[PowerPC] Collect some CallLowering arguments into a struct. [NFC]
[llvm-project.git] / clang / docs / InternalsManual.rst
blob4f1c8a584c670388543ac0235d465d80c2de78d2
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 Here are the different diagnostic argument formats currently supported by
196 Clang:
198 **"s" format**
200 Example:
201   ``"requires %1 parameter%s1"``
202 Class:
203   Integers
204 Description:
205   This is a simple formatter for integers that is useful when producing English
206   diagnostics.  When the integer is 1, it prints as nothing.  When the integer
207   is not 1, it prints as "``s``".  This allows some simple grammatical forms to
208   be to be handled correctly, and eliminates the need to use gross things like
209   ``"requires %1 parameter(s)"``.
211 **"select" format**
213 Example:
214   ``"must be a %select{unary|binary|unary or binary}2 operator"``
215 Class:
216   Integers
217 Description:
218   This format specifier is used to merge multiple related diagnostics together
219   into one common one, without requiring the difference to be specified as an
220   English string argument.  Instead of specifying the string, the diagnostic
221   gets an integer argument and the format string selects the numbered option.
222   In this case, the "``%2``" value must be an integer in the range [0..2].  If
223   it is 0, it prints "unary", if it is 1 it prints "binary" if it is 2, it
224   prints "unary or binary".  This allows other language translations to
225   substitute reasonable words (or entire phrases) based on the semantics of the
226   diagnostic instead of having to do things textually.  The selected string
227   does undergo formatting.
229 **"plural" format**
231 Example:
232   ``"you have %1 %plural{1:mouse|:mice}1 connected to your computer"``
233 Class:
234   Integers
235 Description:
236   This is a formatter for complex plural forms.  It is designed to handle even
237   the requirements of languages with very complex plural forms, as many Baltic
238   languages have.  The argument consists of a series of expression/form pairs,
239   separated by ":", where the first form whose expression evaluates to true is
240   the result of the modifier.
242   An expression can be empty, in which case it is always true.  See the example
243   at the top.  Otherwise, it is a series of one or more numeric conditions,
244   separated by ",".  If any condition matches, the expression matches.  Each
245   numeric condition can take one of three forms.
247   * number: A simple decimal number matches if the argument is the same as the
248     number.  Example: ``"%plural{1:mouse|:mice}4"``
249   * range: A range in square brackets matches if the argument is within the
250     range.  Then range is inclusive on both ends.  Example:
251     ``"%plural{0:none|1:one|[2,5]:some|:many}2"``
252   * modulo: A modulo operator is followed by a number, and equals sign and
253     either a number or a range.  The tests are the same as for plain numbers
254     and ranges, but the argument is taken modulo the number first.  Example:
255     ``"%plural{%100=0:even hundred|%100=[1,50]:lower half|:everything else}1"``
257   The parser is very unforgiving.  A syntax error, even whitespace, will abort,
258   as will a failure to match the argument against any expression.
260 **"ordinal" format**
262 Example:
263   ``"ambiguity in %ordinal0 argument"``
264 Class:
265   Integers
266 Description:
267   This is a formatter which represents the argument number as an ordinal: the
268   value ``1`` becomes ``1st``, ``3`` becomes ``3rd``, and so on.  Values less
269   than ``1`` are not supported.  This formatter is currently hard-coded to use
270   English ordinals.
272 **"objcclass" format**
274 Example:
275   ``"method %objcclass0 not found"``
276 Class:
277   ``DeclarationName``
278 Description:
279   This is a simple formatter that indicates the ``DeclarationName`` corresponds
280   to an Objective-C class method selector.  As such, it prints the selector
281   with a leading "``+``".
283 **"objcinstance" format**
285 Example:
286   ``"method %objcinstance0 not found"``
287 Class:
288   ``DeclarationName``
289 Description:
290   This is a simple formatter that indicates the ``DeclarationName`` corresponds
291   to an Objective-C instance method selector.  As such, it prints the selector
292   with a leading "``-``".
294 **"q" format**
296 Example:
297   ``"candidate found by name lookup is %q0"``
298 Class:
299   ``NamedDecl *``
300 Description:
301   This formatter indicates that the fully-qualified name of the declaration
302   should be printed, e.g., "``std::vector``" rather than "``vector``".
304 **"diff" format**
306 Example:
307   ``"no known conversion %diff{from $ to $|from argument type to parameter type}1,2"``
308 Class:
309   ``QualType``
310 Description:
311   This formatter takes two ``QualType``\ s and attempts to print a template
312   difference between the two.  If tree printing is off, the text inside the
313   braces before the pipe is printed, with the formatted text replacing the $.
314   If tree printing is on, the text after the pipe is printed and a type tree is
315   printed after the diagnostic message.
317 It is really easy to add format specifiers to the Clang diagnostics system, but
318 they should be discussed before they are added.  If you are creating a lot of
319 repetitive diagnostics and/or have an idea for a useful formatter, please bring
320 it up on the cfe-dev mailing list.
322 **"sub" format**
324 Example:
325   Given the following record definition of type ``TextSubstitution``:
327   .. code-block:: text
329     def select_ovl_candidate : TextSubstitution<
330       "%select{function|constructor}0%select{| template| %2}1">;
332   which can be used as
334   .. code-block:: text
336     def note_ovl_candidate : Note<
337       "candidate %sub{select_ovl_candidate}3,2,1 not viable">;
339   and will act as if it was written
340   ``"candidate %select{function|constructor}3%select{| template| %1}2 not viable"``.
341 Description:
342   This format specifier is used to avoid repeating strings verbatim in multiple
343   diagnostics. The argument to ``%sub`` must name a ``TextSubstitution`` tblgen
344   record. The substitution must specify all arguments used by the substitution,
345   and the modifier indexes in the substitution are re-numbered accordingly. The
346   substituted text must itself be a valid format string before substitution.
348 .. _internals-producing-diag:
350 Producing the Diagnostic
351 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
353 Now that you've created the diagnostic in the ``Diagnostic*Kinds.td`` file, you
354 need to write the code that detects the condition in question and emits the new
355 diagnostic.  Various components of Clang (e.g., the preprocessor, ``Sema``,
356 etc.) provide a helper function named "``Diag``".  It creates a diagnostic and
357 accepts the arguments, ranges, and other information that goes along with it.
359 For example, the binary expression error comes from code like this:
361 .. code-block:: c++
363   if (various things that are bad)
364     Diag(Loc, diag::err_typecheck_invalid_operands)
365       << lex->getType() << rex->getType()
366       << lex->getSourceRange() << rex->getSourceRange();
368 This shows that use of the ``Diag`` method: it takes a location (a
369 :ref:`SourceLocation <SourceLocation>` object) and a diagnostic enum value
370 (which matches the name from ``Diagnostic*Kinds.td``).  If the diagnostic takes
371 arguments, they are specified with the ``<<`` operator: the first argument
372 becomes ``%0``, the second becomes ``%1``, etc.  The diagnostic interface
373 allows you to specify arguments of many different types, including ``int`` and
374 ``unsigned`` for integer arguments, ``const char*`` and ``std::string`` for
375 string arguments, ``DeclarationName`` and ``const IdentifierInfo *`` for names,
376 ``QualType`` for types, etc.  ``SourceRange``\ s are also specified with the
377 ``<<`` operator, but do not have a specific ordering requirement.
379 As you can see, adding and producing a diagnostic is pretty straightforward.
380 The hard part is deciding exactly what you need to say to help the user,
381 picking a suitable wording, and providing the information needed to format it
382 correctly.  The good news is that the call site that issues a diagnostic should
383 be completely independent of how the diagnostic is formatted and in what
384 language it is rendered.
386 Fix-It Hints
387 ^^^^^^^^^^^^
389 In some cases, the front end emits diagnostics when it is clear that some small
390 change to the source code would fix the problem.  For example, a missing
391 semicolon at the end of a statement or a use of deprecated syntax that is
392 easily rewritten into a more modern form.  Clang tries very hard to emit the
393 diagnostic and recover gracefully in these and other cases.
395 However, for these cases where the fix is obvious, the diagnostic can be
396 annotated with a hint (referred to as a "fix-it hint") that describes how to
397 change the code referenced by the diagnostic to fix the problem.  For example,
398 it might add the missing semicolon at the end of the statement or rewrite the
399 use of a deprecated construct into something more palatable.  Here is one such
400 example from the C++ front end, where we warn about the right-shift operator
401 changing meaning from C++98 to C++11:
403 .. code-block:: text
405   test.cpp:3:7: warning: use of right-shift operator ('>>') in template argument
406                          will require parentheses in C++11
407   A<100 >> 2> *a;
408         ^
409     (       )
411 Here, the fix-it hint is suggesting that parentheses be added, and showing
412 exactly where those parentheses would be inserted into the source code.  The
413 fix-it hints themselves describe what changes to make to the source code in an
414 abstract manner, which the text diagnostic printer renders as a line of
415 "insertions" below the caret line.  :ref:`Other diagnostic clients
416 <DiagnosticConsumer>` might choose to render the code differently (e.g., as
417 markup inline) or even give the user the ability to automatically fix the
418 problem.
420 Fix-it hints on errors and warnings need to obey these rules:
422 * Since they are automatically applied if ``-Xclang -fixit`` is passed to the
423   driver, they should only be used when it's very likely they match the user's
424   intent.
425 * Clang must recover from errors as if the fix-it had been applied.
426 * Fix-it hints on a warning must not change the meaning of the code.
427   However, a hint may clarify the meaning as intentional, for example by adding
428   parentheses when the precedence of operators isn't obvious.
430 If a fix-it can't obey these rules, put the fix-it on a note.  Fix-its on notes
431 are not applied automatically.
433 All fix-it hints are described by the ``FixItHint`` class, instances of which
434 should be attached to the diagnostic using the ``<<`` operator in the same way
435 that highlighted source ranges and arguments are passed to the diagnostic.
436 Fix-it hints can be created with one of three constructors:
438 * ``FixItHint::CreateInsertion(Loc, Code)``
440     Specifies that the given ``Code`` (a string) should be inserted before the
441     source location ``Loc``.
443 * ``FixItHint::CreateRemoval(Range)``
445     Specifies that the code in the given source ``Range`` should be removed.
447 * ``FixItHint::CreateReplacement(Range, Code)``
449     Specifies that the code in the given source ``Range`` should be removed,
450     and replaced with the given ``Code`` string.
452 .. _DiagnosticConsumer:
454 The ``DiagnosticConsumer`` Interface
455 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
457 Once code generates a diagnostic with all of the arguments and the rest of the
458 relevant information, Clang needs to know what to do with it.  As previously
459 mentioned, the diagnostic machinery goes through some filtering to map a
460 severity onto a diagnostic level, then (assuming the diagnostic is not mapped
461 to "``Ignore``") it invokes an object that implements the ``DiagnosticConsumer``
462 interface with the information.
464 It is possible to implement this interface in many different ways.  For
465 example, the normal Clang ``DiagnosticConsumer`` (named
466 ``TextDiagnosticPrinter``) turns the arguments into strings (according to the
467 various formatting rules), prints out the file/line/column information and the
468 string, then prints out the line of code, the source ranges, and the caret.
469 However, this behavior isn't required.
471 Another implementation of the ``DiagnosticConsumer`` interface is the
472 ``TextDiagnosticBuffer`` class, which is used when Clang is in ``-verify``
473 mode.  Instead of formatting and printing out the diagnostics, this
474 implementation just captures and remembers the diagnostics as they fly by.
475 Then ``-verify`` compares the list of produced diagnostics to the list of
476 expected ones.  If they disagree, it prints out its own output.  Full
477 documentation for the ``-verify`` mode can be found in the Clang API
478 documentation for `VerifyDiagnosticConsumer
479 </doxygen/classclang_1_1VerifyDiagnosticConsumer.html#details>`_.
481 There are many other possible implementations of this interface, and this is
482 why we prefer diagnostics to pass down rich structured information in
483 arguments.  For example, an HTML output might want declaration names be
484 linkified to where they come from in the source.  Another example is that a GUI
485 might let you click on typedefs to expand them.  This application would want to
486 pass significantly more information about types through to the GUI than a
487 simple flat string.  The interface allows this to happen.
489 .. _internals-diag-translation:
491 Adding Translations to Clang
492 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
494 Not possible yet! Diagnostic strings should be written in UTF-8, the client can
495 translate to the relevant code page if needed.  Each translation completely
496 replaces the format string for the diagnostic.
498 .. _SourceLocation:
499 .. _SourceManager:
501 The ``SourceLocation`` and ``SourceManager`` classes
502 ----------------------------------------------------
504 Strangely enough, the ``SourceLocation`` class represents a location within the
505 source code of the program.  Important design points include:
507 #. ``sizeof(SourceLocation)`` must be extremely small, as these are embedded
508    into many AST nodes and are passed around often.  Currently it is 32 bits.
509 #. ``SourceLocation`` must be a simple value object that can be efficiently
510    copied.
511 #. We should be able to represent a source location for any byte of any input
512    file.  This includes in the middle of tokens, in whitespace, in trigraphs,
513    etc.
514 #. A ``SourceLocation`` must encode the current ``#include`` stack that was
515    active when the location was processed.  For example, if the location
516    corresponds to a token, it should contain the set of ``#include``\ s active
517    when the token was lexed.  This allows us to print the ``#include`` stack
518    for a diagnostic.
519 #. ``SourceLocation`` must be able to describe macro expansions, capturing both
520    the ultimate instantiation point and the source of the original character
521    data.
523 In practice, the ``SourceLocation`` works together with the ``SourceManager``
524 class to encode two pieces of information about a location: its spelling
525 location and its expansion location.  For most tokens, these will be the
526 same.  However, for a macro expansion (or tokens that came from a ``_Pragma``
527 directive) these will describe the location of the characters corresponding to
528 the token and the location where the token was used (i.e., the macro
529 expansion point or the location of the ``_Pragma`` itself).
531 The Clang front-end inherently depends on the location of a token being tracked
532 correctly.  If it is ever incorrect, the front-end may get confused and die.
533 The reason for this is that the notion of the "spelling" of a ``Token`` in
534 Clang depends on being able to find the original input characters for the
535 token.  This concept maps directly to the "spelling location" for the token.
