------------
506 Strangely enough, the ``SourceLocation`` class represents a location within the
507 source code of the program.  Important design points include:
509 #. ``sizeof(SourceLocation)`` must be extremely small, as these are embedded
510    into many AST nodes and are passed around often.  Currently it is 32 bits.
511 #. ``SourceLocation`` must be a simple value object that can be efficiently
512    copied.
513 #. We should be able to represent a source location for any byte of any input
514    file.  This includes in the middle of tokens, in whitespace, in trigraphs,
515    etc.
516 #. A ``SourceLocation`` must encode the current ``#include`` stack that was
517    active when the location was processed.  For example, if the location
518    corresponds to a token, it should contain the set of ``#include``\ s active
519    when the token was lexed.  This allows us to print the ``#include`` stack
520    for a diagnostic.
521 #. ``SourceLocation`` must be able to describe macro expansions, capturing both
522    the ultimate instantiation point and the source of the original character
523    data.
525 In practice, the ``SourceLocation`` works together with the ``SourceManager``
526 class to encode two pieces of information about a location: its spelling
527 location and its expansion location.  For most tokens, these will be the
528 same.  However, for a macro expansion (or tokens that came from a ``_Pragma``
529 directive) these will describe the location of the characters corresponding to
530 the token and the location where the token was used (i.e., the macro
531 expansion point or the location of the ``_Pragma`` itself).
533 The Clang front-end inherently depends on the location of a token being tracked
534 correctly.  If it is ever incorrect, the front-end may get confused and die.
535 The reason for this is that the notion of the "spelling" of a ``Token`` in
536 Clang depends on being able to find the original input characters for the
537 token.  This concept maps directly to the "spelling location" for the token.
539 ``SourceRange`` and ``CharSourceRange``
540 ---------------------------------------
542 .. mostly taken from https://discourse.llvm.org/t/code-ranges-of-tokens-ast-elements/16893/2
544 Clang represents most source ranges by [first, last], where "first" and "last"
545 each point to the beginning of their respective tokens.  For example consider
546 the ``SourceRange`` of the following statement:
548 .. code-block:: text
550   x = foo + bar;
551   ^first    ^last
553 To map from this representation to a character-based representation, the "last"
554 location needs to be adjusted to point to (or past) the end of that token with
555 either ``Lexer::MeasureTokenLength()`` or ``Lexer::getLocForEndOfToken()``.  For
556 the rare cases where character-level source ranges information is needed we use
557 the ``CharSourceRange`` class.
559 The Driver Library
560 ==================
562 The clang Driver and library are documented :doc:`here <DriverInternals>`.
564 Precompiled Headers
565 ===================
567 Clang supports precompiled headers (:doc:`PCH <PCHInternals>`), which  uses a
568 serialized representation of Clang's internal data structures, encoded with the
569 `LLVM bitstream format <https://llvm.org/docs/BitCodeFormat.html>`_.
571 The Frontend Library
572 ====================
574 The Frontend library contains functionality useful for building tools on top of
575 the Clang libraries, for example several methods for outputting diagnostics.
577 Compiler Invocation
578 -------------------
580 One of the classes provided by the Frontend library is ``CompilerInvocation``,
581 which holds information that describe current invocation of the Clang ``-cc1``
582 frontend. The information typically comes from the command line constructed by
583 the Clang driver or from clients performing custom initialization. The data
584 structure is split into logical units used by different parts of the compiler,
585 for example ``PreprocessorOptions``, ``LanguageOptions`` or ``CodeGenOptions``.
587 Command Line Interface
588 ----------------------
590 The command line interface of the Clang ``-cc1`` frontend is defined alongside
591 the driver options in ``clang/Driver/Options.td``. The information making up an
592 option definition includes its prefix and name (for example ``-std=``), form and
593 position of the option value, help text, aliases and more. Each option may
594 belong to a certain group and can be marked with zero or more flags. Options
595 accepted by the ``-cc1`` frontend are marked with the ``CC1Option`` flag.
597 Command Line Parsing
598 --------------------
600 Option definitions are processed by the ``-gen-opt-parser-defs`` tablegen
601 backend during early stages of the build. Options are then used for querying an
602 instance ``llvm::opt::ArgList``, a wrapper around the command line arguments.
603 This is done in the Clang driver to construct individual jobs based on the
604 driver arguments and also in the ``CompilerInvocation::CreateFromArgs`` function
605 that parses the ``-cc1`` frontend arguments.
607 Command Line Generation
608 -----------------------
610 Any valid ``CompilerInvocation`` created from a ``-cc1`` command line  can be
611 also serialized back into semantically equivalent command line in a
612 deterministic manner. This enables features such as implicitly discovered,
613 explicitly built modules.
616   TODO: Create and link corresponding section in Modules.rst.
618 Adding new Command Line Option
619 ------------------------------
621 When adding a new command line option, the first place of interest is the header
622 file declaring the corresponding options class (e.g. ``CodeGenOptions.h`` for
623 command line option that affects the code generation). Create new member
624 variable for the option value:
626 .. code-block:: diff
628     class CodeGenOptions : public CodeGenOptionsBase {
630   +   /// List of dynamic shared object files to be loaded as pass plugins.
631   +   std::vector<std::string> PassPlugins;
633     }
635 Next, declare the command line interface of the option in the tablegen file
636 ``clang/include/clang/Driver/Options.td``. This is done by instantiating the
637 ``Option`` class (defined in ``llvm/include/llvm/Option/OptParser.td``). The
638 instance is typically created through one of the helper classes that encode the
639 acceptable ways to specify the option value on the command line:
641 * ``Flag`` - the option does not accept any value,
642 * ``Joined`` - the value must immediately follow the option name within the same
643   argument,
644 * ``Separate`` - the value must follow the option name in the next command line
645   argument,
646 * ``JoinedOrSeparate`` - the value can be specified either as ``Joined`` or
647   ``Separate``,
648 * ``CommaJoined`` - the values are comma-separated and must immediately follow
649   the option name within the same argument (see ``Wl,`` for an example).
651 The helper classes take a list of acceptable prefixes of the option (e.g.
652 ``"-"``, ``"--"`` or ``"/"``) and the option name:
654 .. code-block:: diff
656     // Options.td
658   + def fpass_plugin_EQ : Joined<["-"], "fpass-plugin=">;
660 Then, specify additional attributes via mix-ins:
662 * ``HelpText`` holds the text that will be printed besides the option name when
663   the user requests help (e.g. via ``clang --help``).
664 * ``Group`` specifies the "category" of options this option belongs to. This is
665   used by various tools to categorize and sometimes filter options.
666 * ``Flags`` may contain "tags" associated with the option. These may affect how
667   the option is rendered, or if it's hidden in some contexts.
668 * ``Visibility`` should be used to specify the drivers in which a particular
669   option would be available. This attribute will impact tool --help
670 * ``Alias`` denotes that the option is an alias of another option. This may be
671   combined with ``AliasArgs`` that holds the implied value.
673 .. code-block:: diff
675     // Options.td
677     def fpass_plugin_EQ : Joined<["-"], "fpass-plugin=">,
678   +   Group<f_Group>, Visibility<[ClangOption, CC1Option]>,
679   +   HelpText<"Load pass plugin from a dynamic shared object file.">;
681 New options are recognized by the ``clang`` driver mode if ``Visibility`` is
682 not specified or contains ``ClangOption``. Options intended for ``clang -cc1``
683 must be explicitly marked with the ``CC1Option`` flag. Flags that specify
684 ``CC1Option`` but not ``ClangOption`` will only be accessible via ``-cc1``.
685 This is similar for other driver modes, such as ``clang-cl`` or ``flang``.
687 Next, parse (or manufacture) the command line arguments in the Clang driver and
688 use them to construct the ``-cc1`` job:
690 .. code-block:: diff
692     void Clang::ConstructJob(const ArgList &Args /*...*/) const {
693       ArgStringList CmdArgs;
694       // ...
696   +   for (const Arg *A : Args.filtered(OPT_fpass_plugin_EQ)) {
697   +     CmdArgs.push_back(Args.MakeArgString(Twine("-fpass-plugin=") + A->getValue()));
698   +     A->claim();
699   +   }
700     }
702 The last step is implementing the ``-cc1`` command line argument
703 parsing/generation that initializes/serializes the option class (in our case
704 ``CodeGenOptions``) stored within ``CompilerInvocation``. This can be done
705 automatically by using the marshalling annotations on the option definition:
707 .. code-block:: diff
709     // Options.td
711     def fpass_plugin_EQ : Joined<["-"], "fpass-plugin=">,
712       Group<f_Group>, Flags<[CC1Option]>,
713       HelpText<"Load pass plugin from a dynamic shared object file.">,
714   +   MarshallingInfoStringVector<CodeGenOpts<"PassPlugins">>;
716 Inner workings of the system are introduced in the :ref:`marshalling
717 infrastructure <OptionMarshalling>` section and the available annotations are
718 listed :ref:`here <OptionMarshallingAnnotations>`.
720 In case the marshalling infrastructure does not support the desired semantics,
721 consider simplifying it to fit the existing model. This makes the command line
722 more uniform and reduces the amount of custom, manually written code. Remember
723 that the ``-cc1`` command line interface is intended only for Clang developers,
724 meaning it does not need to mirror the driver interface, maintain backward
725 compatibility or be compatible with GCC.
727 If the option semantics cannot be encoded via marshalling annotations, you can
728 resort to parsing/serializing the command line arguments manually:
730 .. code-block:: diff
732     // CompilerInvocation.cpp
734     static bool ParseCodeGenArgs(CodeGenOptions &Opts, ArgList &Args /*...*/) {
735       // ...
737   +   Opts.PassPlugins = Args.getAllArgValues(OPT_fpass_plugin_EQ);
738     }
740     static void GenerateCodeGenArgs(const CodeGenOptions &Opts,
741                                     SmallVectorImpl<const char *> &Args,
742                                     CompilerInvocation::StringAllocator SA /*...*/) {
743       // ...
745   +   for (const std::string &PassPlugin : Opts.PassPlugins)
746   +     GenerateArg(Args, OPT_fpass_plugin_EQ, PassPlugin, SA);
747     }
749 Finally, you can specify the argument on the command line:
750 ``clang -fpass-plugin=a -fpass-plugin=b`` and use the new member variable as
751 desired.
753 .. code-block:: diff
755     void EmitAssemblyHelper::EmitAssemblyWithNewPassManager(/*...*/) {
756       // ...
757   +   for (auto &PluginFN : CodeGenOpts.PassPlugins)
758   +     if (auto PassPlugin = PassPlugin::Load(PluginFN))
759   +        PassPlugin->registerPassBuilderCallbacks(PB);
760     }
762 .. _OptionMarshalling:
764 Option Marshalling Infrastructure
765 ---------------------------------
767 The option marshalling infrastructure automates the parsing of the Clang
768 ``-cc1`` frontend command line arguments into ``CompilerInvocation`` and their
769 generation from ``CompilerInvocation``. The system replaces lots of repetitive
770 C++ code with simple, declarative tablegen annotations and it's being used for
771 the majority of the ``-cc1`` command line interface. This section provides an
772 overview of the system.
774 **Note:** The marshalling infrastructure is not intended for driver-only
775 options. Only options of the ``-cc1`` frontend need to be marshalled to/from
776 ``CompilerInvocation`` instance.
778 To read and modify contents of ``CompilerInvocation``, the marshalling system
779 uses key paths, which are declared in two steps. First, a tablegen definition
780 for the ``CompilerInvocation`` member is created by inheriting from
781 ``KeyPathAndMacro``:
783 .. code-block:: text
785   // Options.td
787   class LangOpts<string field> : KeyPathAndMacro<"LangOpts->", field, "LANG_"> {}
788   //                   CompilerInvocation member  ^^^^^^^^^^
789   //                                    OPTION_WITH_MARSHALLING prefix ^^^^^
791 The first argument to the parent class is the beginning of the key path that
792 references the ``CompilerInvocation`` member. This argument ends with ``->`` if
793 the member is a pointer type or with ``.`` if it's a value type. The child class
794 takes a single parameter ``field`` that is forwarded as the second argument to
795 the base class. The child class can then be used like so:
796 ``LangOpts<"IgnoreExceptions">``, constructing a key path to the field
797 ``LangOpts->IgnoreExceptions``. The third argument passed to the parent class is
798 a string that the tablegen backend uses as a prefix to the
799 ``OPTION_WITH_MARSHALLING`` macro. Using the key path as a mix-in on an
800 ``Option`` instance instructs the backend to generate the following code:
802 .. code-block:: c++
804   // Options.inc
806   #ifdef LANG_OPTION_WITH_MARSHALLING
807   LANG_OPTION_WITH_MARSHALLING([...], LangOpts->IgnoreExceptions, [...])
808   #endif // LANG_OPTION_WITH_MARSHALLING
810 Such definition can be used used in the function for parsing and generating
811 command line:
813 .. code-block:: c++
815   // clang/lib/Frontend/CompilerInvoation.cpp
817   bool CompilerInvocation::ParseLangArgs(LangOptions *LangOpts, ArgList &Args,
818                                          DiagnosticsEngine &Diags) {
819     bool Success = true;
821   #define LANG_OPTION_WITH_MARSHALLING(                                          \
822       PREFIX_TYPE, NAME, ID, KIND, GROUP, ALIAS, ALIASARGS, FLAGS, PARAM,        \
823       HELPTEXT, METAVAR, VALUES, SPELLING, SHOULD_PARSE, ALWAYS_EMIT, KEYPATH,   \
824       DEFAULT_VALUE, IMPLIED_CHECK, IMPLIED_VALUE, NORMALIZER, DENORMALIZER,     \
825       MERGER, EXTRACTOR, TABLE_INDEX)                                            \
826     PARSE_OPTION_WITH_MARSHALLING(Args, Diags, Success, ID, FLAGS, PARAM,        \
827                                   SHOULD_PARSE, KEYPATH, DEFAULT_VALUE,          \
828                                   IMPLIED_CHECK, IMPLIED_VALUE, NORMALIZER,      \
829                                   MERGER, TABLE_INDEX)
830   #include "clang/Driver/Options.inc"
831   #undef LANG_OPTION_WITH_MARSHALLING
833     // ...
835     return Success;
836   }
838   void CompilerInvocation::GenerateLangArgs(LangOptions *LangOpts,
839                                             SmallVectorImpl<const char *> &Args,
840                                             StringAllocator SA) {
841   #define LANG_OPTION_WITH_MARSHALLING(                                          \
842       PREFIX_TYPE, NAME, ID, KIND, GROUP, ALIAS, ALIASARGS, FLAGS, PARAM,        \
843       HELPTEXT, METAVAR, VALUES, SPELLING, SHOULD_PARSE, ALWAYS_EMIT, KEYPATH,   \
844       DEFAULT_VALUE, IMPLIED_CHECK, IMPLIED_VALUE, NORMALIZER, DENORMALIZER,     \
845       MERGER, EXTRACTOR, TABLE_INDEX)                                            \
846     GENERATE_OPTION_WITH_MARSHALLING(                                            \
847         Args, SA, KIND, FLAGS, SPELLING, ALWAYS_EMIT, KEYPATH, DEFAULT_VALUE,    \
848         IMPLIED_CHECK, IMPLIED_VALUE, DENORMALIZER, EXTRACTOR, TABLE_INDEX)
849   #include "clang/Driver/Options.inc"
850   #undef LANG_OPTION_WITH_MARSHALLING
852     // ...
853   }
855 The ``PARSE_OPTION_WITH_MARSHALLING`` and ``GENERATE_OPTION_WITH_MARSHALLING``
856 macros are defined in ``CompilerInvocation.cpp`` and they implement the generic
857 algorithm for parsing and generating command line arguments.
859 .. _OptionMarshallingAnnotations:
861 Option Marshalling Annotations
862 ------------------------------
864 How does the tablegen backend know what to put in place of ``[...]`` in the
865 generated ``Options.inc``? This is specified by the ``Marshalling`` utilities
866 described below. All of them take a key path argument and possibly other
867 information required for parsing or generating the command line argument.
869 **Note:** The marshalling infrastructure is not intended for driver-only
870 options. Only options of the ``-cc1`` frontend need to be marshalled to/from
871 ``CompilerInvocation`` instance.
873 **Positive Flag**
875 The key path defaults to ``false`` and is set to ``true`` when the flag is
876 present on command line.
878 .. code-block:: text
880   def fignore_exceptions : Flag<["-"], "fignore-exceptions">,
881     Visibility<[ClangOption, CC1Option]>,
882     MarshallingInfoFlag<LangOpts<"IgnoreExceptions">>;
884 **Negative Flag**
886 The key path defaults to ``true`` and is set to ``false`` when the flag is
887 present on command line.
889 .. code-block:: text
891   def fno_verbose_asm : Flag<["-"], "fno-verbose-asm">,
892     Visibility<[ClangOption, CC1Option]>,
893     MarshallingInfoNegativeFlag<CodeGenOpts<"AsmVerbose">>;
895 **Negative and Positive Flag**
897 The key path defaults to the specified value (``false``, ``true`` or some
898 boolean value that's statically unknown in the tablegen file). Then, the key
899 path is set to the value associated with the flag that appears last on command
900 line.
