[RISCV] Refactor predicates for rvv intrinsic patterns.
[llvm-project.git] / llvm / docs / HowToUpdateDebugInfo.rst
blobc64b5d1d0d98b603ff19ea1cd0adfbe8ed36bc4b
1 =======================================================
2 How to Update Debug Info: A Guide for LLVM Pass Authors
3 =======================================================
5 .. contents::
6    :local:
8 Introduction
9 ============
11 Certain kinds of code transformations can inadvertently result in a loss of
12 debug info, or worse, make debug info misrepresent the state of a program.
14 This document specifies how to correctly update debug info in various kinds of
15 code transformations, and offers suggestions for how to create targeted debug
16 info tests for arbitrary transformations.
18 For more on the philosophy behind LLVM debugging information, see
19 :doc:`SourceLevelDebugging`.
21 Rules for updating debug locations
22 ==================================
24 .. _WhenToPreserveLocation:
26 When to preserve an instruction location
27 ----------------------------------------
29 A transformation should preserve the debug location of an instruction if the
30 instruction either remains in its basic block, or if its basic block is folded
31 into a predecessor that branches unconditionally. The APIs to use are
32 ``IRBuilder``, or ``Instruction::setDebugLoc``.
34 The purpose of this rule is to ensure that common block-local optimizations
35 preserve the ability to set breakpoints on source locations corresponding to
36 the instructions they touch. Debugging, crash logs, and SamplePGO accuracy
37 would be severely impacted if that ability were lost.
39 Examples of transformations that should follow this rule include:
41 * Instruction scheduling. Block-local instruction reordering should not drop
42   source locations, even though this may lead to jumpy single-stepping
43   behavior.
45 * Simple jump threading. For example, if block ``B1`` unconditionally jumps to
46   ``B2``, *and* is its unique predecessor, instructions from ``B2`` can be
47   hoisted into ``B1``. Source locations from ``B2`` should be preserved.
49 * Peephole optimizations that replace or expand an instruction, like ``(add X
50   X) => (shl X 1)``. The location of the ``shl`` instruction should be the same
51   as the location of the ``add`` instruction.
53 * Tail duplication. For example, if blocks ``B1`` and ``B2`` both
54   unconditionally branch to ``B3`` and ``B3`` can be folded into its
55   predecessors, source locations from ``B3`` should be preserved.
57 Examples of transformations for which this rule *does not* apply include:
59 * LICM. E.g., if an instruction is moved from the loop body to the preheader,
60   the rule for :ref:`dropping locations<WhenToDropLocation>` applies.
62 In addition to the rule above, a transformation should also preserve the debug
63 location of an instruction that is moved between basic blocks, if the
64 destination block already contains an instruction with an identical debug
65 location.
67 Examples of transformations that should follow this rule include:
69 * Moving instructions between basic blocks. For example, if instruction ``I1``
70   in ``BB1`` is moved before ``I2`` in ``BB2``, the source location of ``I1``
71   can be preserved if it has the same source location as ``I2``.
73 .. _WhenToMergeLocation:
75 When to merge instruction locations
76 -----------------------------------
78 A transformation should merge instruction locations if it replaces multiple
79 instructions with a single merged instruction, *and* that merged instruction
80 does not correspond to any of the original instructions' locations. The API to
81 use is ``Instruction::applyMergedLocation``.
83 The purpose of this rule is to ensure that a) the single merged instruction
84 has a location with an accurate scope attached, and b) to prevent misleading
85 single-stepping (or breakpoint) behavior. Often, merged instructions are memory
86 accesses which can trap: having an accurate scope attached greatly assists in
87 crash triage by identifying the (possibly inlined) function where the bad
88 memory access occurred. This rule is also meant to assist SamplePGO by banning
89 scenarios in which a sample of a block containing a merged instruction is
90 misattributed to a block containing one of the instructions-to-be-merged.
92 Examples of transformations that should follow this rule include:
94 * Merging identical loads/stores which occur on both sides of a CFG diamond
95   (see the ``MergedLoadStoreMotion`` pass).
97 * Merging identical loop-invariant stores (see the LICM utility
98   ``llvm::promoteLoopAccessesToScalars``).
