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[platform/upstream/gcc48.git] / libstdc++-v3 / doc / xml / manual / debug_mode.xml
1 <chapter xmlns="http://docbook.org/ns/docbook" version="5.0" 
2          xml:id="manual.ext.debug_mode" xreflabel="Debug Mode">
3 <?dbhtml filename="debug_mode.html"?>
4
5 <info><title>Debug Mode</title>
6   <keywordset>
7     <keyword>C++</keyword>
8     <keyword>library</keyword>
9     <keyword>debug</keyword>
10   </keywordset>
11 </info>
12
13
14
15 <section xml:id="manual.ext.debug_mode.intro" xreflabel="Intro"><info><title>Intro</title></info>
16   
17   <para>
18     By default, libstdc++ is built with efficiency in mind, and
19     therefore performs little or no error checking that is not
20     required by the C++ standard. This means that programs that
21     incorrectly use the C++ standard library will exhibit behavior
22     that is not portable and may not even be predictable, because they
23     tread into implementation-specific or undefined behavior. To
24     detect some of these errors before they can become problematic,
25     libstdc++ offers a debug mode that provides additional checking of
26     library facilities, and will report errors in the use of libstdc++
27     as soon as they can be detected by emitting a description of the
28     problem to standard error and aborting the program.  This debug
29     mode is available with GCC 3.4.0 and later versions.
30   </para>
31
32   <para>
33     The libstdc++ debug mode performs checking for many areas of the
34     C++ standard, but the focus is on checking interactions among
35     standard iterators, containers, and algorithms, including:
36   </para>
37
38   <itemizedlist>
39     <listitem><para><emphasis>Safe iterators</emphasis>: Iterators keep track of the
40     container whose elements they reference, so errors such as
41     incrementing a past-the-end iterator or dereferencing an iterator
42     that points to a container that has been destructed are diagnosed
43     immediately.</para></listitem>
44
45     <listitem><para><emphasis>Algorithm preconditions</emphasis>: Algorithms attempt to
46     validate their input parameters to detect errors as early as
47     possible. For instance, the <code>set_intersection</code>
48     algorithm requires that its iterator
49     parameters <code>first1</code> and <code>last1</code> form a valid
50     iterator range, and that the sequence
51     [<code>first1</code>, <code>last1</code>) is sorted according to
52     the same predicate that was passed
53     to <code>set_intersection</code>; the libstdc++ debug mode will
54     detect an error if the sequence is not sorted or was sorted by a
55     different predicate.</para></listitem>
56   </itemizedlist>
57
58 </section>
59
60 <section xml:id="manual.ext.debug_mode.semantics" xreflabel="Semantics"><info><title>Semantics</title></info>
61   <?dbhtml filename="debug_mode_semantics.html"?>
62   
63   <para>
64   </para>
65
66 <para>A program that uses the C++ standard library correctly
67   will maintain the same semantics under debug mode as it had with
68   the normal (release) library. All functional and exception-handling
69   guarantees made by the normal library also hold for the debug mode
70   library, with one exception: performance guarantees made by the
71   normal library may not hold in the debug mode library. For
72   instance, erasing an element in a <code>std::list</code> is a
73   constant-time operation in normal library, but in debug mode it is
74   linear in the number of iterators that reference that particular
75   list. So while your (correct) program won't change its results, it
76   is likely to execute more slowly.</para>
77
78 <para>libstdc++ includes many extensions to the C++ standard library. In
79   some cases the extensions are obvious, such as the hashed
80   associative containers, whereas other extensions give predictable
81   results to behavior that would otherwise be undefined, such as
82   throwing an exception when a <code>std::basic_string</code> is
83   constructed from a NULL character pointer. This latter category also
84   includes implementation-defined and unspecified semantics, such as
85   the growth rate of a vector. Use of these extensions is not
86   considered incorrect, so code that relies on them will not be
87   rejected by debug mode. However, use of these extensions may affect
88   the portability of code to other implementations of the C++ standard
89   library, and is therefore somewhat hazardous. For this reason, the
90   libstdc++ debug mode offers a "pedantic" mode (similar to
91   GCC's <code>-pedantic</code> compiler flag) that attempts to emulate
92   the semantics guaranteed by the C++ standard. For
93   instance, constructing a <code>std::basic_string</code> with a NULL
94   character pointer would result in an exception under normal mode or
95   non-pedantic debug mode (this is a libstdc++ extension), whereas
96   under pedantic debug mode libstdc++ would signal an error. To enable
97   the pedantic debug mode, compile your program with
98   both <code>-D_GLIBCXX_DEBUG</code>
99   and <code>-D_GLIBCXX_DEBUG_PEDANTIC</code> .