902 .. code-block:: text
904   defm legacy_pass_manager : BoolOption<"f", "legacy-pass-manager",
905     CodeGenOpts<"LegacyPassManager">, DefaultFalse,
906     PosFlag<SetTrue, [], [], "Use the legacy pass manager in LLVM">,
907     NegFlag<SetFalse, [], [], "Use the new pass manager in LLVM">,
908     BothFlags<[], [ClangOption, CC1Option]>>;
910 With most such pair of flags, the ``-cc1`` frontend accepts only the flag that
911 changes the default key path value. The Clang driver is responsible for
912 accepting both and either forwarding the changing flag or discarding the flag
913 that would just set the key path to its default.
915 The first argument to ``BoolOption`` is a prefix that is used to construct the
916 full names of both flags. The positive flag would then be named
917 ``flegacy-pass-manager`` and the negative ``fno-legacy-pass-manager``.
918 ``BoolOption`` also implies the ``-`` prefix for both flags. It's also possible
919 to use ``BoolFOption`` that implies the ``"f"`` prefix and ``Group<f_Group>``.
920 The ``PosFlag`` and ``NegFlag`` classes hold the associated boolean value,
921 arrays of elements passed to the ``Flag`` and ``Visibility`` classes and the
922 help text. The optional ``BothFlags`` class holds arrays of ``Flag`` and
923 ``Visibility`` elements that are common for both the positive and negative flag
924 and their common help text suffix.
926 **String**
928 The key path defaults to the specified string, or an empty one, if omitted. When
929 the option appears on the command line, the argument value is simply copied.
931 .. code-block:: text
933   def isysroot : JoinedOrSeparate<["-"], "isysroot">,
934     Visibility<[ClangOption, CC1Option]>,
935     MarshallingInfoString<HeaderSearchOpts<"Sysroot">, [{"/"}]>;
937 **List of Strings**
939 The key path defaults to an empty ``std::vector<std::string>``. Values specified
940 with each appearance of the option on the command line are appended to the
941 vector.
943 .. code-block:: text
945   def frewrite_map_file : Separate<["-"], "frewrite-map-file">,
946     Visibility<[ClangOption, CC1Option]>,
947     MarshallingInfoStringVector<CodeGenOpts<"RewriteMapFiles">>;
949 **Integer**
951 The key path defaults to the specified integer value, or ``0`` if omitted. When
952 the option appears on the command line, its value gets parsed by ``llvm::APInt``
953 and the result is assigned to the key path on success.
955 .. code-block:: text
957   def mstack_probe_size : Joined<["-"], "mstack-probe-size=">,
958     Visibility<[ClangOption, CC1Option]>,
959     MarshallingInfoInt<CodeGenOpts<"StackProbeSize">, "4096">;
961 **Enumeration**
963 The key path defaults to the value specified in ``MarshallingInfoEnum`` prefixed
964 by the contents of ``NormalizedValuesScope`` and ``::``. This ensures correct
965 reference to an enum case is formed even if the enum resides in different
966 namespace or is an enum class. If the value present on command line does not
967 match any of the comma-separated values from ``Values``, an error diagnostics is
968 issued. Otherwise, the corresponding element from ``NormalizedValues`` at the
969 same index is assigned to the key path (also correctly scoped). The number of
970 comma-separated string values and elements of the array within
971 ``NormalizedValues`` must match.
973 .. code-block:: text
975   def mthread_model : Separate<["-"], "mthread-model">,
976     Visibility<[ClangOption, CC1Option]>,
977     Values<"posix,single">, NormalizedValues<["POSIX", "Single"]>,
978     NormalizedValuesScope<"LangOptions::ThreadModelKind">,
979     MarshallingInfoEnum<LangOpts<"ThreadModel">, "POSIX">;
982   Intentionally omitting MarshallingInfoBitfieldFlag. It's adding some
983   complexity to the marshalling infrastructure and might be removed.
985 It is also possible to define relationships between options.
987 **Implication**
989 The key path defaults to the default value from the primary ``Marshalling``
990 annotation. Then, if any of the elements of ``ImpliedByAnyOf`` evaluate to true,
991 the key path value is changed to the specified value or ``true`` if missing.
992 Finally, the command line is parsed according to the primary annotation.
994 .. code-block:: text
996   def fms_extensions : Flag<["-"], "fms-extensions">,
997     Visibility<[ClangOption, CC1Option]>,
998     MarshallingInfoFlag<LangOpts<"MicrosoftExt">>,
999     ImpliedByAnyOf<[fms_compatibility.KeyPath], "true">;
1001 **Condition**
1003 The option is parsed only if the expression in ``ShouldParseIf`` evaluates to
1004 true.
1006 .. code-block:: text
1008   def fopenmp_enable_irbuilder : Flag<["-"], "fopenmp-enable-irbuilder">,
1009     Visibility<[ClangOption, CC1Option]>,
1010     MarshallingInfoFlag<LangOpts<"OpenMPIRBuilder">>,
1011     ShouldParseIf<fopenmp.KeyPath>;
1013 The Lexer and Preprocessor Library
1014 ==================================
1016 The Lexer library contains several tightly-connected classes that are involved
1017 with the nasty process of lexing and preprocessing C source code.  The main
1018 interface to this library for outside clients is the large ``Preprocessor``
1019 class.  It contains the various pieces of state that are required to coherently
1020 read tokens out of a translation unit.
1022 The core interface to the ``Preprocessor`` object (once it is set up) is the
1023 ``Preprocessor::Lex`` method, which returns the next :ref:`Token <Token>` from
1024 the preprocessor stream.  There are two types of token providers that the
1025 preprocessor is capable of reading from: a buffer lexer (provided by the
1026 :ref:`Lexer <Lexer>` class) and a buffered token stream (provided by the
1027 :ref:`TokenLexer <TokenLexer>` class).
1029 .. _Token:
1031 The Token class
1032 ---------------
1034 The ``Token`` class is used to represent a single lexed token.  Tokens are
1035 intended to be used by the lexer/preprocess and parser libraries, but are not
1036 intended to live beyond them (for example, they should not live in the ASTs).
1038 Tokens most often live on the stack (or some other location that is efficient
1039 to access) as the parser is running, but occasionally do get buffered up.  For
1040 example, macro definitions are stored as a series of tokens, and the C++
1041 front-end periodically needs to buffer tokens up for tentative parsing and
1042 various pieces of look-ahead.  As such, the size of a ``Token`` matters.  On a
1043 32-bit system, ``sizeof(Token)`` is currently 16 bytes.
1045 Tokens occur in two forms: :ref:`annotation tokens <AnnotationToken>` and
1046 normal tokens.  Normal tokens are those returned by the lexer, annotation
1047 tokens represent semantic information and are produced by the parser, replacing
1048 normal tokens in the token stream.  Normal tokens contain the following
1049 information:
1051 * **A SourceLocation** --- This indicates the location of the start of the
1052   token.
1054 * **A length** --- This stores the length of the token as stored in the
1055   ``SourceBuffer``.  For tokens that include them, this length includes
1056   trigraphs and escaped newlines which are ignored by later phases of the
1057   compiler.  By pointing into the original source buffer, it is always possible
1058   to get the original spelling of a token completely accurately.
1060 * **IdentifierInfo** --- If a token takes the form of an identifier, and if
1061   identifier lookup was enabled when the token was lexed (e.g., the lexer was
1062   not reading in "raw" mode) this contains a pointer to the unique hash value
1063   for the identifier.  Because the lookup happens before keyword
1064   identification, this field is set even for language keywords like "``for``".
1066 * **TokenKind** --- This indicates the kind of token as classified by the
1067   lexer.  This includes things like ``tok::starequal`` (for the "``*=``"
1068   operator), ``tok::ampamp`` for the "``&&``" token, and keyword values (e.g.,
1069   ``tok::kw_for``) for identifiers that correspond to keywords.  Note that
1070   some tokens can be spelled multiple ways.  For example, C++ supports
1071   "operator keywords", where things like "``and``" are treated exactly like the
1072   "``&&``" operator.  In these cases, the kind value is set to ``tok::ampamp``,
1073   which is good for the parser, which doesn't have to consider both forms.  For
1074   something that cares about which form is used (e.g., the preprocessor
1075   "stringize" operator) the spelling indicates the original form.
1077 * **Flags** --- There are currently four flags tracked by the
1078   lexer/preprocessor system on a per-token basis:
1080   #. **StartOfLine** --- This was the first token that occurred on its input
1081      source line.
1082   #. **LeadingSpace** --- There was a space character either immediately before
1083      the token or transitively before the token as it was expanded through a
1084      macro.  The definition of this flag is very closely defined by the
1085      stringizing requirements of the preprocessor.
1086   #. **DisableExpand** --- This flag is used internally to the preprocessor to
1087      represent identifier tokens which have macro expansion disabled.  This
1088      prevents them from being considered as candidates for macro expansion ever
1089      in the future.
1090   #. **NeedsCleaning** --- This flag is set if the original spelling for the
1091      token includes a trigraph or escaped newline.  Since this is uncommon,
1092      many pieces of code can fast-path on tokens that did not need cleaning.
1094 One interesting (and somewhat unusual) aspect of normal tokens is that they
1095 don't contain any semantic information about the lexed value.  For example, if
1096 the token was a pp-number token, we do not represent the value of the number
1097 that was lexed (this is left for later pieces of code to decide).
1098 Additionally, the lexer library has no notion of typedef names vs variable
1099 names: both are returned as identifiers, and the parser is left to decide
1100 whether a specific identifier is a typedef or a variable (tracking this
1101 requires scope information among other things).  The parser can do this
1102 translation by replacing tokens returned by the preprocessor with "Annotation
1103 Tokens".
1105 .. _AnnotationToken:
1107 Annotation Tokens
1108 -----------------
1110 Annotation tokens are tokens that are synthesized by the parser and injected
1111 into the preprocessor's token stream (replacing existing tokens) to record
1112 semantic information found by the parser.  For example, if "``foo``" is found
1113 to be a typedef, the "``foo``" ``tok::identifier`` token is replaced with an
1114 ``tok::annot_typename``.  This is useful for a couple of reasons: 1) this makes
1115 it easy to handle qualified type names (e.g., "``foo::bar::baz<42>::t``") in
1116 C++ as a single "token" in the parser.  2) if the parser backtracks, the
1117 reparse does not need to redo semantic analysis to determine whether a token
1118 sequence is a variable, type, template, etc.
1120 Annotation tokens are created by the parser and reinjected into the parser's
1121 token stream (when backtracking is enabled).  Because they can only exist in
1122 tokens that the preprocessor-proper is done with, it doesn't need to keep
1123 around flags like "start of line" that the preprocessor uses to do its job.
1124 Additionally, an annotation token may "cover" a sequence of preprocessor tokens
1125 (e.g., "``a::b::c``" is five preprocessor tokens).  As such, the valid fields
1126 of an annotation token are different than the fields for a normal token (but
1127 they are multiplexed into the normal ``Token`` fields):
1129 * **SourceLocation "Location"** --- The ``SourceLocation`` for the annotation
1130   token indicates the first token replaced by the annotation token.  In the
1131   example above, it would be the location of the "``a``" identifier.
1132 * **SourceLocation "AnnotationEndLoc"** --- This holds the location of the last
1133   token replaced with the annotation token.  In the example above, it would be
1134   the location of the "``c``" identifier.
1135 * **void* "AnnotationValue"** --- This contains an opaque object that the
1136   parser gets from ``Sema``.  The parser merely preserves the information for
1137   ``Sema`` to later interpret based on the annotation token kind.
1138 * **TokenKind "Kind"** --- This indicates the kind of Annotation token this is.
1139   See below for the different valid kinds.
1141 Annotation tokens currently come in three kinds:
1143 #. **tok::annot_typename**: This annotation token represents a resolved
1144    typename token that is potentially qualified.  The ``AnnotationValue`` field
1145    contains the ``QualType`` returned by ``Sema::getTypeName()``, possibly with
1146    source location information attached.
1147 #. **tok::annot_cxxscope**: This annotation token represents a C++ scope
1148    specifier, such as "``A::B::``".  This corresponds to the grammar
1149    productions "*::*" and "*:: [opt] nested-name-specifier*".  The
1150    ``AnnotationValue`` pointer is a ``NestedNameSpecifier *`` returned by the
1151    ``Sema::ActOnCXXGlobalScopeSpecifier`` and
1152    ``Sema::ActOnCXXNestedNameSpecifier`` callbacks.
1153 #. **tok::annot_template_id**: This annotation token represents a C++
1154    template-id such as "``foo<int, 4>``", where "``foo``" is the name of a
1155    template.  The ``AnnotationValue`` pointer is a pointer to a ``malloc``'d
1156    ``TemplateIdAnnotation`` object.  Depending on the context, a parsed
1157    template-id that names a type might become a typename annotation token (if
1158    all we care about is the named type, e.g., because it occurs in a type
1159    specifier) or might remain a template-id token (if we want to retain more
1160    source location information or produce a new type, e.g., in a declaration of
1161    a class template specialization).  template-id annotation tokens that refer
1162    to a type can be "upgraded" to typename annotation tokens by the parser.
1164 As mentioned above, annotation tokens are not returned by the preprocessor,
1165 they are formed on demand by the parser.  This means that the parser has to be
1166 aware of cases where an annotation could occur and form it where appropriate.
1167 This is somewhat similar to how the parser handles Translation Phase 6 of C99:
1168 String Concatenation (see C99 5.1.1.2).  In the case of string concatenation,
1169 the preprocessor just returns distinct ``tok::string_literal`` and
1170 ``tok::wide_string_literal`` tokens and the parser eats a sequence of them
1171 wherever the grammar indicates that a string literal can occur.
1173 In order to do this, whenever the parser expects a ``tok::identifier`` or
1174 ``tok::coloncolon``, it should call the ``TryAnnotateTypeOrScopeToken`` or
1175 ``TryAnnotateCXXScopeToken`` methods to form the annotation token.  These
1176 methods will maximally form the specified annotation tokens and replace the
1177 current token with them, if applicable.  If the current tokens is not valid for
1178 an annotation token, it will remain an identifier or "``::``" token.
1180 .. _Lexer:
1182 The ``Lexer`` class
1183 -------------------
1185 The ``Lexer`` class provides the mechanics of lexing tokens out of a source
1186 buffer and deciding what they mean.  The ``Lexer`` is complicated by the fact
1187 that it operates on raw buffers that have not had spelling eliminated (this is
1188 a necessity to get decent performance), but this is countered with careful
1189 coding as well as standard performance techniques (for example, the comment
1190 handling code is vectorized on X86 and PowerPC hosts).
1192 The lexer has a couple of interesting modal features:
1194 * The lexer can operate in "raw" mode.  This mode has several features that
1195   make it possible to quickly lex the file (e.g., it stops identifier lookup,
1196   doesn't specially handle preprocessor tokens, handles EOF differently, etc).
1197   This mode is used for lexing within an "``#if 0``" block, for example.
1198 * The lexer can capture and return comments as tokens.  This is required to
1199   support the ``-C`` preprocessor mode, which passes comments through, and is
1200   used by the diagnostic checker to identifier expect-error annotations.
1201 * The lexer can be in ``ParsingFilename`` mode, which happens when
1202   preprocessing after reading a ``#include`` directive.  This mode changes the
1203   parsing of "``<``" to return an "angled string" instead of a bunch of tokens
1204   for each thing within the filename.
1205 * When parsing a preprocessor directive (after "``#``") the
1206   ``ParsingPreprocessorDirective`` mode is entered.  This changes the parser to
1207   return EOD at a newline.
1208 * The ``Lexer`` uses a ``LangOptions`` object to know whether trigraphs are
1209   enabled, whether C++ or ObjC keywords are recognized, etc.
1211 In addition to these modes, the lexer keeps track of a couple of other features
1212 that are local to a lexed buffer, which change as the buffer is lexed:
1214 * The ``Lexer`` uses ``BufferPtr`` to keep track of the current character being
1215   lexed.
1216 * The ``Lexer`` uses ``IsAtStartOfLine`` to keep track of whether the next
1217   lexed token will start with its "start of line" bit set.
1218 * The ``Lexer`` keeps track of the current "``#if``" directives that are active
1219   (which can be nested).
1220 * The ``Lexer`` keeps track of an :ref:`MultipleIncludeOpt
1221   <MultipleIncludeOpt>` object, which is used to detect whether the buffer uses
1222   the standard "``#ifndef XX`` / ``#define XX``" idiom to prevent multiple
1223   inclusion.  If a buffer does, subsequent includes can be ignored if the
1224   "``XX``" macro is defined.
1226 .. _TokenLexer:
1228 The ``TokenLexer`` class
1229 ------------------------
1231 The ``TokenLexer`` class is a token provider that returns tokens from a list of
1232 tokens that came from somewhere else.  It typically used for two things: 1)
1233 returning tokens from a macro definition as it is being expanded 2) returning
1234 tokens from an arbitrary buffer of tokens.  The later use is used by
1235 ``_Pragma`` and will most likely be used to handle unbounded look-ahead for the
1236 C++ parser.
1238 .. _MultipleIncludeOpt:
1240 The ``MultipleIncludeOpt`` class
1241 --------------------------------
1243 The ``MultipleIncludeOpt`` class implements a really simple little state
1244 machine that is used to detect the standard "``#ifndef XX`` / ``#define XX``"
1245 idiom that people typically use to prevent multiple inclusion of headers.  If a
1246 buffer uses this idiom and is subsequently ``#include``'d, the preprocessor can
1247 simply check to see whether the guarding condition is defined or not.  If so,
1248 the preprocessor can completely ignore the include of the header.
