[AArch64,ELF] Restrict MOVZ/MOVK to non-PIC large code model (#70178)
[llvm-project.git] / lldb / docs / resources / dataformatters.rst
blob13d687e202461dcc5e6955069bb647fe9f357236
1 Data Formatters
2 ===============
4 This page is an introduction to the design of the LLDB data formatters
5 subsystem. The intended target audience are people interested in understanding
6 or modifying the formatters themselves rather than writing a specific data
7 formatter. For the latter, refer to :doc:`/use/variable/`.
9 This page also highlights some open areas for improvement to the general
10 subsystem, and more evolutions not anticipated here are certainly possible.
12 Overview
13 --------
15 The LLDB data formatters subsystem is used to allow the debugger as well as the
16 end-users to customize the way their variables look upon inspection in the user
17 interface (be it the command line tool, or one of the several GUIs that are
18 backed by LLDB).
20 To this aim, they are hooked into the ``ValueObjects`` model, in order to
21 provide entry points through which such customization questions can be
22 answered. For example: What format should this number be printed as? How many
23 child elements does this ``std::vector`` have?
25 The architecture of the subsystem is layered, with the highest level layer
26 being the user visible interaction features (e.g. the ``type ***`` commands,
27 the SB classes, ...). Other layers of interest that will be analyzed in this
28 document include:
30 * Classes implementing individual data formatter types
31 * Classes implementing formatters navigation, discovery and categorization
32 * The ``FormatManager`` layer
33 * The ``DataVisualization`` layer
34 * The SWIG <> LLDB communication layer
36 Data Formatter Types
37 --------------------
39 As described in the user documentation, there are four types of formatters:
41 * Formats
42 * Summaries
43 * Filters
44 * Synthetic children
46 Formatters have descriptor classes, ``Type*Impl``, which contain at least a
47 "Flags" nested object, which contains both rules to be used by the matching
48 algorithm (e.g. should the formatter for type Foo apply to a Foo*?) or rules to
49 be used by the formatter itself (e.g. is this summary a oneliner?).
51 Individual formatter descriptor classes then also contain data items useful to
52 them for performing their functionality. For instance ``TypeFormatImpl``
53 (backing formats) contains an ``lldb::Format`` that is the format to then be
54 applied were this formatter to be selected. Upon issuing a ``type format add``
55 a new ``TypeFormatImpl`` is created that wraps the user-specified format, and
56 matching options:
60   entry.reset(new TypeFormatImpl(
61       format, TypeFormatImpl::Flags()
62                   .SetCascades(m_command_options.m_cascade)
63                   .SetSkipPointers(m_command_options.m_skip_pointers)
64                   .SetSkipReferences(m_command_options.m_skip_references)));
67 While formats are fairly simple and only implemented by one class, the other
68 formatter types are backed by a class hierarchy.
70 Summaries, for instance, can exist in one of three "flavors":
72 * Summary strings
73 * Python script
74 * Native C++
76 The base class for summaries, ``TypeSummaryImpl``, is a pure virtual class that
77 wraps, again, the Flags, and exports among others:
81   virtual bool FormatObject (ValueObject *valobj, std::string& dest) = 0;
84 This is the core entry point, which allows subclasses to specify their mode of
85 operation.
87 ``StringSummaryFormat``, which is the class that implements summary strings,
88 does a check as to whether the summary is a one-liner, and if not, then uses
89 its stored summary string to call into ``Debugger::FormatPrompt``, and obtain a
90 string back, which it returns in ``dest`` as the resulting summary.
92 For a Python summary, implemented in ``ScriptSummaryFormat``,
93 ``FormatObject()`` calls into the ``ScriptInterpreter`` which is supposed to
94 hold the knowledge on how to bridge back and forth with the scripting language
95 (Python in the case of LLDB) in order to produce a valid string. Implementors
96 of new ``ScriptInterpreters`` for other languages are expected to provide a
97 ``GetScriptedSummary()`` entry point for this purpose, if they desire to allow
98 users to provide formatters in the new language
100 Lastly, C++ summaries (``CXXFunctionSummaryFormat``), wrap a function pointer
101 and call into it to execute their duty. It should be noted that there are no
102 facilities for users to interact with C++ formatters, and as such they are
103 extremely opaque, effectively being a thin wrapper between plain function
104 pointers and the LLDB formatters subsystem.