100   (N.B. In GCC 3.4.x and 4.0.0, due to a bug,
101   <code>-D_GLIBXX_DEBUG_PEDANTIC</code> was also needed. The problem has
102   been fixed in GCC 4.0.1 and later versions.) </para>
103
104 <para>The following library components provide extra debugging
105   capabilities in debug mode:</para>
106 <itemizedlist>
107   <listitem><para><code>std::basic_string</code> (no safe iterators and see note below)</para></listitem>
108   <listitem><para><code>std::bitset</code></para></listitem>
109   <listitem><para><code>std::deque</code></para></listitem>
110   <listitem><para><code>std::list</code></para></listitem>
111   <listitem><para><code>std::map</code></para></listitem>
112   <listitem><para><code>std::multimap</code></para></listitem>
113   <listitem><para><code>std::multiset</code></para></listitem>
114   <listitem><para><code>std::set</code></para></listitem>
115   <listitem><para><code>std::vector</code></para></listitem>
116   <listitem><para><code>std::unordered_map</code></para></listitem>
117   <listitem><para><code>std::unordered_multimap</code></para></listitem>
118   <listitem><para><code>std::unordered_set</code></para></listitem>
119   <listitem><para><code>std::unordered_multiset</code></para></listitem>
120 </itemizedlist>
121
122 <para>N.B. although there are precondition checks for some string operations,
123 e.g.  <code>operator[]</code>,
124 they will not always be run when using the <code>char</code> and
125 <code>wchar_t</code> specialisations (<code>std::string</code> and
126 <code>std::wstring</code>).  This is because libstdc++ uses GCC's
127 <code>extern template</code> extension to provide explicit instantiations
128 of <code>std::string</code> and <code>std::wstring</code>, and those
129 explicit instantiations don't include the debug-mode checks.  If the
130 containing functions are inlined then the checks will run, so compiling
131 with <code>-O1</code> might be enough to enable them.  Alternatively
132 <code>-D_GLIBCXX_EXTERN_TEMPLATE=0</code> will suppress the declarations
133 of the explicit instantiations and cause the functions to be instantiated
134 with the debug-mode checks included, but this is unsupported and not
135 guaranteed to work.  For full debug-mode support you can use the
136 <code>__gnu_debug::basic_string</code> debugging container directly,
137 which always works correctly.
138 </para>
139
140 </section>
141
142 <section xml:id="manual.ext.debug_mode.using" xreflabel="Using"><info><title>Using</title></info>
143   <?dbhtml filename="debug_mode_using.html"?>
144   
145   <para>
146   </para>
147 <section xml:id="debug_mode.using.mode" xreflabel="Using Mode"><info><title>Using the Debug Mode</title></info>
148   
149
150 <para>To use the libstdc++ debug mode, compile your application with the
151   compiler flag <code>-D_GLIBCXX_DEBUG</code>. Note that this flag
152   changes the sizes and behavior of standard class templates such
153   as <code>std::vector</code>, and therefore you can only link code
154   compiled with debug mode and code compiled without debug mode if no
155   instantiation of a container is passed between the two translation
156   units.</para>
157
158 <para>By default, error messages are formatted to fit on lines of about
159   78 characters.  The environment variable
160   <code>GLIBCXX_DEBUG_MESSAGE_LENGTH</code> can be used to request a
161   different length.</para>
162
163 </section>
164
165 <section xml:id="debug_mode.using.specific" xreflabel="Using Specific"><info><title>Using a Specific Debug Container</title></info>
166   
167 <para>When it is not feasible to recompile your entire application, or
168   only specific containers need checking, debugging containers are
169   available as GNU extensions. These debugging containers are
170   functionally equivalent to the standard drop-in containers used in
171   debug mode, but they are available in a separate namespace as GNU
172   extensions and may be used in programs compiled with either release
173   mode or with debug mode. The
174   following table provides the names and headers of the debugging
175   containers:
176 </para>
177
178 <table frame="all">
179 <title>Debugging Containers</title>
180
181 <tgroup cols="4" align="left" colsep="1" rowsep="1">
182 <colspec colname="c1"/>
183 <colspec colname="c2"/>
184 <colspec colname="c3"/>
185 <colspec colname="c4"/>
186
187 <thead>
188   <row>
189     <entry>Container</entry>
190     <entry>Header</entry>
191     <entry>Debug container</entry>
192     <entry>Debug header</entry>
193   </row>
194 </thead>
195 <tbody>
196   <row>
197     <entry><classname>std::bitset</classname></entry>
198     <entry><filename class="headerfile">bitset</filename></entry>
199     <entry><classname>__gnu_debug::bitset</classname></entry>
200     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/bitset&gt;</filename></entry>
201   </row>
202   <row>
203     <entry><classname>std::deque</classname></entry>
204     <entry><filename class="headerfile">deque</filename></entry>
205     <entry><classname>__gnu_debug::deque</classname></entry>
206     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/deque&gt;</filename></entry>
207   </row>
208   <row>
209     <entry><classname>std::list</classname></entry>
210     <entry><filename class="headerfile">list</filename></entry>
211     <entry><classname>__gnu_debug::list</classname></entry>
212     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/list&gt;</filename></entry>
213   </row>
214   <row>
215     <entry><classname>std::map</classname></entry>
216     <entry><filename class="headerfile">map</filename></entry>
217     <entry><classname>__gnu_debug::map</classname></entry>
218     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/map&gt;</filename></entry>