537 ``SourceRange`` and ``CharSourceRange``
538 ---------------------------------------
540 .. mostly taken from https://lists.llvm.org/pipermail/cfe-dev/2010-August/010595.html
542 Clang represents most source ranges by [first, last], where "first" and "last"
543 each point to the beginning of their respective tokens.  For example consider
544 the ``SourceRange`` of the following statement:
546 .. code-block:: text
548   x = foo + bar;
549   ^first    ^last
551 To map from this representation to a character-based representation, the "last"
552 location needs to be adjusted to point to (or past) the end of that token with
553 either ``Lexer::MeasureTokenLength()`` or ``Lexer::getLocForEndOfToken()``.  For
554 the rare cases where character-level source ranges information is needed we use
555 the ``CharSourceRange`` class.
557 The Driver Library
558 ==================
560 The clang Driver and library are documented :doc:`here <DriverInternals>`.
562 Precompiled Headers
563 ===================
565 Clang supports precompiled headers (:doc:`PCH <PCHInternals>`), which  uses a
566 serialized representation of Clang's internal data structures, encoded with the
567 `LLVM bitstream format <https://llvm.org/docs/BitCodeFormat.html>`_.
569 The Frontend Library
570 ====================
572 The Frontend library contains functionality useful for building tools on top of
573 the Clang libraries, for example several methods for outputting diagnostics.
575 The Lexer and Preprocessor Library
576 ==================================
578 The Lexer library contains several tightly-connected classes that are involved
579 with the nasty process of lexing and preprocessing C source code.  The main
580 interface to this library for outside clients is the large ``Preprocessor``
581 class.  It contains the various pieces of state that are required to coherently
582 read tokens out of a translation unit.
584 The core interface to the ``Preprocessor`` object (once it is set up) is the
585 ``Preprocessor::Lex`` method, which returns the next :ref:`Token <Token>` from
586 the preprocessor stream.  There are two types of token providers that the
587 preprocessor is capable of reading from: a buffer lexer (provided by the
588 :ref:`Lexer <Lexer>` class) and a buffered token stream (provided by the
589 :ref:`TokenLexer <TokenLexer>` class).
591 .. _Token:
593 The Token class
594 ---------------
596 The ``Token`` class is used to represent a single lexed token.  Tokens are
597 intended to be used by the lexer/preprocess and parser libraries, but are not
598 intended to live beyond them (for example, they should not live in the ASTs).
600 Tokens most often live on the stack (or some other location that is efficient
601 to access) as the parser is running, but occasionally do get buffered up.  For
602 example, macro definitions are stored as a series of tokens, and the C++
603 front-end periodically needs to buffer tokens up for tentative parsing and
604 various pieces of look-ahead.  As such, the size of a ``Token`` matters.  On a
605 32-bit system, ``sizeof(Token)`` is currently 16 bytes.
607 Tokens occur in two forms: :ref:`annotation tokens <AnnotationToken>` and
608 normal tokens.  Normal tokens are those returned by the lexer, annotation
609 tokens represent semantic information and are produced by the parser, replacing
610 normal tokens in the token stream.  Normal tokens contain the following
611 information:
613 * **A SourceLocation** --- This indicates the location of the start of the
614   token.
616 * **A length** --- This stores the length of the token as stored in the
617   ``SourceBuffer``.  For tokens that include them, this length includes
618   trigraphs and escaped newlines which are ignored by later phases of the
619   compiler.  By pointing into the original source buffer, it is always possible
620   to get the original spelling of a token completely accurately.
622 * **IdentifierInfo** --- If a token takes the form of an identifier, and if
623   identifier lookup was enabled when the token was lexed (e.g., the lexer was
624   not reading in "raw" mode) this contains a pointer to the unique hash value
625   for the identifier.  Because the lookup happens before keyword
626   identification, this field is set even for language keywords like "``for``".
628 * **TokenKind** --- This indicates the kind of token as classified by the
629   lexer.  This includes things like ``tok::starequal`` (for the "``*=``"
630   operator), ``tok::ampamp`` for the "``&&``" token, and keyword values (e.g.,
631   ``tok::kw_for``) for identifiers that correspond to keywords.  Note that
632   some tokens can be spelled multiple ways.  For example, C++ supports
633   "operator keywords", where things like "``and``" are treated exactly like the
634   "``&&``" operator.  In these cases, the kind value is set to ``tok::ampamp``,
635   which is good for the parser, which doesn't have to consider both forms.  For
636   something that cares about which form is used (e.g., the preprocessor
637   "stringize" operator) the spelling indicates the original form.
639 * **Flags** --- There are currently four flags tracked by the
640   lexer/preprocessor system on a per-token basis:
642   #. **StartOfLine** --- This was the first token that occurred on its input
643      source line.
644   #. **LeadingSpace** --- There was a space character either immediately before
645      the token or transitively before the token as it was expanded through a
646      macro.  The definition of this flag is very closely defined by the
647      stringizing requirements of the preprocessor.
648   #. **DisableExpand** --- This flag is used internally to the preprocessor to
649      represent identifier tokens which have macro expansion disabled.  This
650      prevents them from being considered as candidates for macro expansion ever
651      in the future.
652   #. **NeedsCleaning** --- This flag is set if the original spelling for the
653      token includes a trigraph or escaped newline.  Since this is uncommon,
654      many pieces of code can fast-path on tokens that did not need cleaning.
656 One interesting (and somewhat unusual) aspect of normal tokens is that they
657 don't contain any semantic information about the lexed value.  For example, if
658 the token was a pp-number token, we do not represent the value of the number
659 that was lexed (this is left for later pieces of code to decide).
660 Additionally, the lexer library has no notion of typedef names vs variable
661 names: both are returned as identifiers, and the parser is left to decide
662 whether a specific identifier is a typedef or a variable (tracking this
663 requires scope information among other things).  The parser can do this
664 translation by replacing tokens returned by the preprocessor with "Annotation
665 Tokens".
667 .. _AnnotationToken:
669 Annotation Tokens
670 -----------------
672 Annotation tokens are tokens that are synthesized by the parser and injected
673 into the preprocessor's token stream (replacing existing tokens) to record
674 semantic information found by the parser.  For example, if "``foo``" is found
675 to be a typedef, the "``foo``" ``tok::identifier`` token is replaced with an
676 ``tok::annot_typename``.  This is useful for a couple of reasons: 1) this makes
677 it easy to handle qualified type names (e.g., "``foo::bar::baz<42>::t``") in
678 C++ as a single "token" in the parser.  2) if the parser backtracks, the
679 reparse does not need to redo semantic analysis to determine whether a token
680 sequence is a variable, type, template, etc.
682 Annotation tokens are created by the parser and reinjected into the parser's
683 token stream (when backtracking is enabled).  Because they can only exist in
684 tokens that the preprocessor-proper is done with, it doesn't need to keep
685 around flags like "start of line" that the preprocessor uses to do its job.
686 Additionally, an annotation token may "cover" a sequence of preprocessor tokens
687 (e.g., "``a::b::c``" is five preprocessor tokens).  As such, the valid fields
688 of an annotation token are different than the fields for a normal token (but
689 they are multiplexed into the normal ``Token`` fields):
691 * **SourceLocation "Location"** --- The ``SourceLocation`` for the annotation
692   token indicates the first token replaced by the annotation token.  In the
693   example above, it would be the location of the "``a``" identifier.
694 * **SourceLocation "AnnotationEndLoc"** --- This holds the location of the last
695   token replaced with the annotation token.  In the example above, it would be
696   the location of the "``c``" identifier.
697 * **void* "AnnotationValue"** --- This contains an opaque object that the
698   parser gets from ``Sema``.  The parser merely preserves the information for
699   ``Sema`` to later interpret based on the annotation token kind.
700 * **TokenKind "Kind"** --- This indicates the kind of Annotation token this is.
701   See below for the different valid kinds.
703 Annotation tokens currently come in three kinds:
705 #. **tok::annot_typename**: This annotation token represents a resolved
706    typename token that is potentially qualified.  The ``AnnotationValue`` field
707    contains the ``QualType`` returned by ``Sema::getTypeName()``, possibly with
708    source location information attached.
709 #. **tok::annot_cxxscope**: This annotation token represents a C++ scope
710    specifier, such as "``A::B::``".  This corresponds to the grammar
711    productions "*::*" and "*:: [opt] nested-name-specifier*".  The
712    ``AnnotationValue`` pointer is a ``NestedNameSpecifier *`` returned by the
713    ``Sema::ActOnCXXGlobalScopeSpecifier`` and
714    ``Sema::ActOnCXXNestedNameSpecifier`` callbacks.
715 #. **tok::annot_template_id**: This annotation token represents a C++
716    template-id such as "``foo<int, 4>``", where "``foo``" is the name of a
717    template.  The ``AnnotationValue`` pointer is a pointer to a ``malloc``'d
718    ``TemplateIdAnnotation`` object.  Depending on the context, a parsed
719    template-id that names a type might become a typename annotation token (if
720    all we care about is the named type, e.g., because it occurs in a type
721    specifier) or might remain a template-id token (if we want to retain more
722    source location information or produce a new type, e.g., in a declaration of
723    a class template specialization).  template-id annotation tokens that refer
724    to a type can be "upgraded" to typename annotation tokens by the parser.
726 As mentioned above, annotation tokens are not returned by the preprocessor,
727 they are formed on demand by the parser.  This means that the parser has to be
728 aware of cases where an annotation could occur and form it where appropriate.
729 This is somewhat similar to how the parser handles Translation Phase 6 of C99:
730 String Concatenation (see C99 5.1.1.2).  In the case of string concatenation,
731 the preprocessor just returns distinct ``tok::string_literal`` and
732 ``tok::wide_string_literal`` tokens and the parser eats a sequence of them
733 wherever the grammar indicates that a string literal can occur.
735 In order to do this, whenever the parser expects a ``tok::identifier`` or
736 ``tok::coloncolon``, it should call the ``TryAnnotateTypeOrScopeToken`` or
737 ``TryAnnotateCXXScopeToken`` methods to form the annotation token.  These
738 methods will maximally form the specified annotation tokens and replace the
739 current token with them, if applicable.  If the current tokens is not valid for
740 an annotation token, it will remain an identifier or "``::``" token.
742 .. _Lexer:
744 The ``Lexer`` class
745 -------------------
747 The ``Lexer`` class provides the mechanics of lexing tokens out of a source
748 buffer and deciding what they mean.  The ``Lexer`` is complicated by the fact
749 that it operates on raw buffers that have not had spelling eliminated (this is
750 a necessity to get decent performance), but this is countered with careful
751 coding as well as standard performance techniques (for example, the comment
752 handling code is vectorized on X86 and PowerPC hosts).
754 The lexer has a couple of interesting modal features:
756 * The lexer can operate in "raw" mode.  This mode has several features that
757   make it possible to quickly lex the file (e.g., it stops identifier lookup,
758   doesn't specially handle preprocessor tokens, handles EOF differently, etc).
759   This mode is used for lexing within an "``#if 0``" block, for example.
760 * The lexer can capture and return comments as tokens.  This is required to
761   support the ``-C`` preprocessor mode, which passes comments through, and is
762   used by the diagnostic checker to identifier expect-error annotations.
763 * The lexer can be in ``ParsingFilename`` mode, which happens when
764   preprocessing after reading a ``#include`` directive.  This mode changes the
765   parsing of "``<``" to return an "angled string" instead of a bunch of tokens
766   for each thing within the filename.
767 * When parsing a preprocessor directive (after "``#``") the
768   ``ParsingPreprocessorDirective`` mode is entered.  This changes the parser to
769   return EOD at a newline.
770 * The ``Lexer`` uses a ``LangOptions`` object to know whether trigraphs are
771   enabled, whether C++ or ObjC keywords are recognized, etc.
773 In addition to these modes, the lexer keeps track of a couple of other features
774 that are local to a lexed buffer, which change as the buffer is lexed:
776 * The ``Lexer`` uses ``BufferPtr`` to keep track of the current character being
777   lexed.
778 * The ``Lexer`` uses ``IsAtStartOfLine`` to keep track of whether the next
779   lexed token will start with its "start of line" bit set.
780 * The ``Lexer`` keeps track of the current "``#if``" directives that are active
781   (which can be nested).
782 * The ``Lexer`` keeps track of an :ref:`MultipleIncludeOpt
783   <MultipleIncludeOpt>` object, which is used to detect whether the buffer uses
784   the standard "``#ifndef XX`` / ``#define XX``" idiom to prevent multiple
785   inclusion.  If a buffer does, subsequent includes can be ignored if the
786   "``XX``" macro is defined.
788 .. _TokenLexer:
790 The ``TokenLexer`` class
791 ------------------------
793 The ``TokenLexer`` class is a token provider that returns tokens from a list of
794 tokens that came from somewhere else.  It typically used for two things: 1)
795 returning tokens from a macro definition as it is being expanded 2) returning
796 tokens from an arbitrary buffer of tokens.  The later use is used by
797 ``_Pragma`` and will most likely be used to handle unbounded look-ahead for the
798 C++ parser.
800 .. _MultipleIncludeOpt:
802 The ``MultipleIncludeOpt`` class
803 --------------------------------
805 The ``MultipleIncludeOpt`` class implements a really simple little state
806 machine that is used to detect the standard "``#ifndef XX`` / ``#define XX``"
807 idiom that people typically use to prevent multiple inclusion of headers.  If a
808 buffer uses this idiom and is subsequently ``#include``'d, the preprocessor can
809 simply check to see whether the guarding condition is defined or not.  If so,
810 the preprocessor can completely ignore the include of the header.
812 .. _Parser:
814 The Parser Library
815 ==================
817 This library contains a recursive-descent parser that polls tokens from the
818 preprocessor and notifies a client of the parsing progress.
820 Historically, the parser used to talk to an abstract ``Action`` interface that
821 had virtual methods for parse events, for example ``ActOnBinOp()``.  When Clang
822 grew C++ support, the parser stopped supporting general ``Action`` clients --
823 it now always talks to the :ref:`Sema library <Sema>`.  However, the Parser
824 still accesses AST objects only through opaque types like ``ExprResult`` and
825 ``StmtResult``.  Only :ref:`Sema <Sema>` looks at the AST node contents of these
826 wrappers.