106 Also, dynamic loading of C++ formatters in LLDB is currently not implemented,
107 and as such it is safe and reasonable for these formatters to deal with
108 internal ``ValueObjects`` instances instead of public ``SBValue`` objects.
110 An interesting data point is that summaries are expected to be stateless. While
111 at the Python layer they are handed an ``SBValue`` (since nothing else could be
112 visible for scripts), it is not expected that the ``SBValue`` should be cached
113 and reused - any and all caching occurs on the LLDB side, completely
114 transparent to the formatter itself.
116 The design of synthetic children is somewhat more intricate, due to them being
117 stateful objects. The core idea of the design is that synthetic children act
118 like a two-tier model, in which there is a backend dataset (the underlying
119 unformatted ``ValueObject``), and an higher level view (frontend) which vends
120 the computed representation.
122 To implement a new type of synthetic children one would implement a subclass of
123 ``SyntheticChildren``, which akin to the ``TypeFormatImpl``, contains Flags for
124 matching, and data items to be used for formatting. For instance,
125 ``TypeFilterImpl`` (which implements filters), stores the list of expression
126 paths of the children to be displayed.
128 Filters are themselves synthetic children. Since all they do is provide child
129 values for a ``ValueObject``, it does not truly matter whether these come from the
130 real set of children or are crafted through some intricate algorithm. As such,
131 they perfectly fit within the realm of synthetic children and are only shown as
132 separate entities for user friendliness (to a user, picking a subset of
133 elements to be shown with relative ease is a valuable task, and they should not
134 be concerned with writing scripts to do so).
136 Once the descriptor of the synthetic children has been coded, in order to hook
137 it up, one has to implement a subclass of ``SyntheticChildrenFrontEnd``. For a
138 given type of synthetic children, there is a deep coupling with the matching
139 front-end class, given that the front-end usually needs data stored in the
140 descriptor (e.g. a filter needs the list of child elements).
142 The front-end answers the interesting questions that are the true raison d'ĂȘtre
143 of synthetic children:
147   virtual size_t CalculateNumChildren () = 0;
148   virtual lldb::ValueObjectSP GetChildAtIndex (size_t idx) = 0;
149   virtual size_t GetIndexOfChildWithName (const ConstString &name) = 0;
150   virtual bool Update () = 0;
151   virtual bool MightHaveChildren () = 0;
153 Synthetic children providers (their front-ends) will be queried by LLDB for a
154 number of children, and then for each of them as necessary, they should be
155 prepared to return a ``ValueObject`` describing the child. They might also be
156 asked to provide a name-to-index mapping (e.g. to allow LLDB to resolve queries
157 like ``myFoo.myChild``).
159 ``Update()`` and ``MightHaveChildren()`` are described in the user
160 documentation, and they mostly serve bookkeeping purposes.
162 LLDB provides three kinds of synthetic children: filters, scripted synthetics,
163 and the native C++ providers Filters are implemented by
164 ``TypeFilterImpl::FrontEnd``.
166 Scripted synthetics are implemented by ``ScriptedSyntheticChildren::FrontEnd``,
167 plus a set of callbacks provided by the ``ScriptInterpteter`` infrastructure to
168 allow LLDB to pass the front-end queries down to the scripting languages.
170 As for C++ native synthetics, there is a ``CXXSyntheticChildren``, but no
171 corresponding ``FrontEnd`` class. The reason for this design is that
172 ``CXXSyntheticChildren`` store a callback to a creator function, which is
173 responsible for providing a ``FrontEnd``. Each individual formatter (e.g.
174 ``LibstdcppMapIteratorSyntheticFrontEnd``) is a standalone frontend, and once
175 created retains to relation to its underlying ``SyntheticChildren`` object.
177 On a ``ValueObject`` level, upon being asked to generate synthetic children for
178 a ``ValueObject``, LLDB spawns a ValueObjectSynthetic object which is a
179 subclass of ``ValueObject``. Building upon the ``ValueObject`` infrastructure,
180 it stores a backend, and a shared pointer to the ``SyntheticChildren``. Upon
181 being asked queries about children, it will use the ``SyntheticChildren`` to
182 generate a front-end for itself and will let the front-end answer questions.
