[mlir][linalg] Add support for masked vectorization of `tensor.insert_slice` (1/N...
[llvm-project.git] / llvm / docs / SourceLevelDebugging.rst
blobc1a95efd2d8bcc1ec938c5f7518f27d3ae2b5478
1 ================================
2 Source Level Debugging with LLVM
3 ================================
5 .. contents::
6    :local:
8 Introduction
9 ============
11 This document is the central repository for all information pertaining to debug
12 information in LLVM.  It describes the :ref:`actual format that the LLVM debug
13 information takes <format>`, which is useful for those interested in creating
14 front-ends or dealing directly with the information.  Further, this document
15 provides specific examples of what debug information for C/C++ looks like.
17 Philosophy behind LLVM debugging information
18 --------------------------------------------
20 The idea of the LLVM debugging information is to capture how the important
21 pieces of the source-language's Abstract Syntax Tree map onto LLVM code.
22 Several design aspects have shaped the solution that appears here.  The
23 important ones are:
25 * Debugging information should have very little impact on the rest of the
26   compiler.  No transformations, analyses, or code generators should need to
27   be modified because of debugging information.
29 * LLVM optimizations should interact in :ref:`well-defined and easily described
30   ways <intro_debugopt>` with the debugging information.
32 * Because LLVM is designed to support arbitrary programming languages,
33   LLVM-to-LLVM tools should not need to know anything about the semantics of
34   the source-level-language.
36 * Source-level languages are often **widely** different from one another.
37   LLVM should not put any restrictions of the flavor of the source-language,
38   and the debugging information should work with any language.
40 * With code generator support, it should be possible to use an LLVM compiler
41   to compile a program to native machine code and standard debugging
42   formats.  This allows compatibility with traditional machine-code level
43   debuggers, like GDB or DBX.
45 The approach used by the LLVM implementation is to use a small set of
46 :ref:`debug records <debug_records>` to define a mapping
47 between LLVM program objects and the source-level objects.  The description of
48 the source-level program is maintained in LLVM metadata in an
49 :ref:`implementation-defined format <ccxx_frontend>` (the C/C++ front-end
50 currently uses working draft 7 of the `DWARF 3 standard
51 <http://www.eagercon.com/dwarf/dwarf3std.htm>`_).
53 When a program is being debugged, a debugger interacts with the user and turns
54 the stored debug information into source-language specific information.  As
55 such, a debugger must be aware of the source-language, and is thus tied to a
56 specific language or family of languages.
58 Debug information consumers
59 ---------------------------
61 The role of debug information is to provide meta information normally stripped
62 away during the compilation process.  This meta information provides an LLVM
63 user a relationship between generated code and the original program source
64 code.
66 Currently, there are two backend consumers of debug info: DwarfDebug and
67 CodeViewDebug. DwarfDebug produces DWARF suitable for use with GDB, LLDB, and
68 other DWARF-based debuggers. :ref:`CodeViewDebug <codeview>` produces CodeView,
69 the Microsoft debug info format, which is usable with Microsoft debuggers such
70 as Visual Studio and WinDBG. LLVM's debug information format is mostly derived
71 from and inspired by DWARF, but it is feasible to translate into other target
72 debug info formats such as STABS.
74 It would also be reasonable to use debug information to feed profiling tools
75 for analysis of generated code, or, tools for reconstructing the original
76 source from generated code.
78 .. _intro_debugopt:
80 Debug information and optimizations
81 -----------------------------------
83 An extremely high priority of LLVM debugging information is to make it interact
84 well with optimizations and analysis.  In particular, the LLVM debug
85 information provides the following guarantees:
87 * LLVM debug information **always provides information to accurately read
88   the source-level state of the program**, regardless of which LLVM
89   optimizations have been run. :doc:`HowToUpdateDebugInfo` specifies how debug
90   info should be updated in various kinds of code transformations to avoid
91   breaking this guarantee, and how to preserve as much useful debug info as
92   possible.  Note that some optimizations may impact the ability to modify the
93   current state of the program with a debugger, such as setting program
94   variables, or calling functions that have been deleted.
96 * As desired, LLVM optimizations can be upgraded to be aware of debugging
97   information, allowing them to update the debugging information as they
98   perform aggressive optimizations.  This means that, with effort, the LLVM
99   optimizers could optimize debug code just as well as non-debug code.
101 * LLVM debug information does not prevent optimizations from
102   happening (for example inlining, basic block reordering/merging/cleanup,
103   tail duplication, etc).
105 * LLVM debug information is automatically optimized along with the rest of
106   the program, using existing facilities.  For example, duplicate
107   information is automatically merged by the linker, and unused information
108   is automatically removed.
110 Basically, the debug information allows you to compile a program with
111 "``-O0 -g``" and get full debug information, allowing you to arbitrarily modify
112 the program as it executes from a debugger.  Compiling a program with
113 "``-O3 -g``" gives you full debug information that is always available and
114 accurate for reading (e.g., you get accurate stack traces despite tail call
115 elimination and inlining), but you might lose the ability to modify the program
116 and call functions which were optimized out of the program, or inlined away
117 completely.
119 The :doc:`LLVM test-suite <TestSuiteMakefileGuide>` provides a framework to
120 test the optimizer's handling of debugging information.  It can be run like
121 this:
123 .. code-block:: bash
125   % cd llvm/projects/test-suite/MultiSource/Benchmarks  # or some other level
126   % make TEST=dbgopt
128 This will test impact of debugging information on optimization passes.  If
129 debugging information influences optimization passes then it will be reported
130 as a failure.  See :doc:`TestingGuide` for more information on LLVM test
131 infrastructure and how to run various tests.
133 .. _format:
135 Debugging information format
136 ============================
138 LLVM debugging information has been carefully designed to make it possible for
139 the optimizer to optimize the program and debugging information without
140 necessarily having to know anything about debugging information.  In
141 particular, the use of metadata avoids duplicated debugging information from
142 the beginning, and the global dead code elimination pass automatically deletes
143 debugging information for a function if it decides to delete the function.
145 To do this, most of the debugging information (descriptors for types,
146 variables, functions, source files, etc) is inserted by the language front-end
147 in the form of LLVM metadata.
149 Debug information is designed to be agnostic about the target debugger and
150 debugging information representation (e.g. DWARF/Stabs/etc).  It uses a generic
151 pass to decode the information that represents variables, types, functions,
152 namespaces, etc: this allows for arbitrary source-language semantics and
153 type-systems to be used, as long as there is a module written for the target
154 debugger to interpret the information.
156 To provide basic functionality, the LLVM debugger does have to make some
157 assumptions about the source-level language being debugged, though it keeps
158 these to a minimum.  The only common features that the LLVM debugger assumes
159 exist are `source files <LangRef.html#difile>`_, and `program objects
160 <LangRef.html#diglobalvariable>`_.  These abstract objects are used by a
161 debugger to form stack traces, show information about local variables, etc.
163 This section of the documentation first describes the representation aspects
164 common to any source-language.  :ref:`ccxx_frontend` describes the data layout
165 conventions used by the C and C++ front-ends.
167 Debug information descriptors are `specialized metadata nodes
168 <LangRef.html#specialized-metadata>`_, first-class subclasses of ``Metadata``.
170 There are two models for defining the values of source variables at different
171 states of the program and tracking these values through optimization and code
172 generation: :ref:`debug records <debug_records>`, the current default, and
173 :ref:`intrinsic function calls <format_common_intrinsics>`, which are
174 non-default but currently supported for backwards compatibility - though these
175 two models must never be mixed within an IR module. For an explanation of why
176 we changed to the new model, how it works, and guidance on how to update old
177 code or IR to use debug records, see the `RemoveDIs <RemoveDIsDebugInfo.html>`_
178 document.
180 .. _debug_records:
182 Debug Records
183 ----------------------------
185 Debug records define the value that a source variable has during execution of
186 the program; they appear interleaved with instructions, although they are not
187 instructions themselves and have no effect on the code generated by the
188 compiler.
190 LLVM uses several types of debug records to define source variables. The
191 common syntax for these records is:
193 .. code-block:: llvm
195     #dbg_<kind>([<arg>, ]* <DILocation>)
196   ; Using the intrinsic model, the above is equivalent to:
197   call void llvm.dbg.<kind>([metadata <arg>, ]*), !dbg <DILocation>
199 Debug records are always printed with an extra level of indentation compared
200 to instructions, and always have the prefix `#dbg_` and a list of
201 comma-separated arguments in parentheses, as with a `call`.
203 ``#dbg_declare``
204 ^^^^^^^^^^^^^^^^
206 .. code-block:: llvm
208     #dbg_declare([Value|MDNode], DILocalVariable, DIExpression, DILocation)
210 This record provides information about a local element (e.g., variable).
211 The first argument is an SSA value corresponding to a variable address, and is
212 typically a static alloca in the function entry block.  The second argument is a
213 `local variable <LangRef.html#dilocalvariable>`_ containing a description of
214 the variable.  The third argument is a `complex expression
215 <LangRef.html#diexpression>`_. The fourth argument is a `source location
216 <LangRef.html#dilocation>`_. A ``#dbg_declare`` record describes the
217 *address* of a source variable.
219 .. code-block:: llvm
221     %i.addr = alloca i32, align 4
222       #dbg_declare(ptr %i.addr, !1, !DIExpression(), !2)
223     ; ...
224     !1 = !DILocalVariable(name: "i", ...) ; int i
225     !2 = !DILocation(...)
226     ; ...
227     %buffer = alloca [256 x i8], align 8
228     ; The address of i is buffer+64.
229       #dbg_declare(ptr %buffer, !3, !DIExpression(DW_OP_plus, 64), !4)
230     ; ...
231     !3 = !DILocalVariable(name: "i", ...) ; int i
232     !4 = !DILocation(...)
234 A frontend should generate exactly one ``#dbg_declare`` record at the point
235 of declaration of a source variable. Optimization passes that fully promote the
236 variable from memory to SSA values will replace this record with possibly
237 multiple ``#dbg_value``` records. Passes that delete stores are effectively
238 partial promotion, and they will insert a mix of ``#dbg_value`` records to
239 track the source variable value when it is available. After optimization, there
240 may be multiple ``#dbg_declare`` records describing the program points where
241 the variables lives in memory. All calls for the same concrete source variable
242 must agree on the memory location.
245 ``#dbg_value``
246 ^^^^^^^^^^^^^^
248 .. code-block:: llvm
250     #dbg_value([Value|DIArgList|MDNode], DILocalVariable, DIExpression, DILocation)
252 This record provides information when a user source variable is set to a new
253 value.  The first argument is the new value. The second argument is a `local
254 variable <LangRef.html#dilocalvariable>`_ containing a description of the
255 variable.  The third argument is a `complex expression
256 <LangRef.html#diexpression>`_. The fourth argument is a `source location
257 <LangRef.html#dilocation>`_.
259 A ``#dbg_value`` record describes the *value* of a source variable
260 directly, not its address.  Note that the value operand of this intrinsic may
261 be indirect (i.e, a pointer to the source variable), provided that interpreting
262 the complex expression derives the direct value.
264 ``#dbg_assign``
265 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
266 .. toctree::
267    :hidden:
269    AssignmentTracking
271 .. code-block:: llvm
273   #dbg_assign( [Value|DIArgList|MDNode] Value,
274                DILocalVariable Variable,
275                DIExpression ValueExpression,
276                DIAssignID ID,
277                [Value|MDNode] Address,
278                DIExpression AddressExpression,
279                DILocation SourceLocation )
281 This record marks the position in IR where a source assignment occurred. It
282 encodes the value of the variable. It references the store, if any, that
283 performs the assignment, and the destination address.