828 .. _AST:
830 The AST Library
831 ===============
833 .. _ASTPhilosophy:
835 Design philosophy
836 -----------------
838 Immutability
839 ^^^^^^^^^^^^
841 Clang AST nodes (types, declarations, statements, expressions, and so on) are
842 generally designed to be immutable once created. This provides a number of key
843 benefits:
845   * Canonicalization of the "meaning" of nodes is possible as soon as the nodes
846     are created, and is not invalidated by later addition of more information.
847     For example, we :ref:`canonicalize types <CanonicalType>`, and use a
848     canonicalized representation of expressions when determining whether two
849     function template declarations involving dependent expressions declare the
850     same entity.
851   * AST nodes can be reused when they have the same meaning. For example, we
852     reuse ``Type`` nodes when representing the same type (but maintain separate
853     ``TypeLoc``\s for each instance where a type is written), and we reuse
854     non-dependent ``Stmt`` and ``Expr`` nodes across instantiations of a
855     template.
856   * Serialization and deserialization of the AST to/from AST files is simpler:
857     we do not need to track modifications made to AST nodes imported from AST
858     files and serialize separate "update records".
860 There are unfortunately exceptions to this general approach, such as:
862   * The first declaration of a redeclarable entity maintains a pointer to the
863     most recent declaration of that entity, which naturally needs to change as
864     more declarations are parsed.
865   * Name lookup tables in declaration contexts change after the namespace
866     declaration is formed.
867   * We attempt to maintain only a single declaration for an instantiation of a
868     template, rather than having distinct declarations for an instantiation of
869     the declaration versus the definition, so template instantiation often
870     updates parts of existing declarations.
871   * Some parts of declarations are required to be instantiated separately (this
872     includes default arguments and exception specifications), and such
873     instantiations update the existing declaration.
875 These cases tend to be fragile; mutable AST state should be avoided where
876 possible.
878 As a consequence of this design principle, we typically do not provide setters
879 for AST state. (Some are provided for short-term modifications intended to be
880 used immediately after an AST node is created and before it's "published" as
881 part of the complete AST, or where language semantics require after-the-fact
882 updates.)
884 Faithfulness
885 ^^^^^^^^^^^^
887 The AST intends to provide a representation of the program that is faithful to
888 the original source. We intend for it to be possible to write refactoring tools
889 using only information stored in, or easily reconstructible from, the Clang AST.
890 This means that the AST representation should either not desugar source-level
891 constructs to simpler forms, or -- where made necessary by language semantics
892 or a clear engineering tradeoff -- should desugar minimally and wrap the result
893 in a construct representing the original source form.
895 For example, ``CXXForRangeStmt`` directly represents the syntactic form of a
896 range-based for statement, but also holds a semantic representation of the
897 range declaration and iterator declarations. It does not contain a
898 fully-desugared ``ForStmt``, however.
900 Some AST nodes (for example, ``ParenExpr``) represent only syntax, and others
901 (for example, ``ImplicitCastExpr``) represent only semantics, but most nodes
902 will represent a combination of syntax and associated semantics. Inheritance
903 is typically used when representing different (but related) syntaxes for nodes
904 with the same or similar semantics.
906 .. _Type:
908 The ``Type`` class and its subclasses
909 -------------------------------------
911 The ``Type`` class (and its subclasses) are an important part of the AST.
912 Types are accessed through the ``ASTContext`` class, which implicitly creates
913 and uniques them as they are needed.  Types have a couple of non-obvious
914 features: 1) they do not capture type qualifiers like ``const`` or ``volatile``
915 (see :ref:`QualType <QualType>`), and 2) they implicitly capture typedef
916 information.  Once created, types are immutable (unlike decls).
918 Typedefs in C make semantic analysis a bit more complex than it would be without
919 them.  The issue is that we want to capture typedef information and represent it
920 in the AST perfectly, but the semantics of operations need to "see through"
921 typedefs.  For example, consider this code:
923 .. code-block:: c++
925   void func() {
926     typedef int foo;
927     foo X, *Y;
928     typedef foo *bar;
929     bar Z;
930     *X; // error
931     **Y; // error
932     **Z; // error
933   }
935 The code above is illegal, and thus we expect there to be diagnostics emitted
936 on the annotated lines.  In this example, we expect to get:
938 .. code-block:: text
940   test.c:6:1: error: indirection requires pointer operand ('foo' invalid)
941     *X; // error
942     ^~
943   test.c:7:1: error: indirection requires pointer operand ('foo' invalid)
944     **Y; // error
945     ^~~
946   test.c:8:1: error: indirection requires pointer operand ('foo' invalid)
947     **Z; // error
948     ^~~
950 While this example is somewhat silly, it illustrates the point: we want to
951 retain typedef information where possible, so that we can emit errors about
952 "``std::string``" instead of "``std::basic_string<char, std:...``".  Doing this
953 requires properly keeping typedef information (for example, the type of ``X``
954 is "``foo``", not "``int``"), and requires properly propagating it through the
955 various operators (for example, the type of ``*Y`` is "``foo``", not
956 "``int``").  In order to retain this information, the type of these expressions
957 is an instance of the ``TypedefType`` class, which indicates that the type of
958 these expressions is a typedef for "``foo``".
960 Representing types like this is great for diagnostics, because the
961 user-specified type is always immediately available.  There are two problems
962 with this: first, various semantic checks need to make judgements about the
963 *actual structure* of a type, ignoring typedefs.  Second, we need an efficient
964 way to query whether two types are structurally identical to each other,
965 ignoring typedefs.  The solution to both of these problems is the idea of
966 canonical types.
968 .. _CanonicalType:
970 Canonical Types
971 ^^^^^^^^^^^^^^^
973 Every instance of the ``Type`` class contains a canonical type pointer.  For
974 simple types with no typedefs involved (e.g., "``int``", "``int*``",
975 "``int**``"), the type just points to itself.  For types that have a typedef
976 somewhere in their structure (e.g., "``foo``", "``foo*``", "``foo**``",
977 "``bar``"), the canonical type pointer points to their structurally equivalent
978 type without any typedefs (e.g., "``int``", "``int*``", "``int**``", and
979 "``int*``" respectively).
981 This design provides a constant time operation (dereferencing the canonical type
982 pointer) that gives us access to the structure of types.  For example, we can
983 trivially tell that "``bar``" and "``foo*``" are the same type by dereferencing
984 their canonical type pointers and doing a pointer comparison (they both point
985 to the single "``int*``" type).
987 Canonical types and typedef types bring up some complexities that must be
988 carefully managed.  Specifically, the ``isa``/``cast``/``dyn_cast`` operators
989 generally shouldn't be used in code that is inspecting the AST.  For example,
990 when type checking the indirection operator (unary "``*``" on a pointer), the
991 type checker must verify that the operand has a pointer type.  It would not be
992 correct to check that with "``isa<PointerType>(SubExpr->getType())``", because
993 this predicate would fail if the subexpression had a typedef type.
995 The solution to this problem are a set of helper methods on ``Type``, used to
996 check their properties.  In this case, it would be correct to use
997 "``SubExpr->getType()->isPointerType()``" to do the check.  This predicate will
998 return true if the *canonical type is a pointer*, which is true any time the
999 type is structurally a pointer type.  The only hard part here is remembering
1000 not to use the ``isa``/``cast``/``dyn_cast`` operations.
1002 The second problem we face is how to get access to the pointer type once we
1003 know it exists.  To continue the example, the result type of the indirection
1004 operator is the pointee type of the subexpression.  In order to determine the
1005 type, we need to get the instance of ``PointerType`` that best captures the
1006 typedef information in the program.  If the type of the expression is literally
1007 a ``PointerType``, we can return that, otherwise we have to dig through the
1008 typedefs to find the pointer type.  For example, if the subexpression had type
1009 "``foo*``", we could return that type as the result.  If the subexpression had
1010 type "``bar``", we want to return "``foo*``" (note that we do *not* want
1011 "``int*``").  In order to provide all of this, ``Type`` has a
1012 ``getAsPointerType()`` method that checks whether the type is structurally a
1013 ``PointerType`` and, if so, returns the best one.  If not, it returns a null
1014 pointer.
1016 This structure is somewhat mystical, but after meditating on it, it will make
1017 sense to you :).
1019 .. _QualType:
1021 The ``QualType`` class
1022 ----------------------
1024 The ``QualType`` class is designed as a trivial value class that is small,
1025 passed by-value and is efficient to query.  The idea of ``QualType`` is that it
1026 stores the type qualifiers (``const``, ``volatile``, ``restrict``, plus some
1027 extended qualifiers required by language extensions) separately from the types
1028 themselves.  ``QualType`` is conceptually a pair of "``Type*``" and the bits
1029 for these type qualifiers.
1031 By storing the type qualifiers as bits in the conceptual pair, it is extremely
1032 efficient to get the set of qualifiers on a ``QualType`` (just return the field
1033 of the pair), add a type qualifier (which is a trivial constant-time operation
1034 that sets a bit), and remove one or more type qualifiers (just return a
1035 ``QualType`` with the bitfield set to empty).
1037 Further, because the bits are stored outside of the type itself, we do not need
1038 to create duplicates of types with different sets of qualifiers (i.e. there is
1039 only a single heap allocated "``int``" type: "``const int``" and "``volatile
1040 const int``" both point to the same heap allocated "``int``" type).  This
1041 reduces the heap size used to represent bits and also means we do not have to
1042 consider qualifiers when uniquing types (:ref:`Type <Type>` does not even
1043 contain qualifiers).
1045 In practice, the two most common type qualifiers (``const`` and ``restrict``)
1046 are stored in the low bits of the pointer to the ``Type`` object, together with
1047 a flag indicating whether extended qualifiers are present (which must be
1048 heap-allocated).  This means that ``QualType`` is exactly the same size as a
1049 pointer.
1051 .. _DeclarationName:
1053 Declaration names
1054 -----------------
1056 The ``DeclarationName`` class represents the name of a declaration in Clang.
1057 Declarations in the C family of languages can take several different forms.
1058 Most declarations are named by simple identifiers, e.g., "``f``" and "``x``" in
1059 the function declaration ``f(int x)``.  In C++, declaration names can also name
1060 class constructors ("``Class``" in ``struct Class { Class(); }``), class
1061 destructors ("``~Class``"), overloaded operator names ("``operator+``"), and
1062 conversion functions ("``operator void const *``").  In Objective-C,
1063 declaration names can refer to the names of Objective-C methods, which involve
1064 the method name and the parameters, collectively called a *selector*, e.g.,
1065 "``setWidth:height:``".  Since all of these kinds of entities --- variables,
1066 functions, Objective-C methods, C++ constructors, destructors, and operators
1067 --- are represented as subclasses of Clang's common ``NamedDecl`` class,
1068 ``DeclarationName`` is designed to efficiently represent any kind of name.
1070 Given a ``DeclarationName`` ``N``, ``N.getNameKind()`` will produce a value
1071 that describes what kind of name ``N`` stores.  There are 10 options (all of
1072 the names are inside the ``DeclarationName`` class).
1074 ``Identifier``
1076   The name is a simple identifier.  Use ``N.getAsIdentifierInfo()`` to retrieve
1077   the corresponding ``IdentifierInfo*`` pointing to the actual identifier.
1079 ``ObjCZeroArgSelector``, ``ObjCOneArgSelector``, ``ObjCMultiArgSelector``
1081   The name is an Objective-C selector, which can be retrieved as a ``Selector``
1082   instance via ``N.getObjCSelector()``.  The three possible name kinds for
1083   Objective-C reflect an optimization within the ``DeclarationName`` class:
1084   both zero- and one-argument selectors are stored as a masked
1085   ``IdentifierInfo`` pointer, and therefore require very little space, since
1086   zero- and one-argument selectors are far more common than multi-argument
1087   selectors (which use a different structure).
1089 ``CXXConstructorName``
1091   The name is a C++ constructor name.  Use ``N.getCXXNameType()`` to retrieve
1092   the :ref:`type <QualType>` that this constructor is meant to construct.  The
1093   type is always the canonical type, since all constructors for a given type
1094   have the same name.
1096 ``CXXDestructorName``
1098   The name is a C++ destructor name.  Use ``N.getCXXNameType()`` to retrieve
1099   the :ref:`type <QualType>` whose destructor is being named.  This type is
1100   always a canonical type.
1102 ``CXXConversionFunctionName``
1104   The name is a C++ conversion function.  Conversion functions are named
1105   according to the type they convert to, e.g., "``operator void const *``".
1106   Use ``N.getCXXNameType()`` to retrieve the type that this conversion function
1107   converts to.  This type is always a canonical type.
1109 ``CXXOperatorName``
1111   The name is a C++ overloaded operator name.  Overloaded operators are named
1112   according to their spelling, e.g., "``operator+``" or "``operator new []``".
1113   Use ``N.getCXXOverloadedOperator()`` to retrieve the overloaded operator (a
1114   value of type ``OverloadedOperatorKind``).
1116 ``CXXLiteralOperatorName``
1118   The name is a C++11 user defined literal operator.  User defined
1119   Literal operators are named according to the suffix they define,
1120   e.g., "``_foo``" for "``operator "" _foo``".  Use
1121   ``N.getCXXLiteralIdentifier()`` to retrieve the corresponding
1122   ``IdentifierInfo*`` pointing to the identifier.
1124 ``CXXUsingDirective``
1126   The name is a C++ using directive.  Using directives are not really
1127   NamedDecls, in that they all have the same name, but they are
1128   implemented as such in order to store them in DeclContext
1129   effectively.
1131 ``DeclarationName``\ s are cheap to create, copy, and compare.  They require
1132 only a single pointer's worth of storage in the common cases (identifiers,
1133 zero- and one-argument Objective-C selectors) and use dense, uniqued storage
1134 for the other kinds of names.  Two ``DeclarationName``\ s can be compared for
1135 equality (``==``, ``!=``) using a simple bitwise comparison, can be ordered
1136 with ``<``, ``>``, ``<=``, and ``>=`` (which provide a lexicographical ordering
1137 for normal identifiers but an unspecified ordering for other kinds of names),
1138 and can be placed into LLVM ``DenseMap``\ s and ``DenseSet``\ s.
