[docs] Add LICENSE.txt to the root of the mono-repo
[llvm-project.git] / clang / docs / DriverInternals.rst
blob6bc5f7dac952df51b60b6460113b9bb556cd39df
1 =========================
2 Driver Design & Internals
3 =========================
5 .. contents::
6    :local:
8 Introduction
9 ============
11 This document describes the Clang driver. The purpose of this document
12 is to describe both the motivation and design goals for the driver, as
13 well as details of the internal implementation.
15 Features and Goals
16 ==================
18 The Clang driver is intended to be a production quality compiler driver
19 providing access to the Clang compiler and tools, with a command line
20 interface which is compatible with the gcc driver.
22 Although the driver is part of and driven by the Clang project, it is
23 logically a separate tool which shares many of the same goals as Clang:
25 .. contents:: Features
26    :local:
28 GCC Compatibility
29 -----------------
31 The number one goal of the driver is to ease the adoption of Clang by
32 allowing users to drop Clang into a build system which was designed to
33 call GCC. Although this makes the driver much more complicated than
34 might otherwise be necessary, we decided that being very compatible with
35 the gcc command line interface was worth it in order to allow users to
36 quickly test clang on their projects.
38 Flexible
39 --------
41 The driver was designed to be flexible and easily accommodate new uses
42 as we grow the clang and LLVM infrastructure. As one example, the driver
43 can easily support the introduction of tools which have an integrated
44 assembler; something we hope to add to LLVM in the future.
46 Similarly, most of the driver functionality is kept in a library which
47 can be used to build other tools which want to implement or accept a gcc
48 like interface.
50 Low Overhead
51 ------------
53 The driver should have as little overhead as possible. In practice, we
54 found that the gcc driver by itself incurred a small but meaningful
55 overhead when compiling many small files. The driver doesn't do much
56 work compared to a compilation, but we have tried to keep it as
57 efficient as possible by following a few simple principles:
59 -  Avoid memory allocation and string copying when possible.
60 -  Don't parse arguments more than once.
61 -  Provide a few simple interfaces for efficiently searching arguments.
63 Simple
64 ------
66 Finally, the driver was designed to be "as simple as possible", given
67 the other goals. Notably, trying to be completely compatible with the
68 gcc driver adds a significant amount of complexity. However, the design
69 of the driver attempts to mitigate this complexity by dividing the
70 process into a number of independent stages instead of a single
71 monolithic task.
73 Internal Design and Implementation
74 ==================================
76 .. contents::
77    :local:
78    :depth: 1
80 Internals Introduction
81 ----------------------
83 In order to satisfy the stated goals, the driver was designed to
84 completely subsume the functionality of the gcc executable; that is, the
85 driver should not need to delegate to gcc to perform subtasks. On
86 Darwin, this implies that the Clang driver also subsumes the gcc
87 driver-driver, which is used to implement support for building universal
88 images (binaries and object files). This also implies that the driver
89 should be able to call the language specific compilers (e.g. cc1)
90 directly, which means that it must have enough information to forward
91 command line arguments to child processes correctly.
93 Design Overview
94 ---------------
96 The diagram below shows the significant components of the driver
97 architecture and how they relate to one another. The orange components
98 represent concrete data structures built by the driver, the green
99 components indicate conceptually distinct stages which manipulate these
100 data structures, and the blue components are important helper classes.
102 .. image:: DriverArchitecture.png
103    :align: center
104    :alt: Driver Architecture Diagram
106 Driver Stages
107 -------------
109 The driver functionality is conceptually divided into five stages:
111 #. **Parse: Option Parsing**
113    The command line argument strings are decomposed into arguments
114    (``Arg`` instances). The driver expects to understand all available
115    options, although there is some facility for just passing certain
116    classes of options through (like ``-Wl,``).
118    Each argument corresponds to exactly one abstract ``Option``
119    definition, which describes how the option is parsed along with some
120    additional metadata. The Arg instances themselves are lightweight and
121    merely contain enough information for clients to determine which
122    option they correspond to and their values (if they have additional
123    parameters).