285 The first three arguments are the same as for a ``#dbg_value``. The fourth
286 argument is a ``DIAssignID`` used to reference a store. The fifth is the
287 destination of the store, the sixth is a `complex
288 expression <LangRef.html#diexpression>`_ that modfies it, and the seventh is a
289 `source location <LangRef.html#dilocation>`_.
291 See :doc:`AssignmentTracking` for more info.
293 Debugger intrinsic functions
294 ----------------------------
296 .. _format_common_intrinsics:
298 In intrinsic-mode, LLVM uses several intrinsic functions (name prefixed with "``llvm.dbg``") to
299 track source local variables through optimization and code generation. These
300 intrinsic functions each correspond to one of the debug records above, with a
301 few syntactic differences: each argument to a debugger intrinsic must be wrapped
302 as metadata, meaning it must be prefixed with ``metadata``, and the
303 ``DILocation`` argument in each record must be a metadata attachment to the
304 call instruction, meaning it appears after the argument list with the prefix
305 ``!dbg``.
307 ``llvm.dbg.declare``
308 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
310 .. code-block:: llvm
312   void @llvm.dbg.declare(metadata, metadata, metadata)
314 This intrinsic is equivalent to ``#dbg_declare``:
316 .. code-block:: llvm
318       #dbg_declare(i32* %i.addr, !1, !DIExpression(), !2)
319     call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %i.addr, metadata !1,
320                                 metadata !DIExpression()), !dbg !2
322 ``llvm.dbg.value``
323 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
325 .. code-block:: llvm
327   void @llvm.dbg.value(metadata, metadata, metadata)
329 This intrinsic is equivalent to ``#dbg_value``:
331 .. code-block:: llvm
333       #dbg_value(i32 %i, !1, !DIExpression(), !2)
334     call void @llvm.dbg.value(metadata i32 %i, metadata !1,
335                               metadata !DIExpression()), !dbg !2
337 ``llvm.dbg.assign``
338 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
340 .. code-block:: llvm
342   void @llvm.dbg.assign(metadata, metadata, metadata, metadata, metadata, metadata)
344 This intrinsic is equivalent to ``#dbg_assign``:
346 .. code-block:: llvm
348       #dbg_assign(i32 %i, !1, !DIExpression(), !2, 
349                   ptr %i.addr, !DIExpression(), !3)
350     call void @llvm.dbg.assign(
351       metadata i32 %i, metadata !1, metadata !DIExpression(), metadata !2,
352       metadata ptr %i.addr, metadata !DIExpression(), metadata !3), !dbg !3
355 Object lifetimes and scoping
356 ============================
358 In many languages, the local variables in functions can have their lifetimes or
359 scopes limited to a subset of a function.  In the C family of languages, for
360 example, variables are only live (readable and writable) within the source
361 block that they are defined in.  In functional languages, values are only
362 readable after they have been defined.  Though this is a very obvious concept,
363 it is non-trivial to model in LLVM, because it has no notion of scoping in this
364 sense, and does not want to be tied to a language's scoping rules.
366 In order to handle this, the LLVM debug format uses the metadata attached to
367 llvm instructions to encode line number and scoping information.  Consider the
368 following C fragment, for example:
370 .. code-block:: c
372   1.  void foo() {
373   2.    int X = 21;
374   3.    int Y = 22;
375   4.    {
376   5.      int Z = 23;
377   6.      Z = X;
378   7.    }
379   8.    X = Y;
380   9.  }
382 Compiled to LLVM, this function would be represented like this:
384 .. code-block:: text
386   ; Function Attrs: nounwind ssp uwtable
387   define void @foo() #0 !dbg !4 {
388   entry:
389     %X = alloca i32, align 4
390     %Y = alloca i32, align 4
391     %Z = alloca i32, align 4
392       #dbg_declare(ptr %X, !11, !DIExpression(), !13)
393     store i32 21, i32* %X, align 4, !dbg !13
394       #dbg_declare(ptr %Y, !14, !DIExpression(), !15)
395     store i32 22, i32* %Y, align 4, !dbg !15
396       #dbg_declare(ptr %Z, !16, !DIExpression(), !18)
397     store i32 23, i32* %Z, align 4, !dbg !18
398     %0 = load i32, i32* %X, align 4, !dbg !20
399     store i32 %0, i32* %Z, align 4, !dbg !21
400     %1 = load i32, i32* %Y, align 4, !dbg !22
401     store i32 %1, i32* %X, align 4, !dbg !23
402     ret void, !dbg !24
403   }
405   attributes #0 = { nounwind ssp uwtable "less-precise-fpmad"="false" "frame-pointer"="all" "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "stack-protector-buffer-size"="8" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }
406   attributes #1 = { nounwind readnone }
408   !llvm.dbg.cu = !{!0}
409   !llvm.module.flags = !{!7, !8, !9}
410   !llvm.ident = !{!10}
412   !0 = !DICompileUnit(language: DW_LANG_C99, file: !1, producer: "clang version 3.7.0 (trunk 231150) (llvm/trunk 231154)", isOptimized: false, runtimeVersion: 0, emissionKind: FullDebug, enums: !2, retainedTypes: !2, subprograms: !3, globals: !2, imports: !2)
413   !1 = !DIFile(filename: "/dev/stdin", directory: "/Users/dexonsmith/data/llvm/debug-info")
414   !2 = !{}
415   !3 = !{!4}
416   !4 = distinct !DISubprogram(name: "foo", scope: !1, file: !1, line: 1, type: !5, isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1, isOptimized: false, retainedNodes: !2)
417   !5 = !DISubroutineType(types: !6)
418   !6 = !{null}
419   !7 = !{i32 2, !"Dwarf Version", i32 2}
420   !8 = !{i32 2, !"Debug Info Version", i32 3}
421   !9 = !{i32 1, !"PIC Level", i32 2}
422   !10 = !{!"clang version 3.7.0 (trunk 231150) (llvm/trunk 231154)"}
423   !11 = !DILocalVariable(name: "X", scope: !4, file: !1, line: 2, type: !12)
424   !12 = !DIBasicType(name: "int", size: 32, align: 32, encoding: DW_ATE_signed)
425   !13 = !DILocation(line: 2, column: 9, scope: !4)
426   !14 = !DILocalVariable(name: "Y", scope: !4, file: !1, line: 3, type: !12)
427   !15 = !DILocation(line: 3, column: 9, scope: !4)
428   !16 = !DILocalVariable(name: "Z", scope: !18, file: !1, line: 5, type: !12)
429   !17 = distinct !DILexicalBlock(scope: !4, file: !1, line: 4, column: 5)
430   !18 = !DILocation(line: 5, column: 11, scope: !17)
431   !29 = !DILocation(line: 6, column: 11, scope: !17)
432   !20 = !DILocation(line: 6, column: 9, scope: !17)
433   !21 = !DILocation(line: 8, column: 9, scope: !4)
434   !22 = !DILocation(line: 8, column: 7, scope: !4)
435   !23 = !DILocation(line: 9, column: 3, scope: !4)
438 This example illustrates a few important details about LLVM debugging
439 information.  In particular, it shows how the ``#dbg_declare`` record and
440 location information, which are attached to an instruction, are applied
441 together to allow a debugger to analyze the relationship between statements,
442 variable definitions, and the code used to implement the function.
444 .. code-block:: llvm
446     #dbg_declare(ptr %X, !11, !DIExpression(), !13)
447     ; [debug line = 2:9] [debug variable = X]
449 The first record ``#dbg_declare`` encodes debugging information for the
450 variable ``X``.  The location ``!13`` at the end of the record provides
451 scope information for the variable ``X``.
453 .. code-block:: text
455   !13 = !DILocation(line: 2, column: 9, scope: !4)
456   !4 = distinct !DISubprogram(name: "foo", scope: !1, file: !1, line: 1, type: !5,
457                               isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1,
458                               isOptimized: false, retainedNodes: !2)
460 Here ``!13`` is metadata providing `location information
461 <LangRef.html#dilocation>`_.  In this example, scope is encoded by ``!4``, a
462 `subprogram descriptor <LangRef.html#disubprogram>`_.  This way the location
463 information parameter to the records indicates that the variable ``X`` is
464 declared at line number 2 at a function level scope in function ``foo``.
466 Now lets take another example.
468 .. code-block:: llvm
470     #dbg_declare(ptr %Z, !16, !DIExpression(), !18)
471     ; [debug line = 5:11] [debug variable = Z]
473 The third record ``#dbg_declare`` encodes debugging information for
474 variable ``Z``.  The metadata ``!18`` at the end of the record provides
475 scope information for the variable ``Z``.
477 .. code-block:: text
479   !17 = distinct !DILexicalBlock(scope: !4, file: !1, line: 4, column: 5)
480   !18 = !DILocation(line: 5, column: 11, scope: !17)
482 Here ``!18`` indicates that ``Z`` is declared at line number 5 and column
483 number 11 inside of lexical scope ``!17``.  The lexical scope itself resides
484 inside of subprogram ``!4`` described above.
486 The scope information attached with each instruction provides a straightforward
487 way to find instructions covered by a scope.
489 Object lifetime in optimized code
490 =================================
492 In the example above, every variable assignment uniquely corresponds to a
493 memory store to the variable's position on the stack. However in heavily
494 optimized code LLVM promotes most variables into SSA values, which can
495 eventually be placed in physical registers or memory locations. To track SSA
496 values through compilation, when objects are promoted to SSA values a
497 ``#dbg_value`` record is created for each assignment, recording the
498 variable's new location. Compared with the ``#dbg_declare`` record:
500 * A #dbg_value terminates the effect of any preceding #dbg_values for (any
501   overlapping fragments of) the specified variable.
502 * The #dbg_value's position in the IR defines where in the instruction stream
503   the variable's value changes.
504 * Operands can be constants, indicating the variable is assigned a
505   constant value.
507 Care must be taken to update ``#dbg_value`` records when optimization
508 passes alter or move instructions and blocks -- the developer could observe such
509 changes reflected in the value of variables when debugging the program. For any
510 execution of the optimized program, the set of variable values presented to the
511 developer by the debugger should not show a state that would never have existed
512 in the execution of the unoptimized program, given the same input. Doing so
513 risks misleading the developer by reporting a state that does not exist,
514 damaging their understanding of the optimized program and undermining their
515 trust in the debugger.
517 Sometimes perfectly preserving variable locations is not possible, often when a
518 redundant calculation is optimized out. In such cases, a ``#dbg_value``
519 with operand ``poison`` should be used, to terminate earlier variable locations
520 and let the debugger present ``optimized out`` to the developer. Withholding
521 these potentially stale variable values from the developer diminishes the
522 amount of available debug information, but increases the reliability of the
523 remaining information.