219   </row>
220   <row>
221     <entry><classname>std::multimap</classname></entry>
222     <entry><filename class="headerfile">map</filename></entry>
223     <entry><classname>__gnu_debug::multimap</classname></entry>
224     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/map&gt;</filename></entry>
225   </row>
226   <row>
227     <entry><classname>std::multiset</classname></entry>
228     <entry><filename class="headerfile">set</filename></entry>
229     <entry><classname>__gnu_debug::multiset</classname></entry>
230     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/set&gt;</filename></entry>
231   </row>
232   <row>
233     <entry><classname>std::set</classname></entry>
234     <entry><filename class="headerfile">set</filename></entry>
235     <entry><classname>__gnu_debug::set</classname></entry>
236     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/set&gt;</filename></entry>
237   </row>
238   <row>
239     <entry><classname>std::string</classname></entry>
240     <entry><filename class="headerfile">string</filename></entry>
241     <entry><classname>__gnu_debug::string</classname></entry>
242     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/string&gt;</filename></entry>
243   </row>
244   <row>
245     <entry><classname>std::wstring</classname></entry>
246     <entry><filename class="headerfile">string</filename></entry>
247     <entry><classname>__gnu_debug::wstring</classname></entry>
248     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/string&gt;</filename></entry>
249   </row>
250   <row>
251     <entry><classname>std::basic_string</classname></entry>
252     <entry><filename class="headerfile">string</filename></entry>
253     <entry><classname>__gnu_debug::basic_string</classname></entry>
254     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/string&gt;</filename></entry>
255   </row>
256   <row>
257     <entry><classname>std::vector</classname></entry>
258     <entry><filename class="headerfile">vector</filename></entry>
259     <entry><classname>__gnu_debug::vector</classname></entry>
260     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/vector&gt;</filename></entry>
261   </row>
262 </tbody>
263 </tgroup>
264 </table>
265
266 <para>In addition, when compiling in C++11 mode, these additional
267 containers have additional debug capability.
268 </para>
269
270 <table frame="all">
271 <title>Debugging Containers C++11</title>
272
273 <tgroup cols="4" align="left" colsep="1" rowsep="1">
274 <colspec colname="c1"/>
275 <colspec colname="c2"/>
276 <colspec colname="c3"/>
277 <colspec colname="c4"/>
278
279 <thead>
280   <row>
281     <entry>Container</entry>
282     <entry>Header</entry>
283     <entry>Debug container</entry>
284     <entry>Debug header</entry>
285   </row>
286 </thead>
287 <tbody>
288     <row>
289     <entry><classname>std::unordered_map</classname></entry>
290     <entry><filename class="headerfile">unordered_map</filename></entry>
291     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_map</classname></entry>
292     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/unordered_map&gt;</filename></entry>
293   </row>
294   <row>
295     <entry><classname>std::unordered_multimap</classname></entry>
296     <entry><filename class="headerfile">unordered_map</filename></entry>
297     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_multimap</classname></entry>
298     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/unordered_map&gt;</filename></entry>
299   </row>
300   <row>
301     <entry><classname>std::unordered_set</classname></entry>
302     <entry><filename class="headerfile">unordered_set</filename></entry>
303     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_set</classname></entry>
304     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/unordered_set&gt;</filename></entry>
305   </row>
306   <row>
307     <entry><classname>std::unordered_multiset</classname></entry>
308     <entry><filename class="headerfile">unordered_set</filename></entry>
309     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_multiset</classname></entry>
310     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/unordered_set&gt;</filename></entry>
311   </row>
312 </tbody>
313 </tgroup>
314 </table>
315 </section>
316 </section>
317
318 <section xml:id="manual.ext.debug_mode.design" xreflabel="Design"><info><title>Design</title></info>
319   <?dbhtml filename="debug_mode_design.html"?>
320   
321   <para>
322   </para>
323   <section xml:id="debug_mode.design.goals" xreflabel="Goals"><info><title>Goals</title></info>
324     
325     <para>
326     </para>
327 <para> The libstdc++ debug mode replaces unsafe (but efficient) standard
328   containers and iterators with semantically equivalent safe standard
329   containers and iterators to aid in debugging user programs. The
330   following goals directed the design of the libstdc++ debug mode:</para>
331
332   <itemizedlist>
333
334     <listitem><para><emphasis>Correctness</emphasis>: the libstdc++ debug mode must not change
335     the semantics of the standard library for all cases specified in
336     the ANSI/ISO C++ standard. The essence of this constraint is that
337     any valid C++ program should behave in the same manner regardless
338     of whether it is compiled with debug mode or release mode. In
339     particular, entities that are defined in namespace std in release
340     mode should remain defined in namespace std in debug mode, so that
341     legal specializations of namespace std entities will remain
342     valid. A program that is not valid C++ (e.g., invokes undefined
343     behavior) is not required to behave similarly, although the debug