100 * Peephole optimizations which combine multiple instructions together, like
101   ``(add (mul A B) C) => llvm.fma.f32(A, B, C)``.  Note that the location of
102   the ``fma`` does not exactly correspond to the locations of either the
103   ``mul`` or the ``add`` instructions.
105 Examples of transformations for which this rule *does not* apply include:
107 * Block-local peepholes which delete redundant instructions, like
108   ``(sext (zext i8 %x to i16) to i32) => (zext i8 %x to i32)``. The inner
109   ``zext`` is modified but remains in its block, so the rule for
110   :ref:`preserving locations<WhenToPreserveLocation>` should apply.
112 * Converting an if-then-else CFG diamond into a ``select``. Preserving the
113   debug locations of speculated instructions can make it seem like a condition
114   is true when it's not (or vice versa), which leads to a confusing
115   single-stepping experience. The rule for
116   :ref:`dropping locations<WhenToDropLocation>` should apply here.
118 * Hoisting identical instructions which appear in several successor blocks into
119   a predecessor block (see ``BranchFolder::HoistCommonCodeInSuccs``). In this
120   case there is no single merged instruction. The rule for
121   :ref:`dropping locations<WhenToDropLocation>` applies.
123 .. _WhenToDropLocation:
125 When to drop an instruction location
126 ------------------------------------
128 A transformation should drop debug locations if the rules for
129 :ref:`preserving<WhenToPreserveLocation>` and
130 :ref:`merging<WhenToMergeLocation>` debug locations do not apply. The API to
131 use is ``Instruction::dropLocation()``.
133 The purpose of this rule is to prevent erratic or misleading single-stepping
134 behavior in situations in which an instruction has no clear, unambiguous
135 relationship to a source location.
137 To handle an instruction without a location, the DWARF generator
138 defaults to allowing the last-set location after a label to cascade forward, or
139 to setting a line 0 location with viable scope information if no previous
140 location is available.
142 See the discussion in the section about
143 :ref:`merging locations<WhenToMergeLocation>` for examples of when the rule for
144 dropping locations applies.
146 Rules for updating debug values
147 ===============================
149 Deleting an IR-level Instruction
150 --------------------------------
152 When an ``Instruction`` is deleted, its debug uses change to ``undef``. This is
153 a loss of debug info: the value of one or more source variables becomes
154 unavailable, starting with the ``llvm.dbg.value(undef, ...)``. When there is no
155 way to reconstitute the value of the lost instruction, this is the best
156 possible outcome. However, it's often possible to do better:
158 * If the dying instruction can be RAUW'd, do so. The
159   ``Value::replaceAllUsesWith`` API transparently updates debug uses of the
160   dying instruction to point to the replacement value.
162 * If the dying instruction cannot be RAUW'd, call ``llvm::salvageDebugInfo`` on
163   it. This makes a best-effort attempt to rewrite debug uses of the dying
164   instruction by describing its effect as a ``DIExpression``.
166 * If one of the **operands** of a dying instruction would become trivially
167   dead, use ``llvm::replaceAllDbgUsesWith`` to rewrite the debug uses of that
168   operand. Consider the following example function:
170 .. code-block:: llvm
172   define i16 @foo(i16 %a) {
173     %b = sext i16 %a to i32
174     %c = and i32 %b, 15
175     call void @llvm.dbg.value(metadata i32 %c, ...)
176     %d = trunc i32 %c to i16
177     ret i16 %d
178   }
180 Now, here's what happens after the unnecessary truncation instruction ``%d`` is
181 replaced with a simplified instruction:
183 .. code-block:: llvm
185   define i16 @foo(i16 %a) {
186     call void @llvm.dbg.value(metadata i32 undef, ...)
187     %simplified = and i16 %a, 15
188     ret i16 %simplified
189   }
191 Note that after deleting ``%d``, all uses of its operand ``%c`` become
192 trivially dead. The debug use which used to point to ``%c`` is now ``undef``,
193 and debug info is needlessly lost.
195 To solve this problem, do:
197 .. code-block:: cpp
199   llvm::replaceAllDbgUsesWith(%c, theSimplifiedAndInstruction, ...)
201 This results in better debug info because the debug use of ``%c`` is preserved:
203 .. code-block:: llvm
205   define i16 @foo(i16 %a) {
206     %simplified = and i16 %a, 15
207     call void @llvm.dbg.value(metadata i16 %simplified, ...)