1250 .. _Parser:
1252 The Parser Library
1253 ==================
1255 This library contains a recursive-descent parser that polls tokens from the
1256 preprocessor and notifies a client of the parsing progress.
1258 Historically, the parser used to talk to an abstract ``Action`` interface that
1259 had virtual methods for parse events, for example ``ActOnBinOp()``.  When Clang
1260 grew C++ support, the parser stopped supporting general ``Action`` clients --
1261 it now always talks to the :ref:`Sema library <Sema>`.  However, the Parser
1262 still accesses AST objects only through opaque types like ``ExprResult`` and
1263 ``StmtResult``.  Only :ref:`Sema <Sema>` looks at the AST node contents of these
1264 wrappers.
1266 .. _AST:
1268 The AST Library
1269 ===============
1271 .. _ASTPhilosophy:
1273 Design philosophy
1274 -----------------
1276 Immutability
1277 ^^^^^^^^^^^^
1279 Clang AST nodes (types, declarations, statements, expressions, and so on) are
1280 generally designed to be immutable once created. This provides a number of key
1281 benefits:
1283   * Canonicalization of the "meaning" of nodes is possible as soon as the nodes
1284     are created, and is not invalidated by later addition of more information.
1285     For example, we :ref:`canonicalize types <CanonicalType>`, and use a
1286     canonicalized representation of expressions when determining whether two
1287     function template declarations involving dependent expressions declare the
1288     same entity.
1289   * AST nodes can be reused when they have the same meaning. For example, we
1290     reuse ``Type`` nodes when representing the same type (but maintain separate
1291     ``TypeLoc``\s for each instance where a type is written), and we reuse
1292     non-dependent ``Stmt`` and ``Expr`` nodes across instantiations of a
1293     template.
1294   * Serialization and deserialization of the AST to/from AST files is simpler:
1295     we do not need to track modifications made to AST nodes imported from AST
1296     files and serialize separate "update records".
1298 There are unfortunately exceptions to this general approach, such as:
1300   * The first declaration of a redeclarable entity maintains a pointer to the
1301     most recent declaration of that entity, which naturally needs to change as
1302     more declarations are parsed.
1303   * Name lookup tables in declaration contexts change after the namespace
1304     declaration is formed.
1305   * We attempt to maintain only a single declaration for an instantiation of a
1306     template, rather than having distinct declarations for an instantiation of
1307     the declaration versus the definition, so template instantiation often
1308     updates parts of existing declarations.
1309   * Some parts of declarations are required to be instantiated separately (this
1310     includes default arguments and exception specifications), and such
1311     instantiations update the existing declaration.
1313 These cases tend to be fragile; mutable AST state should be avoided where
1314 possible.
1316 As a consequence of this design principle, we typically do not provide setters
1317 for AST state. (Some are provided for short-term modifications intended to be
1318 used immediately after an AST node is created and before it's "published" as
1319 part of the complete AST, or where language semantics require after-the-fact
1320 updates.)
1322 Faithfulness
1323 ^^^^^^^^^^^^
1325 The AST intends to provide a representation of the program that is faithful to
1326 the original source. We intend for it to be possible to write refactoring tools
1327 using only information stored in, or easily reconstructible from, the Clang AST.
1328 This means that the AST representation should either not desugar source-level
1329 constructs to simpler forms, or -- where made necessary by language semantics
1330 or a clear engineering tradeoff -- should desugar minimally and wrap the result
1331 in a construct representing the original source form.
1333 For example, ``CXXForRangeStmt`` directly represents the syntactic form of a
1334 range-based for statement, but also holds a semantic representation of the
1335 range declaration and iterator declarations. It does not contain a
1336 fully-desugared ``ForStmt``, however.
1338 Some AST nodes (for example, ``ParenExpr``) represent only syntax, and others
1339 (for example, ``ImplicitCastExpr``) represent only semantics, but most nodes
1340 will represent a combination of syntax and associated semantics. Inheritance
1341 is typically used when representing different (but related) syntaxes for nodes
1342 with the same or similar semantics.
1344 .. _Type:
1346 The ``Type`` class and its subclasses
1347 -------------------------------------
1349 The ``Type`` class (and its subclasses) are an important part of the AST.
1350 Types are accessed through the ``ASTContext`` class, which implicitly creates
1351 and uniques them as they are needed.  Types have a couple of non-obvious
1352 features: 1) they do not capture type qualifiers like ``const`` or ``volatile``
1353 (see :ref:`QualType <QualType>`), and 2) they implicitly capture typedef
1354 information.  Once created, types are immutable (unlike decls).
1356 Typedefs in C make semantic analysis a bit more complex than it would be without
1357 them.  The issue is that we want to capture typedef information and represent it
1358 in the AST perfectly, but the semantics of operations need to "see through"
1359 typedefs.  For example, consider this code:
1361 .. code-block:: c++
1363   void func() {
1364     typedef int foo;
1365     foo X, *Y;
1366     typedef foo *bar;
1367     bar Z;
1368     *X; // error
1369     **Y; // error
1370     **Z; // error
1371   }
1373 The code above is illegal, and thus we expect there to be diagnostics emitted
1374 on the annotated lines.  In this example, we expect to get:
1376 .. code-block:: text
1378   test.c:6:1: error: indirection requires pointer operand ('foo' invalid)
1379     *X; // error
1380     ^~
1381   test.c:7:1: error: indirection requires pointer operand ('foo' invalid)
1382     **Y; // error
1383     ^~~
1384   test.c:8:1: error: indirection requires pointer operand ('foo' invalid)
1385     **Z; // error
1386     ^~~
1388 While this example is somewhat silly, it illustrates the point: we want to
1389 retain typedef information where possible, so that we can emit errors about
1390 "``std::string``" instead of "``std::basic_string<char, std:...``".  Doing this
1391 requires properly keeping typedef information (for example, the type of ``X``
1392 is "``foo``", not "``int``"), and requires properly propagating it through the
1393 various operators (for example, the type of ``*Y`` is "``foo``", not
1394 "``int``").  In order to retain this information, the type of these expressions
1395 is an instance of the ``TypedefType`` class, which indicates that the type of
1396 these expressions is a typedef for "``foo``".
1398 Representing types like this is great for diagnostics, because the
1399 user-specified type is always immediately available.  There are two problems
1400 with this: first, various semantic checks need to make judgements about the
1401 *actual structure* of a type, ignoring typedefs.  Second, we need an efficient
1402 way to query whether two types are structurally identical to each other,
1403 ignoring typedefs.  The solution to both of these problems is the idea of
1404 canonical types.
1406 .. _CanonicalType:
1408 Canonical Types
1409 ^^^^^^^^^^^^^^^
1411 Every instance of the ``Type`` class contains a canonical type pointer.  For
1412 simple types with no typedefs involved (e.g., "``int``", "``int*``",
1413 "``int**``"), the type just points to itself.  For types that have a typedef
1414 somewhere in their structure (e.g., "``foo``", "``foo*``", "``foo**``",
1415 "``bar``"), the canonical type pointer points to their structurally equivalent
1416 type without any typedefs (e.g., "``int``", "``int*``", "``int**``", and
1417 "``int*``" respectively).
1419 This design provides a constant time operation (dereferencing the canonical type
1420 pointer) that gives us access to the structure of types.  For example, we can
1421 trivially tell that "``bar``" and "``foo*``" are the same type by dereferencing
1422 their canonical type pointers and doing a pointer comparison (they both point
1423 to the single "``int*``" type).
1425 Canonical types and typedef types bring up some complexities that must be
1426 carefully managed.  Specifically, the ``isa``/``cast``/``dyn_cast`` operators
1427 generally shouldn't be used in code that is inspecting the AST.  For example,
1428 when type checking the indirection operator (unary "``*``" on a pointer), the
1429 type checker must verify that the operand has a pointer type.  It would not be
1430 correct to check that with "``isa<PointerType>(SubExpr->getType())``", because
1431 this predicate would fail if the subexpression had a typedef type.
1433 The solution to this problem are a set of helper methods on ``Type``, used to
1434 check their properties.  In this case, it would be correct to use
1435 "``SubExpr->getType()->isPointerType()``" to do the check.  This predicate will
1436 return true if the *canonical type is a pointer*, which is true any time the
1437 type is structurally a pointer type.  The only hard part here is remembering
1438 not to use the ``isa``/``cast``/``dyn_cast`` operations.
1440 The second problem we face is how to get access to the pointer type once we
1441 know it exists.  To continue the example, the result type of the indirection
1442 operator is the pointee type of the subexpression.  In order to determine the
1443 type, we need to get the instance of ``PointerType`` that best captures the
1444 typedef information in the program.  If the type of the expression is literally
1445 a ``PointerType``, we can return that, otherwise we have to dig through the
1446 typedefs to find the pointer type.  For example, if the subexpression had type
1447 "``foo*``", we could return that type as the result.  If the subexpression had
1448 type "``bar``", we want to return "``foo*``" (note that we do *not* want
1449 "``int*``").  In order to provide all of this, ``Type`` has a
1450 ``getAsPointerType()`` method that checks whether the type is structurally a
1451 ``PointerType`` and, if so, returns the best one.  If not, it returns a null
1452 pointer.
1454 This structure is somewhat mystical, but after meditating on it, it will make
1455 sense to you :).
1457 .. _QualType:
1459 The ``QualType`` class
1460 ----------------------
1462 The ``QualType`` class is designed as a trivial value class that is small,
1463 passed by-value and is efficient to query.  The idea of ``QualType`` is that it
1464 stores the type qualifiers (``const``, ``volatile``, ``restrict``, plus some
1465 extended qualifiers required by language extensions) separately from the types
1466 themselves.  ``QualType`` is conceptually a pair of "``Type*``" and the bits
1467 for these type qualifiers.
1469 By storing the type qualifiers as bits in the conceptual pair, it is extremely
1470 efficient to get the set of qualifiers on a ``QualType`` (just return the field
1471 of the pair), add a type qualifier (which is a trivial constant-time operation
1472 that sets a bit), and remove one or more type qualifiers (just return a
1473 ``QualType`` with the bitfield set to empty).
1475 Further, because the bits are stored outside of the type itself, we do not need
1476 to create duplicates of types with different sets of qualifiers (i.e. there is
1477 only a single heap allocated "``int``" type: "``const int``" and "``volatile
1478 const int``" both point to the same heap allocated "``int``" type).  This
1479 reduces the heap size used to represent bits and also means we do not have to
1480 consider qualifiers when uniquing types (:ref:`Type <Type>` does not even
1481 contain qualifiers).
1483 In practice, the two most common type qualifiers (``const`` and ``restrict``)
1484 are stored in the low bits of the pointer to the ``Type`` object, together with
1485 a flag indicating whether extended qualifiers are present (which must be
1486 heap-allocated).  This means that ``QualType`` is exactly the same size as a
1487 pointer.
1489 .. _DeclarationName:
1491 Declaration names
1492 -----------------
1494 The ``DeclarationName`` class represents the name of a declaration in Clang.
1495 Declarations in the C family of languages can take several different forms.
1496 Most declarations are named by simple identifiers, e.g., "``f``" and "``x``" in
1497 the function declaration ``f(int x)``.  In C++, declaration names can also name
1498 class constructors ("``Class``" in ``struct Class { Class(); }``), class
1499 destructors ("``~Class``"), overloaded operator names ("``operator+``"), and
1500 conversion functions ("``operator void const *``").  In Objective-C,
1501 declaration names can refer to the names of Objective-C methods, which involve
1502 the method name and the parameters, collectively called a *selector*, e.g.,
1503 "``setWidth:height:``".  Since all of these kinds of entities --- variables,
1504 functions, Objective-C methods, C++ constructors, destructors, and operators
1505 --- are represented as subclasses of Clang's common ``NamedDecl`` class,
1506 ``DeclarationName`` is designed to efficiently represent any kind of name.
1508 Given a ``DeclarationName`` ``N``, ``N.getNameKind()`` will produce a value
1509 that describes what kind of name ``N`` stores.  There are 10 options (all of
1510 the names are inside the ``DeclarationName`` class).
1512 ``Identifier``
1514   The name is a simple identifier.  Use ``N.getAsIdentifierInfo()`` to retrieve
1515   the corresponding ``IdentifierInfo*`` pointing to the actual identifier.
1517 ``ObjCZeroArgSelector``, ``ObjCOneArgSelector``, ``ObjCMultiArgSelector``
1519   The name is an Objective-C selector, which can be retrieved as a ``Selector``
1520   instance via ``N.getObjCSelector()``.  The three possible name kinds for
1521   Objective-C reflect an optimization within the ``DeclarationName`` class:
1522   both zero- and one-argument selectors are stored as a masked
1523   ``IdentifierInfo`` pointer, and therefore require very little space, since
1524   zero- and one-argument selectors are far more common than multi-argument
1525   selectors (which use a different structure).
1527 ``CXXConstructorName``
1529   The name is a C++ constructor name.  Use ``N.getCXXNameType()`` to retrieve
1530   the :ref:`type <QualType>` that this constructor is meant to construct.  The
1531   type is always the canonical type, since all constructors for a given type
1532   have the same name.
1534 ``CXXDestructorName``
1536   The name is a C++ destructor name.  Use ``N.getCXXNameType()`` to retrieve
1537   the :ref:`type <QualType>` whose destructor is being named.  This type is
1538   always a canonical type.
1540 ``CXXConversionFunctionName``
1542   The name is a C++ conversion function.  Conversion functions are named
1543   according to the type they convert to, e.g., "``operator void const *``".
1544   Use ``N.getCXXNameType()`` to retrieve the type that this conversion function
1545   converts to.  This type is always a canonical type.
1547 ``CXXOperatorName``
1549   The name is a C++ overloaded operator name.  Overloaded operators are named
1550   according to their spelling, e.g., "``operator+``" or "``operator new []``".
1551   Use ``N.getCXXOverloadedOperator()`` to retrieve the overloaded operator (a
1552   value of type ``OverloadedOperatorKind``).
1554 ``CXXLiteralOperatorName``
1556   The name is a C++11 user defined literal operator.  User defined
1557   Literal operators are named according to the suffix they define,
1558   e.g., "``_foo``" for "``operator "" _foo``".  Use
1559   ``N.getCXXLiteralIdentifier()`` to retrieve the corresponding
1560   ``IdentifierInfo*`` pointing to the identifier.
1562 ``CXXUsingDirective``
1564   The name is a C++ using directive.  Using directives are not really
1565   NamedDecls, in that they all have the same name, but they are
1566   implemented as such in order to store them in DeclContext
1567   effectively.
1569 ``DeclarationName``\ s are cheap to create, copy, and compare.  They require
1570 only a single pointer's worth of storage in the common cases (identifiers,
1571 zero- and one-argument Objective-C selectors) and use dense, uniqued storage
1572 for the other kinds of names.  Two ``DeclarationName``\ s can be compared for
1573 equality (``==``, ``!=``) using a simple bitwise comparison, can be ordered
1574 with ``<``, ``>``, ``<=``, and ``>=`` (which provide a lexicographical ordering
1575 for normal identifiers but an unspecified ordering for other kinds of names),
1576 and can be placed into LLVM ``DenseMap``\ s and ``DenseSet``\ s.
1578 ``DeclarationName`` instances can be created in different ways depending on
1579 what kind of name the instance will store.  Normal identifiers
1580 (``IdentifierInfo`` pointers) and Objective-C selectors (``Selector``) can be
1581 implicitly converted to ``DeclarationNames``.  Names for C++ constructors,
1582 destructors, conversion functions, and overloaded operators can be retrieved
1583 from the ``DeclarationNameTable``, an instance of which is available as
1584 ``ASTContext::DeclarationNames``.  The member functions
1585 ``getCXXConstructorName``, ``getCXXDestructorName``,
1586 ``getCXXConversionFunctionName``, and ``getCXXOperatorName``, respectively,
1587 return ``DeclarationName`` instances for the four kinds of C++ special function
1588 names.
1590 .. _DeclContext:
1592 Declaration contexts
1593 --------------------
1595 Every declaration in a program exists within some *declaration context*, such
1596 as a translation unit, namespace, class, or function.  Declaration contexts in
1597 Clang are represented by the ``DeclContext`` class, from which the various
1598 declaration-context AST nodes (``TranslationUnitDecl``, ``NamespaceDecl``,
1599 ``RecordDecl``, ``FunctionDecl``, etc.) will derive.  The ``DeclContext`` class
1600 provides several facilities common to each declaration context:
1602 Source-centric vs. Semantics-centric View of Declarations
1604   ``DeclContext`` provides two views of the declarations stored within a
1605   declaration context.  The source-centric view accurately represents the
1606   program source code as written, including multiple declarations of entities
1607   where present (see the section :ref:`Redeclarations and Overloads
1608   <Redeclarations>`), while the semantics-centric view represents the program
1609   semantics.  The two views are kept synchronized by semantic analysis while
1610   the ASTs are being constructed.