344     mode will abort with a diagnostic when it detects undefined
345     behavior.</para></listitem>
346
347     <listitem><para><emphasis>Performance</emphasis>: the additional of the libstdc++ debug mode
348     must not affect the performance of the library when it is compiled
349     in release mode. Performance of the libstdc++ debug mode is
350     secondary (and, in fact, will be worse than the release
351     mode).</para></listitem>
352
353     <listitem><para><emphasis>Usability</emphasis>: the libstdc++ debug mode should be easy to
354     use. It should be easily incorporated into the user's development
355     environment (e.g., by requiring only a single new compiler switch)
356     and should produce reasonable diagnostics when it detects a
357     problem with the user program. Usability also involves detection
358     of errors when using the debug mode incorrectly, e.g., by linking
359     a release-compiled object against a debug-compiled object if in
360     fact the resulting program will not run correctly.</para></listitem>
361
362     <listitem><para><emphasis>Minimize recompilation</emphasis>: While it is expected that
363     users recompile at least part of their program to use debug
364     mode, the amount of recompilation affects the
365     detect-compile-debug turnaround time. This indirectly affects the
366     usefulness of the debug mode, because debugging some applications
367     may require rebuilding a large amount of code, which may not be
368     feasible when the suspect code may be very localized. There are
369     several levels of conformance to this requirement, each with its
370     own usability and implementation characteristics. In general, the
371     higher-numbered conformance levels are more usable (i.e., require
372     less recompilation) but are more complicated to implement than
373     the lower-numbered conformance levels.
374       <orderedlist inheritnum="ignore" continuation="restarts">
375         <listitem><para><emphasis>Full recompilation</emphasis>: The user must recompile his or
376         her entire application and all C++ libraries it depends on,
377         including the C++ standard library that ships with the
378         compiler. This must be done even if only a small part of the
379         program can use debugging features.</para></listitem>
380
381         <listitem><para><emphasis>Full user recompilation</emphasis>: The user must recompile
382         his or her entire application and all C++ libraries it depends
383         on, but not the C++ standard library itself. This must be done
384         even if only a small part of the program can use debugging
385         features. This can be achieved given a full recompilation
386         system by compiling two versions of the standard library when
387         the compiler is installed and linking against the appropriate
388         one, e.g., a multilibs approach.</para></listitem>
389
390         <listitem><para><emphasis>Partial recompilation</emphasis>: The user must recompile the
391         parts of his or her application and the C++ libraries it
392         depends on that will use the debugging facilities
393         directly. This means that any code that uses the debuggable
394         standard containers would need to be recompiled, but code
395         that does not use them (but may, for instance, use IOStreams)
396         would not have to be recompiled.</para></listitem>
397
398         <listitem><para><emphasis>Per-use recompilation</emphasis>: The user must recompile the
399         parts of his or her application and the C++ libraries it
400         depends on where debugging should occur, and any other code
401         that interacts with those containers. This means that a set of
402         translation units that accesses a particular standard
403         container instance may either be compiled in release mode (no
404         checking) or debug mode (full checking), but must all be
405         compiled in the same way; a translation unit that does not see
406         that standard container instance need not be recompiled. This
407         also means that a translation unit <emphasis>A</emphasis> that contains a
408         particular instantiation
409         (say, <code>std::vector&lt;int&gt;</code>) compiled in release
410         mode can be linked against a translation unit <emphasis>B</emphasis> that
411         contains the same instantiation compiled in debug mode (a
412         feature not present with partial recompilation). While this
413         behavior is technically a violation of the One Definition
414         Rule, this ability tends to be very important in
415         practice. The libstdc++ debug mode supports this level of
416         recompilation. </para></listitem>
417
418         <listitem><para><emphasis>Per-unit recompilation</emphasis>: The user must only
419         recompile the translation units where checking should occur,
420         regardless of where debuggable standard containers are
421         used. This has also been dubbed "<code>-g</code> mode",
422         because the <code>-g</code> compiler switch works in this way,
423         emitting debugging information at a per--translation-unit
424         granularity. We believe that this level of recompilation is in
425         fact not possible if we intend to supply safe iterators, leave
426         the program semantics unchanged, and not regress in
427         performance under release mode because we cannot associate
428         extra information with an iterator (to form a safe iterator)
429         without either reserving that space in release mode