208     ret i16 %simplified
209   }
211 You may have noticed that ``%simplified`` is narrower than ``%c``: this is not
212 a problem, because ``llvm::replaceAllDbgUsesWith`` takes care of inserting the
213 necessary conversion operations into the DIExpressions of updated debug uses.
215 Deleting a MIR-level MachineInstr
216 ---------------------------------
218 TODO
220 Rules for updating ``DIAssignID`` Attachments
221 =============================================
223 ``DIAssignID`` metadata attachments are used by Assignment Tracking, which is
224 currently an experimental debug mode.
226 See :doc:`AssignmentTracking` for how to update them and for more info on
227 Assignment Tracking.
229 How to automatically convert tests into debug info tests
230 ========================================================
232 .. _IRDebugify:
234 Mutation testing for IR-level transformations
235 ---------------------------------------------
237 An IR test case for a transformation can, in many cases, be automatically
238 mutated to test debug info handling within that transformation. This is a
239 simple way to test for proper debug info handling.
241 The ``debugify`` utility pass
242 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
244 The ``debugify`` testing utility is just a pair of passes: ``debugify`` and
245 ``check-debugify``.
247 The first applies synthetic debug information to every instruction of the
248 module, and the second checks that this DI is still available after an
249 optimization has occurred, reporting any errors/warnings while doing so.
251 The instructions are assigned sequentially increasing line locations, and are
252 immediately used by debug value intrinsics everywhere possible.
254 For example, here is a module before:
256 .. code-block:: llvm
258    define void @f(i32* %x) {
259    entry:
260      %x.addr = alloca i32*, align 8
261      store i32* %x, i32** %x.addr, align 8
262      %0 = load i32*, i32** %x.addr, align 8
263      store i32 10, i32* %0, align 4
264      ret void
265    }
267 and after running ``opt -debugify``:
269 .. code-block:: llvm
271    define void @f(i32* %x) !dbg !6 {
272    entry:
273      %x.addr = alloca i32*, align 8, !dbg !12
274      call void @llvm.dbg.value(metadata i32** %x.addr, metadata !9, metadata !DIExpression()), !dbg !12
275      store i32* %x, i32** %x.addr, align 8, !dbg !13
276      %0 = load i32*, i32** %x.addr, align 8, !dbg !14
277      call void @llvm.dbg.value(metadata i32* %0, metadata !11, metadata !DIExpression()), !dbg !14
278      store i32 10, i32* %0, align 4, !dbg !15
279      ret void, !dbg !16
280    }
282    !llvm.dbg.cu = !{!0}
283    !llvm.debugify = !{!3, !4}
284    !llvm.module.flags = !{!5}
286    !0 = distinct !DICompileUnit(language: DW_LANG_C, file: !1, producer: "debugify", isOptimized: true, runtimeVersion: 0, emissionKind: FullDebug, enums: !2)
287    !1 = !DIFile(filename: "debugify-sample.ll", directory: "/")
288    !2 = !{}
289    !3 = !{i32 5}
290    !4 = !{i32 2}
291    !5 = !{i32 2, !"Debug Info Version", i32 3}
292    !6 = distinct !DISubprogram(name: "f", linkageName: "f", scope: null, file: !1, line: 1, type: !7, isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1, isOptimized: true, unit: !0, retainedNodes: !8)
293    !7 = !DISubroutineType(types: !2)
294    !8 = !{!9, !11}
295    !9 = !DILocalVariable(name: "1", scope: !6, file: !1, line: 1, type: !10)
296    !10 = !DIBasicType(name: "ty64", size: 64, encoding: DW_ATE_unsigned)
297    !11 = !DILocalVariable(name: "2", scope: !6, file: !1, line: 3, type: !10)
298    !12 = !DILocation(line: 1, column: 1, scope: !6)
299    !13 = !DILocation(line: 2, column: 1, scope: !6)
300    !14 = !DILocation(line: 3, column: 1, scope: !6)
301    !15 = !DILocation(line: 4, column: 1, scope: !6)
302    !16 = !DILocation(line: 5, column: 1, scope: !6)
304 Using ``debugify``
305 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
307 A simple way to use ``debugify`` is as follows:
309 .. code-block:: bash
311   $ opt -debugify -pass-to-test -check-debugify sample.ll
313 This will inject synthetic DI to ``sample.ll`` run the ``pass-to-test`` and
314 then check for missing DI. The ``-check-debugify`` step can of course be
315 omitted in favor of more customizable FileCheck directives.