1612 Storage of declarations within that context
1614   Every declaration context can contain some number of declarations.  For
1615   example, a C++ class (represented by ``RecordDecl``) contains various member
1616   functions, fields, nested types, and so on.  All of these declarations will
1617   be stored within the ``DeclContext``, and one can iterate over the
1618   declarations via [``DeclContext::decls_begin()``,
1619   ``DeclContext::decls_end()``).  This mechanism provides the source-centric
1620   view of declarations in the context.
1622 Lookup of declarations within that context
1624   The ``DeclContext`` structure provides efficient name lookup for names within
1625   that declaration context.  For example, if ``N`` is a namespace we can look
1626   for the name ``N::f`` using ``DeclContext::lookup``.  The lookup itself is
1627   based on a lazily-constructed array (for declaration contexts with a small
1628   number of declarations) or hash table (for declaration contexts with more
1629   declarations).  The lookup operation provides the semantics-centric view of
1630   the declarations in the context.
1632 Ownership of declarations
1634   The ``DeclContext`` owns all of the declarations that were declared within
1635   its declaration context, and is responsible for the management of their
1636   memory as well as their (de-)serialization.
1638 All declarations are stored within a declaration context, and one can query
1639 information about the context in which each declaration lives.  One can
1640 retrieve the ``DeclContext`` that contains a particular ``Decl`` using
1641 ``Decl::getDeclContext``.  However, see the section
1642 :ref:`LexicalAndSemanticContexts` for more information about how to interpret
1643 this context information.
1645 .. _Redeclarations:
1647 Redeclarations and Overloads
1648 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1650 Within a translation unit, it is common for an entity to be declared several
1651 times.  For example, we might declare a function "``f``" and then later
1652 re-declare it as part of an inlined definition:
1654 .. code-block:: c++
1656   void f(int x, int y, int z = 1);
1658   inline void f(int x, int y, int z) { /* ...  */ }
1660 The representation of "``f``" differs in the source-centric and
1661 semantics-centric views of a declaration context.  In the source-centric view,
1662 all redeclarations will be present, in the order they occurred in the source
1663 code, making this view suitable for clients that wish to see the structure of
1664 the source code.  In the semantics-centric view, only the most recent "``f``"
1665 will be found by the lookup, since it effectively replaces the first
1666 declaration of "``f``".
1668 (Note that because ``f`` can be redeclared at block scope, or in a friend
1669 declaration, etc. it is possible that the declaration of ``f`` found by name
1670 lookup will not be the most recent one.)
1672 In the semantics-centric view, overloading of functions is represented
1673 explicitly.  For example, given two declarations of a function "``g``" that are
1674 overloaded, e.g.,
1676 .. code-block:: c++
1678   void g();
1679   void g(int);
1681 the ``DeclContext::lookup`` operation will return a
1682 ``DeclContext::lookup_result`` that contains a range of iterators over
1683 declarations of "``g``".  Clients that perform semantic analysis on a program
1684 that is not concerned with the actual source code will primarily use this
1685 semantics-centric view.
1687 .. _LexicalAndSemanticContexts:
1689 Lexical and Semantic Contexts
1690 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1692 Each declaration has two potentially different declaration contexts: a
1693 *lexical* context, which corresponds to the source-centric view of the
1694 declaration context, and a *semantic* context, which corresponds to the
1695 semantics-centric view.  The lexical context is accessible via
1696 ``Decl::getLexicalDeclContext`` while the semantic context is accessible via
1697 ``Decl::getDeclContext``, both of which return ``DeclContext`` pointers.  For
1698 most declarations, the two contexts are identical.  For example:
1700 .. code-block:: c++
1702   class X {
1703   public:
1704     void f(int x);
1705   };
1707 Here, the semantic and lexical contexts of ``X::f`` are the ``DeclContext``
1708 associated with the class ``X`` (itself stored as a ``RecordDecl`` AST node).
1709 However, we can now define ``X::f`` out-of-line:
1711 .. code-block:: c++
1713   void X::f(int x = 17) { /* ...  */ }
1715 This definition of "``f``" has different lexical and semantic contexts.  The
1716 lexical context corresponds to the declaration context in which the actual
1717 declaration occurred in the source code, e.g., the translation unit containing
1718 ``X``.  Thus, this declaration of ``X::f`` can be found by traversing the
1719 declarations provided by [``decls_begin()``, ``decls_end()``) in the
1720 translation unit.
1722 The semantic context of ``X::f`` corresponds to the class ``X``, since this
1723 member function is (semantically) a member of ``X``.  Lookup of the name ``f``
1724 into the ``DeclContext`` associated with ``X`` will then return the definition
1725 of ``X::f`` (including information about the default argument).
1727 Transparent Declaration Contexts
1728 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1730 In C and C++, there are several contexts in which names that are logically
1731 declared inside another declaration will actually "leak" out into the enclosing
1732 scope from the perspective of name lookup.  The most obvious instance of this
1733 behavior is in enumeration types, e.g.,
1735 .. code-block:: c++
1737   enum Color {
1738     Red,
1739     Green,
1740     Blue
1741   };
1743 Here, ``Color`` is an enumeration, which is a declaration context that contains
1744 the enumerators ``Red``, ``Green``, and ``Blue``.  Thus, traversing the list of
1745 declarations contained in the enumeration ``Color`` will yield ``Red``,
1746 ``Green``, and ``Blue``.  However, outside of the scope of ``Color`` one can
1747 name the enumerator ``Red`` without qualifying the name, e.g.,
1749 .. code-block:: c++
1751   Color c = Red;
1753 There are other entities in C++ that provide similar behavior.  For example,
1754 linkage specifications that use curly braces:
1756 .. code-block:: c++
1758   extern "C" {
1759     void f(int);
1760     void g(int);
1761   }
1762   // f and g are visible here
1764 For source-level accuracy, we treat the linkage specification and enumeration
1765 type as a declaration context in which its enclosed declarations ("``Red``",
1766 "``Green``", and "``Blue``"; "``f``" and "``g``") are declared.  However, these
1767 declarations are visible outside of the scope of the declaration context.
1769 These language features (and several others, described below) have roughly the
1770 same set of requirements: declarations are declared within a particular lexical
1771 context, but the declarations are also found via name lookup in scopes
1772 enclosing the declaration itself.  This feature is implemented via
1773 *transparent* declaration contexts (see
1774 ``DeclContext::isTransparentContext()``), whose declarations are visible in the
1775 nearest enclosing non-transparent declaration context.  This means that the
1776 lexical context of the declaration (e.g., an enumerator) will be the
1777 transparent ``DeclContext`` itself, as will the semantic context, but the
1778 declaration will be visible in every outer context up to and including the
1779 first non-transparent declaration context (since transparent declaration
1780 contexts can be nested).
1782 The transparent ``DeclContext``\ s are:
1784 * Enumerations (but not C++11 "scoped enumerations"):
1786   .. code-block:: c++
1788     enum Color {
1789       Red,
1790       Green,
1791       Blue
1792     };
1793     // Red, Green, and Blue are in scope
1795 * C++ linkage specifications:
1797   .. code-block:: c++
1799     extern "C" {
1800       void f(int);
1801       void g(int);
1802     }
1803     // f and g are in scope
1805 * Anonymous unions and structs:
1807   .. code-block:: c++
1809     struct LookupTable {
1810       bool IsVector;
1811       union {
1812         std::vector<Item> *Vector;
1813         std::set<Item> *Set;
1814       };
1815     };
1817     LookupTable LT;
1818     LT.Vector = 0; // Okay: finds Vector inside the unnamed union
1820 * C++11 inline namespaces:
1822   .. code-block:: c++
1824     namespace mylib {
1825       inline namespace debug {
1826         class X;
1827       }
1828     }
1829     mylib::X *xp; // okay: mylib::X refers to mylib::debug::X
1831 .. _MultiDeclContext:
1833 Multiply-Defined Declaration Contexts
1834 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1836 C++ namespaces have the interesting property that
1837 the namespace can be defined multiple times, and the declarations provided by
1838 each namespace definition are effectively merged (from the semantic point of
1839 view).  For example, the following two code snippets are semantically
1840 indistinguishable:
1842 .. code-block:: c++
1844   // Snippet #1:
1845   namespace N {
1846     void f();
1847   }
1848   namespace N {
1849     void f(int);
1850   }
1852   // Snippet #2:
1853   namespace N {
1854     void f();
1855     void f(int);
1856   }
1858 In Clang's representation, the source-centric view of declaration contexts will
1859 actually have two separate ``NamespaceDecl`` nodes in Snippet #1, each of which
1860 is a declaration context that contains a single declaration of "``f``".
1861 However, the semantics-centric view provided by name lookup into the namespace
1862 ``N`` for "``f``" will return a ``DeclContext::lookup_result`` that contains a
1863 range of iterators over declarations of "``f``".
1865 ``DeclContext`` manages multiply-defined declaration contexts internally.  The
1866 function ``DeclContext::getPrimaryContext`` retrieves the "primary" context for
1867 a given ``DeclContext`` instance, which is the ``DeclContext`` responsible for
1868 maintaining the lookup table used for the semantics-centric view.  Given a
1869 DeclContext, one can obtain the set of declaration contexts that are
1870 semantically connected to this declaration context, in source order, including
1871 this context (which will be the only result, for non-namespace contexts) via
1872 ``DeclContext::collectAllContexts``. Note that these functions are used
1873 internally within the lookup and insertion methods of the ``DeclContext``, so
1874 the vast majority of clients can ignore them.
1876 Because the same entity can be defined multiple times in different modules,
1877 it is also possible for there to be multiple definitions of (for instance)
1878 a ``CXXRecordDecl``, all of which describe a definition of the same class.
1879 In such a case, only one of those "definitions" is considered by Clang to be
1880 the definition of the class, and the others are treated as non-defining
1881 declarations that happen to also contain member declarations. Corresponding
1882 members in each definition of such multiply-defined classes are identified
1883 either by redeclaration chains (if the members are ``Redeclarable``)
1884 or by simply a pointer to the canonical declaration (if the declarations
1885 are not ``Redeclarable`` -- in that case, a ``Mergeable`` base class is used
1886 instead).
1888 Error Handling
1889 --------------
1891 Clang produces an AST even when the code contains errors. Clang won't generate
1892 and optimize code for it, but it's used as parsing continues to detect further
1893 errors in the input. Clang-based tools also depend on such ASTs, and IDEs in
1894 particular benefit from a high-quality AST for broken code.
1896 In presence of errors, clang uses a few error-recovery strategies to present the
1897 broken code in the AST:
1899 - correcting errors: in cases where clang is confident about the fix, it
1900   provides a FixIt attaching to the error diagnostic and emits a corrected AST
1901   (reflecting the written code with FixIts applied). The advantage of that is to
1902   provide more accurate subsequent diagnostics. Typo correction is a typical
1903   example.
1904 - representing invalid node: the invalid node is preserved in the AST in some
1905   form, e.g. when the "declaration" part of the declaration contains semantic
1906   errors, the Decl node is marked as invalid.
1907 - dropping invalid node: this often happens for errors that we don’t have
1908   graceful recovery. Prior to Recovery AST, a mismatched-argument function call
1909   expression was dropped though a CallExpr was created for semantic analysis.
1911 With these strategies, clang surfaces better diagnostics, and provides AST
1912 consumers a rich AST reflecting the written source code as much as possible even
1913 for broken code.
1915 Recovery AST
1916 ^^^^^^^^^^^^
1918 The idea of Recovery AST is to use recovery nodes which act as a placeholder to
1919 maintain the rough structure of the parsing tree, preserve locations and
1920 children but have no language semantics attached to them.
1922 For example, consider the following mismatched function call:
1924 .. code-block:: c++
1926    int NoArg();
1927    void test(int abc) {
1928      NoArg(abc); // oops, mismatched function arguments.
1929    }
1931 Without Recovery AST, the invalid function call expression (and its child
1932 expressions) would be dropped in the AST:
1936     |-FunctionDecl <line:1:1, col:11> NoArg 'int ()'
1937     `-FunctionDecl <line:2:1, line:4:1> test 'void (int)'
1938      |-ParmVarDecl <col:11, col:15> col:15 used abc 'int'
1939      `-CompoundStmt <col:20, line:4:1>
1942 With Recovery AST, the AST looks like:
1946     |-FunctionDecl <line:1:1, col:11> NoArg 'int ()'
1947     `-FunctionDecl <line:2:1, line:4:1> test 'void (int)'
1948       |-ParmVarDecl <col:11, col:15> used abc 'int'
1949       `-CompoundStmt <col:20, line:4:1>
1950         `-RecoveryExpr <line:3:3, col:12> 'int' contains-errors
1951           |-UnresolvedLookupExpr <col:3> '<overloaded function type>' lvalue (ADL) = 'NoArg'
1952           `-DeclRefExpr <col:9> 'int' lvalue ParmVar 'abc' 'int'
1955 An alternative is to use existing Exprs, e.g. CallExpr for the above example.
1956 This would capture more call details (e.g. locations of parentheses) and allow
1957 it to be treated uniformly with valid CallExprs. However, jamming the data we
1958 have into CallExpr forces us to weaken its invariants, e.g. arg count may be
1959 wrong. This would introduce a huge burden on consumers of the AST to handle such
1960 "impossible" cases. So when we're representing (rather than correcting) errors,
1961 we use a distinct recovery node type with extremely weak invariants instead.
1963 ``RecoveryExpr`` is the only recovery node so far. In practice, broken decls
1964 need more detailed semantics preserved (the current ``Invalid`` flag works
1965 fairly well), and completely broken statements with interesting internal
1966 structure are rare (so dropping the statements is OK).
1968 Types and dependence
1969 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1971 ``RecoveryExpr`` is an ``Expr``, so it must have a type. In many cases the true
1972 type can't really be known until the code is corrected (e.g. a call to a
1973 function that doesn't exist). And it means that we can't properly perform type
1974 checks on some containing constructs, such as ``return 42 + unknownFunction()``.
1976 To model this, we generalize the concept of dependence from C++ templates to
1977 mean dependence on a template parameter or how an error is repaired. The
1978 ``RecoveryExpr`` ``unknownFunction()`` has the totally unknown type
1979 ``DependentTy``, and this suppresses type-based analysis in the same way it
1980 would inside a template.
1982 In cases where we are confident about the concrete type (e.g. the return type
1983 for a broken non-overloaded function call), the ``RecoveryExpr`` will have this
1984 type. This allows more code to be typechecked, and produces a better AST and
1985 more diagnostics. For example:
1987 .. code-block:: C++
1989    unknownFunction().size() // .size() is a CXXDependentScopeMemberExpr
1990    std::string(42).size() // .size() is a resolved MemberExpr
1992 Whether or not the ``RecoveryExpr`` has a dependent type, it is always
1993 considered value-dependent, because its value isn't well-defined until the error
1994 is resolved. Among other things, this means that clang doesn't emit more errors
1995 where a RecoveryExpr is used as a constant (e.g. array size), but also won't try
1996 to evaluate it.
1998 ContainsErrors bit
1999 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2001 Beyond the template dependence bits, we add a new “ContainsErrors” bit to
2002 express “Does this expression or anything within it contain errors” semantic,
2003 this bit is always set for RecoveryExpr, and propagated to other related nodes.
2004 This provides a fast way to query whether any (recursive) child of an expression
2005 had an error, which is often used to improve diagnostics.
2007 .. code-block:: C++
2009    // C++
2010    void recoveryExpr(int abc) {
2011     unknownFunction(); // type-dependent, value-dependent, contains-errors
2013     std::string(42).size(); // value-dependent, contains-errors,
2014                             // not type-dependent, as we know the type is std::string
2015    }
2018 .. code-block:: C
2020    // C
2021    void recoveryExpr(int abc) {
2022      unknownVar + abc; // type-dependent, value-dependent, contains-errors
2023    }
2026 The ASTImporter
2027 ---------------
2029 The ``ASTImporter`` class imports nodes of an ``ASTContext`` into another
2030 ``ASTContext``. Please refer to the document :doc:`ASTImporter: Merging Clang
2031 ASTs <LibASTImporter>` for an introduction. And please read through the
2032 high-level `description of the import algorithm
2033 <LibASTImporter.html#algorithm-of-the-import>`_, this is essential for
2034 understanding further implementation details of the importer.
2036 .. _templated:
2038 Abstract Syntax Graph
2039 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2041 Despite the name, the Clang AST is not a tree. It is a directed graph with
2042 cycles. One example of a cycle is the connection between a
2043 ``ClassTemplateDecl`` and its "templated" ``CXXRecordDecl``. The *templated*
2044 ``CXXRecordDecl`` represents all the fields and methods inside the class
2045 template, while the ``ClassTemplateDecl`` holds the information which is
2046 related to being a template, i.e. template arguments, etc. We can get the
2047 *templated* class (the ``CXXRecordDecl``) of a ``ClassTemplateDecl`` with
2048 ``ClassTemplateDecl::getTemplatedDecl()``. And we can get back a pointer of the
2049 "described" class template from the *templated* class:
2050 ``CXXRecordDecl::getDescribedTemplate()``. So, this is a cycle between two
2051 nodes: between the *templated* and the *described* node. There may be various
2052 other kinds of cycles in the AST especially in case of declarations.
