[docs] Fix build-docs.sh
[llvm-project.git] / clang / docs / ConstantInterpreter.rst
blobeba637585b8f0637594e3577eb166f9732adb2c8
1 ====================
2 Constant Interpreter
3 ====================
5 .. contents::
6    :local:
8 Introduction
9 ============
11 The constexpr interpreter aims to replace the existing tree evaluator in
12 clang, improving performance on constructs which are executed inefficiently
13 by the evaluator. The interpreter is activated using the following flags:
15 * ``-fexperimental-new-constant-interpreter`` enables the interpreter,
16   emitting an error if an unsupported feature is encountered
18 Bytecode Compilation
19 ====================
21 Bytecode compilation is handled in ``ByteCodeStmtGen.h`` for statements
22 and ``ByteCodeExprGen.h`` for expressions. The compiler has two different
23 backends: one to generate bytecode for functions (``ByteCodeEmitter``) and
24 one to directly evaluate expressions as they are compiled, without
25 generating bytecode (``EvalEmitter``). All functions are compiled to
26 bytecode, while toplevel expressions used in constant contexts are directly
27 evaluated since the bytecode would never be reused. This mechanism aims to
28 pave the way towards replacing the evaluator, improving its performance on
29 functions and loops, while being just as fast on single-use toplevel
30 expressions.
32 The interpreter relies on stack-based, strongly-typed opcodes. The glue
33 logic between the code generator, along with the enumeration and
34 description of opcodes, can be found in ``Opcodes.td``. The opcodes are
35 implemented as generic template methods in ``Interp.h`` and instantiated
36 with the relevant primitive types by the interpreter loop or by the
37 evaluating emitter.
39 Primitive Types
40 ---------------
42 * ``PT_{U|S}int{8|16|32|64}``
44   Signed or unsigned integers of a specific bit width, implemented using
45   the ```Integral``` type.
47 * ``PT_{U|S}intFP``
49   Signed or unsigned integers of an arbitrary, but fixed width used to
50   implement integral types which are required by the target, but are not
51   supported by the host. Under the hood, they rely on APValue. The
52   ``Integral`` specialisation for these types is required by opcodes to
53   share an implementation with fixed integrals.
55 * ``PT_Bool``
57   Representation for boolean types, essentially a 1-bit unsigned
58   ``Integral``.
60 * ``PT_RealFP``
62   Arbitrary, but fixed precision floating point numbers. Could be
63   specialised in the future similarly to integers in order to improve
64   floating point performance.
66 * ``PT_Ptr``
68   Pointer type, defined in ``"Pointer.h"``. A pointer can be either null,
69   reference interpreter-allocated memory (``BlockPointer``) or point to an
70   address which can be derived, but not accessed (``ExternPointer``).
72 * ``PT_FnPtr``
74   Function pointer type, can also be a null function pointer. Defined
75   in ``"FnPointer.h"``.
77 * ``PT_MemPtr``
79   Member pointer type, can also be a null member pointer. Defined
80   in ``"MemberPointer.h"``
82 * ``PT_VoidPtr``
84   Void pointer type, can be used for rount-trip casts. Represented as
85   the union of all pointers which can be cast to void.
86   Defined in ``"VoidPointer.h"``.
88 * ``PT_ObjCBlockPtr``
90   Pointer type for ObjC blocks. Defined in ``"ObjCBlockPointer.h"``.
92 Composite types
93 ---------------
95 The interpreter distinguishes two kinds of composite types: arrays and
96 records (structs and classes). Unions are represented as records, except
97 at most a single field can be marked as active. The contents of inactive
98 fields are kept until they are reactivated and overwritten.
99 Complex numbers (``_Complex``) and vectors
100 (``__attribute((vector_size(16)))``) are treated as arrays.
103 Bytecode Execution
104 ==================
106 Bytecode is executed using a stack-based interpreter. The execution
107 context consists of an ``InterpStack``, along with a chain of
108 ``InterpFrame`` objects storing the call frames. Frames are built by
109 call instructions and destroyed by return instructions. They perform
110 one allocation to reserve space for all locals in a single block.
111 These objects store all the required information to emit stack traces
112 whenever evaluation fails.
114 Memory Organisation
115 ===================
117 Memory management in the interpreter relies on 3 data structures: ``Block``
118 objects which store the data and associated inline metadata, ``Pointer``
119 objects which refer to or into blocks, and ``Descriptor`` structures which
120 describe blocks and subobjects nested inside blocks.
122 Blocks
123 ------
125 Blocks contain data interleaved with metadata. They are allocated either
126 statically in the code generator (globals, static members, dummy parameter
127 values etc.) or dynamically in the interpreter, when creating the frame
128 containing the local variables of a function. Blocks are associated with a
129 descriptor that characterises the entire allocation, along with a few
130 additional attributes:
132 * ``IsStatic`` indicates whether the block has static duration in the
133   interpreter, i.e. it is not a local in a frame.