430         (performance regression) or allocating extra memory associated
431         with each iterator with <code>new</code> (changes the program
432         semantics).</para></listitem>
433       </orderedlist>
434     </para></listitem>
435   </itemizedlist>
436   </section>
437
438   <section xml:id="debug_mode.design.methods" xreflabel="Methods"><info><title>Methods</title></info>
439     
440     <para>
441     </para>
442 <para>This section provides an overall view of the design of the
443   libstdc++ debug mode and details the relationship between design
444   decisions and the stated design goals.</para>
445
446   <section xml:id="debug_mode.design.methods.wrappers" xreflabel="Method Wrapper"><info><title>The Wrapper Model</title></info>
447     
448 <para>The libstdc++ debug mode uses a wrapper model where the
449   debugging versions of library components (e.g., iterators and
450   containers) form a layer on top of the release versions of the
451   library components. The debugging components first verify that the
452   operation is correct (aborting with a diagnostic if an error is
453   found) and will then forward to the underlying release-mode
454   container that will perform the actual work. This design decision
455   ensures that we cannot regress release-mode performance (because the
456   release-mode containers are left untouched) and partially
457   enables <link linkend="methods.coexistence.link">mixing debug and
458   release code</link> at link time, although that will not be
459   discussed at this time.</para>
460
461 <para>Two types of wrappers are used in the implementation of the debug
462   mode: container wrappers and iterator wrappers. The two types of
463   wrappers interact to maintain relationships between iterators and
464   their associated containers, which are necessary to detect certain
465   types of standard library usage errors such as dereferencing
466   past-the-end iterators or inserting into a container using an
467   iterator from a different container.</para>
468
469   <section xml:id="debug_mode.design.methods.safe_iter" xreflabel="Method Safe Iter"><info><title>Safe Iterators</title></info>
470     
471 <para>Iterator wrappers provide a debugging layer over any iterator that
472   is attached to a particular container, and will manage the
473   information detailing the iterator's state (singular,
474   dereferenceable, etc.) and tracking the container to which the
475   iterator is attached. Because iterators have a well-defined, common
476   interface the iterator wrapper is implemented with the iterator
477   adaptor class template <code>__gnu_debug::_Safe_iterator</code>,
478   which takes two template parameters:</para>
479
480 <itemizedlist>
481   <listitem><para><code>Iterator</code>: The underlying iterator type, which must
482     be either the <code>iterator</code> or <code>const_iterator</code>
483     typedef from the sequence type this iterator can reference.</para></listitem>
484
485   <listitem><para><code>Sequence</code>: The type of sequence that this iterator
486   references. This sequence must be a safe sequence (discussed below)
487   whose <code>iterator</code> or <code>const_iterator</code> typedef
488   is the type of the safe iterator.</para></listitem>
489 </itemizedlist>
490   </section>
491
492   <section xml:id="debug_mode.design.methods.safe_seq" xreflabel="Method Safe Seq"><info><title>Safe Sequences (Containers)</title></info>
493     
494
495 <para>Container wrappers provide a debugging layer over a particular
496   container type. Because containers vary greatly in the member
497   functions they support and the semantics of those member functions
498   (especially in the area of iterator invalidation), container
499   wrappers are tailored to the container they reference, e.g., the
500   debugging version of <code>std::list</code> duplicates the entire
501   interface of <code>std::list</code>, adding additional semantic
502   checks and then forwarding operations to the
503   real <code>std::list</code> (a public base class of the debugging
504   version) as appropriate. However, all safe containers inherit from
505   the class template <code>__gnu_debug::_Safe_sequence</code>,
506   instantiated with the type of the safe container itself (an instance
507   of the curiously recurring template pattern).</para>
508
509 <para>The iterators of a container wrapper will be
510   <link linkend="debug_mode.design.methods.safe_iter">safe
511   iterators</link> that reference sequences of this type and wrap the
512   iterators provided by the release-mode base class. The debugging
513   container will use only the safe iterators within its own interface
514   (therefore requiring the user to use safe iterators, although this
515   does not change correct user code) and will communicate with the
516   release-mode base class with only the underlying, unsafe,
517   release-mode iterators that the base class exports.</para>
518
519 <para> The debugging version of <code>std::list</code> will have the
520   following basic structure:</para>
521
522 <programlisting>
523 template&lt;typename _Tp, typename _Allocator = allocator&lt;_Tp&gt;
524   class debug-list :
525     public release-list&lt;_Tp, _Allocator&gt;,
526     public __gnu_debug::_Safe_sequence&lt;debug-list&lt;_Tp, _Allocator&gt; &gt;
527   {
528     typedef release-list&lt;_Tp, _Allocator&gt; _Base;
529     typedef debug-list&lt;_Tp, _Allocator&gt;   _Self;
530
531   public:
532     typedef __gnu_debug::_Safe_iterator&lt;typename _Base::iterator, _Self&gt;       iterator;
533     typedef __gnu_debug::_Safe_iterator&lt;typename _Base::const_iterator, _Self&gt; const_iterator;
534
535     // duplicate std::list interface with debugging semantics