525 To illustrate some potential issues, consider the following example:
527 .. code-block:: llvm
529   define i32 @foo(i32 %bar, i1 %cond) {
530   entry:
531       #dbg_value(i32 0, !1, !DIExpression(), !4)
532     br i1 %cond, label %truebr, label %falsebr
533   truebr:
534     %tval = add i32 %bar, 1
535       #dbg_value(i32 %tval, !1, !DIExpression(), !4)
536     %g1 = call i32 @gazonk()
537     br label %exit
538   falsebr:
539     %fval = add i32 %bar, 2
540       #dbg_value(i32 %fval, !1, !DIExpression(), !4)
541     %g2 = call i32 @gazonk()
542     br label %exit
543   exit:
544     %merge = phi [ %tval, %truebr ], [ %fval, %falsebr ]
545     %g = phi [ %g1, %truebr ], [ %g2, %falsebr ]
546       #dbg_value(i32 %merge, !1, !DIExpression(), !4)
547       #dbg_value(i32 %g, !3, !DIExpression(), !4)
548     %plusten = add i32 %merge, 10
549     %toret = add i32 %plusten, %g
550       #dbg_value(i32 %toret, !1, !DIExpression(), !4)
551     ret i32 %toret
552   }
554 Containing two source-level variables in ``!1`` and ``!3``. The function could,
555 perhaps, be optimized into the following code:
557 .. code-block:: llvm
559   define i32 @foo(i32 %bar, i1 %cond) {
560   entry:
561     %g = call i32 @gazonk()
562     %addoper = select i1 %cond, i32 11, i32 12
563     %plusten = add i32 %bar, %addoper
564     %toret = add i32 %plusten, %g
565     ret i32 %toret
566   }
568 What ``#dbg_value`` records should be placed to represent the original variable
569 locations in this code? Unfortunately the second, third and fourth
570 #dbg_values for ``!1`` in the source function have had their operands
571 (%tval, %fval, %merge) optimized out. Assuming we cannot recover them, we
572 might consider this placement of #dbg_values:
574 .. code-block:: llvm
576   define i32 @foo(i32 %bar, i1 %cond) {
577   entry:
578       #dbg_value(i32 0, !1, !DIExpression(), !4)
579     %g = call i32 @gazonk()
580       #dbg_value(i32 %g, !3, !DIExpression(), !4)
581     %addoper = select i1 %cond, i32 11, i32 12
582     %plusten = add i32 %bar, %addoper
583     %toret = add i32 %plusten, %g
584       #dbg_value(i32 %toret, !1, !DIExpression(), !4)
585     ret i32 %toret
586   }
588 However, this will cause ``!3`` to have the return value of ``@gazonk()`` at
589 the same time as ``!1`` has the constant value zero -- a pair of assignments
590 that never occurred in the unoptimized program. To avoid this, we must terminate
591 the range that ``!1`` has the constant value assignment by inserting an poison
592 #dbg_value before the #dbg_value for ``!3``:
594 .. code-block:: llvm
596   define i32 @foo(i32 %bar, i1 %cond) {
597   entry:
598       #dbg_value(i32 0, !1, !DIExpression(), !2)
599     %g = call i32 @gazonk()
600       #dbg_value(i32 poison, !1, !DIExpression(), !2)
601       #dbg_value(i32 %g, !3, !DIExpression(), !2)
602     %addoper = select i1 %cond, i32 11, i32 12
603     %plusten = add i32 %bar, %addoper
604     %toret = add i32 %plusten, %g
605       #dbg_value(i32 %toret, !1, !DIExpression(), !2)
606     ret i32 %toret
607   }
609 There are a few other #dbg_value configurations that mean it terminates
610 dominating location definitions without adding a new location. The complete
611 list is:
613 * Any location operand is ``poison`` (or ``undef``).
614 * Any location operand is an empty metadata tuple (``!{}``) (which cannot
615   occur in a ``!DIArgList``).
616 * There are no location operands (empty ``DIArgList``) and the ``DIExpression``
617   is empty.
619 This class of #dbg_value that kills variable locations is called a "kill
620 #dbg_value" or "kill location", and for legacy reasons the term "undef
621 #dbg_value" may be used in existing code. The ``DbgVariableIntrinsic`` methods
622 ``isKillLocation`` and ``setKillLocation`` should be used where possible rather
623 than inspecting location operands directly to check or set whether a #dbg_value
624 is a kill location.
626 In general, if any #dbg_value has its operand optimized out and cannot be
627 recovered, then a kill #dbg_value is necessary to terminate earlier variable
628 locations. Additional kill #dbg_values may be necessary when the debugger can
629 observe re-ordering of assignments.
631 How variable location metadata is transformed during CodeGen
632 ============================================================
634 LLVM preserves debug information throughout mid-level and backend passes,
635 ultimately producing a mapping between source-level information and
636 instruction ranges. This
637 is relatively straightforwards for line number information, as mapping
638 instructions to line numbers is a simple association. For variable locations
639 however the story is more complex. As each ``#dbg_value`` record
640 represents a source-level assignment of a value to a source variable, the
641 debug records effectively embed a small imperative program
642 within the LLVM IR. By the end of CodeGen, this becomes a mapping from each
643 variable to their machine locations over ranges of instructions.
644 From IR to object emission, the major transformations which affect variable
645 location fidelity are:
647 1. Instruction Selection
648 2. Register allocation
649 3. Block layout
651 each of which are discussed below. In addition, instruction scheduling can
652 significantly change the ordering of the program, and occurs in a number of
653 different passes.
655 Some variable locations are not transformed during CodeGen. Stack locations
656 specified by ``#dbg_declare`` are valid and unchanging for the entire
657 duration of the function, and are recorded in a simple MachineFunction table.
658 Location changes in the prologue and epilogue of a function are also ignored:
659 frame setup and destruction may take several instructions, require a
660 disproportionate amount of debugging information in the output binary to
661 describe, and should be stepped over by debuggers anyway.
663 Variable locations in Instruction Selection and MIR
664 ---------------------------------------------------
666 Instruction selection creates a MIR function from an IR function, and just as
667 it transforms ``intermediate`` instructions into machine instructions, so must
668 ``intermediate`` variable locations become machine variable locations.
669 Within IR, variable locations are always identified by a Value, but in MIR
670 there can be different types of variable locations. In addition, some IR
671 locations become unavailable, for example if the operation of multiple IR
672 instructions are combined into one machine instruction (such as
673 multiply-and-accumulate) then intermediate Values are lost. To track variable
674 locations through instruction selection, they are first separated into
675 locations that do not depend on code generation (constants, stack locations,
676 allocated virtual registers) and those that do. For those that do, debug
677 metadata is attached to SDNodes in SelectionDAGs. After instruction selection
678 has occurred and a MIR function is created, if the SDNode associated with debug
679 metadata is allocated a virtual register, that virtual register is used as the
680 variable location. If the SDNode is folded into a machine instruction or
681 otherwise transformed into a non-register, the variable location becomes
682 unavailable.
684 Locations that are unavailable are treated as if they have been optimized out:
685 in IR the location would be assigned ``undef`` by a debug record, and in MIR
686 the equivalent location is used.
688 After MIR locations are assigned to each variable, machine pseudo-instructions
689 corresponding to each ``#dbg_value`` record are inserted. There are two
690 forms of this type of instruction.
692 The first form, ``DBG_VALUE``, appears thus:
694 .. code-block:: text
696   DBG_VALUE %1, $noreg, !123, !DIExpression()
698 And has the following operands:
699  * The first operand can record the variable location as a register,
700    a frame index, an immediate, or the base address register if the original
701    debug record referred to memory. ``$noreg`` indicates the variable
702    location is undefined, equivalent to an ``undef`` #dbg_value operand.
703  * The type of the second operand indicates whether the variable location is
704    directly referred to by the DBG_VALUE, or whether it is indirect. The
705    ``$noreg`` register signifies the former, an immediate operand (0) the
706    latter.
707  * Operand 3 is the Variable field of the original debug record.
708  * Operand 4 is the Expression field of the original debug record.
710 The second form, ``DBG_VALUE_LIST``, appears thus:
712 .. code-block:: text
714   DBG_VALUE_LIST !123, !DIExpression(DW_OP_LLVM_arg, 0, DW_OP_LLVM_arg, 1, DW_OP_plus), %1, %2
716 And has the following operands:
717  * The first operand is the Variable field of the original debug record.
718  * The second operand is the Expression field of the original debug record.
719  * Any number of operands, from the 3rd onwards, record a sequence of variable
720    location operands, which may take any of the same values as the first
721    operand of the ``DBG_VALUE`` instruction above. These variable location
722    operands are inserted into the final DWARF Expression in positions indicated
723    by the DW_OP_LLVM_arg operator in the `DIExpression
724    <LangRef.html#diexpression>`_.
726 The position at which the DBG_VALUEs are inserted should correspond to the
727 positions of their matching ``#dbg_value`` records in the IR block.  As
728 with optimization, LLVM aims to preserve the order in which variable
729 assignments occurred in the source program. However SelectionDAG performs some
730 instruction scheduling, which can reorder assignments (discussed below).
731 Function parameter locations are moved to the beginning of the function if
732 they're not already, to ensure they're immediately available on function entry.
734 To demonstrate variable locations during instruction selection, consider
735 the following example:
737 .. code-block:: llvm
739   define i32 @foo(i32* %addr) {
740   entry:
741       #dbg_value(i32 0, !3, !DIExpression(), !5)
742     br label %bb1, !dbg !5
744   bb1:                                              ; preds = %bb1, %entry
745     %bar.0 = phi i32 [ 0, %entry ], [ %add, %bb1 ]
746       #dbg_value(i32 %bar.0, !3, !DIExpression(), !5)
747     %addr1 = getelementptr i32, i32 *%addr, i32 1, !dbg !5
748       #dbg_value(i32 *%addr1, !3, !DIExpression(), !5)
749     %loaded1 = load i32, i32* %addr1, !dbg !5
750     %addr2 = getelementptr i32, i32 *%addr, i32 %bar.0, !dbg !5
751       #dbg_value(i32 *%addr2, !3, !DIExpression(), !5)
752     %loaded2 = load i32, i32* %addr2, !dbg !5
753     %add = add i32 %bar.0, 1, !dbg !5
754       #dbg_value(i32 %add, !3, !DIExpression(), !5)
755     %added = add i32 %loaded1, %loaded2
756     %cond = icmp ult i32 %added, %bar.0, !dbg !5
757     br i1 %cond, label %bb1, label %bb2, !dbg !5
759   bb2:                                              ; preds = %bb1
760     ret i32 0, !dbg !5
761   }
763 If one compiles this IR with ``llc -o - -start-after=codegen-prepare -stop-after=expand-isel-pseudos -mtriple=x86_64--``, the following MIR is produced:
765 .. code-block:: text
767   bb.0.entry:
768     successors: %bb.1(0x80000000)
769     liveins: $rdi
771     %2:gr64 = COPY $rdi
772     %3:gr32 = MOV32r0 implicit-def dead $eflags
773     DBG_VALUE 0, $noreg, !3, !DIExpression(), debug-location !5
775   bb.1.bb1:
776     successors: %bb.1(0x7c000000), %bb.2(0x04000000)
778     %0:gr32 = PHI %3, %bb.0, %1, %bb.1
779     DBG_VALUE %0, $noreg, !3, !DIExpression(), debug-location !5
780     DBG_VALUE %2, $noreg, !3, !DIExpression(DW_OP_plus_uconst, 4, DW_OP_stack_value), debug-location !5
781     %4:gr32 = MOV32rm %2, 1, $noreg, 4, $noreg, debug-location !5 :: (load 4 from %ir.addr1)
782     %5:gr64_nosp = MOVSX64rr32 %0, debug-location !5
783     DBG_VALUE $noreg, $noreg, !3, !DIExpression(), debug-location !5
784     %1:gr32 = INC32r %0, implicit-def dead $eflags, debug-location !5
785     DBG_VALUE %1, $noreg, !3, !DIExpression(), debug-location !5
786     %6:gr32 = ADD32rm %4, %2, 4, killed %5, 0, $noreg, implicit-def dead $eflags :: (load 4 from %ir.addr2)
787     %7:gr32 = SUB32rr %6, %0, implicit-def $eflags, debug-location !5
788     JB_1 %bb.1, implicit $eflags, debug-location !5
789     JMP_1 %bb.2, debug-location !5
791   bb.2.bb2:
792     %8:gr32 = MOV32r0 implicit-def dead $eflags
793     $eax = COPY %8, debug-location !5
794     RET 0, $eax, debug-location !5
796 Observe first that there is a DBG_VALUE instruction for every ``#dbg_value``
797 record in the source IR, ensuring no source level assignments go missing.