135 * ``DeclID`` identifies each global declaration (it is set to an invalid
136   and irrelevant value for locals) in order to prevent illegal writes and
137   reads involving globals and temporaries with static storage duration.
139 Static blocks are never deallocated, but local ones might be deallocated
140 even when there are live pointers to them. Pointers are only valid as
141 long as the blocks they point to are valid, so a block with pointers to
142 it whose lifetime ends is kept alive until all pointers to it go out of
143 scope. Since the frame is destroyed on function exit, such blocks are
144 turned into a ``DeadBlock`` and copied to storage managed by the
145 interpreter itself, not the frame. Reads and writes to these blocks are
146 illegal and cause an appropriate diagnostic to be emitted. When the last
147 pointer goes out of scope, dead blocks are also deallocated.
149 The lifetime of blocks is managed through 3 methods stored in the
150 descriptor of the block:
152 * **CtorFn**: initializes the metadata which is store in the block,
153   alongside actual data. Invokes the default constructors of objects
154   which are not trivial (``Pointer``, ``RealFP``, etc.)
156 * **DtorFn**: invokes the destructors of non-trivial objects.
158 * **MoveFn**: moves a block to dead storage.
160 Non-static blocks track all the pointers into them through an intrusive
161 doubly-linked list, required to adjust and invalidate all pointers when
162 transforming a block into a dead block. If the lifetime of an object ends,
163 all pointers to it are invalidated, emitting the appropriate diagnostics when
164 dereferenced.
166 The interpreter distinguishes 3 different kinds of blocks:
168 * **Primitives**
170   A block containing a single primitive with no additional metadata.
172 * **Arrays of primitives**
174   An array of primitives contains a pointer to an ``InitMap`` storage as its
175   first field: the initialisation map is a bit map indicating all elements of
176   the array which were initialised. If the pointer is null, no elements were
177   initialised, while a value of ``(InitMap*)-1`` indicates that the object was
178   fully initialised. When all fields are initialised, the map is deallocated
179   and replaced with that token.
181   Array elements are stored sequentially, without padding, after the pointer
182   to the map.
184 * **Arrays of composites and records**
186   Each element in an array of composites is preceded by an ``InlineDescriptor``
187   which stores the attributes specific to the field and not the whole
188   allocation site. Descriptors and elements are stored sequentially in the
189   block.
190   Records are laid out identically to arrays of composites: each field and base
191   class is preceded by an inline descriptor. The ``InlineDescriptor``
192   has the following fields:
194    * **Offset**: byte offset into the array or record, used to step back to the
195      parent array or record.
196    * **IsConst**: flag indicating if the field is const-qualified.
197    * **IsInitialized**: flag indicating whether the field or element was
198      initialized. For non-primitive fields, this is only relevant to determine
199      the dynamic type of objects during construction.
200    * **IsBase**: flag indicating whether the record is a base class. In that
201      case, the offset can be used to identify the derived class.
202    * **IsActive**: indicates if the field is the active field of a union.
203    * **IsMutable**: indicates if the field is marked as mutable.
205 Inline descriptors are filled in by the `CtorFn` of blocks, which leaves storage
206 in an uninitialised, but valid state.
208 Descriptors
209 -----------
211 Descriptors are generated at bytecode compilation time and contain information
212 required to determine if a particular memory access is allowed in constexpr.
213 They also carry all the information required to emit a diagnostic involving
214 a memory access, such as the declaration which originates the block.
215 Currently there is a single kind of descriptor encoding information for all
216 block types.
218 Pointers
219 --------
221 Pointers, implemented in ``Pointer.h`` are represented as a tagged union.
222 Some of these may not yet be available in upstream ``clang``.
224  * **BlockPointer**: used to reference memory allocated and managed by the
225    interpreter, being the only pointer kind which allows dereferencing in the
226    interpreter
227  * **ExternPointer**: points to memory which can be addressed, but not read by
228    the interpreter. It is equivalent to APValue, tracking a declaration and a path
229    of fields and indices into that allocation.
230  * **TargetPointer**: represents a target address derived from a base address
231    through pointer arithmetic, such as ``((int *)0x100)[20]``. Null pointers are
232    target pointers with a zero offset.
233  * **TypeInfoPointer**: tracks information for the opaque type returned by
234    ``typeid``
235  * **InvalidPointer**: is dummy pointer created by an invalid operation which
236    allows the interpreter to continue execution. Does not allow pointer
237    arithmetic or dereferencing.
239 Besides the previously mentioned union, a number of other pointer-like types
240 have their own type:
242  * **ObjCBlockPointer** tracks Objective-C blocks
243  * **FnPointer** tracks functions and lazily caches their compiled version
244  * **MemberPointer** tracks C++ object members
246 Void pointers, which can be built by casting any of the aforementioned
247 pointers, are implemented as a union of all pointer types. The ``BitCast``
248 opcode is responsible for performing all legal conversions between these
249 types and primitive integers.