317 Some other ways to run debugify are available:
319 .. code-block:: bash
321    # Same as the above example.
322    $ opt -enable-debugify -pass-to-test sample.ll
324    # Suppresses verbose debugify output.
325    $ opt -enable-debugify -debugify-quiet -pass-to-test sample.ll
327    # Prepend -debugify before and append -check-debugify -strip after
328    # each pass on the pipeline (similar to -verify-each).
329    $ opt -debugify-each -O2 sample.ll
331 In order for ``check-debugify`` to work, the DI must be coming from
332 ``debugify``. Thus, modules with existing DI will be skipped.
334 ``debugify`` can be used to test a backend, e.g:
336 .. code-block:: bash
338    $ opt -debugify < sample.ll | llc -o -
340 There is also a MIR-level debugify pass that can be run before each backend
341 pass, see:
342 :ref:`Mutation testing for MIR-level transformations<MIRDebugify>`.
344 ``debugify`` in regression tests
345 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
347 The output of the ``debugify`` pass must be stable enough to use in regression
348 tests. Changes to this pass are not allowed to break existing tests.
350 .. note::
352    Regression tests must be robust. Avoid hardcoding line/variable numbers in
353    check lines. In cases where this can't be avoided (say, if a test wouldn't
354    be precise enough), moving the test to its own file is preferred.
356 .. _MIRDebugify:
358 Test original debug info preservation in optimizations
359 ------------------------------------------------------
361 In addition to automatically generating debug info, the checks provided by
362 the ``debugify`` utility pass can also be used to test the preservation of
363 pre-existing debug info metadata. It could be run as follows:
365 .. code-block:: bash
367   # Run the pass by checking original Debug Info preservation.
368   $ opt -verify-debuginfo-preserve -pass-to-test sample.ll
370   # Check the preservation of original Debug Info after each pass.
371   $ opt -verify-each-debuginfo-preserve -O2 sample.ll
373 Limit number of observed functions to speed up the analysis:
375 .. code-block:: bash
377   # Test up to 100 functions (per compile unit) per pass.
378   $ opt -verify-each-debuginfo-preserve -O2 -debugify-func-limit=100 sample.ll
380 Please do note that running ``-verify-each-debuginfo-preserve`` on big projects
381 could be heavily time consuming. Therefore, we suggest using
382 ``-debugify-func-limit`` with a suitable limit number to prevent extremely long
383 builds.
385 Furthermore, there is a way to export the issues that have been found into
386 a JSON file as follows:
388 .. code-block:: bash
390   $ opt -verify-debuginfo-preserve -verify-di-preserve-export=sample.json -pass-to-test sample.ll
392 and then use the ``llvm/utils/llvm-original-di-preservation.py`` script
393 to generate an HTML page with the issues reported in a more human readable form
394 as follows:
396 .. code-block:: bash
398   $ llvm-original-di-preservation.py sample.json sample.html
400 Testing of original debug info preservation can be invoked from front-end level
401 as follows:
403 .. code-block:: bash
405   # Test each pass.
406   $ clang -Xclang -fverify-debuginfo-preserve -g -O2 sample.c
408   # Test each pass and export the issues report into the JSON file.
409   $ clang -Xclang -fverify-debuginfo-preserve -Xclang -fverify-debuginfo-preserve-export=sample.json -g -O2 sample.c
411 Please do note that there are some known false positives, for source locations
412 and debug intrinsic checking, so that will be addressed as a future work.
414 Mutation testing for MIR-level transformations
415 ----------------------------------------------
417 A variant of the ``debugify`` utility described in
418 :ref:`Mutation testing for IR-level transformations<IRDebugify>` can be used
419 for MIR-level transformations as well: much like the IR-level pass,
420 ``mir-debugify`` inserts sequentially increasing line locations to each
421 ``MachineInstr`` in a ``Module``. And the MIR-level ``mir-check-debugify`` is
422 similar to IR-level ``check-debugify`` pass.