1140 ``DeclarationName`` instances can be created in different ways depending on
1141 what kind of name the instance will store.  Normal identifiers
1142 (``IdentifierInfo`` pointers) and Objective-C selectors (``Selector``) can be
1143 implicitly converted to ``DeclarationNames``.  Names for C++ constructors,
1144 destructors, conversion functions, and overloaded operators can be retrieved
1145 from the ``DeclarationNameTable``, an instance of which is available as
1146 ``ASTContext::DeclarationNames``.  The member functions
1147 ``getCXXConstructorName``, ``getCXXDestructorName``,
1148 ``getCXXConversionFunctionName``, and ``getCXXOperatorName``, respectively,
1149 return ``DeclarationName`` instances for the four kinds of C++ special function
1150 names.
1152 .. _DeclContext:
1154 Declaration contexts
1155 --------------------
1157 Every declaration in a program exists within some *declaration context*, such
1158 as a translation unit, namespace, class, or function.  Declaration contexts in
1159 Clang are represented by the ``DeclContext`` class, from which the various
1160 declaration-context AST nodes (``TranslationUnitDecl``, ``NamespaceDecl``,
1161 ``RecordDecl``, ``FunctionDecl``, etc.) will derive.  The ``DeclContext`` class
1162 provides several facilities common to each declaration context:
1164 Source-centric vs. Semantics-centric View of Declarations
1166   ``DeclContext`` provides two views of the declarations stored within a
1167   declaration context.  The source-centric view accurately represents the
1168   program source code as written, including multiple declarations of entities
1169   where present (see the section :ref:`Redeclarations and Overloads
1170   <Redeclarations>`), while the semantics-centric view represents the program
1171   semantics.  The two views are kept synchronized by semantic analysis while
1172   the ASTs are being constructed.
1174 Storage of declarations within that context
1176   Every declaration context can contain some number of declarations.  For
1177   example, a C++ class (represented by ``RecordDecl``) contains various member
1178   functions, fields, nested types, and so on.  All of these declarations will
1179   be stored within the ``DeclContext``, and one can iterate over the
1180   declarations via [``DeclContext::decls_begin()``,
1181   ``DeclContext::decls_end()``).  This mechanism provides the source-centric
1182   view of declarations in the context.
1184 Lookup of declarations within that context
1186   The ``DeclContext`` structure provides efficient name lookup for names within
1187   that declaration context.  For example, if ``N`` is a namespace we can look
1188   for the name ``N::f`` using ``DeclContext::lookup``.  The lookup itself is
1189   based on a lazily-constructed array (for declaration contexts with a small
1190   number of declarations) or hash table (for declaration contexts with more
1191   declarations).  The lookup operation provides the semantics-centric view of
1192   the declarations in the context.
1194 Ownership of declarations
1196   The ``DeclContext`` owns all of the declarations that were declared within
1197   its declaration context, and is responsible for the management of their
1198   memory as well as their (de-)serialization.
1200 All declarations are stored within a declaration context, and one can query
1201 information about the context in which each declaration lives.  One can
1202 retrieve the ``DeclContext`` that contains a particular ``Decl`` using
1203 ``Decl::getDeclContext``.  However, see the section
1204 :ref:`LexicalAndSemanticContexts` for more information about how to interpret
1205 this context information.
1207 .. _Redeclarations:
1209 Redeclarations and Overloads
1210 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1212 Within a translation unit, it is common for an entity to be declared several
1213 times.  For example, we might declare a function "``f``" and then later
1214 re-declare it as part of an inlined definition:
1216 .. code-block:: c++
1218   void f(int x, int y, int z = 1);
1220   inline void f(int x, int y, int z) { /* ...  */ }
1222 The representation of "``f``" differs in the source-centric and
1223 semantics-centric views of a declaration context.  In the source-centric view,
1224 all redeclarations will be present, in the order they occurred in the source
1225 code, making this view suitable for clients that wish to see the structure of
1226 the source code.  In the semantics-centric view, only the most recent "``f``"
1227 will be found by the lookup, since it effectively replaces the first
1228 declaration of "``f``".
1230 (Note that because ``f`` can be redeclared at block scope, or in a friend
1231 declaration, etc. it is possible that the declaration of ``f`` found by name
1232 lookup will not be the most recent one.)
1234 In the semantics-centric view, overloading of functions is represented
1235 explicitly.  For example, given two declarations of a function "``g``" that are
1236 overloaded, e.g.,
1238 .. code-block:: c++
1240   void g();
1241   void g(int);
1243 the ``DeclContext::lookup`` operation will return a
1244 ``DeclContext::lookup_result`` that contains a range of iterators over
1245 declarations of "``g``".  Clients that perform semantic analysis on a program
1246 that is not concerned with the actual source code will primarily use this
1247 semantics-centric view.
1249 .. _LexicalAndSemanticContexts:
1251 Lexical and Semantic Contexts
1252 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1254 Each declaration has two potentially different declaration contexts: a
1255 *lexical* context, which corresponds to the source-centric view of the
1256 declaration context, and a *semantic* context, which corresponds to the
1257 semantics-centric view.  The lexical context is accessible via
1258 ``Decl::getLexicalDeclContext`` while the semantic context is accessible via
1259 ``Decl::getDeclContext``, both of which return ``DeclContext`` pointers.  For
1260 most declarations, the two contexts are identical.  For example:
1262 .. code-block:: c++
1264   class X {
1265   public:
1266     void f(int x);
1267   };
1269 Here, the semantic and lexical contexts of ``X::f`` are the ``DeclContext``
1270 associated with the class ``X`` (itself stored as a ``RecordDecl`` AST node).
1271 However, we can now define ``X::f`` out-of-line:
1273 .. code-block:: c++
1275   void X::f(int x = 17) { /* ...  */ }
1277 This definition of "``f``" has different lexical and semantic contexts.  The
1278 lexical context corresponds to the declaration context in which the actual
1279 declaration occurred in the source code, e.g., the translation unit containing
1280 ``X``.  Thus, this declaration of ``X::f`` can be found by traversing the
1281 declarations provided by [``decls_begin()``, ``decls_end()``) in the
1282 translation unit.
1284 The semantic context of ``X::f`` corresponds to the class ``X``, since this
1285 member function is (semantically) a member of ``X``.  Lookup of the name ``f``
1286 into the ``DeclContext`` associated with ``X`` will then return the definition
1287 of ``X::f`` (including information about the default argument).
1289 Transparent Declaration Contexts
1290 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1292 In C and C++, there are several contexts in which names that are logically
1293 declared inside another declaration will actually "leak" out into the enclosing
1294 scope from the perspective of name lookup.  The most obvious instance of this
1295 behavior is in enumeration types, e.g.,
1297 .. code-block:: c++
1299   enum Color {
1300     Red,
1301     Green,
1302     Blue
1303   };
1305 Here, ``Color`` is an enumeration, which is a declaration context that contains
1306 the enumerators ``Red``, ``Green``, and ``Blue``.  Thus, traversing the list of
1307 declarations contained in the enumeration ``Color`` will yield ``Red``,
1308 ``Green``, and ``Blue``.  However, outside of the scope of ``Color`` one can
1309 name the enumerator ``Red`` without qualifying the name, e.g.,
1311 .. code-block:: c++
1313   Color c = Red;
1315 There are other entities in C++ that provide similar behavior.  For example,
1316 linkage specifications that use curly braces:
1318 .. code-block:: c++
1320   extern "C" {
1321     void f(int);
1322     void g(int);
1323   }
1324   // f and g are visible here
1326 For source-level accuracy, we treat the linkage specification and enumeration
1327 type as a declaration context in which its enclosed declarations ("``Red``",
1328 "``Green``", and "``Blue``"; "``f``" and "``g``") are declared.  However, these
1329 declarations are visible outside of the scope of the declaration context.
1331 These language features (and several others, described below) have roughly the
1332 same set of requirements: declarations are declared within a particular lexical
1333 context, but the declarations are also found via name lookup in scopes
1334 enclosing the declaration itself.  This feature is implemented via
1335 *transparent* declaration contexts (see
1336 ``DeclContext::isTransparentContext()``), whose declarations are visible in the
1337 nearest enclosing non-transparent declaration context.  This means that the
1338 lexical context of the declaration (e.g., an enumerator) will be the
1339 transparent ``DeclContext`` itself, as will the semantic context, but the
1340 declaration will be visible in every outer context up to and including the
1341 first non-transparent declaration context (since transparent declaration
1342 contexts can be nested).
1344 The transparent ``DeclContext``\ s are:
1346 * Enumerations (but not C++11 "scoped enumerations"):
1348   .. code-block:: c++
1350     enum Color {
1351       Red,
1352       Green,
1353       Blue
1354     };
1355     // Red, Green, and Blue are in scope
1357 * C++ linkage specifications:
1359   .. code-block:: c++
1361     extern "C" {
1362       void f(int);
1363       void g(int);
1364     }
1365     // f and g are in scope
1367 * Anonymous unions and structs:
1369   .. code-block:: c++
1371     struct LookupTable {
1372       bool IsVector;
1373       union {
1374         std::vector<Item> *Vector;
1375         std::set<Item> *Set;
1376       };
1377     };
1379     LookupTable LT;
1380     LT.Vector = 0; // Okay: finds Vector inside the unnamed union
1382 * C++11 inline namespaces:
1384   .. code-block:: c++
1386     namespace mylib {
1387       inline namespace debug {
1388         class X;
1389       }
1390     }
1391     mylib::X *xp; // okay: mylib::X refers to mylib::debug::X
1393 .. _MultiDeclContext:
1395 Multiply-Defined Declaration Contexts
1396 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1398 C++ namespaces have the interesting property that
1399 the namespace can be defined multiple times, and the declarations provided by
1400 each namespace definition are effectively merged (from the semantic point of
1401 view).  For example, the following two code snippets are semantically
1402 indistinguishable:
1404 .. code-block:: c++
1406   // Snippet #1:
1407   namespace N {
1408     void f();
1409   }
1410   namespace N {
1411     void f(int);
1412   }
1414   // Snippet #2:
1415   namespace N {
1416     void f();
1417     void f(int);
1418   }
1420 In Clang's representation, the source-centric view of declaration contexts will
1421 actually have two separate ``NamespaceDecl`` nodes in Snippet #1, each of which
1422 is a declaration context that contains a single declaration of "``f``".
1423 However, the semantics-centric view provided by name lookup into the namespace
1424 ``N`` for "``f``" will return a ``DeclContext::lookup_result`` that contains a
1425 range of iterators over declarations of "``f``".
1427 ``DeclContext`` manages multiply-defined declaration contexts internally.  The
1428 function ``DeclContext::getPrimaryContext`` retrieves the "primary" context for
1429 a given ``DeclContext`` instance, which is the ``DeclContext`` responsible for
1430 maintaining the lookup table used for the semantics-centric view.  Given a
1431 DeclContext, one can obtain the set of declaration contexts that are
1432 semantically connected to this declaration context, in source order, including
1433 this context (which will be the only result, for non-namespace contexts) via
1434 ``DeclContext::collectAllContexts``. Note that these functions are used
1435 internally within the lookup and insertion methods of the ``DeclContext``, so
1436 the vast majority of clients can ignore them.
1438 Because the same entity can be defined multiple times in different modules,
1439 it is also possible for there to be multiple definitions of (for instance)
1440 a ``CXXRecordDecl``, all of which describe a definition of the same class.
1441 In such a case, only one of those "definitions" is considered by Clang to be
1442 the definiition of the class, and the others are treated as non-defining
1443 declarations that happen to also contain member declarations. Corresponding
1444 members in each definition of such multiply-defined classes are identified
1445 either by redeclaration chains (if the members are ``Redeclarable``)
1446 or by simply a pointer to the canonical declaration (if the declarations
1447 are not ``Redeclarable`` -- in that case, a ``Mergeable`` base class is used
1448 instead).
1450 The ASTImporter
1451 ---------------
1453 The ``ASTImporter`` class imports nodes of an ``ASTContext`` into another
1454 ``ASTContext``. Please refer to the document :doc:`ASTImporter: Merging Clang
1455 ASTs <LibASTImporter>` for an introduction. And please read through the
1456 high-level `description of the import algorithm
1457 <LibASTImporter.html#algorithm-of-the-import>`_, this is essential for
1458 understanding further implementation details of the importer.
1460 .. _templated:
1462 Abstract Syntax Graph
1463 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1465 Despite the name, the Clang AST is not a tree. It is a directed graph with
1466 cycles. One example of a cycle is the connection between a
1467 ``ClassTemplateDecl`` and its "templated" ``CXXRecordDecl``. The *templated*
1468 ``CXXRecordDecl`` represents all the fields and methods inside the class
1469 template, while the ``ClassTemplateDecl`` holds the information which is
1470 related to being a template, i.e. template arguments, etc. We can get the
1471 *templated* class (the ``CXXRecordDecl``) of a ``ClassTemplateDecl`` with
1472 ``ClassTemplateDecl::getTemplatedDecl()``. And we can get back a pointer of the
1473 "described" class template from the *templated* class:
1474 ``CXXRecordDecl::getDescribedTemplate()``. So, this is a cycle between two
1475 nodes: between the *templated* and the *described* node. There may be various
1476 other kinds of cycles in the AST especially in case of declarations.
1478 .. _structural-eq:
1480 Structural Equivalency
1481 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1483 Importing one AST node copies that node into the destination ``ASTContext``. To
1484 copy one node means that we create a new node in the "to" context then we set
1485 its properties to be equal to the properties of the source node. Before the
1486 copy, we make sure that the source node is not *structurally equivalent* to any
1487 existing node in the destination context. If it happens to be equivalent then
1488 we skip the copy.
1490 The informal definition of structural equivalency is the following:
1491 Two nodes are **structurally equivalent** if they are
1493 - builtin types and refer to the same type, e.g. ``int`` and ``int`` are
1494   structurally equivalent,
1495 - function types and all their parameters have structurally equivalent types,
1496 - record types and all their fields in order of their definition have the same
1497   identifier names and structurally equivalent types,
1498 - variable or function declarations and they have the same identifier name and
1499   their types are structurally equivalent.