251 BlockPointer
252 ~~~~~~~~~~~~
254 Block pointers track a ``Pointee``, the block to which they point, along
255 with a ``Base`` and an ``Offset``. The base identifies the innermost field,
256 while the offset points to an array element relative to the base (including
257 one-past-end pointers). The offset identifies the array element or field
258 which is referenced, while the base points to the outer object or array which
259 contains the field. These two fields allow all pointers to be uniquely
260 identified, disambiguated and characterised.
262 As an example, consider the following structure:
264 .. code-block:: c
266     struct A {
267         struct B {
268             int x;
269             int y;
270         } b;
271         struct C {
272             int a;
273             int b;
274         } c[2];
275         int z;
276     };
277     constexpr A a;
279 On the target, ``&a`` and ``&a.b.x`` are equal. So are ``&a.c[0]`` and
280 ``&a.c[0].a``. In the interpreter, all these pointers must be
281 distinguished since the are all allowed to address distinct range of
282 memory.
284 In the interpreter, the object would require 240 bytes of storage and
285 would have its field interleaved with metadata. The pointers which can
286 be derived to the object are illustrated in the following diagram:
290       0   16  32  40  56  64  80  96  112 120 136 144 160 176 184 200 208 224 240
291   +---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
292   + B | D | D | x | D | y | D | D | D | a | D | b | D | D | a | D | b | D | z |
293   +---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
294       ^   ^   ^       ^       ^   ^   ^       ^       ^   ^       ^       ^
295       |   |   |       |       |   |   |   &a.c[0].b   |   |   &a.c[1].b   |
296       a   |&a.b.x   &a.y    &a.c  |&a.c[0].a          |&a.c[1].a          |
297         &a.b                   &a.c[0]            &a.c[1]               &a.z
299 The ``Base`` offset of all pointers points to the start of a field or
300 an array and is preceded by an inline descriptor (unless ``Base`` is
301 zero, pointing to the root). All the relevant attributes can be read
302 from either the inline descriptor or the descriptor of the block.
305 Array elements are identified by the ``Offset`` field of pointers,
306 pointing to past the inline descriptors for composites and before
307 the actual data in the case of primitive arrays. The ``Offset``
308 points to the offset where primitives can be read from. As an example,
309 ``a.c + 1`` would have the same base as ``a.c`` since it is an element
310 of ``a.c``, but its offset would point to ``&a.c[1]``. The
311 array-to-pointer decay operation adjusts a pointer to an array (where
312 the offset is equal to the base) to a pointer to the first element.
314 ExternPointer
315 ~~~~~~~~~~~~~
317 Extern pointers can be derived, pointing into symbols which are not
318 readable from constexpr. An external pointer consists of a base
319 declaration, along with a path designating a subobject, similar to
320 the ``LValuePath`` of an APValue. Extern pointers can be converted
321 to block pointers if the underlying variable is defined after the
322 pointer is created, as is the case in the following example:
324 .. code-block:: c
326   extern const int a;
327   constexpr const int *p = &a;
328   const int a = 5;
329   static_assert(*p == 5, "x");
331 TargetPointer
332 ~~~~~~~~~~~~~
334 While null pointer arithmetic or integer-to-pointer conversion is
335 banned in constexpr, some expressions on target offsets must be folded,
336 replicating the behaviour of the ``offsetof`` builtin. Target pointers
337 are characterised by 3 offsets: a field offset, an array offset and a
338 base offset, along with a descriptor specifying the type the pointer is
339 supposed to refer to. Array indexing adjusts the array offset, while the
340 field offset is adjusted when a pointer to a member is created. Casting
341 an integer to a pointer sets the value of the base offset. As a special
342 case, null pointers are target pointers with all offsets set to 0.
344 TypeInfoPointer
345 ~~~~~~~~~~~~~~~
347 ``TypeInfoPointer`` tracks two types: the type assigned to
348 ``std::type_info`` and the type which was passed to ``typeinfo``.
350 InvalidPointer
351 ~~~~~~~~~~~~~~
353 Such pointers are built by operations which cannot generate valid
354 pointers, allowing the interpreter to continue execution after emitting
355 a warning. Inspecting such a pointer stops execution.
357 TODO
358 ====
360 Missing Language Features
361 -------------------------
363 * Changing the active field of unions
364 * ``volatile``
365 * ``__builtin_constant_p``
366 * ``dynamic_cast``
367 * ``new`` and ``delete``
368 * Fixed Point numbers and arithmetic on Complex numbers
369 * Several builtin methods, including string operations and
370   ``__builtin_bit_cast``
371 * Continue-after-failure: a form of exception handling at the bytecode
372   level should be implemented to allow execution to resume. As an example,
373   argument evaluation should resume after the computation of an argument fails.
374 * Pointer-to-Integer conversions
375 * Lazy descriptors: the interpreter creates a ``Record`` and ``Descriptor``
376   when it encounters a type: ones which are not yet defined should be lazily
377   created when required
379 Known Bugs
380 ----------
382 * If execution fails, memory storing APInts and APFloats is leaked when the
383   stack is cleared