424 For example, here is a snippet before:
426 .. code-block:: llvm
428   name:            test
429   body:             |
430     bb.1 (%ir-block.0):
431       %0:_(s32) = IMPLICIT_DEF
432       %1:_(s32) = IMPLICIT_DEF
433       %2:_(s32) = G_CONSTANT i32 2
434       %3:_(s32) = G_ADD %0, %2
435       %4:_(s32) = G_SUB %3, %1
437 and after running ``llc -run-pass=mir-debugify``:
439 .. code-block:: llvm
441   name:            test
442   body:             |
443     bb.0 (%ir-block.0):
444       %0:_(s32) = IMPLICIT_DEF debug-location !12
445       DBG_VALUE %0(s32), $noreg, !9, !DIExpression(), debug-location !12
446       %1:_(s32) = IMPLICIT_DEF debug-location !13
447       DBG_VALUE %1(s32), $noreg, !11, !DIExpression(), debug-location !13
448       %2:_(s32) = G_CONSTANT i32 2, debug-location !14
449       DBG_VALUE %2(s32), $noreg, !9, !DIExpression(), debug-location !14
450       %3:_(s32) = G_ADD %0, %2, debug-location !DILocation(line: 4, column: 1, scope: !6)
451       DBG_VALUE %3(s32), $noreg, !9, !DIExpression(), debug-location !DILocation(line: 4, column: 1, scope: !6)
452       %4:_(s32) = G_SUB %3, %1, debug-location !DILocation(line: 5, column: 1, scope: !6)
453       DBG_VALUE %4(s32), $noreg, !9, !DIExpression(), debug-location !DILocation(line: 5, column: 1, scope: !6)
455 By default, ``mir-debugify`` inserts ``DBG_VALUE`` instructions **everywhere**
456 it is legal to do so.  In particular, every (non-PHI) machine instruction that
457 defines a register must be followed by a ``DBG_VALUE`` use of that def.  If
458 an instruction does not define a register, but can be followed by a debug inst,
459 MIRDebugify inserts a ``DBG_VALUE`` that references a constant.  Insertion of
460 ``DBG_VALUE``'s can be disabled by setting ``-debugify-level=locations``.
462 To run MIRDebugify once, simply insert ``mir-debugify`` into your ``llc``
463 invocation, like:
465 .. code-block:: bash
467   # Before some other pass.
468   $ llc -run-pass=mir-debugify,other-pass ...
470   # After some other pass.
471   $ llc -run-pass=other-pass,mir-debugify ...
473 To run MIRDebugify before each pass in a pipeline, use
474 ``-debugify-and-strip-all-safe``. This can be combined with ``-start-before``
475 and ``-start-after``. For example:
477 .. code-block:: bash
479   $ llc -debugify-and-strip-all-safe -run-pass=... <other llc args>
480   $ llc -debugify-and-strip-all-safe -O1 <other llc args>
482 If you want to check it after each pass in a pipeline, use
483 ``-debugify-check-and-strip-all-safe``. This can also be combined with
484 ``-start-before`` and ``-start-after``. For example:
486 .. code-block:: bash
488   $ llc -debugify-check-and-strip-all-safe -run-pass=... <other llc args>
489   $ llc -debugify-check-and-strip-all-safe -O1 <other llc args>
491 To check all debug info from a test, use ``mir-check-debugify``, like:
493 .. code-block:: bash
495   $ llc -run-pass=mir-debugify,other-pass,mir-check-debugify
497 To strip out all debug info from a test, use ``mir-strip-debug``, like:
499 .. code-block:: bash
501   $ llc -run-pass=mir-debugify,other-pass,mir-strip-debug
503 It can be useful to combine ``mir-debugify``, ``mir-check-debugify`` and/or
504 ``mir-strip-debug`` to identify backend transformations which break in
505 the presence of debug info. For example, to run the AArch64 backend tests
506 with all normal passes "sandwiched" in between MIRDebugify and
507 MIRStripDebugify mutation passes, run:
509 .. code-block:: bash
511   $ llvm-lit test/CodeGen/AArch64 -Dllc="llc -debugify-and-strip-all-safe"
513 Using LostDebugLocObserver
514 --------------------------
516 TODO