125    For example, a command line like "-Ifoo -I foo" would parse to two
126    Arg instances (a JoinedArg and a SeparateArg instance), but each
127    would refer to the same Option.
129    Options are lazily created in order to avoid populating all Option
130    classes when the driver is loaded. Most of the driver code only needs
131    to deal with options by their unique ID (e.g., ``options::OPT_I``),
133    Arg instances themselves do not generally store the values of
134    parameters. In many cases, this would simply result in creating
135    unnecessary string copies. Instead, Arg instances are always embedded
136    inside an ArgList structure, which contains the original vector of
137    argument strings. Each Arg itself only needs to contain an index into
138    this vector instead of storing its values directly.
140    The clang driver can dump the results of this stage using the
141    ``-###`` flag (which must precede any actual command
142    line arguments). For example:
144    .. code-block:: console
146       $ clang -### -Xarch_i386 -fomit-frame-pointer -Wa,-fast -Ifoo -I foo t.c
147       Option 0 - Name: "-Xarch_", Values: {"i386", "-fomit-frame-pointer"}
148       Option 1 - Name: "-Wa,", Values: {"-fast"}
149       Option 2 - Name: "-I", Values: {"foo"}
150       Option 3 - Name: "-I", Values: {"foo"}
151       Option 4 - Name: "<input>", Values: {"t.c"}
153    After this stage is complete the command line should be broken down
154    into well defined option objects with their appropriate parameters.
155    Subsequent stages should rarely, if ever, need to do any string
156    processing.
158 #. **Pipeline: Compilation Action Construction**
160    Once the arguments are parsed, the tree of subprocess jobs needed for
161    the desired compilation sequence are constructed. This involves
162    determining the input files and their types, what work is to be done
163    on them (preprocess, compile, assemble, link, etc.), and constructing
164    a list of Action instances for each task. The result is a list of one
165    or more top-level actions, each of which generally corresponds to a
166    single output (for example, an object or linked executable).
168    The majority of Actions correspond to actual tasks, however there are
169    two special Actions. The first is InputAction, which simply serves to
170    adapt an input argument for use as an input to other Actions. The
171    second is BindArchAction, which conceptually alters the architecture
172    to be used for all of its input Actions.
174    The clang driver can dump the results of this stage using the
175    ``-ccc-print-phases`` flag. For example:
177    .. code-block:: console
179       $ clang -ccc-print-phases -x c t.c -x assembler t.s
180       0: input, "t.c", c
181       1: preprocessor, {0}, cpp-output
182       2: compiler, {1}, assembler
183       3: assembler, {2}, object
184       4: input, "t.s", assembler
185       5: assembler, {4}, object
186       6: linker, {3, 5}, image
188    Here the driver is constructing seven distinct actions, four to
189    compile the "t.c" input into an object file, two to assemble the
190    "t.s" input, and one to link them together.
192    A rather different compilation pipeline is shown here; in this
193    example there are two top level actions to compile the input files
194    into two separate object files, where each object file is built using
195    ``lipo`` to merge results built for two separate architectures.
197    .. code-block:: console
199       $ clang -ccc-print-phases -c -arch i386 -arch x86_64 t0.c t1.c
200       0: input, "t0.c", c
201       1: preprocessor, {0}, cpp-output
202       2: compiler, {1}, assembler
203       3: assembler, {2}, object
204       4: bind-arch, "i386", {3}, object
205       5: bind-arch, "x86_64", {3}, object
206       6: lipo, {4, 5}, object
207       7: input, "t1.c", c
208       8: preprocessor, {7}, cpp-output
209       9: compiler, {8}, assembler
210       10: assembler, {9}, object
211       11: bind-arch, "i386", {10}, object
212       12: bind-arch, "x86_64", {10}, object
213       13: lipo, {11, 12}, object
215    After this stage is complete the compilation process is divided into
216    a simple set of actions which need to be performed to produce
217    intermediate or final outputs (in some cases, like ``-fsyntax-only``,
218    there is no "real" final output). Phases are well known compilation
219    steps, such as "preprocess", "compile", "assemble", "link", etc.