1501 In C, two types are structurally equivalent if they are *compatible types*. For
1502 a formal definition of *compatible types*, please refer to 6.2.7/1 in the C11
1503 standard. However, there is no definition for *compatible types* in the C++
1504 standard. Still, we extend the definition of structural equivalency to
1505 templates and their instantiations similarly: besides checking the previously
1506 mentioned properties, we have to check for equivalent template
1507 parameters/arguments, etc.
1509 The structural equivalent check can be and is used independently from the
1510 ASTImporter, e.g. the ``clang::Sema`` class uses it also.
1512 The equivalence of nodes may depend on the equivalency of other pairs of nodes.
1513 Thus, the check is implemented as a parallel graph traversal. We traverse
1514 through the nodes of both graphs at the same time. The actual implementation is
1515 similar to breadth-first-search. Let's say we start the traverse with the <A,B>
1516 pair of nodes. Whenever the traversal reaches a pair <X,Y> then the following
1517 statements are true:
1519 - A and X are nodes from the same ASTContext.
1520 - B and Y are nodes from the same ASTContext.
1521 - A and B may or may not be from the same ASTContext.
1522 - if A == X and B == Y (pointer equivalency) then (there is a cycle during the
1523   traverse)
1525   - A and B are structurally equivalent if and only if
1527     - All dependent nodes on the path from <A,B> to <X,Y> are structurally
1528       equivalent.
1530 When we compare two classes or enums and one of them is incomplete or has
1531 unloaded external lexical declarations then we cannot descend to compare their
1532 contained declarations. So in these cases they are considered equal if they
1533 have the same names. This is the way how we compare forward declarations with
1534 definitions.
1536 .. TODO Should we elaborate the actual implementation of the graph traversal,
1537 .. which is a very weird BFS traversal?
1539 Redeclaration Chains
1540 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1542 The early version of the ``ASTImporter``'s merge mechanism squashed the
1543 declarations, i.e. it aimed to have only one declaration instead of maintaining
1544 a whole redeclaration chain. This early approach simply skipped importing a
1545 function prototype, but it imported a definition. To demonstrate the problem
1546 with this approach let's consider an empty "to" context and the following
1547 ``virtual`` function declarations of ``f`` in the "from" context:
1549 .. code-block:: c++
1551   struct B { virtual void f(); };
1552   void B::f() {} // <-- let's import this definition
1554 If we imported the definition with the "squashing" approach then we would
1555 end-up having one declaration which is indeed a definition, but ``isVirtual()``
1556 returns ``false`` for it. The reason is that the definition is indeed not
1557 virtual, it is the property of the prototype!
1559 Consequently, we must either set the virtual flag for the definition (but then
1560 we create a malformed AST which the parser would never create), or we import
1561 the whole redeclaration chain of the function. The most recent version of the
1562 ``ASTImporter`` uses the latter mechanism. We do import all function
1563 declarations - regardless if they are definitions or prototypes - in the order
1564 as they appear in the "from" context.
1566 .. One definition
1568 If we have an existing definition in the "to" context, then we cannot import
1569 another definition, we will use the existing definition. However, we can import
1570 prototype(s): we chain the newly imported prototype(s) to the existing
1571 definition. Whenever we import a new prototype from a third context, that will
1572 be added to the end of the redeclaration chain. This may result in long
1573 redeclaration chains in certain cases, e.g. if we import from several
1574 translation units which include the same header with the prototype.
1576 .. Squashing prototypes
1578 To mitigate the problem of long redeclaration chains of free functions, we
1579 could compare prototypes to see if they have the same properties and if yes
1580 then we could merge these prototypes. The implementation of squashing of
1581 prototypes for free functions is future work.
1583 .. Exception: Cannot have more than 1 prototype in-class
1585 Chaining functions this way ensures that we do copy all information from the
1586 source AST. Nonetheless, there is a problem with member functions: While we can
1587 have many prototypes for free functions, we must have only one prototype for a
1588 member function.
1590 .. code-block:: c++
1592   void f(); // OK
1593   void f(); // OK
1595   struct X {
1596     void f(); // OK
1597     void f(); // ERROR
1598   };
1599   void X::f() {} // OK
1601 Thus, prototypes of member functions must be squashed, we cannot just simply
1602 attach a new prototype to the existing in-class prototype. Consider the
1603 following contexts:
1605 .. code-block:: c++
1607   // "to" context
1608   struct X {
1609     void f(); // D0
1610   };
1612 .. code-block:: c++
1614   // "from" context
1615   struct X {
1616     void f(); // D1
1617   };
1618   void X::f() {} // D2
1620 When we import the prototype and the definition of ``f`` from the "from"
1621 context, then the resulting redecl chain will look like this ``D0 -> D2'``,
1622 where ``D2'`` is the copy of ``D2`` in the "to" context.
1624 .. Redecl chains of other declarations
1626 Generally speaking, when we import declarations (like enums and classes) we do
1627 attach the newly imported declaration to the existing redeclaration chain (if
1628 there is structural equivalency). We do not import, however, the whole
1629 redeclaration chain as we do in case of functions. Up till now, we haven't
1630 found any essential property of forward declarations which is similar to the
1631 case of the virtual flag in a member function prototype. In the future, this
1632 may change, though.
1634 Traversal during the Import
1635 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1637 The node specific import mechanisms are implemented in
1638 ``ASTNodeImporter::VisitNode()`` functions, e.g. ``VisitFunctionDecl()``.
1639 When we import a declaration then first we import everything which is needed to
1640 call the constructor of that declaration node. Everything which can be set
1641 later is set after the node is created. For example, in case of  a
1642 ``FunctionDecl`` we first import the declaration context in which the function
1643 is declared, then we create the ``FunctionDecl`` and only then we import the
1644 body of the function. This means there are implicit dependencies between AST
1645 nodes. These dependencies determine the order in which we visit nodes in the
1646 "from" context. As with the regular graph traversal algorithms like DFS, we
1647 keep track which nodes we have already visited in
1648 ``ASTImporter::ImportedDecls``. Whenever we create a node then we immediately
1649 add that to the ``ImportedDecls``. We must not start the import of any other
1650 declarations before we keep track of the newly created one. This is essential,
1651 otherwise, we would not be able to handle circular dependencies. To enforce
1652 this, we wrap all constructor calls of all AST nodes in
1653 ``GetImportedOrCreateDecl()``. This wrapper ensures that all newly created
1654 declarations are immediately marked as imported; also, if a declaration is
1655 already marked as imported then we just return its counterpart in the "to"
1656 context. Consequently, calling a declaration's ``::Create()`` function directly
1657 would lead to errors, please don't do that!
1659 Even with the use of ``GetImportedOrCreateDecl()`` there is still a
1660 probability of having an infinite import recursion if things are imported from
1661 each other in wrong way. Imagine that during the import of ``A``, the import of
1662 ``B`` is requested before we could create the node for ``A`` (the constructor
1663 needs a reference to ``B``). And the same could be true for the import of ``B``
1664 (``A`` is requested to be imported before we could create the node for ``B``).
1665 In case of the :ref:`templated-described swing <templated>` we take
1666 extra attention to break the cyclical dependency: we import and set the
1667 described template only after the ``CXXRecordDecl`` is created. As a best
1668 practice, before creating the node in the "to" context, avoid importing of
1669 other nodes which are not needed for the constructor of node ``A``.
1671 Error Handling
1672 ^^^^^^^^^^^^^^
1674 Every import function returns with either an ``llvm::Error`` or an
1675 ``llvm::Expected<T>`` object. This enforces to check the return value of the
1676 import functions. If there was an error during one import then we return with
1677 that error. (Exception: when we import the members of a class, we collect the
1678 individual errors with each member and we concatenate them in one Error
1679 object.) We cache these errors in cases of declarations. During the next import
1680 call if there is an existing error we just return with that. So, clients of the
1681 library receive an Error object, which they must check.
1683 During import of a specific declaration, it may happen that some AST nodes had
1684 already been created before we recognize an error. In this case, we signal back
1685 the error to the caller, but the "to" context remains polluted with those nodes
1686 which had been created. Ideally, those nodes should not had been created, but
1687 that time we did not know about the error, the error happened later. Since the
1688 AST is immutable (most of the cases we can't remove existing nodes) we choose
1689 to mark these nodes as erroneous.
1691 We cache the errors associated with declarations in the "from" context in
1692 ``ASTImporter::ImportDeclErrors`` and the ones which are associated with the
1693 "to" context in ``ASTImporterSharedState::ImportErrors``. Note that, there may
1694 be several ASTImporter objects which import into the same "to" context but from
1695 different "from" contexts; in this case, they have to share the associated
1696 errors of the "to" context.
1698 When an error happens, that propagates through the call stack, through all the
1699 dependant nodes. However, in case of dependency cycles, this is not enough,
1700 because we strive to mark the erroneous nodes so clients can act upon. In those
1701 cases, we have to keep track of the errors for those nodes which are
1702 intermediate nodes of a cycle.
1704 An **import path** is the list of the AST nodes which we visit during an Import
1705 call. If node ``A`` depends on node ``B`` then the path contains an ``A->B``
1706 edge. From the call stack of the import functions, we can read the very same
1707 path.
1709 Now imagine the following AST, where the ``->`` represents dependency in terms
1710 of the import (all nodes are declarations).
1712 .. code-block:: text
1714   A->B->C->D
1715      `->E
1717 We would like to import A.
1718 The import behaves like a DFS, so we will visit the nodes in this order: ABCDE.
1719 During the visitation we will have the following import paths:
1721 .. code-block:: text
1723   A
1724   AB
1725   ABC
1726   ABCD
1727   ABC
1728   AB
1729   ABE
1730   AB
1731   A
1733 If during the visit of E there is an error then we set an error for E, then as
1734 the call stack shrinks for B, then for A:
1736 .. code-block:: text
1738   A
1739   AB
1740   ABC
1741   ABCD
1742   ABC
1743   AB
1744   ABE // Error! Set an error to E
1745   AB  // Set an error to B
1746   A   // Set an error to A
1748 However, during the import we could import C and D without any error and they
1749 are independent of A,B and E. We must not set up an error for C and D. So, at
1750 the end of the import we have an entry in ``ImportDeclErrors`` for A,B,E but
1751 not for C,D.
1753 Now, what happens if there is a cycle in the import path? Let's consider this
1754 AST:
1756 .. code-block:: text
1758   A->B->C->A
1759      `->E
1761 During the visitation, we will have the below import paths and if during the
1762 visit of E there is an error then we will set up an error for E,B,A. But what's
1763 up with C?
1765 .. code-block:: text
1767   A
1768   AB
1769   ABC
1770   ABCA
1771   ABC
1772   AB
1773   ABE // Error! Set an error to E
1774   AB  // Set an error to B
1775   A   // Set an error to A
1777 This time we know that both B and C are dependent on A. This means we must set
1778 up an error for C too. As the call stack reverses back we get to A and we must
1779 set up an error to all nodes which depend on A (this includes C). But C is no
1780 longer on the import path, it just had been previously. Such a situation can
1781 happen only if during the visitation we had a cycle. If we didn't have any
1782 cycle, then the normal way of passing an Error object through the call stack
1783 could handle the situation. This is why we must track cycles during the import
1784 process for each visited declaration.
1786 Lookup Problems
1787 ^^^^^^^^^^^^^^^
1789 When we import a declaration from the source context then we check whether we
1790 already have a structurally equivalent node with the same name in the "to"
1791 context. If the "from" node is a definition and the found one is also a
1792 definition, then we do not create a new node, instead, we mark the found node
1793 as the imported node. If the found definition and the one we want to import
1794 have the same name but they are structurally in-equivalent, then we have an ODR
1795 violation in case of C++. If the "from" node is not a definition then we add
1796 that to the redeclaration chain of the found node. This behaviour is essential
1797 when we merge ASTs from different translation units which include the same
1798 header file(s). For example, we want to have only one definition for the class
1799 template ``std::vector``, even if we included ``<vector>`` in several
1800 translation units.
1802 To find a structurally equivalent node we can use the regular C/C++ lookup
1803 functions: ``DeclContext::noload_lookup()`` and
1804 ``DeclContext::localUncachedLookup()``. These functions do respect the C/C++
1805 name hiding rules, thus you cannot find certain declarations in a given
1806 declaration context. For instance, unnamed declarations (anonymous structs),
1807 non-first ``friend`` declarations and template specializations are hidden. This
1808 is a problem, because if we use the regular C/C++ lookup then we create
1809 redundant AST nodes during the merge! Also, having two instances of the same
1810 node could result in false :ref:`structural in-equivalencies <structural-eq>`
1811 of other nodes which depend on the duplicated node. Because of these reasons,
1812 we created a lookup class which has the sole purpose to register all
1813 declarations, so later they can be looked up by subsequent import requests.
1814 This is the ``ASTImporterLookupTable`` class. This lookup table should be
1815 shared amongst the different ``ASTImporter`` instances if they happen to import
1816 to the very same "to" context. This is why we can use the importer specific
1817 lookup only via the ``ASTImporterSharedState`` class.
1819 ExternalASTSource
1820 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
1822 The ``ExternalASTSource`` is an abstract interface associated with the
1823 ``ASTContext`` class. It provides the ability to read the declarations stored
1824 within a declaration context either for iteration or for name lookup. A
1825 declaration context with an external AST source may load its declarations
1826 on-demand. This means that the list of declarations (represented as a linked
1827 list, the head is ``DeclContext::FirstDecl``) could be empty. However, member
1828 functions like ``DeclContext::lookup()`` may initiate a load.
1830 Usually, external sources are associated with precompiled headers. For example,
1831 when we load a class from a PCH then the members are loaded only if we do want
1832 to look up something in the class' context.
1834 In case of LLDB, an implementation of the ``ExternalASTSource`` interface is
1835 attached to the AST context which is related to the parsed expression. This
1836 implementation of the ``ExternalASTSource`` interface is realized with the help
1837 of the ``ASTImporter`` class. This way, LLDB can reuse Clang's parsing
1838 machinery while synthesizing the underlying AST from the debug data (e.g. from
1839 DWARF). From the view of the ``ASTImporter`` this means both the "to" and the
1840 "from" context may have declaration contexts with external lexical storage. If
1841 a ``DeclContext`` in the "to" AST context has external lexical storage then we
1842 must take extra attention to work only with the already loaded declarations!