536   };
537 </programlisting>
538   </section>
539   </section>
540
541   <section xml:id="debug_mode.design.methods.precond" xreflabel="Precondition check"><info><title>Precondition Checking</title></info>
542     
543 <para>The debug mode operates primarily by checking the preconditions of
544   all standard library operations that it supports. Preconditions that
545   are always checked (regardless of whether or not we are in debug
546   mode) are checked via the <code>__check_xxx</code> macros defined
547   and documented in the source
548   file <code>include/debug/debug.h</code>. Preconditions that may or
549   may not be checked, depending on the debug-mode
550   macro <code>_GLIBCXX_DEBUG</code>, are checked via
551   the <code>__requires_xxx</code> macros defined and documented in the
552   same source file. Preconditions are validated using any additional
553   information available at run-time, e.g., the containers that are
554   associated with a particular iterator, the position of the iterator
555   within those containers, the distance between two iterators that may
556   form a valid range, etc. In the absence of suitable information,
557   e.g., an input iterator that is not a safe iterator, these
558   precondition checks will silently succeed.</para>
559
560 <para>The majority of precondition checks use the aforementioned macros,
561   which have the secondary benefit of having prewritten debug
562   messages that use information about the current status of the
563   objects involved (e.g., whether an iterator is singular or what
564   sequence it is attached to) along with some static information
565   (e.g., the names of the function parameters corresponding to the
566   objects involved). When not using these macros, the debug mode uses
567   either the debug-mode assertion
568   macro <code>_GLIBCXX_DEBUG_ASSERT</code> , its pedantic
569   cousin <code>_GLIBCXX_DEBUG_PEDASSERT</code>, or the assertion
570   check macro that supports more advance formulation of error
571   messages, <code>_GLIBCXX_DEBUG_VERIFY</code>. These macros are
572   documented more thoroughly in the debug mode source code.</para>
573   </section>
574
575   <section xml:id="debug_mode.design.methods.coexistence" xreflabel="Coexistence"><info><title>Release- and debug-mode coexistence</title></info>
576     
577 <para>The libstdc++ debug mode is the first debug mode we know of that
578   is able to provide the "Per-use recompilation" (4) guarantee, that
579   allows release-compiled and debug-compiled code to be linked and
580   executed together without causing unpredictable behavior. This
581   guarantee minimizes the recompilation that users are required to
582   perform, shortening the detect-compile-debug bug hunting cycle
583   and making the debug mode easier to incorporate into development
584   environments by minimizing dependencies.</para>
585
586 <para>Achieving link- and run-time coexistence is not a trivial
587   implementation task. To achieve this goal we required a small
588   extension to the GNU C++ compiler (since incorporated into the C++11 language specification, described in the GCC Manual for the C++ language as
589   <link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Namespace-Association.html#Namespace-Association">namespace
590   association</link>), and a complex organization of debug- and
591   release-modes. The end result is that we have achieved per-use
592   recompilation but have had to give up some checking of the
593   <code>std::basic_string</code> class template (namely, safe
594   iterators).
595 </para>
596
597  <section xml:id="methods.coexistence.compile" xreflabel="Compile"><info><title>Compile-time coexistence of release- and debug-mode components</title></info>
598    
599
600 <para>Both the release-mode components and the debug-mode
601   components need to exist within a single translation unit so that
602   the debug versions can wrap the release versions. However, only one
603   of these components should be user-visible at any particular
604   time with the standard name, e.g., <code>std::list</code>. </para>
605
606 <para>In release mode, we define only the release-mode version of the
607   component with its standard name and do not include the debugging
608   component at all. The release mode version is defined within the
609   namespace <code>std</code>. Minus the namespace associations, this
610   method leaves the behavior of release mode completely unchanged from
611   its behavior prior to the introduction of the libstdc++ debug
612   mode. Here's an example of what this ends up looking like, in
613   C++.</para>
614
615 <programlisting>
616 namespace std
617 {
618   template&lt;typename _Tp, typename _Alloc = allocator&lt;_Tp&gt; &gt;
619     class list
620     {
621       // ...
622      };
623 } // namespace std
624 </programlisting>
625
626 <para>In debug mode we include the release-mode container (which is now
627 defined in the namespace <code>__cxx1998</code>) and also the
628 debug-mode container. The debug-mode container is defined within the
629 namespace <code>__debug</code>, which is associated with namespace
630 <code>std</code> via the C++11 namespace association language feature.  This
631 method allows the debug and release versions of the same component to
632 coexist at compile-time and link-time without causing an unreasonable
633 maintenance burden, while minimizing confusion. Again, this boils down
634 to C++ code as follows:</para>
635
636 <programlisting>
637 namespace std
638 {
639   namespace __cxx1998
640   {
641     template&lt;typename _Tp, typename _Alloc = allocator&lt;_Tp&gt; &gt;
642       class list
643       {
644         // ...