221 #. **Bind: Tool & Filename Selection**
223    This stage (in conjunction with the Translate stage) turns the tree
224    of Actions into a list of actual subprocess to run. Conceptually, the
225    driver performs a top down matching to assign Action(s) to Tools. The
226    ToolChain is responsible for selecting the tool to perform a
227    particular action; once selected the driver interacts with the tool
228    to see if it can match additional actions (for example, by having an
229    integrated preprocessor).
231    Once Tools have been selected for all actions, the driver determines
232    how the tools should be connected (for example, using an inprocess
233    module, pipes, temporary files, or user provided filenames). If an
234    output file is required, the driver also computes the appropriate
235    file name (the suffix and file location depend on the input types and
236    options such as ``-save-temps``).
238    The driver interacts with a ToolChain to perform the Tool bindings.
239    Each ToolChain contains information about all the tools needed for
240    compilation for a particular architecture, platform, and operating
241    system. A single driver invocation may query multiple ToolChains
242    during one compilation in order to interact with tools for separate
243    architectures.
245    The results of this stage are not computed directly, but the driver
246    can print the results via the ``-ccc-print-bindings`` option. For
247    example:
249    .. code-block:: console
251       $ clang -ccc-print-bindings -arch i386 -arch ppc t0.c
252       # "i386-apple-darwin9" - "clang", inputs: ["t0.c"], output: "/tmp/cc-Sn4RKF.s"
253       # "i386-apple-darwin9" - "darwin::Assemble", inputs: ["/tmp/cc-Sn4RKF.s"], output: "/tmp/cc-gvSnbS.o"
254       # "i386-apple-darwin9" - "darwin::Link", inputs: ["/tmp/cc-gvSnbS.o"], output: "/tmp/cc-jgHQxi.out"
255       # "ppc-apple-darwin9" - "gcc::Compile", inputs: ["t0.c"], output: "/tmp/cc-Q0bTox.s"
256       # "ppc-apple-darwin9" - "gcc::Assemble", inputs: ["/tmp/cc-Q0bTox.s"], output: "/tmp/cc-WCdicw.o"
257       # "ppc-apple-darwin9" - "gcc::Link", inputs: ["/tmp/cc-WCdicw.o"], output: "/tmp/cc-HHBEBh.out"
258       # "i386-apple-darwin9" - "darwin::Lipo", inputs: ["/tmp/cc-jgHQxi.out", "/tmp/cc-HHBEBh.out"], output: "a.out"
260    This shows the tool chain, tool, inputs and outputs which have been
261    bound for this compilation sequence. Here clang is being used to
262    compile t0.c on the i386 architecture and darwin specific versions of
263    the tools are being used to assemble and link the result, but generic
264    gcc versions of the tools are being used on PowerPC.
266 #. **Translate: Tool Specific Argument Translation**
268    Once a Tool has been selected to perform a particular Action, the
269    Tool must construct concrete Commands which will be executed during
270    compilation. The main work is in translating from the gcc style
271    command line options to whatever options the subprocess expects.
273    Some tools, such as the assembler, only interact with a handful of
274    arguments and just determine the path of the executable to call and
275    pass on their input and output arguments. Others, like the compiler
276    or the linker, may translate a large number of arguments in addition.
278    The ArgList class provides a number of simple helper methods to
279    assist with translating arguments; for example, to pass on only the
280    last of arguments corresponding to some option, or all arguments for
281    an option.
283    The result of this stage is a list of Commands (executable paths and
284    argument strings) to execute.
286 #. **Execute**
288    Finally, the compilation pipeline is executed. This is mostly
289    straightforward, although there is some interaction with options like
290    ``-pipe``, ``-pass-exit-codes`` and ``-time``.