183 The reason for not storing the ``FrontEnd`` itself is that there is no
184 guarantee that across updates, the same ``FrontEnd`` will be used over and over
185 (e.g. a ``SyntheticChildren`` object could serve an entire class hierarchy and
186 vend different frontends for different subclasses).
188 Formatters Matching
189 -------------------
191 The problem of formatters matching is going from "I have a ``ValueObject``" to
192 "these are the formatters to be used for it."
194 There is a rather intricate set of user rules that are involved, and a rather
195 intricate implementation of this model. All of these relate to the type of the
196 ``ValueObject``. It is assumed that types are a strong enough contract that it
197 is possible to format an object entirely depending on its type. If this turns
198 out to not be correct, then the existing model will have to be changed fairly
199 deeply.
201 The basic building block is that formatters can match by exact type name or by
202 regular expressions, i.e. one can describe matching by saying things like "this
203 formatters matches type ``__NSDictionaryI``", or "this formatter matches all
204 type names like ``^std::__1::vector<.+>(( )?&)?$``."
206 This match happens in class ``FormattersContainer``. For exact matches, this
207 goes straight to the ``FormatMap`` (the actual storage area for formatters),
208 whereas for regular expression matches the regular expression is matched
209 against the provided candidate type name. If one were to introduce a new type
210 of matching (say, match against number of ``$`` signs present in the typename,
211 ``FormattersContainer`` is the place where such a change would have to be
212 introduced).
214 It should be noted that this code involves template specialization, and as such
215 is somewhat trickier than other formatters code to update.
217 On top of the string matching mechanism (exact or regex), there are a set of
218 more advanced rules implemented by the ``FormattersContainer``, with the aid of the
219 ``FormattersMatchCandidate``. Namely, it is assumed that any formatter class will
220 have flags to say whether it allows cascading (i.e. seeing through typedefs),
221 allowing pointers-to-object and reference-to-object to be formatted. Upon
222 verifying that a formatter would be a textual match, the Flags are checked, and
223 if they do not allow the formatter to be used (e.g. pointers are not allowed,
224 and one is looking at a Foo*), then the formatter is rejected and the search
225 continues. If the flags also match, then the formatter is returned upstream and
226 the search is over.
228 One relevant fact to notice is that this entire mechanism is not dependent on
229 the kind of formatter to be returned, which makes it easier to devise new types
230 of formatters as the lowest layers of the system. The demands on individual
231 formatters are that they define a few typedefs, and export a Flags object, and
232 then they can be freely matched against types as needed.
234 This mechanism is replicated across a number of categories. A category is a
235 named bucket where formatters are grouped on some basis. The most common reason
236 for a category to exist is a library (e.g. ``libcxx`` formatters vs. ``libstdcpp``
237 formatters). Categories can be enabled or disabled, and they have a priority
238 number, called position. The priority sets a strong order among enabled
239 categories. A category named "default" is always the highest priority one and
240 it's the category where all formatters that do not ask for a category of their
241 own end up (e.g. ``type summary add ....`` without a ``w somecategory`` flag
242 passed) The algorithm inquires each category, in the order of their priorities,
243 for a formatter for a type, and upon receiving a positive answer from a
244 category, ends the search. Of course, no search occurs in disabled categories.
246 At the individual category level, there is the first dependence on the type of
247 formatter to be returned. Since both filters and synthetic children proper are
248 implemented through the same backing store, the matching code needs to ensure
249 that, were both a synthetic children provider and a filter to match a type,
250 only the most recently added one is actually used. The details of the algorithm
251 used are to be found in ``TypeCategoryImpl::Get()``.
253 It is quite obvious, even to a casual reader, that there are a number of
254 complexities involved in this algorithm. For starters, the entire search
255 process has to be repeated for every variable. Moreover, for each category, one
256 has to repeat the entire process of crawling the types (go to pointee, ...).
257 This is exactly the algorithm initially implemented by LLDB. Over the course of
258 the life of the formatters subsystem, two main evolutions have been made to the
259 matching mechanism:
261 * A caching mechanism
262 * A pregeneration of all possible type matches
264 The cache is a layer that sits between the ``FormatManager`` and the
265 ``TypeCategoryMap``. Upon being asked to figure out a formatter, the ``FormatManager``
266 will first query the cache layer, and only if that fails, will the categories
267 be queried using the full search algorithm. The result of that full search will
268 then be stored in the cache. Even a negative answer (no formatter) gets stored.