1843 Otherwise, we would end up with an uncontrolled import process. For instance,
1844 if we used the regular ``DeclContext::lookup()`` to find the existing
1845 declarations in the "to" context then the ``lookup()`` call itself would
1846 initiate a new import while we are in the middle of importing a declaration!
1847 (By the time we initiate the lookup we haven't registered yet that we already
1848 started to import the node of the "from" context.) This is why we use
1849 ``DeclContext::noload_lookup()`` instead.
1851 Class Template Instantiations
1852 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1854 Different translation units may have class template instantiations with the
1855 same template arguments, but with a different set of instantiated
1856 ``MethodDecls`` and ``FieldDecls``. Consider the following files:
1858 .. code-block:: c++
1860   // x.h
1861   template <typename T>
1862   struct X {
1863       int a{0}; // FieldDecl with InitListExpr
1864       X(char) : a(3) {}     // (1)
1865       X(int) {}             // (2)
1866   };
1868   // foo.cpp
1869   void foo() {
1870       // ClassTemplateSpec with ctor (1): FieldDecl without InitlistExpr
1871       X<char> xc('c');
1872   }
1874   // bar.cpp
1875   void bar() {
1876       // ClassTemplateSpec with ctor (2): FieldDecl WITH InitlistExpr
1877       X<char> xc(1);
1878   }
1880 In ``foo.cpp`` we use the constructor with number ``(1)``, which explicitly
1881 initializes the member ``a`` to ``3``, thus the ``InitListExpr`` ``{0}`` is not
1882 used here and the AST node is not instantiated. However, in the case of
1883 ``bar.cpp`` we use the constructor with number ``(2)``, which does not
1884 explicitly initialize the ``a`` member, so the default ``InitListExpr`` is
1885 needed and thus instantiated. When we merge the AST of ``foo.cpp`` and
1886 ``bar.cpp`` we must create an AST node for the class template instantiation of
1887 ``X<char>`` which has all the required nodes. Therefore, when we find an
1888 existing ``ClassTemplateSpecializationDecl`` then we merge the fields of the
1889 ``ClassTemplateSpecializationDecl`` in the "from" context in a way that the
1890 ``InitListExpr`` is copied if not existent yet. The same merge mechanism should
1891 be done in the cases of instantiated default arguments and exception
1892 specifications of functions.
1894 .. _visibility:
1896 Visibility of Declarations
1897 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1899 During import of a global variable with external visibility, the lookup will
1900 find variables (with the same name) but with static visibility (linkage).
1901 Clearly, we cannot put them into the same redeclaration chain. The same is true
1902 the in case of functions. Also, we have to take care of other kinds of
1903 declarations like enums, classes, etc. if they are in anonymous namespaces.
1904 Therefore, we filter the lookup results and consider only those which have the
1905 same visibility as the declaration we currently import.
1907 We consider two declarations in two anonymous namespaces to have the same
1908 visibility only if they are imported from the same AST context.
1910 Strategies to Handle Conflicting Names
1911 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1913 During the import we lookup existing declarations with the same name. We filter
1914 the lookup results based on their :ref:`visibility <visibility>`. If any of the
1915 found declarations are not structurally equivalent then we bumped to a name
1916 conflict error (ODR violation in C++). In this case, we return with an
1917 ``Error`` and we set up the ``Error`` object for the declaration. However, some
1918 clients of the ``ASTImporter`` may require a different, perhaps less
1919 conservative and more liberal error handling strategy.
1921 E.g. static analysis clients may benefit if the node is created even if there
1922 is a name conflict. During the CTU analysis of certain projects, we recognized
1923 that there are global declarations which collide with declarations from other
1924 translation units, but they are not referenced outside from their translation
1925 unit. These declarations should be in an unnamed namespace ideally. If we treat
1926 these collisions liberally then CTU analysis can find more results. Note, the
1927 feature be able to choose between name conflict handling strategies is still an
1928 ongoing work.
1930 .. _CFG:
1932 The ``CFG`` class
1933 -----------------
1935 The ``CFG`` class is designed to represent a source-level control-flow graph
1936 for a single statement (``Stmt*``).  Typically instances of ``CFG`` are
1937 constructed for function bodies (usually an instance of ``CompoundStmt``), but
1938 can also be instantiated to represent the control-flow of any class that
1939 subclasses ``Stmt``, which includes simple expressions.  Control-flow graphs
1940 are especially useful for performing `flow- or path-sensitive
1941 <https://en.wikipedia.org/wiki/Data_flow_analysis#Sensitivities>`_ program
1942 analyses on a given function.
1944 Basic Blocks
1945 ^^^^^^^^^^^^
1947 Concretely, an instance of ``CFG`` is a collection of basic blocks.  Each basic
1948 block is an instance of ``CFGBlock``, which simply contains an ordered sequence
1949 of ``Stmt*`` (each referring to statements in the AST).  The ordering of
1950 statements within a block indicates unconditional flow of control from one
1951 statement to the next.  :ref:`Conditional control-flow
1952 <ConditionalControlFlow>` is represented using edges between basic blocks.  The
1953 statements within a given ``CFGBlock`` can be traversed using the
1954 ``CFGBlock::*iterator`` interface.
1956 A ``CFG`` object owns the instances of ``CFGBlock`` within the control-flow
1957 graph it represents.  Each ``CFGBlock`` within a CFG is also uniquely numbered
1958 (accessible via ``CFGBlock::getBlockID()``).  Currently the number is based on
1959 the ordering the blocks were created, but no assumptions should be made on how
1960 ``CFGBlocks`` are numbered other than their numbers are unique and that they
1961 are numbered from 0..N-1 (where N is the number of basic blocks in the CFG).
1963 Entry and Exit Blocks
1964 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1966 Each instance of ``CFG`` contains two special blocks: an *entry* block
1967 (accessible via ``CFG::getEntry()``), which has no incoming edges, and an
1968 *exit* block (accessible via ``CFG::getExit()``), which has no outgoing edges.
1969 Neither block contains any statements, and they serve the role of providing a
1970 clear entrance and exit for a body of code such as a function body.  The
1971 presence of these empty blocks greatly simplifies the implementation of many
1972 analyses built on top of CFGs.
1974 .. _ConditionalControlFlow:
1976 Conditional Control-Flow
1977 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1979 Conditional control-flow (such as those induced by if-statements and loops) is
1980 represented as edges between ``CFGBlocks``.  Because different C language
1981 constructs can induce control-flow, each ``CFGBlock`` also records an extra
1982 ``Stmt*`` that represents the *terminator* of the block.  A terminator is
1983 simply the statement that caused the control-flow, and is used to identify the
1984 nature of the conditional control-flow between blocks.  For example, in the
1985 case of an if-statement, the terminator refers to the ``IfStmt`` object in the
1986 AST that represented the given branch.
1988 To illustrate, consider the following code example:
1990 .. code-block:: c++
1992   int foo(int x) {
1993     x = x + 1;
1994     if (x > 2)
1995       x++;
1996     else {
1997       x += 2;
1998       x *= 2;
1999     }
2001     return x;
2002   }
2004 After invoking the parser+semantic analyzer on this code fragment, the AST of
2005 the body of ``foo`` is referenced by a single ``Stmt*``.  We can then construct
2006 an instance of ``CFG`` representing the control-flow graph of this function
2007 body by single call to a static class method:
2009 .. code-block:: c++
2011   Stmt *FooBody = ...
2012   std::unique_ptr<CFG> FooCFG = CFG::buildCFG(FooBody);
2014 Along with providing an interface to iterate over its ``CFGBlocks``, the
2015 ``CFG`` class also provides methods that are useful for debugging and
2016 visualizing CFGs.  For example, the method ``CFG::dump()`` dumps a
2017 pretty-printed version of the CFG to standard error.  This is especially useful
2018 when one is using a debugger such as gdb.  For example, here is the output of
2019 ``FooCFG->dump()``:
2021 .. code-block:: text
2023  [ B5 (ENTRY) ]
2024     Predecessors (0):
2025     Successors (1): B4
2027  [ B4 ]
2028     1: x = x + 1
2029     2: (x > 2)
2030     T: if [B4.2]
2031     Predecessors (1): B5
2032     Successors (2): B3 B2
2034  [ B3 ]
2035     1: x++
2036     Predecessors (1): B4
2037     Successors (1): B1
2039  [ B2 ]
2040     1: x += 2
2041     2: x *= 2
2042     Predecessors (1): B4
2043     Successors (1): B1
2045  [ B1 ]
2046     1: return x;
2047     Predecessors (2): B2 B3
2048     Successors (1): B0
2050  [ B0 (EXIT) ]
2051     Predecessors (1): B1
2052     Successors (0):
2054 For each block, the pretty-printed output displays for each block the number of
2055 *predecessor* blocks (blocks that have outgoing control-flow to the given
2056 block) and *successor* blocks (blocks that have control-flow that have incoming
2057 control-flow from the given block).  We can also clearly see the special entry
2058 and exit blocks at the beginning and end of the pretty-printed output.  For the
2059 entry block (block B5), the number of predecessor blocks is 0, while for the
2060 exit block (block B0) the number of successor blocks is 0.
2062 The most interesting block here is B4, whose outgoing control-flow represents
2063 the branching caused by the sole if-statement in ``foo``.  Of particular
2064 interest is the second statement in the block, ``(x > 2)``, and the terminator,
2065 printed as ``if [B4.2]``.  The second statement represents the evaluation of
2066 the condition of the if-statement, which occurs before the actual branching of
2067 control-flow.  Within the ``CFGBlock`` for B4, the ``Stmt*`` for the second
2068 statement refers to the actual expression in the AST for ``(x > 2)``.  Thus
2069 pointers to subclasses of ``Expr`` can appear in the list of statements in a
2070 block, and not just subclasses of ``Stmt`` that refer to proper C statements.
2072 The terminator of block B4 is a pointer to the ``IfStmt`` object in the AST.
2073 The pretty-printer outputs ``if [B4.2]`` because the condition expression of
2074 the if-statement has an actual place in the basic block, and thus the
2075 terminator is essentially *referring* to the expression that is the second
2076 statement of block B4 (i.e., B4.2).  In this manner, conditions for
2077 control-flow (which also includes conditions for loops and switch statements)
2078 are hoisted into the actual basic block.
2080 .. Implicit Control-Flow
2081 .. ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2083 .. A key design principle of the ``CFG`` class was to not require any
2084 .. transformations to the AST in order to represent control-flow.  Thus the
2085 .. ``CFG`` does not perform any "lowering" of the statements in an AST: loops
2086 .. are not transformed into guarded gotos, short-circuit operations are not
2087 .. converted to a set of if-statements, and so on.
2089 Constant Folding in the Clang AST
2090 ---------------------------------
2092 There are several places where constants and constant folding matter a lot to
2093 the Clang front-end.  First, in general, we prefer the AST to retain the source
2094 code as close to how the user wrote it as possible.  This means that if they
2095 wrote "``5+4``", we want to keep the addition and two constants in the AST, we
2096 don't want to fold to "``9``".  This means that constant folding in various
2097 ways turns into a tree walk that needs to handle the various cases.
2099 However, there are places in both C and C++ that require constants to be
2100 folded.  For example, the C standard defines what an "integer constant
2101 expression" (i-c-e) is with very precise and specific requirements.  The
2102 language then requires i-c-e's in a lot of places (for example, the size of a
2103 bitfield, the value for a case statement, etc).  For these, we have to be able
2104 to constant fold the constants, to do semantic checks (e.g., verify bitfield
2105 size is non-negative and that case statements aren't duplicated).  We aim for
2106 Clang to be very pedantic about this, diagnosing cases when the code does not
2107 use an i-c-e where one is required, but accepting the code unless running with
2108 ``-pedantic-errors``.
2110 Things get a little bit more tricky when it comes to compatibility with
2111 real-world source code.  Specifically, GCC has historically accepted a huge
2112 superset of expressions as i-c-e's, and a lot of real world code depends on
2113 this unfortunate accident of history (including, e.g., the glibc system
2114 headers).  GCC accepts anything its "fold" optimizer is capable of reducing to
2115 an integer constant, which means that the definition of what it accepts changes
2116 as its optimizer does.  One example is that GCC accepts things like "``case
2117 X-X:``" even when ``X`` is a variable, because it can fold this to 0.
2119 Another issue are how constants interact with the extensions we support, such
2120 as ``__builtin_constant_p``, ``__builtin_inf``, ``__extension__`` and many
2121 others.  C99 obviously does not specify the semantics of any of these
2122 extensions, and the definition of i-c-e does not include them.  However, these
2123 extensions are often used in real code, and we have to have a way to reason
2124 about them.
2126 Finally, this is not just a problem for semantic analysis.  The code generator
2127 and other clients have to be able to fold constants (e.g., to initialize global
2128 variables) and have to handle a superset of what C99 allows.  Further, these
2129 clients can benefit from extended information.  For example, we know that
2130 "``foo() || 1``" always evaluates to ``true``, but we can't replace the
2131 expression with ``true`` because it has side effects.
2133 Implementation Approach
2134 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2136 After trying several different approaches, we've finally converged on a design
2137 (Note, at the time of this writing, not all of this has been implemented,
2138 consider this a design goal!).  Our basic approach is to define a single
2139 recursive evaluation method (``Expr::Evaluate``), which is implemented
2140 in ``AST/ExprConstant.cpp``.  Given an expression with "scalar" type (integer,
2141 fp, complex, or pointer) this method returns the following information:
2143 * Whether the expression is an integer constant expression, a general constant
2144   that was folded but has no side effects, a general constant that was folded
2145   but that does have side effects, or an uncomputable/unfoldable value.
2146 * If the expression was computable in any way, this method returns the
2147   ``APValue`` for the result of the expression.
2148 * If the expression is not evaluatable at all, this method returns information
2149   on one of the problems with the expression.  This includes a
2150   ``SourceLocation`` for where the problem is, and a diagnostic ID that explains
2151   the problem.  The diagnostic should have ``ERROR`` type.