798 Then consider the different ways in which variable locations have been recorded:
800 * For the first #dbg_value an immediate operand is used to record a zero value.
801 * The #dbg_value of the PHI instruction leads to a DBG_VALUE of virtual register
802   ``%0``.
803 * The first GEP has its effect folded into the first load instruction
804   (as a 4-byte offset), but the variable location is salvaged by folding
805   the GEPs effect into the DIExpression.
806 * The second GEP is also folded into the corresponding load. However, it is
807   insufficiently simple to be salvaged, and is emitted as a ``$noreg``
808   DBG_VALUE, indicating that the variable takes on an undefined location.
809 * The final #dbg_value has its Value placed in virtual register ``%1``.
811 Instruction Scheduling
812 ----------------------
814 A number of passes can reschedule instructions, notably instruction selection
815 and the pre-and-post RA machine schedulers. Instruction scheduling can
816 significantly change the nature of the program -- in the (very unlikely) worst
817 case the instruction sequence could be completely reversed. In such
818 circumstances LLVM follows the principle applied to optimizations, that it is
819 better for the debugger not to display any state than a misleading state.
820 Thus, whenever instructions are advanced in order of execution, any
821 corresponding DBG_VALUE is kept in its original position, and if an instruction
822 is delayed then the variable is given an undefined location for the duration
823 of the delay. To illustrate, consider this pseudo-MIR:
825 .. code-block:: text
827   %1:gr32 = MOV32rm %0, 1, $noreg, 4, $noreg, debug-location !5 :: (load 4 from %ir.addr1)
828   DBG_VALUE %1, $noreg, !1, !2
829   %4:gr32 = ADD32rr %3, %2, implicit-def dead $eflags
830   DBG_VALUE %4, $noreg, !3, !4
831   %7:gr32 = SUB32rr %6, %5, implicit-def dead $eflags
832   DBG_VALUE %7, $noreg, !5, !6
834 Imagine that the SUB32rr were moved forward to give us the following MIR:
836 .. code-block:: text
838   %7:gr32 = SUB32rr %6, %5, implicit-def dead $eflags
839   %1:gr32 = MOV32rm %0, 1, $noreg, 4, $noreg, debug-location !5 :: (load 4 from %ir.addr1)
840   DBG_VALUE %1, $noreg, !1, !2
841   %4:gr32 = ADD32rr %3, %2, implicit-def dead $eflags
842   DBG_VALUE %4, $noreg, !3, !4
843   DBG_VALUE %7, $noreg, !5, !6
845 In this circumstance LLVM would leave the MIR as shown above. Were we to move
846 the DBG_VALUE of virtual register %7 upwards with the SUB32rr, we would re-order
847 assignments and introduce a new state of the program. Whereas with the solution
848 above, the debugger will see one fewer combination of variable values, because
849 ``!3`` and ``!5`` will change value at the same time. This is preferred over
850 misrepresenting the original program.
852 In comparison, if one sunk the MOV32rm, LLVM would produce the following:
854 .. code-block:: text
856   DBG_VALUE $noreg, $noreg, !1, !2
857   %4:gr32 = ADD32rr %3, %2, implicit-def dead $eflags
858   DBG_VALUE %4, $noreg, !3, !4
859   %7:gr32 = SUB32rr %6, %5, implicit-def dead $eflags
860   DBG_VALUE %7, $noreg, !5, !6
861   %1:gr32 = MOV32rm %0, 1, $noreg, 4, $noreg, debug-location !5 :: (load 4 from %ir.addr1)
862   DBG_VALUE %1, $noreg, !1, !2
864 Here, to avoid presenting a state in which the first assignment to ``!1``
865 disappears, the DBG_VALUE at the top of the block assigns the variable the
866 undefined location, until its value is available at the end of the block where
867 an additional DBG_VALUE is added. Were any other DBG_VALUE for ``!1`` to occur
868 in the instructions that the MOV32rm was sunk past, the DBG_VALUE for ``%1``
869 would be dropped and the debugger would never observe it in the variable. This
870 accurately reflects that the value is not available during the corresponding
871 portion of the original program.
873 Variable locations during Register Allocation
874 ---------------------------------------------
876 To avoid debug instructions interfering with the register allocator, the
877 LiveDebugVariables pass extracts variable locations from a MIR function and
878 deletes the corresponding DBG_VALUE instructions. Some localized copy
879 propagation is performed within blocks. After register allocation, the
880 VirtRegRewriter pass re-inserts DBG_VALUE instructions in their original
881 positions, translating virtual register references into their physical
882 machine locations. To avoid encoding incorrect variable locations, in this
883 pass any DBG_VALUE of a virtual register that is not live, is replaced by
884 the undefined location. The LiveDebugVariables may insert redundant DBG_VALUEs
885 because of virtual register rewriting. These will be subsequently removed by
886 the RemoveRedundantDebugValues pass.
888 LiveDebugValues expansion of variable locations
889 -----------------------------------------------
891 After all optimizations have run and shortly before emission, the
892 LiveDebugValues pass runs to achieve two aims:
894 * To propagate the location of variables through copies and register spills,
895 * For every block, to record every valid variable location in that block.
897 After this pass the DBG_VALUE instruction changes meaning: rather than
898 corresponding to a source-level assignment where the variable may change value,
899 it asserts the location of a variable in a block, and loses effect outside the
900 block. Propagating variable locations through copies and spills is
901 straightforwards: determining the variable location in every basic block
902 requires the consideration of control flow. Consider the following IR, which
903 presents several difficulties:
905 .. code-block:: text
907   define dso_local i32 @foo(i1 %cond, i32 %input) !dbg !12 {
908   entry:
909     br i1 %cond, label %truebr, label %falsebr
911   bb1:
912     %value = phi i32 [ %value1, %truebr ], [ %value2, %falsebr ]
913     br label %exit, !dbg !26
915   truebr:
916       #dbg_value(i32 %input, !30, !DIExpression(), !24)
917       #dbg_value(i32 1, !23, !DIExpression(), !24)
918     %value1 = add i32 %input, 1
919     br label %bb1
921   falsebr:
922       #dbg_value(i32 %input, !30, !DIExpression(), !24)
923       #dbg_value(i32 2, !23, !DIExpression(), !24)
924     %value2 = add i32 %input, 2
925     br label %bb1
927   exit:
928     ret i32 %value, !dbg !30
929   }
931 Here the difficulties are:
933 * The control flow is roughly the opposite of basic block order
934 * The value of the ``!23`` variable merges into ``%bb1``, but there is no PHI
935   node
937 As mentioned above, the ``#dbg_value`` records essentially form an
938 imperative program embedded in the IR, with each record defining a variable
939 location. This *could* be converted to an SSA form by mem2reg, in the same way
940 that it uses use-def chains to identify control flow merges and insert phi
941 nodes for IR Values. However, because debug variable locations are defined for
942 every machine instruction, in effect every IR instruction uses every variable
943 location, which would lead to a large number of debugging records being
944 generated.
946 Examining the example above, variable ``!30`` is assigned ``%input`` on both
947 conditional paths through the function, while ``!23`` is assigned differing
948 constant values on either path. Where control flow merges in ``%bb1`` we would
949 want ``!30`` to keep its location (``%input``), but ``!23`` to become undefined
950 as we cannot determine at runtime what value it should have in %bb1 without
951 inserting a PHI node. mem2reg does not insert the PHI node to avoid changing
952 codegen when debugging is enabled, and does not insert the other #dbg_values
953 to avoid adding very large numbers of records.
955 Instead, LiveDebugValues determines variable locations when control
956 flow merges. A dataflow analysis is used to propagate locations between blocks:
957 when control flow merges, if a variable has the same location in all
958 predecessors then that location is propagated into the successor. If the
959 predecessor locations disagree, the location becomes undefined.
961 Once LiveDebugValues has run, every block should have all valid variable
962 locations described by DBG_VALUE instructions within the block. Very little
963 effort is then required by supporting classes (such as
964 DbgEntityHistoryCalculator) to build a map of each instruction to every
965 valid variable location, without the need to consider control flow. From
966 the example above, it is otherwise difficult to determine that the location
967 of variable ``!30`` should flow "up" into block ``%bb1``, but that the location
968 of variable ``!23`` should not flow "down" into the ``%exit`` block.
970 .. _ccxx_frontend:
972 C/C++ front-end specific debug information
973 ==========================================
975 The C and C++ front-ends represent information about the program in a
976 format that is effectively identical to `DWARF <http://www.dwarfstd.org/>`_
977 in terms of information content.  This allows code generators to
978 trivially support native debuggers by generating standard dwarf
979 information, and contains enough information for non-dwarf targets to
980 translate it as needed.
982 This section describes the forms used to represent C and C++ programs.  Other
983 languages could pattern themselves after this (which itself is tuned to
984 representing programs in the same way that DWARF does), or they could choose
985 to provide completely different forms if they don't fit into the DWARF model.
986 As support for debugging information gets added to the various LLVM
987 source-language front-ends, the information used should be documented here.
989 The following sections provide examples of a few C/C++ constructs and
990 the debug information that would best describe those constructs.  The
991 canonical references are the ``DINode`` classes defined in
992 ``include/llvm/IR/DebugInfoMetadata.h`` and the implementations of the
993 helper functions in ``lib/IR/DIBuilder.cpp``.
995 C/C++ source file information
996 -----------------------------
998 ``llvm::Instruction`` provides easy access to metadata attached with an
999 instruction.  One can extract line number information encoded in LLVM IR using
1000 ``Instruction::getDebugLoc()`` and ``DILocation::getLine()``.
1002 .. code-block:: c++
1004   if (DILocation *Loc = I->getDebugLoc()) { // Here I is an LLVM instruction
1005     unsigned Line = Loc->getLine();
1006     StringRef File = Loc->getFilename();
1007     StringRef Dir = Loc->getDirectory();
1008     bool ImplicitCode = Loc->isImplicitCode();
1009   }
1011 When the flag ImplicitCode is true then it means that the Instruction has been
1012 added by the front-end but doesn't correspond to source code written by the user. For example
1014 .. code-block:: c++
1016   if (MyBoolean) {
1017     MyObject MO;
1018     ...
1019   }
1021 At the end of the scope the MyObject's destructor is called but it isn't written
1022 explicitly. This information is useful to avoid to have counters on brackets when
1023 making code coverage.
1025 C/C++ global variable information
1026 ---------------------------------
1028 Given an integer global variable declared as follows:
1030 .. code-block:: c
1032   _Alignas(8) int MyGlobal = 100;
1034 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1036 .. code-block:: text
1038   ;;
1039   ;; Define the global itself.
1040   ;;
1041   @MyGlobal = global i32 100, align 8, !dbg !0
1043   ;;
1044   ;; List of debug info of globals
1045   ;;
1046   !llvm.dbg.cu = !{!1}
1048   ;; Some unrelated metadata.
1049   !llvm.module.flags = !{!6, !7}
1050   !llvm.ident = !{!8}
1052   ;; Define the global variable itself
1053   !0 = distinct !DIGlobalVariable(name: "MyGlobal", scope: !1, file: !2, line: 1, type: !5, isLocal: false, isDefinition: true, align: 64)
1055   ;; Define the compile unit.