269 The negative answer is actually the most beneficial to cache as obtaining it
270 requires traversing all possible formatters in all categories just to get a
271 no-op back.
273 Of course, once an answer is cached, getting it will be much quicker than going
274 to a full category search, as the cached answers are of the form "type foo" -->
275 "formatter bar". But given how formatters can be edited or removed by the user,
276 either at the command line or via the API, there needs to be a way to
277 invalidate the cache.
279 This happens through the ``FormatManager::Changed()`` method. In general, anything
280 that changes the formatters causes ``FormatManager::Changed()`` to be called
281 through the ``IFormatChangeListener`` interface. This call increases the
282 ``FormatManager``'s revision and clears the cache. The revision number is a
283 monotonically increasing integer counter that essentially corresponds to the
284 number of changes made to the formatters throughout the current LLDB session.
285 This counter is used by ``ValueObjects`` to know when their formatters are out of
286 date. Since a search is a potentially expensive operation, before caching was
287 introduced, individual ``ValueObjects`` remembered which revision of the
288 ``FormatManager`` they used to search for their formatter, and stored it, so that
289 they would not repeat the search unless a change in the formatters had
290 occurred. While caching has made this less critical of an optimization, it is
291 still sensible and thus is kept.
293 Lastly, as a side note, it is worth highlighting that any change in the
294 formatters invalidates the entire cache. It would likely not be impossible to
295 be smarter and figure out a subset of cache entries to be deleted, letting
296 others persist, instead of having to rebuild the entire cache from scratch.
297 However, given that formatters are not that frequently changed during a debug
298 session, and the algorithmic complexity to "get it right" seems larger than the
299 potential benefit to be had from doing it, the full cache invalidation is the
300 chosen policy. The algorithm to selectively invalidate entries is probably one
301 of the major areas for improvements in formatters performance.
303 The second major optimization, introduced fairly recently, is the pregeneration
304 of type matches. The original algorithm was based upon the notion of a
305 ``FormatNavigator`` as a smart object, aware of all the intricacies of the
306 matching rules. For each category, the ``FormatNavigator`` would generate the
307 possible matches (e.g. dynamic type, pointee type, ...), and check each one,
308 one at a time. If that failed for a category, the next one would again generate
309 the same matches.
311 This worked well, but was of course inefficient. The
312 ``FormattersMatchCandidate`` is the solution to this performance issue. In
313 top-of-tree LLDB, the ``FormatManager`` has the centralized notion of the
314 matching rules, and the former ``FormatNavigators`` are now
315 ``FormattersContainers``, whose only job is to guarantee a centralized storage
316 of formatters, and thread-safe access to such storage.
318 ``FormatManager::GetPossibleMatches()`` fills a vector of possible matches. The
319 way it works is by applying each rule, generating the corresponding typename,
320 and storing the typename, plus the required Flags for that rule to be accepted
321 as a match candidate (e.g. if the match comes by fetching the pointee type, a
322 formatter that matches will have to allow pointees as part of its Flags
323 object). The ``TypeCategoryMap``, when tasked with finding a formatter for a
324 type, generates all possible matches and passes them down to each category. In
325 this model, the type system only does its (expensive) job once, and textual or
326 regex matches are the core of the work.
328 FormatManager and DataVisualization
329 -----------------------------------
331 There are two main entry points in the data formatters: the ``FormatManager`` and
332 the ``DataVisualization``.
334 The ``FormatManager`` is the internal such entry point. In this context,
335 internal refers to data formatters code itself, compared to other parts of
336 LLDB. For other components of the debugger, the ``DataVisualization`` provides
337 a more stable entry point. On the other hand, the ``FormatManager`` is an
338 aggregator of all moving parts, and as such is less stable in the face of
339 refactoring.
341 People involved in the data formatters code itself, however, will most likely
342 have to confront the ``FormatManager`` for significant architecture changes.
344 The ``FormatManager`` wraps a ``TypeCategoryMap`` (the list of all existing
345 categories, enabled and not), the ``FormatCache``, and several utility objects.