2152 * If the expression is not an integer constant expression, this method returns
2153   information on one of the problems with the expression.  This includes a
2154   ``SourceLocation`` for where the problem is, and a diagnostic ID that
2155   explains the problem.  The diagnostic should have ``EXTENSION`` type.
2157 This information gives various clients the flexibility that they want, and we
2158 will eventually have some helper methods for various extensions.  For example,
2159 ``Sema`` should have a ``Sema::VerifyIntegerConstantExpression`` method, which
2160 calls ``Evaluate`` on the expression.  If the expression is not foldable, the
2161 error is emitted, and it would return ``true``.  If the expression is not an
2162 i-c-e, the ``EXTENSION`` diagnostic is emitted.  Finally it would return
2163 ``false`` to indicate that the AST is OK.
2165 Other clients can use the information in other ways, for example, codegen can
2166 just use expressions that are foldable in any way.
2168 Extensions
2169 ^^^^^^^^^^
2171 This section describes how some of the various extensions Clang supports
2172 interacts with constant evaluation:
2174 * ``__extension__``: The expression form of this extension causes any
2175   evaluatable subexpression to be accepted as an integer constant expression.
2176 * ``__builtin_constant_p``: This returns true (as an integer constant
2177   expression) if the operand evaluates to either a numeric value (that is, not
2178   a pointer cast to integral type) of integral, enumeration, floating or
2179   complex type, or if it evaluates to the address of the first character of a
2180   string literal (possibly cast to some other type).  As a special case, if
2181   ``__builtin_constant_p`` is the (potentially parenthesized) condition of a
2182   conditional operator expression ("``?:``"), only the true side of the
2183   conditional operator is considered, and it is evaluated with full constant
2184   folding.
2185 * ``__builtin_choose_expr``: The condition is required to be an integer
2186   constant expression, but we accept any constant as an "extension of an
2187   extension".  This only evaluates one operand depending on which way the
2188   condition evaluates.
2189 * ``__builtin_classify_type``: This always returns an integer constant
2190   expression.
2191 * ``__builtin_inf, nan, ...``: These are treated just like a floating-point
2192   literal.
2193 * ``__builtin_abs, copysign, ...``: These are constant folded as general
2194   constant expressions.
2195 * ``__builtin_strlen`` and ``strlen``: These are constant folded as integer
2196   constant expressions if the argument is a string literal.
2198 .. _Sema:
2200 The Sema Library
2201 ================
2203 This library is called by the :ref:`Parser library <Parser>` during parsing to
2204 do semantic analysis of the input.  For valid programs, Sema builds an AST for
2205 parsed constructs.
2207 .. _CodeGen:
2209 The CodeGen Library
2210 ===================
2212 CodeGen takes an :ref:`AST <AST>` as input and produces `LLVM IR code
2213 <//llvm.org/docs/LangRef.html>`_ from it.
2215 How to change Clang
2216 ===================
2218 How to add an attribute
2219 -----------------------
2220 Attributes are a form of metadata that can be attached to a program construct,
2221 allowing the programmer to pass semantic information along to the compiler for
2222 various uses. For example, attributes may be used to alter the code generation
2223 for a program construct, or to provide extra semantic information for static
2224 analysis. This document explains how to add a custom attribute to Clang.
2225 Documentation on existing attributes can be found `here
2226 <//clang.llvm.org/docs/AttributeReference.html>`_.
2228 Attribute Basics
2229 ^^^^^^^^^^^^^^^^
2230 Attributes in Clang are handled in three stages: parsing into a parsed attribute
2231 representation, conversion from a parsed attribute into a semantic attribute,
2232 and then the semantic handling of the attribute.
2234 Parsing of the attribute is determined by the various syntactic forms attributes
2235 can take, such as GNU, C++11, and Microsoft style attributes, as well as other
2236 information provided by the table definition of the attribute. Ultimately, the
2237 parsed representation of an attribute object is an ``ParsedAttr`` object.
2238 These parsed attributes chain together as a list of parsed attributes attached
2239 to a declarator or declaration specifier. The parsing of attributes is handled
2240 automatically by Clang, except for attributes spelled as keywords. When
2241 implementing a keyword attribute, the parsing of the keyword and creation of the
2242 ``ParsedAttr`` object must be done manually.
2244 Eventually, ``Sema::ProcessDeclAttributeList()`` is called with a ``Decl`` and
2245 an ``ParsedAttr``, at which point the parsed attribute can be transformed
2246 into a semantic attribute. The process by which a parsed attribute is converted
2247 into a semantic attribute depends on the attribute definition and semantic
2248 requirements of the attribute. The end result, however, is that the semantic
2249 attribute object is attached to the ``Decl`` object, and can be obtained by a
2250 call to ``Decl::getAttr<T>()``.
2252 The structure of the semantic attribute is also governed by the attribute
2253 definition given in Attr.td. This definition is used to automatically generate
2254 functionality used for the implementation of the attribute, such as a class
2255 derived from ``clang::Attr``, information for the parser to use, automated
2256 semantic checking for some attributes, etc.
2259 ``include/clang/Basic/Attr.td``
2260 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2261 The first step to adding a new attribute to Clang is to add its definition to
2262 `include/clang/Basic/Attr.td
2263 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/include/clang/Basic/Attr.td>`_.
2264 This tablegen definition must derive from the ``Attr`` (tablegen, not
2265 semantic) type, or one of its derivatives. Most attributes will derive from the
2266 ``InheritableAttr`` type, which specifies that the attribute can be inherited by
2267 later redeclarations of the ``Decl`` it is associated with.
2268 ``InheritableParamAttr`` is similar to ``InheritableAttr``, except that the
2269 attribute is written on a parameter instead of a declaration. If the attribute
2270 is intended to apply to a type instead of a declaration, such an attribute
2271 should derive from ``TypeAttr``, and will generally not be given an AST
2272 representation. (Note that this document does not cover the creation of type
2273 attributes.) An attribute that inherits from ``IgnoredAttr`` is parsed, but will
2274 generate an ignored attribute diagnostic when used, which may be useful when an
2275 attribute is supported by another vendor but not supported by clang.
2277 The definition will specify several key pieces of information, such as the
2278 semantic name of the attribute, the spellings the attribute supports, the
2279 arguments the attribute expects, and more. Most members of the ``Attr`` tablegen
2280 type do not require definitions in the derived definition as the default
2281 suffice. However, every attribute must specify at least a spelling list, a
2282 subject list, and a documentation list.
2284 Spellings
2285 ~~~~~~~~~
2286 All attributes are required to specify a spelling list that denotes the ways in
2287 which the attribute can be spelled. For instance, a single semantic attribute
2288 may have a keyword spelling, as well as a C++11 spelling and a GNU spelling. An
2289 empty spelling list is also permissible and may be useful for attributes which
2290 are created implicitly. The following spellings are accepted:
2292   ============  ================================================================
2293   Spelling      Description
2294   ============  ================================================================
2295   ``GNU``       Spelled with a GNU-style ``__attribute__((attr))`` syntax and
2296                 placement.
2297   ``CXX11``     Spelled with a C++-style ``[[attr]]`` syntax with an optional
2298                 vendor-specific namespace.
2299   ``C2x``       Spelled with a C-style ``[[attr]]` syntax with an optional
2300                 vendor-specific namespace.
2301   ``Declspec``  Spelled with a Microsoft-style ``__declspec(attr)`` syntax.
2302   ``Keyword``   The attribute is spelled as a keyword, and required custom
2303                 parsing.
2304   ``GCC``       Specifies two spellings: the first is a GNU-style spelling, and
2305                 the second is a C++-style spelling with the ``gnu`` namespace.
2306                 Attributes should only specify this spelling for attributes
2307                 supported by GCC.
2308   ``Clang``     Specifies two or three spellings: the first is a GNU-style
2309                 spelling, the second is a C++-style spelling with the ``clang``
2310                 namespace, and the third is an optional C-style spelling with
2311                 the ``clang`` namespace. By default, a C-style spelling is
2312                 provided.
2313   ``Pragma``    The attribute is spelled as a ``#pragma``, and requires custom
2314                 processing within the preprocessor. If the attribute is meant to
2315                 be used by Clang, it should set the namespace to ``"clang"``.
2316                 Note that this spelling is not used for declaration attributes.
2317   ============  ================================================================
2319 Subjects
2320 ~~~~~~~~
2321 Attributes appertain to one or more ``Decl`` subjects. If the attribute attempts
2322 to attach to a subject that is not in the subject list, a diagnostic is issued
2323 automatically. Whether the diagnostic is a warning or an error depends on how
2324 the attribute's ``SubjectList`` is defined, but the default behavior is to warn.
2325 The diagnostics displayed to the user are automatically determined based on the
2326 subjects in the list, but a custom diagnostic parameter can also be specified in
2327 the ``SubjectList``. The diagnostics generated for subject list violations are
2328 either ``diag::warn_attribute_wrong_decl_type`` or
2329 ``diag::err_attribute_wrong_decl_type``, and the parameter enumeration is found
2330 in `include/clang/Sema/ParsedAttr.h
2331 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/include/clang/Sema/ParsedAttr.h>`_
2332 If a previously unused Decl node is added to the ``SubjectList``, the logic used
2333 to automatically determine the diagnostic parameter in `utils/TableGen/ClangAttrEmitter.cpp
2334 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/utils/TableGen/ClangAttrEmitter.cpp>`_
2335 may need to be updated.
2337 By default, all subjects in the SubjectList must either be a Decl node defined
2338 in ``DeclNodes.td``, or a statement node defined in ``StmtNodes.td``. However,
2339 more complex subjects can be created by creating a ``SubsetSubject`` object.
2340 Each such object has a base subject which it appertains to (which must be a
2341 Decl or Stmt node, and not a SubsetSubject node), and some custom code which is
2342 called when determining whether an attribute appertains to the subject. For
2343 instance, a ``NonBitField`` SubsetSubject appertains to a ``FieldDecl``, and
2344 tests whether the given FieldDecl is a bit field. When a SubsetSubject is
2345 specified in a SubjectList, a custom diagnostic parameter must also be provided.
2347 Diagnostic checking for attribute subject lists is automated except when
2348 ``HasCustomParsing`` is set to ``1``.
2350 Documentation
2351 ~~~~~~~~~~~~~
2352 All attributes must have some form of documentation associated with them.
2353 Documentation is table generated on the public web server by a server-side
2354 process that runs daily. Generally, the documentation for an attribute is a
2355 stand-alone definition in `include/clang/Basic/AttrDocs.td 
2356 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/include/clang/Basic/AttrDocs.td>`_
2357 that is named after the attribute being documented.
2359 If the attribute is not for public consumption, or is an implicitly-created
2360 attribute that has no visible spelling, the documentation list can specify the
2361 ``Undocumented`` object. Otherwise, the attribute should have its documentation
2362 added to AttrDocs.td.
2364 Documentation derives from the ``Documentation`` tablegen type. All derived
2365 types must specify a documentation category and the actual documentation itself.
2366 Additionally, it can specify a custom heading for the attribute, though a
2367 default heading will be chosen when possible.
2369 There are four predefined documentation categories: ``DocCatFunction`` for
2370 attributes that appertain to function-like subjects, ``DocCatVariable`` for
2371 attributes that appertain to variable-like subjects, ``DocCatType`` for type
2372 attributes, and ``DocCatStmt`` for statement attributes. A custom documentation
2373 category should be used for groups of attributes with similar functionality. 
2374 Custom categories are good for providing overview information for the attributes
2375 grouped under it. For instance, the consumed annotation attributes define a
2376 custom category, ``DocCatConsumed``, that explains what consumed annotations are
2377 at a high level.
2379 Documentation content (whether it is for an attribute or a category) is written
2380 using reStructuredText (RST) syntax.
2382 After writing the documentation for the attribute, it should be locally tested
2383 to ensure that there are no issues generating the documentation on the server.
2384 Local testing requires a fresh build of clang-tblgen. To generate the attribute
2385 documentation, execute the following command::
2387   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
2389 When testing locally, *do not* commit changes to ``AttributeReference.rst``.
2390 This file is generated by the server automatically, and any changes made to this
2391 file will be overwritten.
2393 Arguments
2394 ~~~~~~~~~
2395 Attributes may optionally specify a list of arguments that can be passed to the
2396 attribute. Attribute arguments specify both the parsed form and the semantic
2397 form of the attribute. For example, if ``Args`` is
2398 ``[StringArgument<"Arg1">, IntArgument<"Arg2">]`` then
2399 ``__attribute__((myattribute("Hello", 3)))`` will be a valid use; it requires
2400 two arguments while parsing, and the Attr subclass' constructor for the
2401 semantic attribute will require a string and integer argument.
2403 All arguments have a name and a flag that specifies whether the argument is
2404 optional. The associated C++ type of the argument is determined by the argument
2405 definition type. If the existing argument types are insufficient, new types can
2406 be created, but it requires modifying `utils/TableGen/ClangAttrEmitter.cpp
2407 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/utils/TableGen/ClangAttrEmitter.cpp>`_
2408 to properly support the type.
2410 Other Properties
2411 ~~~~~~~~~~~~~~~~
2412 The ``Attr`` definition has other members which control the behavior of the
2413 attribute. Many of them are special-purpose and beyond the scope of this
2414 document, however a few deserve mention.
2416 If the parsed form of the attribute is more complex, or differs from the
2417 semantic form, the ``HasCustomParsing`` bit can be set to ``1`` for the class,
2418 and the parsing code in `Parser::ParseGNUAttributeArgs()
2419 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/lib/Parse/ParseDecl.cpp>`_
2420 can be updated for the special case. Note that this only applies to arguments
2421 with a GNU spelling -- attributes with a __declspec spelling currently ignore
2422 this flag and are handled by ``Parser::ParseMicrosoftDeclSpec``.
2424 Note that setting this member to 1 will opt out of common attribute semantic
2425 handling, requiring extra implementation efforts to ensure the attribute
2426 appertains to the appropriate subject, etc.
2428 If the attribute should not be propagated from a template declaration to an
2429 instantiation of the template, set the ``Clone`` member to 0. By default, all
2430 attributes will be cloned to template instantiations.