292 Additional Notes
293 ----------------
295 The Compilation Object
296 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
298 The driver constructs a Compilation object for each set of command line
299 arguments. The Driver itself is intended to be invariant during
300 construction of a Compilation; an IDE should be able to construct a
301 single long lived driver instance to use for an entire build, for
302 example.
304 The Compilation object holds information that is particular to each
305 compilation sequence. For example, the list of used temporary files
306 (which must be removed once compilation is finished) and result files
307 (which should be removed if compilation fails).
309 Unified Parsing & Pipelining
310 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
312 Parsing and pipelining both occur without reference to a Compilation
313 instance. This is by design; the driver expects that both of these
314 phases are platform neutral, with a few very well defined exceptions
315 such as whether the platform uses a driver driver.
317 ToolChain Argument Translation
318 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
320 In order to match gcc very closely, the clang driver currently allows
321 tool chains to perform their own translation of the argument list (into
322 a new ArgList data structure). Although this allows the clang driver to
323 match gcc easily, it also makes the driver operation much harder to
324 understand (since the Tools stop seeing some arguments the user
325 provided, and see new ones instead).
327 For example, on Darwin ``-gfull`` gets translated into two separate
328 arguments, ``-g`` and ``-fno-eliminate-unused-debug-symbols``. Trying to
329 write Tool logic to do something with ``-gfull`` will not work, because
330 Tool argument translation is done after the arguments have been
331 translated.
333 A long term goal is to remove this tool chain specific translation, and
334 instead force each tool to change its own logic to do the right thing on
335 the untranslated original arguments.
337 Unused Argument Warnings
338 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
340 The driver operates by parsing all arguments but giving Tools the
341 opportunity to choose which arguments to pass on. One downside of this
342 infrastructure is that if the user misspells some option, or is confused
343 about which options to use, some command line arguments the user really
344 cared about may go unused. This problem is particularly important when
345 using clang as a compiler, since the clang compiler does not support
346 anywhere near all the options that gcc does, and we want to make sure
347 users know which ones are being used.
349 To support this, the driver maintains a bit associated with each
350 argument of whether it has been used (at all) during the compilation.
351 This bit usually doesn't need to be set by hand, as the key ArgList
352 accessors will set it automatically.
354 When a compilation is successful (there are no errors), the driver
355 checks the bit and emits an "unused argument" warning for any arguments
356 which were never accessed. This is conservative (the argument may not
357 have been used to do what the user wanted) but still catches the most
358 obvious cases.
360 Relation to GCC Driver Concepts
361 -------------------------------
363 For those familiar with the gcc driver, this section provides a brief
364 overview of how things from the gcc driver map to the clang driver.
366 -  **Driver Driver**
368    The driver driver is fully integrated into the clang driver. The
369    driver simply constructs additional Actions to bind the architecture
370    during the *Pipeline* phase. The tool chain specific argument
371    translation is responsible for handling ``-Xarch_``.
373    The one caveat is that this approach requires ``-Xarch_`` not be used
374    to alter the compilation itself (for example, one cannot provide
375    ``-S`` as an ``-Xarch_`` argument). The driver attempts to reject
376    such invocations, and overall there isn't a good reason to abuse
377    ``-Xarch_`` to that end in practice.
379    The upside is that the clang driver is more efficient and does little
380    extra work to support universal builds. It also provides better error
381    reporting and UI consistency.
383 -  **Specs**
385    The clang driver has no direct correspondent for "specs". The
386    majority of the functionality that is embedded in specs is in the
387    Tool specific argument translation routines. The parts of specs which
388    control the compilation pipeline are generally part of the *Pipeline*
389    stage.
391 -  **Toolchains**
393    The gcc driver has no direct understanding of tool chains. Each gcc
394    binary roughly corresponds to the information which is embedded
395    inside a single ToolChain.
397    The clang driver is intended to be portable and support complex
398    compilation environments. All platform and tool chain specific code
399    should be protected behind either abstract or well defined interfaces
400    (such as whether the platform supports use as a driver driver).