1056   !1 = distinct !DICompileUnit(language: DW_LANG_C99, file: !2,
1057                                producer: "clang version 4.0.0",
1058                                isOptimized: false, runtimeVersion: 0, emissionKind: FullDebug,
1059                                enums: !3, globals: !4)
1061   ;;
1062   ;; Define the file
1063   ;;
1064   !2 = !DIFile(filename: "/dev/stdin",
1065                directory: "/Users/dexonsmith/data/llvm/debug-info")
1067   ;; An empty array.
1068   !3 = !{}
1070   ;; The Array of Global Variables
1071   !4 = !{!0}
1073   ;;
1074   ;; Define the type
1075   ;;
1076   !5 = !DIBasicType(name: "int", size: 32, encoding: DW_ATE_signed)
1078   ;; Dwarf version to output.
1079   !6 = !{i32 2, !"Dwarf Version", i32 4}
1081   ;; Debug info schema version.
1082   !7 = !{i32 2, !"Debug Info Version", i32 3}
1084   ;; Compiler identification
1085   !8 = !{!"clang version 4.0.0"}
1088 The align value in DIGlobalVariable description specifies variable alignment in
1089 case it was forced by C11 _Alignas(), C++11 alignas() keywords or compiler
1090 attribute __attribute__((aligned ())). In other case (when this field is missing)
1091 alignment is considered default. This is used when producing DWARF output
1092 for DW_AT_alignment value.
1094 C/C++ function information
1095 --------------------------
1097 Given a function declared as follows:
1099 .. code-block:: c
1101   int main(int argc, char *argv[]) {
1102     return 0;
1103   }
1105 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1107 .. code-block:: text
1109   ;;
1110   ;; Define the anchor for subprograms.
1111   ;;
1112   !4 = !DISubprogram(name: "main", scope: !1, file: !1, line: 1, type: !5,
1113                      isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1,
1114                      flags: DIFlagPrototyped, isOptimized: false,
1115                      retainedNodes: !2)
1117   ;;
1118   ;; Define the subprogram itself.
1119   ;;
1120   define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) !dbg !4 {
1121   ...
1122   }
1124 C++ specific debug information
1125 ==============================
1127 C++ special member functions information
1128 ----------------------------------------
1130 DWARF v5 introduces attributes defined to enhance debugging information of C++ programs. LLVM can generate (or omit) these appropriate DWARF attributes. In C++ a special member function Ctors, Dtors, Copy/Move Ctors, assignment operators can be declared with C++11 keyword deleted. This is represented in LLVM using spFlags value DISPFlagDeleted.
1132 Given a class declaration with copy constructor declared as deleted:
1134 .. code-block:: c
1136   class foo {
1137    public:
1138      foo(const foo&) = deleted;
1139   };
1141 A C++ frontend would generate following:
1143 .. code-block:: text
1145   !17 = !DISubprogram(name: "foo", scope: !11, file: !1, line: 5, type: !18, scopeLine: 5, flags: DIFlagPublic | DIFlagPrototyped, spFlags: DISPFlagDeleted)
1147 and this will produce an additional DWARF attribute as:
1149 .. code-block:: text
1151   DW_TAG_subprogram [7] *
1152     DW_AT_name [DW_FORM_strx1]    (indexed (00000006) string = "foo")
1153     DW_AT_decl_line [DW_FORM_data1]       (5)
1154     ...
1155     DW_AT_deleted [DW_FORM_flag_present]  (true)
1157 Fortran specific debug information
1158 ==================================
1160 Fortran function information
1161 ----------------------------
1163 There are a few DWARF attributes defined to support client debugging of Fortran programs.  LLVM can generate (or omit) the appropriate DWARF attributes for the prefix-specs of ELEMENTAL, PURE, IMPURE, RECURSIVE, and NON_RECURSIVE.  This is done by using the spFlags values: DISPFlagElemental, DISPFlagPure, and DISPFlagRecursive.
1165 .. code-block:: fortran
1167   elemental function elem_func(a)
1169 a Fortran front-end would generate the following descriptors:
1171 .. code-block:: text
1173   !11 = distinct !DISubprogram(name: "subroutine2", scope: !1, file: !1,
1174           line: 5, type: !8, scopeLine: 6,
1175           spFlags: DISPFlagDefinition | DISPFlagElemental, unit: !0,
1176           retainedNodes: !2)
1178 and this will materialize an additional DWARF attribute as:
1180 .. code-block:: text
1182   DW_TAG_subprogram [3]
1183      DW_AT_low_pc [DW_FORM_addr]     (0x0000000000000010 ".text")
1184      DW_AT_high_pc [DW_FORM_data4]   (0x00000001)
1185      ...
1186      DW_AT_elemental [DW_FORM_flag_present]  (true)
1188 There are a few DWARF tags defined to represent Fortran specific constructs i.e DW_TAG_string_type for representing Fortran character(n). In LLVM this is represented as DIStringType.
1190 .. code-block:: fortran
1192   character(len=*), intent(in) :: string
1194 a Fortran front-end would generate the following descriptors:
1196 .. code-block:: text
1198   !DILocalVariable(name: "string", arg: 1, scope: !10, file: !3, line: 4, type: !15)
1199   !DIStringType(name: "character(*)!2", stringLength: !16, stringLengthExpression: !DIExpression(), size: 32)
1201 A fortran deferred-length character can also contain the information of raw storage of the characters in addition to the length of the string. This information is encoded in the  stringLocationExpression field. Based on this information, DW_AT_data_location attribute is emitted in a DW_TAG_string_type debug info.
1203   !DIStringType(name: "character(*)!2", stringLengthExpression: !DIExpression(), stringLocationExpression: !DIExpression(DW_OP_push_object_address, DW_OP_deref), size: 32)
1205 and this will materialize in DWARF tags as:
1207 .. code-block:: text
1209    DW_TAG_string_type
1210                 DW_AT_name      ("character(*)!2")
1211                 DW_AT_string_length     (0x00000064)
1212    0x00000064:    DW_TAG_variable
1213                   DW_AT_location      (DW_OP_fbreg +16)
1214                   DW_AT_type  (0x00000083 "integer*8")
1215                   DW_AT_data_location (DW_OP_push_object_address, DW_OP_deref)
1216                   ...
1217                   DW_AT_artificial    (true)
1219 A Fortran front-end may need to generate a *trampoline* function to call a
1220 function defined in a different compilation unit. In this case, the front-end
1221 can emit the following descriptor for the trampoline function:
1223 .. code-block:: text
1225   !DISubprogram(name: "sub1_.t0p", linkageName: "sub1_.t0p", scope: !4, file: !4, type: !5, spFlags: DISPFlagLocalToUnit | DISPFlagDefinition, unit: !7, retainedNodes: !24, targetFuncName: "sub1_")
1227 The targetFuncName field is the name of the function that the trampoline
1228 calls. This descriptor results in the following DWARF tag:
1230 .. code-block:: text
1232   DW_TAG_subprogram
1233     ...
1234     DW_AT_linkage_name  ("sub1_.t0p")
1235     DW_AT_name  ("sub1_.t0p")
1236     DW_AT_trampoline    ("sub1_")
1238 Debugging information format
1239 ============================
1241 Debugging Information Extension for Objective C Properties
1242 ----------------------------------------------------------
1244 Introduction
1245 ^^^^^^^^^^^^
1247 Objective C provides a simpler way to declare and define accessor methods using
1248 declared properties.  The language provides features to declare a property and
1249 to let compiler synthesize accessor methods.
1251 The debugger lets developer inspect Objective C interfaces and their instance
1252 variables and class variables.  However, the debugger does not know anything
1253 about the properties defined in Objective C interfaces.  The debugger consumes
1254 information generated by compiler in DWARF format.  The format does not support
1255 encoding of Objective C properties.  This proposal describes DWARF extensions to
1256 encode Objective C properties, which the debugger can use to let developers
1257 inspect Objective C properties.
1259 Proposal
1260 ^^^^^^^^
1262 Objective C properties exist separately from class members.  A property can be
1263 defined only by "setter" and "getter" selectors, and be calculated anew on each
1264 access.  Or a property can just be a direct access to some declared ivar.
1265 Finally it can have an ivar "automatically synthesized" for it by the compiler,
1266 in which case the property can be referred to in user code directly using the
1267 standard C dereference syntax as well as through the property "dot" syntax, but
1268 there is no entry in the ``@interface`` declaration corresponding to this ivar.
1270 To facilitate debugging, these properties we will add a new DWARF TAG into the
1271 ``DW_TAG_structure_type`` definition for the class to hold the description of a
1272 given property, and a set of DWARF attributes that provide said description.
1273 The property tag will also contain the name and declared type of the property.
1275 If there is a related ivar, there will also be a DWARF property attribute placed
1276 in the ``DW_TAG_member`` DIE for that ivar referring back to the property TAG
1277 for that property.  And in the case where the compiler synthesizes the ivar
1278 directly, the compiler is expected to generate a ``DW_TAG_member`` for that
1279 ivar (with the ``DW_AT_artificial`` set to 1), whose name will be the name used
1280 to access this ivar directly in code, and with the property attribute pointing
1281 back to the property it is backing.
1283 The following examples will serve as illustration for our discussion:
1285 .. code-block:: objc
1287   @interface I1 {
1288     int n2;
1289   }
1291   @property int p1;
1292   @property int p2;
1293   @end
1295   @implementation I1
1296   @synthesize p1;
1297   @synthesize p2 = n2;
1298   @end
1300 This produces the following DWARF (this is a "pseudo dwarfdump" output):
1302 .. code-block:: none
1304   0x00000100:  TAG_structure_type [7] *
1305                  AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
1306                  AT_name( "I1" )
1307                  AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
1308                  AT_decl_line( 3 )
1310   0x00000110    TAG_APPLE_property
1311                   AT_name ( "p1" )
1312                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
1314   0x00000120:   TAG_APPLE_property
1315                   AT_name ( "p2" )
1316                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
1318   0x00000130:   TAG_member [8]
1319                   AT_name( "_p1" )
1320                   AT_APPLE_property ( {0x00000110} "p1" )
1321                   AT_type( {0x00000150} ( int ) )
1322                   AT_artificial ( 0x1 )
1324   0x00000140:    TAG_member [8]
1325                    AT_name( "n2" )
1326                    AT_APPLE_property ( {0x00000120} "p2" )
1327                    AT_type( {0x00000150} ( int ) )
1329   0x00000150:  AT_type( ( int ) )
1331 Note, the current convention is that the name of the ivar for an
1332 auto-synthesized property is the name of the property from which it derives
1333 with an underscore prepended, as is shown in the example.  But we actually
1334 don't need to know this convention, since we are given the name of the ivar
1335 directly.
1337 Also, it is common practice in ObjC to have different property declarations in
1338 the @interface and @implementation - e.g. to provide a read-only property in
1339 the interface, and a read-write interface in the implementation.  In that case,
1340 the compiler should emit whichever property declaration will be in force in the
1341 current translation unit.
1343 Developers can decorate a property with attributes which are encoded using
1344 ``DW_AT_APPLE_property_attribute``.
1346 .. code-block:: objc
1348   @property (readonly, nonatomic) int pr;
1350 .. code-block:: none
1352   TAG_APPLE_property [8]
1353     AT_name( "pr" )
1354     AT_type ( {0x00000147} (int) )
1355     AT_APPLE_property_attribute (DW_APPLE_PROPERTY_readonly, DW_APPLE_PROPERTY_nonatomic)
1357 The setter and getter method names are attached to the property using
1358 ``DW_AT_APPLE_property_setter`` and ``DW_AT_APPLE_property_getter`` attributes.