2054 .. _structural-eq:
2056 Structural Equivalency
2057 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2059 Importing one AST node copies that node into the destination ``ASTContext``. To
2060 copy one node means that we create a new node in the "to" context then we set
2061 its properties to be equal to the properties of the source node. Before the
2062 copy, we make sure that the source node is not *structurally equivalent* to any
2063 existing node in the destination context. If it happens to be equivalent then
2064 we skip the copy.
2066 The informal definition of structural equivalency is the following:
2067 Two nodes are **structurally equivalent** if they are
2069 - builtin types and refer to the same type, e.g. ``int`` and ``int`` are
2070   structurally equivalent,
2071 - function types and all their parameters have structurally equivalent types,
2072 - record types and all their fields in order of their definition have the same
2073   identifier names and structurally equivalent types,
2074 - variable or function declarations and they have the same identifier name and
2075   their types are structurally equivalent.
2077 In C, two types are structurally equivalent if they are *compatible types*. For
2078 a formal definition of *compatible types*, please refer to 6.2.7/1 in the C11
2079 standard. However, there is no definition for *compatible types* in the C++
2080 standard. Still, we extend the definition of structural equivalency to
2081 templates and their instantiations similarly: besides checking the previously
2082 mentioned properties, we have to check for equivalent template
2083 parameters/arguments, etc.
2085 The structural equivalent check can be and is used independently from the
2086 ASTImporter, e.g. the ``clang::Sema`` class uses it also.
2088 The equivalence of nodes may depend on the equivalency of other pairs of nodes.
2089 Thus, the check is implemented as a parallel graph traversal. We traverse
2090 through the nodes of both graphs at the same time. The actual implementation is
2091 similar to breadth-first-search. Let's say we start the traverse with the <A,B>
2092 pair of nodes. Whenever the traversal reaches a pair <X,Y> then the following
2093 statements are true:
2095 - A and X are nodes from the same ASTContext.
2096 - B and Y are nodes from the same ASTContext.
2097 - A and B may or may not be from the same ASTContext.
2098 - if A == X and B == Y (pointer equivalency) then (there is a cycle during the
2099   traverse)
2101   - A and B are structurally equivalent if and only if
2103     - All dependent nodes on the path from <A,B> to <X,Y> are structurally
2104       equivalent.
2106 When we compare two classes or enums and one of them is incomplete or has
2107 unloaded external lexical declarations then we cannot descend to compare their
2108 contained declarations. So in these cases they are considered equal if they
2109 have the same names. This is the way how we compare forward declarations with
2110 definitions.
2112 .. TODO Should we elaborate the actual implementation of the graph traversal,
2113 .. which is a very weird BFS traversal?
2115 Redeclaration Chains
2116 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2118 The early version of the ``ASTImporter``'s merge mechanism squashed the
2119 declarations, i.e. it aimed to have only one declaration instead of maintaining
2120 a whole redeclaration chain. This early approach simply skipped importing a
2121 function prototype, but it imported a definition. To demonstrate the problem
2122 with this approach let's consider an empty "to" context and the following
2123 ``virtual`` function declarations of ``f`` in the "from" context:
2125 .. code-block:: c++
2127   struct B { virtual void f(); };
2128   void B::f() {} // <-- let's import this definition
2130 If we imported the definition with the "squashing" approach then we would
2131 end-up having one declaration which is indeed a definition, but ``isVirtual()``
2132 returns ``false`` for it. The reason is that the definition is indeed not
2133 virtual, it is the property of the prototype!
2135 Consequently, we must either set the virtual flag for the definition (but then
2136 we create a malformed AST which the parser would never create), or we import
2137 the whole redeclaration chain of the function. The most recent version of the
2138 ``ASTImporter`` uses the latter mechanism. We do import all function
2139 declarations - regardless if they are definitions or prototypes - in the order
2140 as they appear in the "from" context.
2142 .. One definition
2144 If we have an existing definition in the "to" context, then we cannot import
2145 another definition, we will use the existing definition. However, we can import
2146 prototype(s): we chain the newly imported prototype(s) to the existing
2147 definition. Whenever we import a new prototype from a third context, that will
2148 be added to the end of the redeclaration chain. This may result in long
2149 redeclaration chains in certain cases, e.g. if we import from several
2150 translation units which include the same header with the prototype.
2152 .. Squashing prototypes
2154 To mitigate the problem of long redeclaration chains of free functions, we
2155 could compare prototypes to see if they have the same properties and if yes
2156 then we could merge these prototypes. The implementation of squashing of
2157 prototypes for free functions is future work.
2159 .. Exception: Cannot have more than 1 prototype in-class
2161 Chaining functions this way ensures that we do copy all information from the
2162 source AST. Nonetheless, there is a problem with member functions: While we can
2163 have many prototypes for free functions, we must have only one prototype for a
2164 member function.
2166 .. code-block:: c++
2168   void f(); // OK
2169   void f(); // OK
2171   struct X {
2172     void f(); // OK
2173     void f(); // ERROR
2174   };
2175   void X::f() {} // OK
2177 Thus, prototypes of member functions must be squashed, we cannot just simply
2178 attach a new prototype to the existing in-class prototype. Consider the
2179 following contexts:
2181 .. code-block:: c++
2183   // "to" context
2184   struct X {
2185     void f(); // D0
2186   };
2188 .. code-block:: c++
2190   // "from" context
2191   struct X {
2192     void f(); // D1
2193   };
2194   void X::f() {} // D2
2196 When we import the prototype and the definition of ``f`` from the "from"
2197 context, then the resulting redecl chain will look like this ``D0 -> D2'``,
2198 where ``D2'`` is the copy of ``D2`` in the "to" context.
2200 .. Redecl chains of other declarations
2202 Generally speaking, when we import declarations (like enums and classes) we do
2203 attach the newly imported declaration to the existing redeclaration chain (if
2204 there is structural equivalency). We do not import, however, the whole
2205 redeclaration chain as we do in case of functions. Up till now, we haven't
2206 found any essential property of forward declarations which is similar to the
2207 case of the virtual flag in a member function prototype. In the future, this
2208 may change, though.
2210 Traversal during the Import
2211 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2213 The node specific import mechanisms are implemented in
2214 ``ASTNodeImporter::VisitNode()`` functions, e.g. ``VisitFunctionDecl()``.
2215 When we import a declaration then first we import everything which is needed to
2216 call the constructor of that declaration node. Everything which can be set
2217 later is set after the node is created. For example, in case of  a
2218 ``FunctionDecl`` we first import the declaration context in which the function
2219 is declared, then we create the ``FunctionDecl`` and only then we import the
2220 body of the function. This means there are implicit dependencies between AST
2221 nodes. These dependencies determine the order in which we visit nodes in the
2222 "from" context. As with the regular graph traversal algorithms like DFS, we
2223 keep track which nodes we have already visited in
2224 ``ASTImporter::ImportedDecls``. Whenever we create a node then we immediately
2225 add that to the ``ImportedDecls``. We must not start the import of any other
2226 declarations before we keep track of the newly created one. This is essential,
2227 otherwise, we would not be able to handle circular dependencies. To enforce
2228 this, we wrap all constructor calls of all AST nodes in
2229 ``GetImportedOrCreateDecl()``. This wrapper ensures that all newly created
2230 declarations are immediately marked as imported; also, if a declaration is
2231 already marked as imported then we just return its counterpart in the "to"
2232 context. Consequently, calling a declaration's ``::Create()`` function directly
2233 would lead to errors, please don't do that!
2235 Even with the use of ``GetImportedOrCreateDecl()`` there is still a
2236 probability of having an infinite import recursion if things are imported from
2237 each other in wrong way. Imagine that during the import of ``A``, the import of
2238 ``B`` is requested before we could create the node for ``A`` (the constructor
2239 needs a reference to ``B``). And the same could be true for the import of ``B``
2240 (``A`` is requested to be imported before we could create the node for ``B``).
2241 In case of the :ref:`templated-described swing <templated>` we take
2242 extra attention to break the cyclical dependency: we import and set the
2243 described template only after the ``CXXRecordDecl`` is created. As a best
2244 practice, before creating the node in the "to" context, avoid importing of
2245 other nodes which are not needed for the constructor of node ``A``.
2247 Error Handling
2248 ^^^^^^^^^^^^^^
2250 Every import function returns with either an ``llvm::Error`` or an
2251 ``llvm::Expected<T>`` object. This enforces to check the return value of the
2252 import functions. If there was an error during one import then we return with
2253 that error. (Exception: when we import the members of a class, we collect the
2254 individual errors with each member and we concatenate them in one Error
2255 object.) We cache these errors in cases of declarations. During the next import
2256 call if there is an existing error we just return with that. So, clients of the
2257 library receive an Error object, which they must check.
2259 During import of a specific declaration, it may happen that some AST nodes had
2260 already been created before we recognize an error. In this case, we signal back
2261 the error to the caller, but the "to" context remains polluted with those nodes
2262 which had been created. Ideally, those nodes should not had been created, but
2263 that time we did not know about the error, the error happened later. Since the
2264 AST is immutable (most of the cases we can't remove existing nodes) we choose
2265 to mark these nodes as erroneous.
2267 We cache the errors associated with declarations in the "from" context in
2268 ``ASTImporter::ImportDeclErrors`` and the ones which are associated with the
2269 "to" context in ``ASTImporterSharedState::ImportErrors``. Note that, there may
2270 be several ASTImporter objects which import into the same "to" context but from
2271 different "from" contexts; in this case, they have to share the associated
2272 errors of the "to" context.
2274 When an error happens, that propagates through the call stack, through all the
2275 dependant nodes. However, in case of dependency cycles, this is not enough,
2276 because we strive to mark the erroneous nodes so clients can act upon. In those
2277 cases, we have to keep track of the errors for those nodes which are
2278 intermediate nodes of a cycle.
2280 An **import path** is the list of the AST nodes which we visit during an Import
2281 call. If node ``A`` depends on node ``B`` then the path contains an ``A->B``
2282 edge. From the call stack of the import functions, we can read the very same
2283 path.
2285 Now imagine the following AST, where the ``->`` represents dependency in terms
2286 of the import (all nodes are declarations).
2288 .. code-block:: text
2290   A->B->C->D
2291      `->E
2293 We would like to import A.
2294 The import behaves like a DFS, so we will visit the nodes in this order: ABCDE.
2295 During the visitation we will have the following import paths:
2297 .. code-block:: text
2299   A
2300   AB
2301   ABC
2302   ABCD
2303   ABC
2304   AB
2305   ABE
2306   AB
2307   A
2309 If during the visit of E there is an error then we set an error for E, then as
2310 the call stack shrinks for B, then for A:
2312 .. code-block:: text
2314   A
2315   AB
2316   ABC
2317   ABCD
2318   ABC
2319   AB
2320   ABE // Error! Set an error to E
2321   AB  // Set an error to B
2322   A   // Set an error to A
2324 However, during the import we could import C and D without any error and they
2325 are independent of A,B and E. We must not set up an error for C and D. So, at
2326 the end of the import we have an entry in ``ImportDeclErrors`` for A,B,E but
2327 not for C,D.
2329 Now, what happens if there is a cycle in the import path? Let's consider this
2330 AST:
2332 .. code-block:: text
2334   A->B->C->A
2335      `->E
2337 During the visitation, we will have the below import paths and if during the
2338 visit of E there is an error then we will set up an error for E,B,A. But what's
2339 up with C?
2341 .. code-block:: text
2343   A
2344   AB
2345   ABC
2346   ABCA
2347   ABC
2348   AB
2349   ABE // Error! Set an error to E
2350   AB  // Set an error to B
2351   A   // Set an error to A
2353 This time we know that both B and C are dependent on A. This means we must set
2354 up an error for C too. As the call stack reverses back we get to A and we must
2355 set up an error to all nodes which depend on A (this includes C). But C is no
2356 longer on the import path, it just had been previously. Such a situation can
2357 happen only if during the visitation we had a cycle. If we didn't have any
2358 cycle, then the normal way of passing an Error object through the call stack
2359 could handle the situation. This is why we must track cycles during the import
2360 process for each visited declaration.
2362 Lookup Problems
2363 ^^^^^^^^^^^^^^^
2365 When we import a declaration from the source context then we check whether we
2366 already have a structurally equivalent node with the same name in the "to"
2367 context. If the "from" node is a definition and the found one is also a
2368 definition, then we do not create a new node, instead, we mark the found node
2369 as the imported node. If the found definition and the one we want to import
2370 have the same name but they are structurally in-equivalent, then we have an ODR
2371 violation in case of C++. If the "from" node is not a definition then we add
2372 that to the redeclaration chain of the found node. This behaviour is essential
2373 when we merge ASTs from different translation units which include the same
2374 header file(s). For example, we want to have only one definition for the class
2375 template ``std::vector``, even if we included ``<vector>`` in several
2376 translation units.
2378 To find a structurally equivalent node we can use the regular C/C++ lookup
2379 functions: ``DeclContext::noload_lookup()`` and
2380 ``DeclContext::localUncachedLookup()``. These functions do respect the C/C++
2381 name hiding rules, thus you cannot find certain declarations in a given
2382 declaration context. For instance, unnamed declarations (anonymous structs),
2383 non-first ``friend`` declarations and template specializations are hidden. This
2384 is a problem, because if we use the regular C/C++ lookup then we create
2385 redundant AST nodes during the merge! Also, having two instances of the same
2386 node could result in false :ref:`structural in-equivalencies <structural-eq>`
2387 of other nodes which depend on the duplicated node. Because of these reasons,
2388 we created a lookup class which has the sole purpose to register all
2389 declarations, so later they can be looked up by subsequent import requests.
2390 This is the ``ASTImporterLookupTable`` class. This lookup table should be
2391 shared amongst the different ``ASTImporter`` instances if they happen to import
2392 to the very same "to" context. This is why we can use the importer specific
2393 lookup only via the ``ASTImporterSharedState`` class.
2395 ExternalASTSource
2396 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
2398 The ``ExternalASTSource`` is an abstract interface associated with the
2399 ``ASTContext`` class. It provides the ability to read the declarations stored
2400 within a declaration context either for iteration or for name lookup. A
2401 declaration context with an external AST source may load its declarations
2402 on-demand. This means that the list of declarations (represented as a linked
2403 list, the head is ``DeclContext::FirstDecl``) could be empty. However, member
2404 functions like ``DeclContext::lookup()`` may initiate a load.
2406 Usually, external sources are associated with precompiled headers. For example,
2407 when we load a class from a PCH then the members are loaded only if we do want
2408 to look up something in the class' context.
2410 In case of LLDB, an implementation of the ``ExternalASTSource`` interface is
2411 attached to the AST context which is related to the parsed expression. This
2412 implementation of the ``ExternalASTSource`` interface is realized with the help
2413 of the ``ASTImporter`` class. This way, LLDB can reuse Clang's parsing
2414 machinery while synthesizing the underlying AST from the debug data (e.g. from
2415 DWARF). From the view of the ``ASTImporter`` this means both the "to" and the
2416 "from" context may have declaration contexts with external lexical storage. If
2417 a ``DeclContext`` in the "to" AST context has external lexical storage then we
2418 must take extra attention to work only with the already loaded declarations!
2419 Otherwise, we would end up with an uncontrolled import process. For instance,
2420 if we used the regular ``DeclContext::lookup()`` to find the existing
2421 declarations in the "to" context then the ``lookup()`` call itself would
2422 initiate a new import while we are in the middle of importing a declaration!
2423 (By the time we initiate the lookup we haven't registered yet that we already
2424 started to import the node of the "from" context.) This is why we use
2425 ``DeclContext::noload_lookup()`` instead.
2427 Class Template Instantiations
2428 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2430 Different translation units may have class template instantiations with the
2431 same template arguments, but with a different set of instantiated
2432 ``MethodDecls`` and ``FieldDecls``. Consider the following files:
2434 .. code-block:: c++
2436   // x.h
2437   template <typename T>
2438   struct X {
2439       int a{0}; // FieldDecl with InitListExpr
2440       X(char) : a(3) {}     // (1)
2441       X(int) {}             // (2)
2442   };
2444   // foo.cpp
2445   void foo() {
2446       // ClassTemplateSpec with ctor (1): FieldDecl without InitlistExpr
2447       X<char> xc('c');
2448   }
2450   // bar.cpp
2451   void bar() {
2452       // ClassTemplateSpec with ctor (2): FieldDecl WITH InitlistExpr
2453       X<char> xc(1);
2454   }
2456 In ``foo.cpp`` we use the constructor with number ``(1)``, which explicitly
2457 initializes the member ``a`` to ``3``, thus the ``InitListExpr`` ``{0}`` is not
2458 used here and the AST node is not instantiated. However, in the case of
2459 ``bar.cpp`` we use the constructor with number ``(2)``, which does not
2460 explicitly initialize the ``a`` member, so the default ``InitListExpr`` is
2461 needed and thus instantiated. When we merge the AST of ``foo.cpp`` and
2462 ``bar.cpp`` we must create an AST node for the class template instantiation of
2463 ``X<char>`` which has all the required nodes. Therefore, when we find an
2464 existing ``ClassTemplateSpecializationDecl`` then we merge the fields of the
2465 ``ClassTemplateSpecializationDecl`` in the "from" context in a way that the
2466 ``InitListExpr`` is copied if not existent yet. The same merge mechanism should
2467 be done in the cases of instantiated default arguments and exception
2468 specifications of functions.