346 Plus, it is the repository of named summaries, since these don't logically
347 belong anywhere else.
349 It is also responsible for creating all builtin formatters upon the launch of
350 LLDB. It does so through a bunch of methods ``Load***Formatters()``, invoked as
351 part of its constructor. The original design of data formatters anticipated
352 that individual libraries would load their formatters as part of their debug
353 information. This work however has largely been left unattended in practice,
354 and as such core system libraries (mostly those for masOS/iOS development as of
355 today) load their formatters in an hardcoded fashion.
357 For performance reasons, the ``FormatManager`` is constructed upon being first
358 required. This happens through the ``DataVisualization`` layer. Upon first
359 being inquired for anything formatters, ``DataVisualization`` calls its own
360 local static function ``GetFormatManager()``, which in turns constructs and
361 returns a local static ``FormatManager``.
363 Unlike most things in LLDB, the lifetime of the ``FormatManager`` is the same
364 as the entire session, rather than a specific ``Debugger`` or ``Target``
365 instance. This is an area to be improved, but as of now it has not caused
366 enough grief to warrant action. If this work were to be undertaken, one could
367 conceivably devise a per-architecture-triple model, upon the assumption that an
368 OS and CPU combination are a good enough key to decide which formatters apply
369 (e.g. Linux i386 is probably different from masOS x86_64, but two macOS x86_64
370 targets will probably have the same formatters; of course versioning of the
371 underlying OS is also to be considered, but experience with OSX has shown that
372 formatters can take care of that internally in most cases of interest).
374 The public entry point is the ``DataVisualization`` layer.
375 ``DataVisualization`` is a static class on which questions can be asked in a
376 relatively refactoring-safe manner.
378 The main question asked of it is to obtain formatters for ``ValueObjects`` (or
379 typenames). One can also query ``DataVisualization`` for named summaries or
380 individual categories, but of course those queries delve deeper in the internal
381 object model.
383 As said, the ``FormatManager`` holds a notion of revision number, which changes
384 every time formatters are edited (added, deleted, categories enabled or
385 disabled, ...). Through ``DataVisualization::ForceUpdate()`` one can cause the
386 same effects of a formatters edit to happen without it actually having
387 happened.
389 The main reason for this feature is that formatters can be dynamically created
390 in Python, and one can then enter the ``ScriptInterpreter`` and edit the
391 formatter function or class. If formatters were not updated, one could find
392 them to be out of sync with the new definitions of these objects. To avoid the
393 issue, whenever the user exits the scripting mode, formatters force an update
394 to make sure new potential definitions are reloaded on demand.
396 The SWIG Layer
397 --------------
399 In order to implement formatters written in Python, LLDB requires that
400 ``ScriptInterpreter`` implementations provide a set of functions that one can call
401 to ask formatting questions of scripts.
403 For instance, in order to obtain a scripting summary, LLDB calls:
407   virtual bool
408   GetScriptedSummary(const char *function_name, llldb::ValueObjectSP valobj,
409                      lldb::ScriptInterpreterObjectSP &callee_wrapper_sp,
410                      std::string &retval)
413 For Python, this function is implemented by first checking if the
414 ``callee_wrapper_sp`` is valid. If so, LLDB knows that it does not need to
415 search a function with the passed name, and can directly call the wrapped
416 Python function object. Either way, the call is routed to a global callback
417 ``g_swig_typescript_callback``.
419 This callback pointer points to ``LLDBSwigPythonCallTypeScript``. The details
420 of the implementation require familiarity with the Python C API, plus a few
421 utility objects defined by LLDB to ease the burden of dealing with the
422 scripting world. However, as a sketch of what happens, the code tries to find a
423 Python function object with the given name (i.e. if you say ``type summary add
424 -F module.function`` LLDB will scan for the ``module`` module, and then for a
425 function named ``function`` inside the module's namespace). If the function
426 object is found, it is wrapped in a ``PyCallable``, which is an LLDB utility class
427 that wraps the callable and allows for easier calling. The callable gets
428 invoked, and the return value, if any, is cast into a string. Originally, if a
429 non-string object was returned, LLDB would refuse to use it. This disallowed
430 such simple construct as:
434   def getSummary(value,*args):
435     return 1
437 Similar considerations apply to other formatter (and non-formatter related)
438 scripting callbacks.