1360 .. code-block:: objc
1362   @interface I1
1363   @property (setter=myOwnP3Setter:) int p3;
1364   -(void)myOwnP3Setter:(int)a;
1365   @end
1367   @implementation I1
1368   @synthesize p3;
1369   -(void)myOwnP3Setter:(int)a{ }
1370   @end
1372 The DWARF for this would be:
1374 .. code-block:: none
1376   0x000003bd: TAG_structure_type [7] *
1377                 AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
1378                 AT_name( "I1" )
1379                 AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
1380                 AT_decl_line( 3 )
1382   0x000003cd      TAG_APPLE_property
1383                     AT_name ( "p3" )
1384                     AT_APPLE_property_setter ( "myOwnP3Setter:" )
1385                     AT_type( {0x00000147} ( int ) )
1387   0x000003f3:     TAG_member [8]
1388                     AT_name( "_p3" )
1389                     AT_type ( {0x00000147} ( int ) )
1390                     AT_APPLE_property ( {0x000003cd} )
1391                     AT_artificial ( 0x1 )
1393 New DWARF Tags
1394 ^^^^^^^^^^^^^^
1396 +-----------------------+--------+
1397 | TAG                   | Value  |
1398 +=======================+========+
1399 | DW_TAG_APPLE_property | 0x4200 |
1400 +-----------------------+--------+
1402 New DWARF Attributes
1403 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1405 +--------------------------------+--------+-----------+
1406 | Attribute                      | Value  | Classes   |
1407 +================================+========+===========+
1408 | DW_AT_APPLE_property           | 0x3fed | Reference |
1409 +--------------------------------+--------+-----------+
1410 | DW_AT_APPLE_property_getter    | 0x3fe9 | String    |
1411 +--------------------------------+--------+-----------+
1412 | DW_AT_APPLE_property_setter    | 0x3fea | String    |
1413 +--------------------------------+--------+-----------+
1414 | DW_AT_APPLE_property_attribute | 0x3feb | Constant  |
1415 +--------------------------------+--------+-----------+
1417 New DWARF Constants
1418 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1420 +--------------------------------------+-------+
1421 | Name                                 | Value |
1422 +======================================+=======+
1423 | DW_APPLE_PROPERTY_readonly           | 0x01  |
1424 +--------------------------------------+-------+
1425 | DW_APPLE_PROPERTY_getter             | 0x02  |
1426 +--------------------------------------+-------+
1427 | DW_APPLE_PROPERTY_assign             | 0x04  |
1428 +--------------------------------------+-------+
1429 | DW_APPLE_PROPERTY_readwrite          | 0x08  |
1430 +--------------------------------------+-------+
1431 | DW_APPLE_PROPERTY_retain             | 0x10  |
1432 +--------------------------------------+-------+
1433 | DW_APPLE_PROPERTY_copy               | 0x20  |
1434 +--------------------------------------+-------+
1435 | DW_APPLE_PROPERTY_nonatomic          | 0x40  |
1436 +--------------------------------------+-------+
1437 | DW_APPLE_PROPERTY_setter             | 0x80  |
1438 +--------------------------------------+-------+
1439 | DW_APPLE_PROPERTY_atomic             | 0x100 |
1440 +--------------------------------------+-------+
1441 | DW_APPLE_PROPERTY_weak               | 0x200 |
1442 +--------------------------------------+-------+
1443 | DW_APPLE_PROPERTY_strong             | 0x400 |
1444 +--------------------------------------+-------+
1445 | DW_APPLE_PROPERTY_unsafe_unretained  | 0x800 |
1446 +--------------------------------------+-------+
1447 | DW_APPLE_PROPERTY_nullability        | 0x1000|
1448 +--------------------------------------+-------+
1449 | DW_APPLE_PROPERTY_null_resettable    | 0x2000|
1450 +--------------------------------------+-------+
1451 | DW_APPLE_PROPERTY_class              | 0x4000|
1452 +--------------------------------------+-------+
1454 Name Accelerator Tables
1455 -----------------------
1457 Introduction
1458 ^^^^^^^^^^^^
1460 The "``.debug_pubnames``" and "``.debug_pubtypes``" formats are not what a
1461 debugger needs.  The "``pub``" in the section name indicates that the entries
1462 in the table are publicly visible names only.  This means no static or hidden
1463 functions show up in the "``.debug_pubnames``".  No static variables or private
1464 class variables are in the "``.debug_pubtypes``".  Many compilers add different
1465 things to these tables, so we can't rely upon the contents between gcc, icc, or
1466 clang.
1468 The typical query given by users tends not to match up with the contents of
1469 these tables.  For example, the DWARF spec states that "In the case of the name
1470 of a function member or static data member of a C++ structure, class or union,
1471 the name presented in the "``.debug_pubnames``" section is not the simple name
1472 given by the ``DW_AT_name attribute`` of the referenced debugging information
1473 entry, but rather the fully qualified name of the data or function member."
1474 So the only names in these tables for complex C++ entries is a fully
1475 qualified name.  Debugger users tend not to enter their search strings as
1476 "``a::b::c(int,const Foo&) const``", but rather as "``c``", "``b::c``" , or
1477 "``a::b::c``".  So the name entered in the name table must be demangled in
1478 order to chop it up appropriately and additional names must be manually entered
1479 into the table to make it effective as a name lookup table for debuggers to
1480 use.
1482 All debuggers currently ignore the "``.debug_pubnames``" table as a result of
1483 its inconsistent and useless public-only name content making it a waste of
1484 space in the object file.  These tables, when they are written to disk, are not
1485 sorted in any way, leaving every debugger to do its own parsing and sorting.
1486 These tables also include an inlined copy of the string values in the table
1487 itself making the tables much larger than they need to be on disk, especially
1488 for large C++ programs.
1490 Can't we just fix the sections by adding all of the names we need to this
1491 table? No, because that is not what the tables are defined to contain and we
1492 won't know the difference between the old bad tables and the new good tables.
1493 At best we could make our own renamed sections that contain all of the data we
1494 need.
1496 These tables are also insufficient for what a debugger like LLDB needs.  LLDB
1497 uses clang for its expression parsing where LLDB acts as a PCH.  LLDB is then
1498 often asked to look for type "``foo``" or namespace "``bar``", or list items in
1499 namespace "``baz``".  Namespaces are not included in the pubnames or pubtypes
1500 tables.  Since clang asks a lot of questions when it is parsing an expression,
1501 we need to be very fast when looking up names, as it happens a lot.  Having new
1502 accelerator tables that are optimized for very quick lookups will benefit this
1503 type of debugging experience greatly.
1505 We would like to generate name lookup tables that can be mapped into memory
1506 from disk, and used as is, with little or no up-front parsing.  We would also
1507 be able to control the exact content of these different tables so they contain
1508 exactly what we need.  The Name Accelerator Tables were designed to fix these
1509 issues.  In order to solve these issues we need to:
1511 * Have a format that can be mapped into memory from disk and used as is
1512 * Lookups should be very fast
1513 * Extensible table format so these tables can be made by many producers
1514 * Contain all of the names needed for typical lookups out of the box
1515 * Strict rules for the contents of tables
1517 Table size is important and the accelerator table format should allow the reuse
1518 of strings from common string tables so the strings for the names are not
1519 duplicated.  We also want to make sure the table is ready to be used as-is by
1520 simply mapping the table into memory with minimal header parsing.
1522 The name lookups need to be fast and optimized for the kinds of lookups that
1523 debuggers tend to do.  Optimally we would like to touch as few parts of the
1524 mapped table as possible when doing a name lookup and be able to quickly find
1525 the name entry we are looking for, or discover there are no matches.  In the
1526 case of debuggers we optimized for lookups that fail most of the time.
1528 Each table that is defined should have strict rules on exactly what is in the
1529 accelerator tables and documented so clients can rely on the content.
1531 Hash Tables
1532 ^^^^^^^^^^^
1534 Standard Hash Tables
1535 """"""""""""""""""""
1537 Typical hash tables have a header, buckets, and each bucket points to the
1538 bucket contents:
1540 .. code-block:: none
1542   .------------.
1543   |  HEADER    |
1544   |------------|
1545   |  BUCKETS   |
1546   |------------|
1547   |  DATA      |
1548   `------------'
1550 The BUCKETS are an array of offsets to DATA for each hash:
1552 .. code-block:: none
1554   .------------.
1555   | 0x00001000 | BUCKETS[0]
1556   | 0x00002000 | BUCKETS[1]
1557   | 0x00002200 | BUCKETS[2]
1558   | 0x000034f0 | BUCKETS[3]
1559   |            | ...
1560   | 0xXXXXXXXX | BUCKETS[n_buckets]
1561   '------------'
1563 So for ``bucket[3]`` in the example above, we have an offset into the table
1564 0x000034f0 which points to a chain of entries for the bucket.  Each bucket must
1565 contain a next pointer, full 32 bit hash value, the string itself, and the data
1566 for the current string value.
1568 .. code-block:: none
1570               .------------.
1571   0x000034f0: | 0x00003500 | next pointer
1572               | 0x12345678 | 32 bit hash
1573               | "erase"    | string value
1574               | data[n]    | HashData for this bucket
1575               |------------|
1576   0x00003500: | 0x00003550 | next pointer
1577               | 0x29273623 | 32 bit hash
1578               | "dump"     | string value
1579               | data[n]    | HashData for this bucket
1580               |------------|
1581   0x00003550: | 0x00000000 | next pointer
1582               | 0x82638293 | 32 bit hash
1583               | "main"     | string value
1584               | data[n]    | HashData for this bucket
1585               `------------'
1587 The problem with this layout for debuggers is that we need to optimize for the
1588 negative lookup case where the symbol we're searching for is not present.  So
1589 if we were to lookup "``printf``" in the table above, we would make a 32-bit
1590 hash for "``printf``", it might match ``bucket[3]``.  We would need to go to
1591 the offset 0x000034f0 and start looking to see if our 32 bit hash matches.  To
1592 do so, we need to read the next pointer, then read the hash, compare it, and
1593 skip to the next bucket.  Each time we are skipping many bytes in memory and
1594 touching new pages just to do the compare on the full 32 bit hash.  All of
1595 these accesses then tell us that we didn't have a match.
1597 Name Hash Tables
1598 """"""""""""""""
1600 To solve the issues mentioned above we have structured the hash tables a bit
1601 differently: a header, buckets, an array of all unique 32 bit hash values,
1602 followed by an array of hash value data offsets, one for each hash value, then
1603 the data for all hash values:
1605 .. code-block:: none
1607   .-------------.
1608   |  HEADER     |
1609   |-------------|
1610   |  BUCKETS    |
1611   |-------------|
1612   |  HASHES     |
1613   |-------------|
1614   |  OFFSETS    |
1615   |-------------|
1616   |  DATA       |
1617   `-------------'
1619 The ``BUCKETS`` in the name tables are an index into the ``HASHES`` array.  By
1620 making all of the full 32 bit hash values contiguous in memory, we allow
1621 ourselves to efficiently check for a match while touching as little memory as
1622 possible.  Most often checking the 32 bit hash values is as far as the lookup
1623 goes.  If it does match, it usually is a match with no collisions.  So for a
1624 table with "``n_buckets``" buckets, and "``n_hashes``" unique 32 bit hash
1625 values, we can clarify the contents of the ``BUCKETS``, ``HASHES`` and
1626 ``OFFSETS`` as:
1628 .. code-block:: none
1630   .-------------------------.