2470 .. _visibility:
2472 Visibility of Declarations
2473 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2475 During import of a global variable with external visibility, the lookup will
2476 find variables (with the same name) but with static visibility (linkage).
2477 Clearly, we cannot put them into the same redeclaration chain. The same is true
2478 the in case of functions. Also, we have to take care of other kinds of
2479 declarations like enums, classes, etc. if they are in anonymous namespaces.
2480 Therefore, we filter the lookup results and consider only those which have the
2481 same visibility as the declaration we currently import.
2483 We consider two declarations in two anonymous namespaces to have the same
2484 visibility only if they are imported from the same AST context.
2486 Strategies to Handle Conflicting Names
2487 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2489 During the import we lookup existing declarations with the same name. We filter
2490 the lookup results based on their :ref:`visibility <visibility>`. If any of the
2491 found declarations are not structurally equivalent then we bumped to a name
2492 conflict error (ODR violation in C++). In this case, we return with an
2493 ``Error`` and we set up the ``Error`` object for the declaration. However, some
2494 clients of the ``ASTImporter`` may require a different, perhaps less
2495 conservative and more liberal error handling strategy.
2497 E.g. static analysis clients may benefit if the node is created even if there
2498 is a name conflict. During the CTU analysis of certain projects, we recognized
2499 that there are global declarations which collide with declarations from other
2500 translation units, but they are not referenced outside from their translation
2501 unit. These declarations should be in an unnamed namespace ideally. If we treat
2502 these collisions liberally then CTU analysis can find more results. Note, the
2503 feature be able to choose between name conflict handling strategies is still an
2504 ongoing work.
2506 .. _CFG:
2508 The ``CFG`` class
2509 -----------------
2511 The ``CFG`` class is designed to represent a source-level control-flow graph
2512 for a single statement (``Stmt*``).  Typically instances of ``CFG`` are
2513 constructed for function bodies (usually an instance of ``CompoundStmt``), but
2514 can also be instantiated to represent the control-flow of any class that
2515 subclasses ``Stmt``, which includes simple expressions.  Control-flow graphs
2516 are especially useful for performing `flow- or path-sensitive
2517 <https://en.wikipedia.org/wiki/Data_flow_analysis#Sensitivities>`_ program
2518 analyses on a given function.
2520 Basic Blocks
2521 ^^^^^^^^^^^^
2523 Concretely, an instance of ``CFG`` is a collection of basic blocks.  Each basic
2524 block is an instance of ``CFGBlock``, which simply contains an ordered sequence
2525 of ``Stmt*`` (each referring to statements in the AST).  The ordering of
2526 statements within a block indicates unconditional flow of control from one
2527 statement to the next.  :ref:`Conditional control-flow
2528 <ConditionalControlFlow>` is represented using edges between basic blocks.  The
2529 statements within a given ``CFGBlock`` can be traversed using the
2530 ``CFGBlock::*iterator`` interface.
2532 A ``CFG`` object owns the instances of ``CFGBlock`` within the control-flow
2533 graph it represents.  Each ``CFGBlock`` within a CFG is also uniquely numbered
2534 (accessible via ``CFGBlock::getBlockID()``).  Currently the number is based on
2535 the ordering the blocks were created, but no assumptions should be made on how
2536 ``CFGBlocks`` are numbered other than their numbers are unique and that they
2537 are numbered from 0..N-1 (where N is the number of basic blocks in the CFG).
2539 Entry and Exit Blocks
2540 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2542 Each instance of ``CFG`` contains two special blocks: an *entry* block
2543 (accessible via ``CFG::getEntry()``), which has no incoming edges, and an
2544 *exit* block (accessible via ``CFG::getExit()``), which has no outgoing edges.
2545 Neither block contains any statements, and they serve the role of providing a
2546 clear entrance and exit for a body of code such as a function body.  The
2547 presence of these empty blocks greatly simplifies the implementation of many
2548 analyses built on top of CFGs.
2550 .. _ConditionalControlFlow:
2552 Conditional Control-Flow
2553 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2555 Conditional control-flow (such as those induced by if-statements and loops) is
2556 represented as edges between ``CFGBlocks``.  Because different C language
2557 constructs can induce control-flow, each ``CFGBlock`` also records an extra
2558 ``Stmt*`` that represents the *terminator* of the block.  A terminator is
2559 simply the statement that caused the control-flow, and is used to identify the
2560 nature of the conditional control-flow between blocks.  For example, in the
2561 case of an if-statement, the terminator refers to the ``IfStmt`` object in the
2562 AST that represented the given branch.
2564 To illustrate, consider the following code example:
2566 .. code-block:: c++
2568   int foo(int x) {
2569     x = x + 1;
2570     if (x > 2)
2571       x++;
2572     else {
2573       x += 2;
2574       x *= 2;
2575     }
2577     return x;
2578   }
2580 After invoking the parser+semantic analyzer on this code fragment, the AST of
2581 the body of ``foo`` is referenced by a single ``Stmt*``.  We can then construct
2582 an instance of ``CFG`` representing the control-flow graph of this function
2583 body by single call to a static class method:
2585 .. code-block:: c++
2587   Stmt *FooBody = ...
2588   std::unique_ptr<CFG> FooCFG = CFG::buildCFG(FooBody);
2590 Along with providing an interface to iterate over its ``CFGBlocks``, the
2591 ``CFG`` class also provides methods that are useful for debugging and
2592 visualizing CFGs.  For example, the method ``CFG::dump()`` dumps a
2593 pretty-printed version of the CFG to standard error.  This is especially useful
2594 when one is using a debugger such as gdb.  For example, here is the output of
2595 ``FooCFG->dump()``:
2597 .. code-block:: text
2599  [ B5 (ENTRY) ]
2600     Predecessors (0):
2601     Successors (1): B4
2603  [ B4 ]
2604     1: x = x + 1
2605     2: (x > 2)
2606     T: if [B4.2]
2607     Predecessors (1): B5
2608     Successors (2): B3 B2
2610  [ B3 ]
2611     1: x++
2612     Predecessors (1): B4
2613     Successors (1): B1
2615  [ B2 ]
2616     1: x += 2
2617     2: x *= 2
2618     Predecessors (1): B4
2619     Successors (1): B1
2621  [ B1 ]
2622     1: return x;
2623     Predecessors (2): B2 B3
2624     Successors (1): B0
2626  [ B0 (EXIT) ]
2627     Predecessors (1): B1
2628     Successors (0):
2630 For each block, the pretty-printed output displays for each block the number of
2631 *predecessor* blocks (blocks that have outgoing control-flow to the given
2632 block) and *successor* blocks (blocks that have control-flow that have incoming
2633 control-flow from the given block).  We can also clearly see the special entry
2634 and exit blocks at the beginning and end of the pretty-printed output.  For the
2635 entry block (block B5), the number of predecessor blocks is 0, while for the
2636 exit block (block B0) the number of successor blocks is 0.
2638 The most interesting block here is B4, whose outgoing control-flow represents
2639 the branching caused by the sole if-statement in ``foo``.  Of particular
2640 interest is the second statement in the block, ``(x > 2)``, and the terminator,
2641 printed as ``if [B4.2]``.  The second statement represents the evaluation of
2642 the condition of the if-statement, which occurs before the actual branching of
2643 control-flow.  Within the ``CFGBlock`` for B4, the ``Stmt*`` for the second
2644 statement refers to the actual expression in the AST for ``(x > 2)``.  Thus
2645 pointers to subclasses of ``Expr`` can appear in the list of statements in a
2646 block, and not just subclasses of ``Stmt`` that refer to proper C statements.
2648 The terminator of block B4 is a pointer to the ``IfStmt`` object in the AST.
2649 The pretty-printer outputs ``if [B4.2]`` because the condition expression of
2650 the if-statement has an actual place in the basic block, and thus the
2651 terminator is essentially *referring* to the expression that is the second
2652 statement of block B4 (i.e., B4.2).  In this manner, conditions for
2653 control-flow (which also includes conditions for loops and switch statements)
2654 are hoisted into the actual basic block.
2656 .. Implicit Control-Flow
2657 .. ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2659 .. A key design principle of the ``CFG`` class was to not require any
2660 .. transformations to the AST in order to represent control-flow.  Thus the
2661 .. ``CFG`` does not perform any "lowering" of the statements in an AST: loops
2662 .. are not transformed into guarded gotos, short-circuit operations are not
2663 .. converted to a set of if-statements, and so on.
2665 Constant Folding in the Clang AST
2666 ---------------------------------
2668 There are several places where constants and constant folding matter a lot to
2669 the Clang front-end.  First, in general, we prefer the AST to retain the source
2670 code as close to how the user wrote it as possible.  This means that if they
2671 wrote "``5+4``", we want to keep the addition and two constants in the AST, we
2672 don't want to fold to "``9``".  This means that constant folding in various
2673 ways turns into a tree walk that needs to handle the various cases.
2675 However, there are places in both C and C++ that require constants to be
2676 folded.  For example, the C standard defines what an "integer constant
2677 expression" (i-c-e) is with very precise and specific requirements.  The
2678 language then requires i-c-e's in a lot of places (for example, the size of a
2679 bitfield, the value for a case statement, etc).  For these, we have to be able
2680 to constant fold the constants, to do semantic checks (e.g., verify bitfield
2681 size is non-negative and that case statements aren't duplicated).  We aim for
2682 Clang to be very pedantic about this, diagnosing cases when the code does not
2683 use an i-c-e where one is required, but accepting the code unless running with
2684 ``-pedantic-errors``.
2686 Things get a little bit more tricky when it comes to compatibility with
2687 real-world source code.  Specifically, GCC has historically accepted a huge
2688 superset of expressions as i-c-e's, and a lot of real world code depends on
2689 this unfortunate accident of history (including, e.g., the glibc system
2690 headers).  GCC accepts anything its "fold" optimizer is capable of reducing to
2691 an integer constant, which means that the definition of what it accepts changes
2692 as its optimizer does.  One example is that GCC accepts things like "``case
2693 X-X:``" even when ``X`` is a variable, because it can fold this to 0.
2695 Another issue are how constants interact with the extensions we support, such
2696 as ``__builtin_constant_p``, ``__builtin_inf``, ``__extension__`` and many
2697 others.  C99 obviously does not specify the semantics of any of these
2698 extensions, and the definition of i-c-e does not include them.  However, these
2699 extensions are often used in real code, and we have to have a way to reason
2700 about them.
2702 Finally, this is not just a problem for semantic analysis.  The code generator
2703 and other clients have to be able to fold constants (e.g., to initialize global
2704 variables) and have to handle a superset of what C99 allows.  Further, these
2705 clients can benefit from extended information.  For example, we know that
2706 "``foo() || 1``" always evaluates to ``true``, but we can't replace the
2707 expression with ``true`` because it has side effects.
2709 Implementation Approach
2710 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2712 After trying several different approaches, we've finally converged on a design
2713 (Note, at the time of this writing, not all of this has been implemented,
2714 consider this a design goal!).  Our basic approach is to define a single
2715 recursive evaluation method (``Expr::Evaluate``), which is implemented
2716 in ``AST/ExprConstant.cpp``.  Given an expression with "scalar" type (integer,
2717 fp, complex, or pointer) this method returns the following information:
2719 * Whether the expression is an integer constant expression, a general constant
2720   that was folded but has no side effects, a general constant that was folded
2721   but that does have side effects, or an uncomputable/unfoldable value.
2722 * If the expression was computable in any way, this method returns the
2723   ``APValue`` for the result of the expression.
2724 * If the expression is not evaluatable at all, this method returns information
2725   on one of the problems with the expression.  This includes a
2726   ``SourceLocation`` for where the problem is, and a diagnostic ID that explains
2727   the problem.  The diagnostic should have ``ERROR`` type.
2728 * If the expression is not an integer constant expression, this method returns
2729   information on one of the problems with the expression.  This includes a
2730   ``SourceLocation`` for where the problem is, and a diagnostic ID that
2731   explains the problem.  The diagnostic should have ``EXTENSION`` type.
2733 This information gives various clients the flexibility that they want, and we
2734 will eventually have some helper methods for various extensions.  For example,
2735 ``Sema`` should have a ``Sema::VerifyIntegerConstantExpression`` method, which
2736 calls ``Evaluate`` on the expression.  If the expression is not foldable, the
2737 error is emitted, and it would return ``true``.  If the expression is not an
2738 i-c-e, the ``EXTENSION`` diagnostic is emitted.  Finally it would return
2739 ``false`` to indicate that the AST is OK.
2741 Other clients can use the information in other ways, for example, codegen can
2742 just use expressions that are foldable in any way.
2744 Extensions
2745 ^^^^^^^^^^
2747 This section describes how some of the various extensions Clang supports
2748 interacts with constant evaluation:
2750 * ``__extension__``: The expression form of this extension causes any
2751   evaluatable subexpression to be accepted as an integer constant expression.
2752 * ``__builtin_constant_p``: This returns true (as an integer constant
2753   expression) if the operand evaluates to either a numeric value (that is, not
2754   a pointer cast to integral type) of integral, enumeration, floating or
2755   complex type, or if it evaluates to the address of the first character of a
2756   string literal (possibly cast to some other type).  As a special case, if
2757   ``__builtin_constant_p`` is the (potentially parenthesized) condition of a
2758   conditional operator expression ("``?:``"), only the true side of the
2759   conditional operator is considered, and it is evaluated with full constant
2760   folding.
2761 * ``__builtin_choose_expr``: The condition is required to be an integer
2762   constant expression, but we accept any constant as an "extension of an
2763   extension".  This only evaluates one operand depending on which way the
2764   condition evaluates.
2765 * ``__builtin_classify_type``: This always returns an integer constant
2766   expression.
2767 * ``__builtin_inf, nan, ...``: These are treated just like a floating-point
2768   literal.
2769 * ``__builtin_abs, copysign, ...``: These are constant folded as general
2770   constant expressions.
2771 * ``__builtin_strlen`` and ``strlen``: These are constant folded as integer
2772   constant expressions if the argument is a string literal.
2774 .. _Sema:
2776 The Sema Library
2777 ================
2779 This library is called by the :ref:`Parser library <Parser>` during parsing to
2780 do semantic analysis of the input.  For valid programs, Sema builds an AST for
2781 parsed constructs.
2783 .. _CodeGen:
2785 The CodeGen Library
2786 ===================
2788 CodeGen takes an :ref:`AST <AST>` as input and produces `LLVM IR code
2789 <//llvm.org/docs/LangRef.html>`_ from it.
2791 How to change Clang
2792 ===================
2794 How to add an attribute
2795 -----------------------
2796 Attributes are a form of metadata that can be attached to a program construct,
2797 allowing the programmer to pass semantic information along to the compiler for
2798 various uses. For example, attributes may be used to alter the code generation
2799 for a program construct, or to provide extra semantic information for static
2800 analysis. This document explains how to add a custom attribute to Clang.
2801 Documentation on existing attributes can be found `here
2802 <//clang.llvm.org/docs/AttributeReference.html>`_.
2804 Attribute Basics
2805 ^^^^^^^^^^^^^^^^
2806 Attributes in Clang are handled in three stages: parsing into a parsed attribute
2807 representation, conversion from a parsed attribute into a semantic attribute,
2808 and then the semantic handling of the attribute.
2810 Parsing of the attribute is determined by the various syntactic forms attributes
2811 can take, such as GNU, C++11, and Microsoft style attributes, as well as other
2812 information provided by the table definition of the attribute. Ultimately, the
2813 parsed representation of an attribute object is a ``ParsedAttr`` object.
2814 These parsed attributes chain together as a list of parsed attributes attached
2815 to a declarator or declaration specifier. The parsing of attributes is handled
2816 automatically by Clang, except for attributes spelled as so-called “custom”
2817 keywords. When implementing a custom keyword attribute, the parsing of the
2818 keyword and creation of the ``ParsedAttr`` object must be done manually.
2820 Eventually, ``Sema::ProcessDeclAttributeList()`` is called with a ``Decl`` and
2821 a ``ParsedAttr``, at which point the parsed attribute can be transformed
2822 into a semantic attribute. The process by which a parsed attribute is converted
2823 into a semantic attribute depends on the attribute definition and semantic
2824 requirements of the attribute. The end result, however, is that the semantic
2825 attribute object is attached to the ``Decl`` object, and can be obtained by a
2826 call to ``Decl::getAttr<T>()``. Similarly, for statement attributes,
2827 ``Sema::ProcessStmtAttributes()`` is called with a ``Stmt`` a list of
2828 ``ParsedAttr`` objects to be converted into a semantic attribute.
2830 The structure of the semantic attribute is also governed by the attribute
2831 definition given in Attr.td. This definition is used to automatically generate
2832 functionality used for the implementation of the attribute, such as a class
2833 derived from ``clang::Attr``, information for the parser to use, automated
2834 semantic checking for some attributes, etc.