645       };
646   } // namespace __gnu_norm
647
648   namespace __debug
649   {
650     template&lt;typename _Tp, typename _Alloc = allocator&lt;_Tp&gt; &gt;
651       class list
652       : public __cxx1998::list&lt;_Tp, _Alloc&gt;,
653         public __gnu_debug::_Safe_sequence&lt;list&lt;_Tp, _Alloc&gt; &gt;
654       {
655         // ...
656       };
657   } // namespace __cxx1998
658
659   // namespace __debug __attribute__ ((strong));
660   inline namespace __debug { }
661 }
662 </programlisting>
663  </section>
664
665  <section xml:id="methods.coexistence.link" xreflabel="Link"><info><title>Link- and run-time coexistence of release- and
666     debug-mode components</title></info>
667    
668
669 <para>Because each component has a distinct and separate release and
670 debug implementation, there is no issue with link-time
671 coexistence: the separate namespaces result in different mangled
672 names, and thus unique linkage.</para>
673
674 <para>However, components that are defined and used within the C++
675 standard library itself face additional constraints. For instance,
676 some of the member functions of <code> std::moneypunct</code> return
677 <code>std::basic_string</code>. Normally, this is not a problem, but
678 with a mixed mode standard library that could be using either
679 debug-mode or release-mode <code> basic_string</code> objects, things
680 get more complicated.  As the return value of a function is not
681 encoded into the mangled name, there is no way to specify a
682 release-mode or a debug-mode string. In practice, this results in
683 runtime errors. A simplified example of this problem is as follows.
684 </para>
685
686 <para> Take this translation unit, compiled in debug-mode: </para>
687 <programlisting>
688 // -D_GLIBCXX_DEBUG
689 #include &lt;string&gt;
690
691 std::string test02();
692
693 std::string test01()
694 {
695   return test02();
696 }
697
698 int main()
699 {
700   test01();
701   return 0;
702 }
703 </programlisting>
704
705 <para> ... and linked to this translation unit, compiled in release mode:</para>
706
707 <programlisting>
708 #include &lt;string&gt;
709
710 std::string
711 test02()
712 {
713   return std::string("toast");
714 }
715 </programlisting>
716
717 <para> For this reason we cannot easily provide safe iterators for
718   the <code>std::basic_string</code> class template, as it is present
719   throughout the C++ standard library. For instance, locale facets
720   define typedefs that include <code>basic_string</code>: in a mixed
721   debug/release program, should that typedef be based on the
722   debug-mode <code>basic_string</code> or the
723   release-mode <code>basic_string</code>? While the answer could be
724   "both", and the difference hidden via renaming a la the
725   debug/release containers, we must note two things about locale
726   facets:</para>
727
728 <orderedlist inheritnum="ignore" continuation="restarts">
729   <listitem><para>They exist as shared state: one can create a facet in one
730   translation unit and access the facet via the same type name in a
731   different translation unit. This means that we cannot have two
732   different versions of locale facets, because the types would not be
733   the same across debug/release-mode translation unit barriers.</para></listitem>
734
735   <listitem><para>They have virtual functions returning strings: these functions
736   mangle in the same way regardless of the mangling of their return
737   types (see above), and their precise signatures can be relied upon
738   by users because they may be overridden in derived classes.</para></listitem>
739 </orderedlist>
740
741 <para>With the design of libstdc++ debug mode, we cannot effectively hide
742   the differences between debug and release-mode strings from the
743   user. Failure to hide the differences may result in unpredictable
744   behavior, and for this reason we have opted to only
745   perform <code>basic_string</code> changes that do not require ABI
746   changes. The effect on users is expected to be minimal, as there are
747   simple alternatives (e.g., <code>__gnu_debug::basic_string</code>),
748   and the usability benefit we gain from the ability to mix debug- and
749   release-compiled translation units is enormous.</para>
750  </section>
751
752  <section xml:id="methods.coexistence.alt" xreflabel="Alternatives"><info><title>Alternatives for Coexistence</title></info>
753
754
755 <para>The coexistence scheme above was chosen over many alternatives,
756   including language-only solutions and solutions that also required
757   extensions to the C++ front end. The following is a partial list of
758   solutions, with justifications for our rejection of each.</para>
759
760 <itemizedlist>
761   <listitem><para><emphasis>Completely separate debug/release libraries</emphasis>: This is by
762   far the simplest implementation option, where we do not allow any
763   coexistence of debug- and release-compiled translation units in a
764   program. This solution has an extreme negative affect on usability,
765   because it is quite likely that some libraries an application
766   depends on cannot be recompiled easily. This would not meet
767   our <emphasis>usability</emphasis> or <emphasis>minimize recompilation</emphasis> criteria
768   well.</para></listitem>
769