1631   |  HEADER.magic           | uint32_t
1632   |  HEADER.version         | uint16_t
1633   |  HEADER.hash_function   | uint16_t
1634   |  HEADER.bucket_count    | uint32_t
1635   |  HEADER.hashes_count    | uint32_t
1636   |  HEADER.header_data_len | uint32_t
1637   |  HEADER_DATA            | HeaderData
1638   |-------------------------|
1639   |  BUCKETS                | uint32_t[n_buckets] // 32 bit hash indexes
1640   |-------------------------|
1641   |  HASHES                 | uint32_t[n_hashes] // 32 bit hash values
1642   |-------------------------|
1643   |  OFFSETS                | uint32_t[n_hashes] // 32 bit offsets to hash value data
1644   |-------------------------|
1645   |  ALL HASH DATA          |
1646   `-------------------------'
1648 So taking the exact same data from the standard hash example above we end up
1649 with:
1651 .. code-block:: none
1653               .------------.
1654               | HEADER     |
1655               |------------|
1656               |          0 | BUCKETS[0]
1657               |          2 | BUCKETS[1]
1658               |          5 | BUCKETS[2]
1659               |          6 | BUCKETS[3]
1660               |            | ...
1661               |        ... | BUCKETS[n_buckets]
1662               |------------|
1663               | 0x........ | HASHES[0]
1664               | 0x........ | HASHES[1]
1665               | 0x........ | HASHES[2]
1666               | 0x........ | HASHES[3]
1667               | 0x........ | HASHES[4]
1668               | 0x........ | HASHES[5]
1669               | 0x12345678 | HASHES[6]    hash for BUCKETS[3]
1670               | 0x29273623 | HASHES[7]    hash for BUCKETS[3]
1671               | 0x82638293 | HASHES[8]    hash for BUCKETS[3]
1672               | 0x........ | HASHES[9]
1673               | 0x........ | HASHES[10]
1674               | 0x........ | HASHES[11]
1675               | 0x........ | HASHES[12]
1676               | 0x........ | HASHES[13]
1677               | 0x........ | HASHES[n_hashes]
1678               |------------|
1679               | 0x........ | OFFSETS[0]
1680               | 0x........ | OFFSETS[1]
1681               | 0x........ | OFFSETS[2]
1682               | 0x........ | OFFSETS[3]
1683               | 0x........ | OFFSETS[4]
1684               | 0x........ | OFFSETS[5]
1685               | 0x000034f0 | OFFSETS[6]   offset for BUCKETS[3]
1686               | 0x00003500 | OFFSETS[7]   offset for BUCKETS[3]
1687               | 0x00003550 | OFFSETS[8]   offset for BUCKETS[3]
1688               | 0x........ | OFFSETS[9]
1689               | 0x........ | OFFSETS[10]
1690               | 0x........ | OFFSETS[11]
1691               | 0x........ | OFFSETS[12]
1692               | 0x........ | OFFSETS[13]
1693               | 0x........ | OFFSETS[n_hashes]
1694               |------------|
1695               |            |
1696               |            |
1697               |            |
1698               |            |
1699               |            |
1700               |------------|
1701   0x000034f0: | 0x00001203 | .debug_str ("erase")
1702               | 0x00000004 | A 32 bit array count - number of HashData with name "erase"
1703               | 0x........ | HashData[0]
1704               | 0x........ | HashData[1]
1705               | 0x........ | HashData[2]
1706               | 0x........ | HashData[3]
1707               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1708               |------------|
1709   0x00003500: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("collision")
1710               | 0x00000002 | A 32 bit array count - number of HashData with name "collision"
1711               | 0x........ | HashData[0]
1712               | 0x........ | HashData[1]
1713               | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("dump")
1714               | 0x00000003 | A 32 bit array count - number of HashData with name "dump"
1715               | 0x........ | HashData[0]
1716               | 0x........ | HashData[1]
1717               | 0x........ | HashData[2]
1718               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1719               |------------|
1720   0x00003550: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("main")
1721               | 0x00000009 | A 32 bit array count - number of HashData with name "main"
1722               | 0x........ | HashData[0]
1723               | 0x........ | HashData[1]
1724               | 0x........ | HashData[2]
1725               | 0x........ | HashData[3]
1726               | 0x........ | HashData[4]
1727               | 0x........ | HashData[5]
1728               | 0x........ | HashData[6]
1729               | 0x........ | HashData[7]
1730               | 0x........ | HashData[8]
1731               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1732               `------------'
1734 So we still have all of the same data, we just organize it more efficiently for
1735 debugger lookup.  If we repeat the same "``printf``" lookup from above, we
1736 would hash "``printf``" and find it matches ``BUCKETS[3]`` by taking the 32 bit
1737 hash value and modulo it by ``n_buckets``.  ``BUCKETS[3]`` contains "6" which
1738 is the index into the ``HASHES`` table.  We would then compare any consecutive
1739 32 bit hashes values in the ``HASHES`` array as long as the hashes would be in
1740 ``BUCKETS[3]``.  We do this by verifying that each subsequent hash value modulo
1741 ``n_buckets`` is still 3.  In the case of a failed lookup we would access the
1742 memory for ``BUCKETS[3]``, and then compare a few consecutive 32 bit hashes
1743 before we know that we have no match.  We don't end up marching through
1744 multiple words of memory and we really keep the number of processor data cache
1745 lines being accessed as small as possible.
1747 The string hash that is used for these lookup tables is the Daniel J.
1748 Bernstein hash which is also used in the ELF ``GNU_HASH`` sections.  It is a
1749 very good hash for all kinds of names in programs with very few hash
1750 collisions.
1752 Empty buckets are designated by using an invalid hash index of ``UINT32_MAX``.
1754 Details
1755 ^^^^^^^
1757 These name hash tables are designed to be generic where specializations of the
1758 table get to define additional data that goes into the header ("``HeaderData``"),
1759 how the string value is stored ("``KeyType``") and the content of the data for each
1760 hash value.
1762 Header Layout
1763 """""""""""""
1765 The header has a fixed part, and the specialized part.  The exact format of the
1766 header is:
1768 .. code-block:: c
1770   struct Header
1771   {
1772     uint32_t   magic;           // 'HASH' magic value to allow endian detection
1773     uint16_t   version;         // Version number
1774     uint16_t   hash_function;   // The hash function enumeration that was used
1775     uint32_t   bucket_count;    // The number of buckets in this hash table
1776     uint32_t   hashes_count;    // The total number of unique hash values and hash data offsets in this table
1777     uint32_t   header_data_len; // The bytes to skip to get to the hash indexes (buckets) for correct alignment
1778                                 // Specifically the length of the following HeaderData field - this does not
1779                                 // include the size of the preceding fields
1780     HeaderData header_data;     // Implementation specific header data
1781   };
1783 The header starts with a 32 bit "``magic``" value which must be ``'HASH'``
1784 encoded as an ASCII integer.  This allows the detection of the start of the
1785 hash table and also allows the table's byte order to be determined so the table
1786 can be correctly extracted.  The "``magic``" value is followed by a 16 bit
1787 ``version`` number which allows the table to be revised and modified in the
1788 future.  The current version number is 1. ``hash_function`` is a ``uint16_t``
1789 enumeration that specifies which hash function was used to produce this table.
1790 The current values for the hash function enumerations include:
1792 .. code-block:: c
1794   enum HashFunctionType
1795   {
1796     eHashFunctionDJB = 0u, // Daniel J Bernstein hash function
1797   };
1799 ``bucket_count`` is a 32 bit unsigned integer that represents how many buckets
1800 are in the ``BUCKETS`` array.  ``hashes_count`` is the number of unique 32 bit
1801 hash values that are in the ``HASHES`` array, and is the same number of offsets
1802 are contained in the ``OFFSETS`` array.  ``header_data_len`` specifies the size
1803 in bytes of the ``HeaderData`` that is filled in by specialized versions of
1804 this table.
1806 Fixed Lookup
1807 """"""""""""
1809 The header is followed by the buckets, hashes, offsets, and hash value data.
1811 .. code-block:: c
1813   struct FixedTable
1814   {
1815     uint32_t buckets[Header.bucket_count];  // An array of hash indexes into the "hashes[]" array below
1816     uint32_t hashes [Header.hashes_count];  // Every unique 32 bit hash for the entire table is in this table
1817     uint32_t offsets[Header.hashes_count];  // An offset that corresponds to each item in the "hashes[]" array above
1818   };
1820 ``buckets`` is an array of 32 bit indexes into the ``hashes`` array.  The
1821 ``hashes`` array contains all of the 32 bit hash values for all names in the
1822 hash table.  Each hash in the ``hashes`` table has an offset in the ``offsets``
1823 array that points to the data for the hash value.
1825 This table setup makes it very easy to repurpose these tables to contain
1826 different data, while keeping the lookup mechanism the same for all tables.
1827 This layout also makes it possible to save the table to disk and map it in
1828 later and do very efficient name lookups with little or no parsing.
1830 DWARF lookup tables can be implemented in a variety of ways and can store a lot
1831 of information for each name.  We want to make the DWARF tables extensible and
1832 able to store the data efficiently so we have used some of the DWARF features
1833 that enable efficient data storage to define exactly what kind of data we store
1834 for each name.
1836 The ``HeaderData`` contains a definition of the contents of each HashData chunk.
1837 We might want to store an offset to all of the debug information entries (DIEs)
1838 for each name.  To keep things extensible, we create a list of items, or
1839 Atoms, that are contained in the data for each name.  First comes the type of
1840 the data in each atom:
1842 .. code-block:: c
1844   enum AtomType
1845   {
1846     eAtomTypeNULL       = 0u,
1847     eAtomTypeDIEOffset  = 1u,   // DIE offset, check form for encoding
1848     eAtomTypeCUOffset   = 2u,   // DIE offset of the compiler unit header that contains the item in question
1849     eAtomTypeTag        = 3u,   // DW_TAG_xxx value, should be encoded as DW_FORM_data1 (if no tags exceed 255) or DW_FORM_data2
1850     eAtomTypeNameFlags  = 4u,   // Flags from enum NameFlags
1851     eAtomTypeTypeFlags  = 5u,   // Flags from enum TypeFlags
1852   };
1854 The enumeration values and their meanings are:
1856 .. code-block:: none
1858   eAtomTypeNULL       - a termination atom that specifies the end of the atom list
1859   eAtomTypeDIEOffset  - an offset into the .debug_info section for the DWARF DIE for this name
1860   eAtomTypeCUOffset   - an offset into the .debug_info section for the CU that contains the DIE
1861   eAtomTypeDIETag     - The DW_TAG_XXX enumeration value so you don't have to parse the DWARF to see what it is
1862   eAtomTypeNameFlags  - Flags for functions and global variables (isFunction, isInlined, isExternal...)
1863   eAtomTypeTypeFlags  - Flags for types (isCXXClass, isObjCClass, ...)
1865 Then we allow each atom type to define the atom type and how the data for each
1866 atom type data is encoded:
1868 .. code-block:: c
1870   struct Atom
1871   {
1872     uint16_t type;  // AtomType enum value
1873     uint16_t form;  // DWARF DW_FORM_XXX defines
1874   };
1876 The ``form`` type above is from the DWARF specification and defines the exact
1877 encoding of the data for the Atom type.  See the DWARF specification for the
1878 ``DW_FORM_`` definitions.
1880 .. code-block:: c
1882   struct HeaderData
1883   {
1884     uint32_t die_offset_base;
1885     uint32_t atom_count;
1886     Atoms    atoms[atom_count0];
1887   };
1889 ``HeaderData`` defines the base DIE offset that should be added to any atoms
1890 that are encoded using the ``DW_FORM_ref1``, ``DW_FORM_ref2``,
1891 ``DW_FORM_ref4``, ``DW_FORM_ref8`` or ``DW_FORM_ref_udata``.  It also defines
1892 what is contained in each ``HashData`` object -- ``Atom.form`` tells us how large
1893 each field will be in the ``HashData`` and the ``Atom.type`` tells us how this data
1894 should be interpreted.