2837 ``include/clang/Basic/Attr.td``
2838 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2839 The first step to adding a new attribute to Clang is to add its definition to
2840 `include/clang/Basic/Attr.td
2841 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/main/clang/include/clang/Basic/Attr.td>`_.
2842 This tablegen definition must derive from the ``Attr`` (tablegen, not
2843 semantic) type, or one of its derivatives. Most attributes will derive from the
2844 ``InheritableAttr`` type, which specifies that the attribute can be inherited by
2845 later redeclarations of the ``Decl`` it is associated with.
2846 ``InheritableParamAttr`` is similar to ``InheritableAttr``, except that the
2847 attribute is written on a parameter instead of a declaration. If the attribute
2848 applies to statements, it should inherit from ``StmtAttr``. If the attribute is
2849 intended to apply to a type instead of a declaration, such an attribute should
2850 derive from ``TypeAttr``, and will generally not be given an AST representation.
2851 (Note that this document does not cover the creation of type attributes.) An
2852 attribute that inherits from ``IgnoredAttr`` is parsed, but will generate an
2853 ignored attribute diagnostic when used, which may be useful when an attribute is
2854 supported by another vendor but not supported by clang.
2856 The definition will specify several key pieces of information, such as the
2857 semantic name of the attribute, the spellings the attribute supports, the
2858 arguments the attribute expects, and more. Most members of the ``Attr`` tablegen
2859 type do not require definitions in the derived definition as the default
2860 suffice. However, every attribute must specify at least a spelling list, a
2861 subject list, and a documentation list.
2863 Spellings
2864 ~~~~~~~~~
2865 All attributes are required to specify a spelling list that denotes the ways in
2866 which the attribute can be spelled. For instance, a single semantic attribute
2867 may have a keyword spelling, as well as a C++11 spelling and a GNU spelling. An
2868 empty spelling list is also permissible and may be useful for attributes which
2869 are created implicitly. The following spellings are accepted:
2871   ==================  =========================================================
2872   Spelling            Description
2873   ==================  =========================================================
2874   ``GNU``             Spelled with a GNU-style ``__attribute__((attr))``
2875                       syntax and placement.
2876   ``CXX11``           Spelled with a C++-style ``[[attr]]`` syntax with an
2877                       optional vendor-specific namespace.
2878   ``C23``             Spelled with a C-style ``[[attr]]`` syntax with an
2879                       optional vendor-specific namespace.
2880   ``Declspec``        Spelled with a Microsoft-style ``__declspec(attr)``
2881                       syntax.
2882   ``CustomKeyword``   The attribute is spelled as a keyword, and requires
2883                       custom parsing.
2884   ``RegularKeyword``  The attribute is spelled as a keyword. It can be
2885                       used in exactly the places that the standard
2886                       ``[[attr]]`` syntax can be used, and appertains to
2887                       exactly the same thing that a standard attribute
2888                       would appertain to. Lexing and parsing of the keyword
2889                       are handled automatically.
2890   ``GCC``             Specifies two or three spellings: the first is a
2891                       GNU-style spelling, the second is a C++-style spelling
2892                       with the ``gnu`` namespace, and the third is an optional
2893                       C-style spelling with the ``gnu`` namespace. Attributes
2894                       should only specify this spelling for attributes
2895                       supported by GCC.
2896   ``Clang``           Specifies two or three spellings: the first is a
2897                       GNU-style spelling, the second is a C++-style spelling
2898                       with the ``clang`` namespace, and the third is an
2899                       optional C-style spelling with the ``clang`` namespace.
2900                       By default, a C-style spelling is provided.
2901   ``Pragma``          The attribute is spelled as a ``#pragma``, and requires
2902                       custom processing within the preprocessor. If the
2903                       attribute is meant to be used by Clang, it should
2904                       set the namespace to ``"clang"``. Note that this
2905                       spelling is not used for declaration attributes.
2906   ==================  =========================================================
2908 The C++ standard specifies that “any [non-standard attribute] that is not
2909 recognized by the implementation is ignored” (``[dcl.attr.grammar]``).
2910 The rule for C is similar. This makes ``CXX11`` and ``C23`` spellings
2911 unsuitable for attributes that affect the type system, that change the
2912 binary interface of the code, or that have other similar semantic meaning.
2914 ``RegularKeyword`` provides an alternative way of spelling such attributes.
2915 It reuses the production rules for standard attributes, but it applies them
2916 to plain keywords rather than to ``[[…]]`` sequences. Compilers that don't
2917 recognize the keyword are likely to report an error of some kind.
2919 For example, the ``ArmStreaming`` function type attribute affects
2920 both the type system and the binary interface of the function.
2921 It cannot therefore be spelled ``[[arm::streaming]]``, since compilers
2922 that don't understand ``arm::streaming`` would ignore it and miscompile
2923 the code. ``ArmStreaming`` is instead spelled ``__arm_streaming``, but it
2924 can appear wherever a hypothetical ``[[arm::streaming]]`` could appear.
2926 Subjects
2927 ~~~~~~~~
2928 Attributes appertain to one or more subjects. If the attribute attempts to
2929 attach to a subject that is not in the subject list, a diagnostic is issued
2930 automatically. Whether the diagnostic is a warning or an error depends on how
2931 the attribute's ``SubjectList`` is defined, but the default behavior is to warn.
2932 The diagnostics displayed to the user are automatically determined based on the
2933 subjects in the list, but a custom diagnostic parameter can also be specified in
2934 the ``SubjectList``. The diagnostics generated for subject list violations are
2935 calculated automatically or specified by the subject list itself. If a
2936 previously unused Decl node is added to the ``SubjectList``, the logic used to
2937 automatically determine the diagnostic parameter in `utils/TableGen/ClangAttrEmitter.cpp
2938 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/main/clang/utils/TableGen/ClangAttrEmitter.cpp>`_
2939 may need to be updated.
2941 By default, all subjects in the SubjectList must either be a Decl node defined
2942 in ``DeclNodes.td``, or a statement node defined in ``StmtNodes.td``. However,
2943 more complex subjects can be created by creating a ``SubsetSubject`` object.
2944 Each such object has a base subject which it appertains to (which must be a
2945 Decl or Stmt node, and not a SubsetSubject node), and some custom code which is
2946 called when determining whether an attribute appertains to the subject. For
2947 instance, a ``NonBitField`` SubsetSubject appertains to a ``FieldDecl``, and
2948 tests whether the given FieldDecl is a bit field. When a SubsetSubject is
2949 specified in a SubjectList, a custom diagnostic parameter must also be provided.
2951 Diagnostic checking for attribute subject lists for declaration and statement
2952 attributes is automated except when ``HasCustomParsing`` is set to ``1``.
2954 Documentation
2955 ~~~~~~~~~~~~~
2956 All attributes must have some form of documentation associated with them.
2957 Documentation is table generated on the public web server by a server-side
2958 process that runs daily. Generally, the documentation for an attribute is a
2959 stand-alone definition in `include/clang/Basic/AttrDocs.td
2960 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/main/clang/include/clang/Basic/AttrDocs.td>`_
2961 that is named after the attribute being documented.
2963 If the attribute is not for public consumption, or is an implicitly-created
2964 attribute that has no visible spelling, the documentation list can specify the
2965 ``InternalOnly`` object. Otherwise, the attribute should have its documentation
2966 added to AttrDocs.td.
2968 Documentation derives from the ``Documentation`` tablegen type. All derived
2969 types must specify a documentation category and the actual documentation itself.
2970 Additionally, it can specify a custom heading for the attribute, though a
2971 default heading will be chosen when possible.
2973 There are four predefined documentation categories: ``DocCatFunction`` for
2974 attributes that appertain to function-like subjects, ``DocCatVariable`` for
2975 attributes that appertain to variable-like subjects, ``DocCatType`` for type
2976 attributes, and ``DocCatStmt`` for statement attributes. A custom documentation
2977 category should be used for groups of attributes with similar functionality.
2978 Custom categories are good for providing overview information for the attributes
2979 grouped under it. For instance, the consumed annotation attributes define a
2980 custom category, ``DocCatConsumed``, that explains what consumed annotations are
2981 at a high level.
2983 Documentation content (whether it is for an attribute or a category) is written
2984 using reStructuredText (RST) syntax.
2986 After writing the documentation for the attribute, it should be locally tested
2987 to ensure that there are no issues generating the documentation on the server.
2988 Local testing requires a fresh build of clang-tblgen. To generate the attribute
2989 documentation, execute the following command::
2991   clang-tblgen -gen-attr-docs -I /path/to/clang/include /path/to/clang/include/clang/Basic/Attr.td -o /path/to/clang/docs/AttributeReference.rst
2993 When testing locally, *do not* commit changes to ``AttributeReference.rst``.
2994 This file is generated by the server automatically, and any changes made to this
2995 file will be overwritten.
2997 Arguments
2998 ~~~~~~~~~
2999 Attributes may optionally specify a list of arguments that can be passed to the
3000 attribute. Attribute arguments specify both the parsed form and the semantic
3001 form of the attribute. For example, if ``Args`` is
3002 ``[StringArgument<"Arg1">, IntArgument<"Arg2">]`` then
3003 ``__attribute__((myattribute("Hello", 3)))`` will be a valid use; it requires
3004 two arguments while parsing, and the Attr subclass' constructor for the
3005 semantic attribute will require a string and integer argument.
3007 All arguments have a name and a flag that specifies whether the argument is
3008 optional. The associated C++ type of the argument is determined by the argument
3009 definition type. If the existing argument types are insufficient, new types can
3010 be created, but it requires modifying `utils/TableGen/ClangAttrEmitter.cpp
3011 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/main/clang/utils/TableGen/ClangAttrEmitter.cpp>`_
3012 to properly support the type.
3014 Other Properties
3015 ~~~~~~~~~~~~~~~~
3016 The ``Attr`` definition has other members which control the behavior of the
3017 attribute. Many of them are special-purpose and beyond the scope of this
3018 document, however a few deserve mention.
3020 If the parsed form of the attribute is more complex, or differs from the
3021 semantic form, the ``HasCustomParsing`` bit can be set to ``1`` for the class,
3022 and the parsing code in `Parser::ParseGNUAttributeArgs()
3023 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/main/clang/lib/Parse/ParseDecl.cpp>`_
3024 can be updated for the special case. Note that this only applies to arguments
3025 with a GNU spelling -- attributes with a __declspec spelling currently ignore
3026 this flag and are handled by ``Parser::ParseMicrosoftDeclSpec``.
3028 Note that setting this member to 1 will opt out of common attribute semantic
3029 handling, requiring extra implementation efforts to ensure the attribute
3030 appertains to the appropriate subject, etc.
3032 If the attribute should not be propagated from a template declaration to an
3033 instantiation of the template, set the ``Clone`` member to 0. By default, all
3034 attributes will be cloned to template instantiations.
3036 Attributes that do not require an AST node should set the ``ASTNode`` field to
3037 ``0`` to avoid polluting the AST. Note that anything inheriting from
3038 ``TypeAttr`` or ``IgnoredAttr`` automatically do not generate an AST node. All
3039 other attributes generate an AST node by default. The AST node is the semantic
3040 representation of the attribute.
3042 The ``LangOpts`` field specifies a list of language options required by the
3043 attribute.  For instance, all of the CUDA-specific attributes specify ``[CUDA]``
3044 for the ``LangOpts`` field, and when the CUDA language option is not enabled, an
3045 "attribute ignored" warning diagnostic is emitted. Since language options are
3046 not table generated nodes, new language options must be created manually and
3047 should specify the spelling used by ``LangOptions`` class.
3049 Custom accessors can be generated for an attribute based on the spelling list
3050 for that attribute. For instance, if an attribute has two different spellings:
3051 'Foo' and 'Bar', accessors can be created:
3052 ``[Accessor<"isFoo", [GNU<"Foo">]>, Accessor<"isBar", [GNU<"Bar">]>]``
3053 These accessors will be generated on the semantic form of the attribute,
3054 accepting no arguments and returning a ``bool``.
3056 Attributes that do not require custom semantic handling should set the
3057 ``SemaHandler`` field to ``0``. Note that anything inheriting from
3058 ``IgnoredAttr`` automatically do not get a semantic handler. All other
3059 attributes are assumed to use a semantic handler by default. Attributes
3060 without a semantic handler are not given a parsed attribute ``Kind`` enumerator.
3062 "Simple" attributes, that require no custom semantic processing aside from what
3063 is automatically provided, should set the ``SimpleHandler`` field to ``1``.
3065 Target-specific attributes may share a spelling with other attributes in
3066 different targets. For instance, the ARM and MSP430 targets both have an
3067 attribute spelled ``GNU<"interrupt">``, but with different parsing and semantic
3068 requirements. To support this feature, an attribute inheriting from
3069 ``TargetSpecificAttribute`` may specify a ``ParseKind`` field. This field
3070 should be the same value between all arguments sharing a spelling, and
3071 corresponds to the parsed attribute's ``Kind`` enumerator. This allows
3072 attributes to share a parsed attribute kind, but have distinct semantic
3073 attribute classes. For instance, ``ParsedAttr`` is the shared
3074 parsed attribute kind, but ARMInterruptAttr and MSP430InterruptAttr are the
3075 semantic attributes generated.
3077 By default, attribute arguments are parsed in an evaluated context. If the
3078 arguments for an attribute should be parsed in an unevaluated context (akin to
3079 the way the argument to a ``sizeof`` expression is parsed), set
3080 ``ParseArgumentsAsUnevaluated`` to ``1``.
3082 If additional functionality is desired for the semantic form of the attribute,
3083 the ``AdditionalMembers`` field specifies code to be copied verbatim into the
3084 semantic attribute class object, with ``public`` access.
3086 If two or more attributes cannot be used in combination on the same declaration
3087 or statement, a ``MutualExclusions`` definition can be supplied to automatically
3088 generate diagnostic code. This will disallow the attribute combinations
3089 regardless of spellings used. Additionally, it will diagnose combinations within
3090 the same attribute list, different attribute list, and redeclarations, as
3091 appropriate.
3093 Boilerplate
3094 ^^^^^^^^^^^
3095 All semantic processing of declaration attributes happens in `lib/Sema/SemaDeclAttr.cpp
3096 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/main/clang/lib/Sema/SemaDeclAttr.cpp>`_,
3097 and generally starts in the ``ProcessDeclAttribute()`` function. If the
3098 attribute has the ``SimpleHandler`` field set to ``1`` then the function to
3099 process the attribute will be automatically generated, and nothing needs to be
3100 done here. Otherwise, write a new ``handleYourAttr()`` function, and add that to
3101 the switch statement. Please do not implement handling logic directly in the
3102 ``case`` for the attribute.
3104 Unless otherwise specified by the attribute definition, common semantic checking
3105 of the parsed attribute is handled automatically. This includes diagnosing
3106 parsed attributes that do not appertain to the given ``Decl`` or ``Stmt``,
3107 ensuring the correct minimum number of arguments are passed, etc.
3109 If the attribute adds additional warnings, define a ``DiagGroup`` in
3110 `include/clang/Basic/DiagnosticGroups.td
3111 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/main/clang/include/clang/Basic/DiagnosticGroups.td>`_
3112 named after the attribute's ``Spelling`` with "_"s replaced by "-"s. If there
3113 is only a single diagnostic, it is permissible to use ``InGroup<DiagGroup<"your-attribute">>``
3114 directly in `DiagnosticSemaKinds.td
3115 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/main/clang/include/clang/Basic/DiagnosticSemaKinds.td>`_
3117 All semantic diagnostics generated for your attribute, including automatically-
3118 generated ones (such as subjects and argument counts), should have a
3119 corresponding test case.
3121 Semantic handling
3122 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
3123 Most attributes are implemented to have some effect on the compiler. For
3124 instance, to modify the way code is generated, or to add extra semantic checks
3125 for an analysis pass, etc. Having added the attribute definition and conversion
3126 to the semantic representation for the attribute, what remains is to implement
3127 the custom logic requiring use of the attribute.
3129 The ``clang::Decl`` object can be queried for the presence or absence of an
3130 attribute using ``hasAttr<T>()``. To obtain a pointer to the semantic
3131 representation of the attribute, ``getAttr<T>`` may be used.
3133 The ``clang::AttributedStmt`` object can  be queried for the presence or absence
3134 of an attribute by calling ``getAttrs()`` and looping over the list of
3135 attributes.
3137 How to add an expression or statement
3138 -------------------------------------
3140 Expressions and statements are one of the most fundamental constructs within a
3141 compiler, because they interact with many different parts of the AST, semantic
3142 analysis, and IR generation.  Therefore, adding a new expression or statement
3143 kind into Clang requires some care.  The following list details the various
3144 places in Clang where an expression or statement needs to be introduced, along
3145 with patterns to follow to ensure that the new expression or statement works
3146 well across all of the C languages.  We focus on expressions, but statements
3147 are similar.
3149 #. Introduce parsing actions into the parser.  Recursive-descent parsing is
3150    mostly self-explanatory, but there are a few things that are worth keeping
3151    in mind:
3153    * Keep as much source location information as possible! You'll want it later
3154      to produce great diagnostics and support Clang's various features that map
3155      between source code and the AST.