2432 Attributes that do not require an AST node should set the ``ASTNode`` field to
2433 ``0`` to avoid polluting the AST. Note that anything inheriting from
2434 ``TypeAttr`` or ``IgnoredAttr`` automatically do not generate an AST node. All
2435 other attributes generate an AST node by default. The AST node is the semantic
2436 representation of the attribute.
2438 The ``LangOpts`` field specifies a list of language options required by the
2439 attribute.  For instance, all of the CUDA-specific attributes specify ``[CUDA]``
2440 for the ``LangOpts`` field, and when the CUDA language option is not enabled, an
2441 "attribute ignored" warning diagnostic is emitted. Since language options are
2442 not table generated nodes, new language options must be created manually and
2443 should specify the spelling used by ``LangOptions`` class.
2445 Custom accessors can be generated for an attribute based on the spelling list
2446 for that attribute. For instance, if an attribute has two different spellings:
2447 'Foo' and 'Bar', accessors can be created:
2448 ``[Accessor<"isFoo", [GNU<"Foo">]>, Accessor<"isBar", [GNU<"Bar">]>]``
2449 These accessors will be generated on the semantic form of the attribute,
2450 accepting no arguments and returning a ``bool``.
2452 Attributes that do not require custom semantic handling should set the
2453 ``SemaHandler`` field to ``0``. Note that anything inheriting from
2454 ``IgnoredAttr`` automatically do not get a semantic handler. All other
2455 attributes are assumed to use a semantic handler by default. Attributes
2456 without a semantic handler are not given a parsed attribute ``Kind`` enumerator.
2458 Target-specific attributes may share a spelling with other attributes in
2459 different targets. For instance, the ARM and MSP430 targets both have an
2460 attribute spelled ``GNU<"interrupt">``, but with different parsing and semantic
2461 requirements. To support this feature, an attribute inheriting from
2462 ``TargetSpecificAttribute`` may specify a ``ParseKind`` field. This field
2463 should be the same value between all arguments sharing a spelling, and
2464 corresponds to the parsed attribute's ``Kind`` enumerator. This allows
2465 attributes to share a parsed attribute kind, but have distinct semantic
2466 attribute classes. For instance, ``ParsedAttr`` is the shared
2467 parsed attribute kind, but ARMInterruptAttr and MSP430InterruptAttr are the
2468 semantic attributes generated.
2470 By default, attribute arguments are parsed in an evaluated context. If the
2471 arguments for an attribute should be parsed in an unevaluated context (akin to
2472 the way the argument to a ``sizeof`` expression is parsed), set
2473 ``ParseArgumentsAsUnevaluated`` to ``1``.
2475 If additional functionality is desired for the semantic form of the attribute,
2476 the ``AdditionalMembers`` field specifies code to be copied verbatim into the
2477 semantic attribute class object, with ``public`` access.
2479 Boilerplate
2480 ^^^^^^^^^^^
2481 All semantic processing of declaration attributes happens in `lib/Sema/SemaDeclAttr.cpp
2482 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/lib/Sema/SemaDeclAttr.cpp>`_,
2483 and generally starts in the ``ProcessDeclAttribute()`` function. If the
2484 attribute is a "simple" attribute -- meaning that it requires no custom semantic
2485 processing aside from what is automatically  provided, add a call to
2486 ``handleSimpleAttribute<YourAttr>(S, D, Attr);`` to the switch statement.
2487 Otherwise, write a new ``handleYourAttr()`` function, and add that to the switch
2488 statement. Please do not implement handling logic directly in the ``case`` for
2489 the attribute.
2491 Unless otherwise specified by the attribute definition, common semantic checking
2492 of the parsed attribute is handled automatically. This includes diagnosing
2493 parsed attributes that do not appertain to the given ``Decl``, ensuring the
2494 correct minimum number of arguments are passed, etc.
2496 If the attribute adds additional warnings, define a ``DiagGroup`` in
2497 `include/clang/Basic/DiagnosticGroups.td
2498 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/include/clang/Basic/DiagnosticGroups.td>`_
2499 named after the attribute's ``Spelling`` with "_"s replaced by "-"s. If there
2500 is only a single diagnostic, it is permissible to use ``InGroup<DiagGroup<"your-attribute">>``
2501 directly in `DiagnosticSemaKinds.td
2502 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/include/clang/Basic/DiagnosticSemaKinds.td>`_
2504 All semantic diagnostics generated for your attribute, including automatically-
2505 generated ones (such as subjects and argument counts), should have a
2506 corresponding test case.
2508 Semantic handling
2509 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
2510 Most attributes are implemented to have some effect on the compiler. For
2511 instance, to modify the way code is generated, or to add extra semantic checks
2512 for an analysis pass, etc. Having added the attribute definition and conversion
2513 to the semantic representation for the attribute, what remains is to implement
2514 the custom logic requiring use of the attribute.
2516 The ``clang::Decl`` object can be queried for the presence or absence of an
2517 attribute using ``hasAttr<T>()``. To obtain a pointer to the semantic
2518 representation of the attribute, ``getAttr<T>`` may be used.
2520 How to add an expression or statement
2521 -------------------------------------
2523 Expressions and statements are one of the most fundamental constructs within a
2524 compiler, because they interact with many different parts of the AST, semantic
2525 analysis, and IR generation.  Therefore, adding a new expression or statement
2526 kind into Clang requires some care.  The following list details the various
2527 places in Clang where an expression or statement needs to be introduced, along
2528 with patterns to follow to ensure that the new expression or statement works
2529 well across all of the C languages.  We focus on expressions, but statements
2530 are similar.
2532 #. Introduce parsing actions into the parser.  Recursive-descent parsing is
2533    mostly self-explanatory, but there are a few things that are worth keeping
2534    in mind:
2536    * Keep as much source location information as possible! You'll want it later
2537      to produce great diagnostics and support Clang's various features that map
2538      between source code and the AST.
2539    * Write tests for all of the "bad" parsing cases, to make sure your recovery
2540      is good.  If you have matched delimiters (e.g., parentheses, square
2541      brackets, etc.), use ``Parser::BalancedDelimiterTracker`` to give nice
2542      diagnostics when things go wrong.
2544 #. Introduce semantic analysis actions into ``Sema``.  Semantic analysis should
2545    always involve two functions: an ``ActOnXXX`` function that will be called
2546    directly from the parser, and a ``BuildXXX`` function that performs the
2547    actual semantic analysis and will (eventually!) build the AST node.  It's
2548    fairly common for the ``ActOnCXX`` function to do very little (often just
2549    some minor translation from the parser's representation to ``Sema``'s
2550    representation of the same thing), but the separation is still important:
2551    C++ template instantiation, for example, should always call the ``BuildXXX``
2552    variant.  Several notes on semantic analysis before we get into construction
2553    of the AST:
2555    * Your expression probably involves some types and some subexpressions.
2556      Make sure to fully check that those types, and the types of those
2557      subexpressions, meet your expectations.  Add implicit conversions where
2558      necessary to make sure that all of the types line up exactly the way you
2559      want them.  Write extensive tests to check that you're getting good
2560      diagnostics for mistakes and that you can use various forms of
2561      subexpressions with your expression.
2562    * When type-checking a type or subexpression, make sure to first check
2563      whether the type is "dependent" (``Type::isDependentType()``) or whether a
2564      subexpression is type-dependent (``Expr::isTypeDependent()``).  If any of
2565      these return ``true``, then you're inside a template and you can't do much
2566      type-checking now.  That's normal, and your AST node (when you get there)
2567      will have to deal with this case.  At this point, you can write tests that
2568      use your expression within templates, but don't try to instantiate the
2569      templates.
2570    * For each subexpression, be sure to call ``Sema::CheckPlaceholderExpr()``
2571      to deal with "weird" expressions that don't behave well as subexpressions.
2572      Then, determine whether you need to perform lvalue-to-rvalue conversions
2573      (``Sema::DefaultLvalueConversions``) or the usual unary conversions
2574      (``Sema::UsualUnaryConversions``), for places where the subexpression is
2575      producing a value you intend to use.
2576    * Your ``BuildXXX`` function will probably just return ``ExprError()`` at
2577      this point, since you don't have an AST.  That's perfectly fine, and
2578      shouldn't impact your testing.
2580 #. Introduce an AST node for your new expression.  This starts with declaring
2581    the node in ``include/Basic/StmtNodes.td`` and creating a new class for your
2582    expression in the appropriate ``include/AST/Expr*.h`` header.  It's best to
2583    look at the class for a similar expression to get ideas, and there are some
2584    specific things to watch for:
2586    * If you need to allocate memory, use the ``ASTContext`` allocator to
2587      allocate memory.  Never use raw ``malloc`` or ``new``, and never hold any
2588      resources in an AST node, because the destructor of an AST node is never
2589      called.
2590    * Make sure that ``getSourceRange()`` covers the exact source range of your
2591      expression.  This is needed for diagnostics and for IDE support.
2592    * Make sure that ``children()`` visits all of the subexpressions.  This is
2593      important for a number of features (e.g., IDE support, C++ variadic
2594      templates).  If you have sub-types, you'll also need to visit those
2595      sub-types in ``RecursiveASTVisitor``.
2596    * Add printing support (``StmtPrinter.cpp``) for your expression.
2597    * Add profiling support (``StmtProfile.cpp``) for your AST node, noting the
2598      distinguishing (non-source location) characteristics of an instance of
2599      your expression.  Omitting this step will lead to hard-to-diagnose
2600      failures regarding matching of template declarations.
2601    * Add serialization support (``ASTReaderStmt.cpp``, ``ASTWriterStmt.cpp``)
2602      for your AST node.
2604 #. Teach semantic analysis to build your AST node.  At this point, you can wire
2605    up your ``Sema::BuildXXX`` function to actually create your AST.  A few
2606    things to check at this point:
2608    * If your expression can construct a new C++ class or return a new
2609      Objective-C object, be sure to update and then call
2610      ``Sema::MaybeBindToTemporary`` for your just-created AST node to be sure
2611      that the object gets properly destructed.  An easy way to test this is to
2612      return a C++ class with a private destructor: semantic analysis should
2613      flag an error here with the attempt to call the destructor.
2614    * Inspect the generated AST by printing it using ``clang -cc1 -ast-print``,
2615      to make sure you're capturing all of the important information about how
2616      the AST was written.
2617    * Inspect the generated AST under ``clang -cc1 -ast-dump`` to verify that
2618      all of the types in the generated AST line up the way you want them.
2619      Remember that clients of the AST should never have to "think" to
2620      understand what's going on.  For example, all implicit conversions should
2621      show up explicitly in the AST.
2622    * Write tests that use your expression as a subexpression of other,
2623      well-known expressions.  Can you call a function using your expression as
2624      an argument?  Can you use the ternary operator?
2626 #. Teach code generation to create IR to your AST node.  This step is the first
2627    (and only) that requires knowledge of LLVM IR.  There are several things to
2628    keep in mind:
2630    * Code generation is separated into scalar/aggregate/complex and
2631      lvalue/rvalue paths, depending on what kind of result your expression
2632      produces.  On occasion, this requires some careful factoring of code to
2633      avoid duplication.
2634    * ``CodeGenFunction`` contains functions ``ConvertType`` and
2635      ``ConvertTypeForMem`` that convert Clang's types (``clang::Type*`` or
2636      ``clang::QualType``) to LLVM types.  Use the former for values, and the
2637      latter for memory locations: test with the C++ "``bool``" type to check
2638      this.  If you find that you are having to use LLVM bitcasts to make the
2639      subexpressions of your expression have the type that your expression
2640      expects, STOP!  Go fix semantic analysis and the AST so that you don't
2641      need these bitcasts.
2642    * The ``CodeGenFunction`` class has a number of helper functions to make
2643      certain operations easy, such as generating code to produce an lvalue or
2644      an rvalue, or to initialize a memory location with a given value.  Prefer
2645      to use these functions rather than directly writing loads and stores,
2646      because these functions take care of some of the tricky details for you
2647      (e.g., for exceptions).
2648    * If your expression requires some special behavior in the event of an
2649      exception, look at the ``push*Cleanup`` functions in ``CodeGenFunction``
2650      to introduce a cleanup.  You shouldn't have to deal with
2651      exception-handling directly.
2652    * Testing is extremely important in IR generation.  Use ``clang -cc1
2653      -emit-llvm`` and `FileCheck
2654      <https://llvm.org/docs/CommandGuide/FileCheck.html>`_ to verify that you're
2655      generating the right IR.
2657 #. Teach template instantiation how to cope with your AST node, which requires
2658    some fairly simple code:
2660    * Make sure that your expression's constructor properly computes the flags
2661      for type dependence (i.e., the type your expression produces can change
2662      from one instantiation to the next), value dependence (i.e., the constant
2663      value your expression produces can change from one instantiation to the
2664      next), instantiation dependence (i.e., a template parameter occurs
2665      anywhere in your expression), and whether your expression contains a
2666      parameter pack (for variadic templates).  Often, computing these flags
2667      just means combining the results from the various types and
2668      subexpressions.
2669    * Add ``TransformXXX`` and ``RebuildXXX`` functions to the ``TreeTransform``
2670      class template in ``Sema``.  ``TransformXXX`` should (recursively)
2671      transform all of the subexpressions and types within your expression,
2672      using ``getDerived().TransformYYY``.  If all of the subexpressions and
2673      types transform without error, it will then call the ``RebuildXXX``
2674      function, which will in turn call ``getSema().BuildXXX`` to perform
2675      semantic analysis and build your expression.
2676    * To test template instantiation, take those tests you wrote to make sure
2677      that you were type checking with type-dependent expressions and dependent
2678      types (from step #2) and instantiate those templates with various types,
2679      some of which type-check and some that don't, and test the error messages
2680      in each case.
2682 #. There are some "extras" that make other features work better.  It's worth
2683    handling these extras to give your expression complete integration into
2684    Clang:
2686    * Add code completion support for your expression in
2687      ``SemaCodeComplete.cpp``.
2688    * If your expression has types in it, or has any "interesting" features
2689      other than subexpressions, extend libclang's ``CursorVisitor`` to provide
2690      proper visitation for your expression, enabling various IDE features such
2691      as syntax highlighting, cross-referencing, and so on.  The
2692      ``c-index-test`` helper program can be used to test these features.