1896 For the current implementations of the "``.apple_names``" (all functions +
1897 globals), the "``.apple_types``" (names of all types that are defined), and
1898 the "``.apple_namespaces``" (all namespaces), we currently set the ``Atom``
1899 array to be:
1901 .. code-block:: c
1903   HeaderData.atom_count = 1;
1904   HeaderData.atoms[0].type = eAtomTypeDIEOffset;
1905   HeaderData.atoms[0].form = DW_FORM_data4;
1907 This defines the contents to be the DIE offset (eAtomTypeDIEOffset) that is
1908 encoded as a 32 bit value (DW_FORM_data4).  This allows a single name to have
1909 multiple matching DIEs in a single file, which could come up with an inlined
1910 function for instance.  Future tables could include more information about the
1911 DIE such as flags indicating if the DIE is a function, method, block,
1912 or inlined.
1914 The KeyType for the DWARF table is a 32 bit string table offset into the
1915 ".debug_str" table.  The ".debug_str" is the string table for the DWARF which
1916 may already contain copies of all of the strings.  This helps make sure, with
1917 help from the compiler, that we reuse the strings between all of the DWARF
1918 sections and keeps the hash table size down.  Another benefit to having the
1919 compiler generate all strings as DW_FORM_strp in the debug info, is that
1920 DWARF parsing can be made much faster.
1922 After a lookup is made, we get an offset into the hash data.  The hash data
1923 needs to be able to deal with 32 bit hash collisions, so the chunk of data
1924 at the offset in the hash data consists of a triple:
1926 .. code-block:: c
1928   uint32_t str_offset
1929   uint32_t hash_data_count
1930   HashData[hash_data_count]
1932 If "str_offset" is zero, then the bucket contents are done. 99.9% of the
1933 hash data chunks contain a single item (no 32 bit hash collision):
1935 .. code-block:: none
1937   .------------.
1938   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
1939   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
1940   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
1941   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
1942   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
1943   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
1944   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
1945   `------------'
1947 If there are collisions, you will have multiple valid string offsets:
1949 .. code-block:: none
1951   .------------.
1952   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
1953   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
1954   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
1955   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
1956   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
1957   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
1958   | 0x00002023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0002023] => "print")
1959   | 0x00000002 | uint32_t HashData count
1960   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
1961   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
1962   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
1963   `------------'
1965 Current testing with real world C++ binaries has shown that there is around 1
1966 32 bit hash collision per 100,000 name entries.
1968 Contents
1969 ^^^^^^^^
1971 As we said, we want to strictly define exactly what is included in the
1972 different tables.  For DWARF, we have 3 tables: "``.apple_names``",
1973 "``.apple_types``", and "``.apple_namespaces``".
1975 "``.apple_names``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
1976 ``DW_TAG`` is a ``DW_TAG_label``, ``DW_TAG_inlined_subroutine``, or
1977 ``DW_TAG_subprogram`` that has address attributes: ``DW_AT_low_pc``,
1978 ``DW_AT_high_pc``, ``DW_AT_ranges`` or ``DW_AT_entry_pc``.  It also contains
1979 ``DW_TAG_variable`` DIEs that have a ``DW_OP_addr`` in the location (global and
1980 static variables).  All global and static variables should be included,
1981 including those scoped within functions and classes.  For example using the
1982 following code:
1984 .. code-block:: c
1986   static int var = 0;
1988   void f ()
1989   {
1990     static int var = 0;
1991   }
1993 Both of the static ``var`` variables would be included in the table.  All
1994 functions should emit both their full names and their basenames.  For C or C++,
1995 the full name is the mangled name (if available) which is usually in the
1996 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, and the ``DW_AT_name`` contains the
1997 function basename.  If global or static variables have a mangled name in a
1998 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, this should be emitted along with the
1999 simple name found in the ``DW_AT_name`` attribute.
2001 "``.apple_types``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
2002 tag is one of:
2004 * DW_TAG_array_type
2005 * DW_TAG_class_type
2006 * DW_TAG_enumeration_type
2007 * DW_TAG_pointer_type
2008 * DW_TAG_reference_type
2009 * DW_TAG_string_type
2010 * DW_TAG_structure_type
2011 * DW_TAG_subroutine_type
2012 * DW_TAG_typedef
2013 * DW_TAG_union_type
2014 * DW_TAG_ptr_to_member_type
2015 * DW_TAG_set_type
2016 * DW_TAG_subrange_type
2017 * DW_TAG_base_type
2018 * DW_TAG_const_type
2019 * DW_TAG_immutable_type
2020 * DW_TAG_file_type
2021 * DW_TAG_namelist
2022 * DW_TAG_packed_type
2023 * DW_TAG_volatile_type
2024 * DW_TAG_restrict_type
2025 * DW_TAG_atomic_type
2026 * DW_TAG_interface_type
2027 * DW_TAG_unspecified_type
2028 * DW_TAG_shared_type
2030 Only entries with a ``DW_AT_name`` attribute are included, and the entry must
2031 not be a forward declaration (``DW_AT_declaration`` attribute with a non-zero
2032 value).  For example, using the following code:
2034 .. code-block:: c
2036   int main ()
2037   {
2038     int *b = 0;
2039     return *b;
2040   }
2042 We get a few type DIEs:
2044 .. code-block:: none
2046   0x00000067:     TAG_base_type [5]
2047                   AT_encoding( DW_ATE_signed )
2048                   AT_name( "int" )
2049                   AT_byte_size( 0x04 )
2051   0x0000006e:     TAG_pointer_type [6]
2052                   AT_type( {0x00000067} ( int ) )
2053                   AT_byte_size( 0x08 )
2055 The DW_TAG_pointer_type is not included because it does not have a ``DW_AT_name``.
2057 "``.apple_namespaces``" section should contain all ``DW_TAG_namespace`` DIEs.
2058 If we run into a namespace that has no name this is an anonymous namespace, and
2059 the name should be output as "``(anonymous namespace)``" (without the quotes).
2060 Why?  This matches the output of the ``abi::cxa_demangle()`` that is in the
2061 standard C++ library that demangles mangled names.
2064 Language Extensions and File Format Changes
2065 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2067 Objective-C Extensions
2068 """"""""""""""""""""""
2070 "``.apple_objc``" section should contain all ``DW_TAG_subprogram`` DIEs for an
2071 Objective-C class.  The name used in the hash table is the name of the
2072 Objective-C class itself.  If the Objective-C class has a category, then an
2073 entry is made for both the class name without the category, and for the class
2074 name with the category.  So if we have a DIE at offset 0x1234 with a name of
2075 method "``-[NSString(my_additions) stringWithSpecialString:]``", we would add
2076 an entry for "``NSString``" that points to DIE 0x1234, and an entry for
2077 "``NSString(my_additions)``" that points to 0x1234.  This allows us to quickly
2078 track down all Objective-C methods for an Objective-C class when doing
2079 expressions.  It is needed because of the dynamic nature of Objective-C where
2080 anyone can add methods to a class.  The DWARF for Objective-C methods is also
2081 emitted differently from C++ classes where the methods are not usually
2082 contained in the class definition, they are scattered about across one or more
2083 compile units.  Categories can also be defined in different shared libraries.
2084 So we need to be able to quickly find all of the methods and class functions
2085 given the Objective-C class name, or quickly find all methods and class
2086 functions for a class + category name.  This table does not contain any
2087 selector names, it just maps Objective-C class names (or class names +
2088 category) to all of the methods and class functions.  The selectors are added
2089 as function basenames in the "``.debug_names``" section.
2091 In the "``.apple_names``" section for Objective-C functions, the full name is
2092 the entire function name with the brackets ("``-[NSString
2093 stringWithCString:]``") and the basename is the selector only
2094 ("``stringWithCString:``").
2096 Mach-O Changes
2097 """"""""""""""
2099 The sections names for the apple hash tables are for non-mach-o files.  For
2100 mach-o files, the sections should be contained in the ``__DWARF`` segment with
2101 names as follows:
2103 * "``.apple_names``" -> "``__apple_names``"
2104 * "``.apple_types``" -> "``__apple_types``"
2105 * "``.apple_namespaces``" -> "``__apple_namespac``" (16 character limit)
2106 * "``.apple_objc``" -> "``__apple_objc``"
2108 .. _codeview:
2110 CodeView Debug Info Format
2111 ==========================
2113 LLVM supports emitting CodeView, the Microsoft debug info format, and this
2114 section describes the design and implementation of that support.
2116 Format Background
2117 -----------------
2119 CodeView as a format is clearly oriented around C++ debugging, and in C++, the
2120 majority of debug information tends to be type information. Therefore, the
2121 overriding design constraint of CodeView is the separation of type information
2122 from other "symbol" information so that type information can be efficiently
2123 merged across translation units. Both type information and symbol information is
2124 generally stored as a sequence of records, where each record begins with a
2125 16-bit record size and a 16-bit record kind.
2127 Type information is usually stored in the ``.debug$T`` section of the object
2128 file.  All other debug info, such as line info, string table, symbol info, and
2129 inlinee info, is stored in one or more ``.debug$S`` sections. There may only be
2130 one ``.debug$T`` section per object file, since all other debug info refers to
2131 it. If a PDB (enabled by the ``/Zi`` MSVC option) was used during compilation,
2132 the ``.debug$T`` section will contain only an ``LF_TYPESERVER2`` record pointing
2133 to the PDB. When using PDBs, symbol information appears to remain in the object
2134 file ``.debug$S`` sections.
2136 Type records are referred to by their index, which is the number of records in
2137 the stream before a given record plus ``0x1000``. Many common basic types, such
2138 as the basic integral types and unqualified pointers to them, are represented
2139 using type indices less than ``0x1000``. Such basic types are built in to
2140 CodeView consumers and do not require type records.
2142 Each type record may only contain type indices that are less than its own type
2143 index. This ensures that the graph of type stream references is acyclic. While
2144 the source-level type graph may contain cycles through pointer types (consider a
2145 linked list struct), these cycles are removed from the type stream by always
2146 referring to the forward declaration record of user-defined record types. Only
2147 "symbol" records in the ``.debug$S`` streams may refer to complete,
2148 non-forward-declaration type records.
2150 Working with CodeView
2151 ---------------------
2153 These are instructions for some common tasks for developers working to improve
2154 LLVM's CodeView support. Most of them revolve around using the CodeView dumper
2155 embedded in ``llvm-readobj``.
2157 * Testing MSVC's output::
2159     $ cl -c -Z7 foo.cpp # Use /Z7 to keep types in the object file
2160     $ llvm-readobj --codeview foo.obj
2162 * Getting LLVM IR debug info out of Clang::
2164     $ clang -g -gcodeview --target=x86_64-windows-msvc foo.cpp -S -emit-llvm
2166   Use this to generate LLVM IR for LLVM test cases.
2168 * Generate and dump CodeView from LLVM IR metadata::
2170     $ llc foo.ll -filetype=obj -o foo.obj
2171     $ llvm-readobj --codeview foo.obj > foo.txt
2173   Use this pattern in lit test cases and FileCheck the output of llvm-readobj
2175 Improving LLVM's CodeView support is a process of finding interesting type
2176 records, constructing a C++ test case that makes MSVC emit those records,
2177 dumping the records, understanding them, and then generating equivalent records
2178 in LLVM's backend.