3156    * Write tests for all of the "bad" parsing cases, to make sure your recovery
3157      is good.  If you have matched delimiters (e.g., parentheses, square
3158      brackets, etc.), use ``Parser::BalancedDelimiterTracker`` to give nice
3159      diagnostics when things go wrong.
3161 #. Introduce semantic analysis actions into ``Sema``.  Semantic analysis should
3162    always involve two functions: an ``ActOnXXX`` function that will be called
3163    directly from the parser, and a ``BuildXXX`` function that performs the
3164    actual semantic analysis and will (eventually!) build the AST node.  It's
3165    fairly common for the ``ActOnCXX`` function to do very little (often just
3166    some minor translation from the parser's representation to ``Sema``'s
3167    representation of the same thing), but the separation is still important:
3168    C++ template instantiation, for example, should always call the ``BuildXXX``
3169    variant.  Several notes on semantic analysis before we get into construction
3170    of the AST:
3172    * Your expression probably involves some types and some subexpressions.
3173      Make sure to fully check that those types, and the types of those
3174      subexpressions, meet your expectations.  Add implicit conversions where
3175      necessary to make sure that all of the types line up exactly the way you
3176      want them.  Write extensive tests to check that you're getting good
3177      diagnostics for mistakes and that you can use various forms of
3178      subexpressions with your expression.
3179    * When type-checking a type or subexpression, make sure to first check
3180      whether the type is "dependent" (``Type::isDependentType()``) or whether a
3181      subexpression is type-dependent (``Expr::isTypeDependent()``).  If any of
3182      these return ``true``, then you're inside a template and you can't do much
3183      type-checking now.  That's normal, and your AST node (when you get there)
3184      will have to deal with this case.  At this point, you can write tests that
3185      use your expression within templates, but don't try to instantiate the
3186      templates.
3187    * For each subexpression, be sure to call ``Sema::CheckPlaceholderExpr()``
3188      to deal with "weird" expressions that don't behave well as subexpressions.
3189      Then, determine whether you need to perform lvalue-to-rvalue conversions
3190      (``Sema::DefaultLvalueConversions``) or the usual unary conversions
3191      (``Sema::UsualUnaryConversions``), for places where the subexpression is
3192      producing a value you intend to use.
3193    * Your ``BuildXXX`` function will probably just return ``ExprError()`` at
3194      this point, since you don't have an AST.  That's perfectly fine, and
3195      shouldn't impact your testing.
3197 #. Introduce an AST node for your new expression.  This starts with declaring
3198    the node in ``include/Basic/StmtNodes.td`` and creating a new class for your
3199    expression in the appropriate ``include/AST/Expr*.h`` header.  It's best to
3200    look at the class for a similar expression to get ideas, and there are some
3201    specific things to watch for:
3203    * If you need to allocate memory, use the ``ASTContext`` allocator to
3204      allocate memory.  Never use raw ``malloc`` or ``new``, and never hold any
3205      resources in an AST node, because the destructor of an AST node is never
3206      called.
3207    * Make sure that ``getSourceRange()`` covers the exact source range of your
3208      expression.  This is needed for diagnostics and for IDE support.
3209    * Make sure that ``children()`` visits all of the subexpressions.  This is
3210      important for a number of features (e.g., IDE support, C++ variadic
3211      templates).  If you have sub-types, you'll also need to visit those
3212      sub-types in ``RecursiveASTVisitor``.
3213    * Add printing support (``StmtPrinter.cpp``) for your expression.
3214    * Add profiling support (``StmtProfile.cpp``) for your AST node, noting the
3215      distinguishing (non-source location) characteristics of an instance of
3216      your expression.  Omitting this step will lead to hard-to-diagnose
3217      failures regarding matching of template declarations.
3218    * Add serialization support (``ASTReaderStmt.cpp``, ``ASTWriterStmt.cpp``)
3219      for your AST node.
3221 #. Teach semantic analysis to build your AST node.  At this point, you can wire
3222    up your ``Sema::BuildXXX`` function to actually create your AST.  A few
3223    things to check at this point:
3225    * If your expression can construct a new C++ class or return a new
3226      Objective-C object, be sure to update and then call
3227      ``Sema::MaybeBindToTemporary`` for your just-created AST node to be sure
3228      that the object gets properly destructed.  An easy way to test this is to
3229      return a C++ class with a private destructor: semantic analysis should
3230      flag an error here with the attempt to call the destructor.
3231    * Inspect the generated AST by printing it using ``clang -cc1 -ast-print``,
3232      to make sure you're capturing all of the important information about how
3233      the AST was written.
3234    * Inspect the generated AST under ``clang -cc1 -ast-dump`` to verify that
3235      all of the types in the generated AST line up the way you want them.
3236      Remember that clients of the AST should never have to "think" to
3237      understand what's going on.  For example, all implicit conversions should
3238      show up explicitly in the AST.
3239    * Write tests that use your expression as a subexpression of other,
3240      well-known expressions.  Can you call a function using your expression as
3241      an argument?  Can you use the ternary operator?
3243 #. Teach code generation to create IR to your AST node.  This step is the first
3244    (and only) that requires knowledge of LLVM IR.  There are several things to
3245    keep in mind:
3247    * Code generation is separated into scalar/aggregate/complex and
3248      lvalue/rvalue paths, depending on what kind of result your expression
3249      produces.  On occasion, this requires some careful factoring of code to
3250      avoid duplication.
3251    * ``CodeGenFunction`` contains functions ``ConvertType`` and
3252      ``ConvertTypeForMem`` that convert Clang's types (``clang::Type*`` or
3253      ``clang::QualType``) to LLVM types.  Use the former for values, and the
3254      latter for memory locations: test with the C++ "``bool``" type to check
3255      this.  If you find that you are having to use LLVM bitcasts to make the
3256      subexpressions of your expression have the type that your expression
3257      expects, STOP!  Go fix semantic analysis and the AST so that you don't
3258      need these bitcasts.
3259    * The ``CodeGenFunction`` class has a number of helper functions to make
3260      certain operations easy, such as generating code to produce an lvalue or
3261      an rvalue, or to initialize a memory location with a given value.  Prefer
3262      to use these functions rather than directly writing loads and stores,
3263      because these functions take care of some of the tricky details for you
3264      (e.g., for exceptions).
3265    * If your expression requires some special behavior in the event of an
3266      exception, look at the ``push*Cleanup`` functions in ``CodeGenFunction``
3267      to introduce a cleanup.  You shouldn't have to deal with
3268      exception-handling directly.
3269    * Testing is extremely important in IR generation.  Use ``clang -cc1
3270      -emit-llvm`` and `FileCheck
3271      <https://llvm.org/docs/CommandGuide/FileCheck.html>`_ to verify that you're
3272      generating the right IR.
3274 #. Teach template instantiation how to cope with your AST node, which requires
3275    some fairly simple code:
3277    * Make sure that your expression's constructor properly computes the flags
3278      for type dependence (i.e., the type your expression produces can change
3279      from one instantiation to the next), value dependence (i.e., the constant
3280      value your expression produces can change from one instantiation to the
3281      next), instantiation dependence (i.e., a template parameter occurs
3282      anywhere in your expression), and whether your expression contains a
3283      parameter pack (for variadic templates).  Often, computing these flags
3284      just means combining the results from the various types and
3285      subexpressions.
3286    * Add ``TransformXXX`` and ``RebuildXXX`` functions to the ``TreeTransform``
3287      class template in ``Sema``.  ``TransformXXX`` should (recursively)
3288      transform all of the subexpressions and types within your expression,
3289      using ``getDerived().TransformYYY``.  If all of the subexpressions and
3290      types transform without error, it will then call the ``RebuildXXX``
3291      function, which will in turn call ``getSema().BuildXXX`` to perform
3292      semantic analysis and build your expression.
3293    * To test template instantiation, take those tests you wrote to make sure
3294      that you were type checking with type-dependent expressions and dependent
3295      types (from step #2) and instantiate those templates with various types,
3296      some of which type-check and some that don't, and test the error messages
3297      in each case.
3299 #. There are some "extras" that make other features work better.  It's worth
3300    handling these extras to give your expression complete integration into
3301    Clang:
3303    * Add code completion support for your expression in
3304      ``SemaCodeComplete.cpp``.
3305    * If your expression has types in it, or has any "interesting" features
3306      other than subexpressions, extend libclang's ``CursorVisitor`` to provide
3307      proper visitation for your expression, enabling various IDE features such
3308      as syntax highlighting, cross-referencing, and so on.  The
3309      ``c-index-test`` helper program can be used to test these features.
3311 Testing
3312 -------
3313 All functional changes to Clang should come with test coverage demonstrating
3314 the change in behavior.
3316 .. _verifying-diagnostics:
3318 Verifying Diagnostics
3319 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3320 Clang ``-cc1`` supports the ``-verify`` command line option as a way to
3321 validate diagnostic behavior. This option will use special comments within the
3322 test file to verify that expected diagnostics appear in the correct source
3323 locations. If all of the expected diagnostics match the actual output of Clang,
3324 then the invocation will return normally. If there are discrepancies between
3325 the expected and actual output, Clang will emit detailed information about
3326 which expected diagnostics were not seen or which unexpected diagnostics were
3327 seen, etc. A complete example is:
3329 .. code-block: c++
3331   // RUN: %clang_cc1 -verify %s
3332   int A = B; // expected-error {{use of undeclared identifier 'B'}}
3334 If the test is run and the expected error is emitted on the expected line, the
3335 diagnostic verifier will pass. However, if the expected error does not appear
3336 or appears in a different location than expected, or if additional diagnostics
3337 appear, the diagnostic verifier will fail and emit information as to why.
3339 The ``-verify`` command optionally accepts a comma-delimited list of one or
3340 more verification prefixes that can be used to craft those special comments.
3341 Each prefix must start with a letter and contain only alphanumeric characters,
3342 hyphens, and underscores. ``-verify`` by itself is equivalent to
3343 ``-verify=expected``, meaning that special comments will start with
3344 ``expected``. Using different prefixes makes it easier to have separate
3345 ``RUN:`` lines in the same test file which result in differing diagnostic
3346 behavior. For example:
3348 .. code-block:: c++
3350   // RUN: %clang_cc1 -verify=foo,bar %s
3352   int A = B; // foo-error {{use of undeclared identifier 'B'}}
3353   int C = D; // bar-error {{use of undeclared identifier 'D'}}
3354   int E = F; // expected-error {{use of undeclared identifier 'F'}}
3356 The verifier will recognize ``foo-error`` and ``bar-error`` as special comments
3357 but will not recognize ``expected-error`` as one because the ``-verify`` line
3358 does not contain that as a prefix. Thus, this test would fail verification
3359 because an unexpected diagnostic would appear on the declaration of ``E``.
3361 Multiple occurrences accumulate prefixes.  For example,
3362 ``-verify -verify=foo,bar -verify=baz`` is equivalent to
3363 ``-verify=expected,foo,bar,baz``.
3365 Specifying Diagnostics
3366 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3367 Indicating that a line expects an error or a warning is simple. Put a comment
3368 on the line that has the diagnostic, use
3369 ``expected-{error,warning,remark,note}`` to tag if it's an expected error,
3370 warning, remark, or note (respectively), and place the expected text between
3371 ``{{`` and ``}}`` markers. The full text doesn't have to be included, only
3372 enough to ensure that the correct diagnostic was emitted. (Note: full text
3373 should be included in test cases unless there is a compelling reason to use
3374 truncated text instead.)
3376 Here's an example of the most commonly used way to specify expected
3377 diagnostics:
3379 .. code-block:: c++
3381   int A = B; // expected-error {{use of undeclared identifier 'B'}}
3383 You can place as many diagnostics on one line as you wish. To make the code
3384 more readable, you can use slash-newline to separate out the diagnostics.
3386 Alternatively, it is possible to specify the line on which the diagnostic
3387 should appear by appending ``@<line>`` to ``expected-<type>``, for example:
3389 .. code-block:: c++
3391   #warning some text
3392   // expected-warning@10 {{some text}}
3394 The line number may be absolute (as above), or relative to the current line by
3395 prefixing the number with either ``+`` or ``-``.
3397 If the diagnostic is generated in a separate file, for example in a shared
3398 header file, it may be beneficial to be able to declare the file in which the
3399 diagnostic will appear, rather than placing the ``expected-*`` directive in the
3400 actual file itself. This can be done using the following syntax:
3402 .. code-block:: c++
3404   // expected-error@path/include.h:15 {{error message}}
3406 The path can be absolute or relative and the same search paths will be used as
3407 for ``#include`` directives. The line number in an external file may be
3408 substituted with ``*`` meaning that any line number will match (useful where
3409 the included file is, for example, a system header where the actual line number
3410 may change and is not critical).
3412 As an alternative to specifying a fixed line number, the location of a
3413 diagnostic can instead be indicated by a marker of the form ``#<marker>``.
3414 Markers are specified by including them in a comment, and then referenced by
3415 appending the marker to the diagnostic with ``@#<marker>``, as with:
3417 .. code-block:: c++
3419   #warning some text  // #1
3420   // ... other code ...
3421   // expected-warning@#1 {{some text}}
3423 The name of a marker used in a directive must be unique within the compilation.
3425 The simple syntax above allows each specification to match exactly one
3426 diagnostic. You can use the extended syntax to customize this. The extended
3427 syntax is ``expected-<type> <n> {{diag text}}``, where ``<type>`` is one of
3428 ``error``, ``warning``, ``remark``, or ``note``, and ``<n>`` is a positive
3429 integer. This allows the diagnostic to appear as many times as specified. For
3430 example:
3432 .. code-block:: c++
3434   void f(); // expected-note 2 {{previous declaration is here}}
3436 Where the diagnostic is expected to occur a minimum number of times, this can
3437 be specified by appending a ``+`` to the number. For example:
3439 .. code-block:: c++
3441   void f(); // expected-note 0+ {{previous declaration is here}}
3442   void g(); // expected-note 1+ {{previous declaration is here}}
3444 In the first example, the diagnostic becomes optional, i.e. it will be
3445 swallowed if it occurs, but will not generate an error if it does not occur. In
3446 the second example, the diagnostic must occur at least once. As a short-hand,
3447 "one or more" can be specified simply by ``+``. For example:
3449 .. code-block:: c++
3451   void g(); // expected-note + {{previous declaration is here}}
3453 A range can also be specified by ``<n>-<m>``. For example:
3455 .. code-block:: c++
3457   void f(); // expected-note 0-1 {{previous declaration is here}}
3459 In this example, the diagnostic may appear only once, if at all.
3461 Regex matching mode may be selected by appending ``-re`` to the diagnostic type
3462 and including regexes wrapped in double curly braces in the directive, such as:
3464 .. code-block:: text
3466   expected-error-re {{format specifies type 'wchar_t **' (aka '{{.+}}')}}
3468 Examples matching error: "variable has incomplete type 'struct s'"
3470 .. code-block:: c++
3472   // expected-error {{variable has incomplete type 'struct s'}}
3473   // expected-error {{variable has incomplete type}}
3475   // expected-error-re {{variable has type 'struct {{.}}'}}
3476   // expected-error-re {{variable has type 'struct {{.*}}'}}
3477   // expected-error-re {{variable has type 'struct {{(.*)}}'}}
3478   // expected-error-re {{variable has type 'struct{{[[:space:]](.*)}}'}}
3480 Feature Test Macros
3481 ===================
3482 Clang implements several ways to test whether a feature is supported or not.
3483 Some of these feature tests are standardized, like ``__has_cpp_attribute`` or
3484 ``__cpp_lambdas``, while others are Clang extensions, like ``__has_builtin``.
3485 The common theme among all the various feature tests is that they are a utility
3486 to tell users that we think a particular feature is complete. However,
3487 completeness is a difficult property to define because features may still have
3488 lingering bugs, may only work on some targets, etc. We use the following
3489 criteria when deciding whether to expose a feature test macro (or particular
3490 result value for the feature test):
3492   * Are there known issues where we reject valid code that should be accepted?
3493   * Are there known issues where we accept invalid code that should be rejected?
3494   * Are there known crashes, failed assertions, or miscompilations?
3495   * Are there known issues on a particular relevant target?
3497 If the answer to any of these is "yes", the feature test macro should either
3498 not be defined or there should be very strong rationale for why the issues
3499 should not prevent defining it. Note, it is acceptable to define the feature
3500 test macro on a per-target basis if needed.
3502 When in doubt, being conservative is better than being aggressive. If we don't
3503 claim support for the feature but it does useful things, users can still use it
3504 and provide us with useful feedback on what is missing. But if we claim support
3505 for a feature that has significant bugs, we've eliminated most of the utility
3506 of having a feature testing macro at all because users are then forced to test
3507 what compiler version is in use to get a more accurate answer.
3509 The status reported by the feature test macro should always be reflected in the
3510 language support page for the corresponding feature (`C++
3511 <https://clang.llvm.org/cxx_status.html>`_, `C
3512 <https://clang.llvm.org/c_status.html>`_) if applicable. This page can give
3513 more nuanced information to the user as well, such as claiming partial support
3514 for a feature and specifying details as to what remains to be done.