770   <listitem><para><emphasis>Add a <code>Debug</code> boolean template parameter</emphasis>:
771   Partial specialization could be used to select the debug
772   implementation when <code>Debug == true</code>, and the state
773   of <code>_GLIBCXX_DEBUG</code> could decide whether the
774   default <code>Debug</code> argument is <code>true</code>
775   or <code>false</code>. This option would break conformance with the
776   C++ standard in both debug <emphasis>and</emphasis> release modes. This would
777   not meet our <emphasis>correctness</emphasis> criteria. </para></listitem>
778
779   <listitem><para><emphasis>Packaging a debug flag in the allocators</emphasis>: We could
780     reuse the <code>Allocator</code> template parameter of containers
781     by adding a sentinel wrapper <code>debug&lt;&gt;</code> that
782     signals the user's intention to use debugging, and pick up
783     the <code>debug&lt;&gt;</code> allocator wrapper in a partial
784     specialization. However, this has two drawbacks: first, there is a
785     conformance issue because the default allocator would not be the
786     standard-specified <code>std::allocator&lt;T&gt;</code>. Secondly
787     (and more importantly), users that specify allocators instead of
788     implicitly using the default allocator would not get debugging
789     containers. Thus this solution fails the <emphasis>correctness</emphasis>
790     criteria.</para></listitem>
791
792   <listitem><para><emphasis>Define debug containers in another namespace, and employ
793       a <code>using</code> declaration (or directive)</emphasis>: This is an
794       enticing option, because it would eliminate the need for
795       the <code>link_name</code> extension by aliasing the
796       templates. However, there is no true template aliasing mechanism
797       in C++, because both <code>using</code> directives and using
798       declarations disallow specialization. This method fails
799       the <emphasis>correctness</emphasis> criteria.</para></listitem>
800
801   <listitem><para><emphasis> Use implementation-specific properties of anonymous
802     namespaces. </emphasis>
803     See <link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="http://gcc.gnu.org/ml/libstdc++/2003-08/msg00004.html"> this post
804     </link>
805     This method fails the <emphasis>correctness</emphasis> criteria.</para></listitem>
806
807   <listitem><para><emphasis>Extension: allow reopening on namespaces</emphasis>: This would
808     allow the debug mode to effectively alias the
809     namespace <code>std</code> to an internal namespace, such
810     as <code>__gnu_std_debug</code>, so that it is completely
811     separate from the release-mode <code>std</code> namespace. While
812     this will solve some renaming problems and ensure that
813     debug- and release-compiled code cannot be mixed unsafely, it ensures that
814     debug- and release-compiled code cannot be mixed at all. For
815     instance, the program would have two <code>std::cout</code>
816     objects! This solution would fails the <emphasis>minimize
817     recompilation</emphasis> requirement, because we would only be able to
818     support option (1) or (2).</para></listitem>
819
820   <listitem><para><emphasis>Extension: use link name</emphasis>: This option involves
821     complicated re-naming between debug-mode and release-mode
822     components at compile time, and then a g++ extension called <emphasis>
823     link name </emphasis> to recover the original names at link time. There
824     are two drawbacks to this approach. One, it's very verbose,
825     relying on macro renaming at compile time and several levels of
826     include ordering. Two, ODR issues remained with container member
827     functions taking no arguments in mixed-mode settings resulting in
828     equivalent link names, <code> vector::push_back() </code> being
829     one example.
830     See <link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="http://gcc.gnu.org/ml/libstdc++/2003-08/msg00177.html">link
831     name</link> </para></listitem>
832 </itemizedlist>
833
834 <para>Other options may exist for implementing the debug mode, many of
835   which have probably been considered and others that may still be
836   lurking. This list may be expanded over time to include other
837   options that we could have implemented, but in all cases the full
838   ramifications of the approach (as measured against the design goals
839   for a libstdc++ debug mode) should be considered first. The DejaGNU
840   testsuite includes some testcases that check for known problems with
841   some solutions (e.g., the <code>using</code> declaration solution
842   that breaks user specialization), and additional testcases will be
843   added as we are able to identify other typical problem cases. These
844   test cases will serve as a benchmark by which we can compare debug
845   mode implementations.</para>
846  </section>
847   </section>
848   </section>
849
850   <section xml:id="debug_mode.design.other" xreflabel="Other"><info><title>Other Implementations</title></info>
851     
852     <para>
853     </para>
854 <para> There are several existing implementations of debug modes for C++
855   standard library implementations, although none of them directly
856   supports debugging for programs using libstdc++. The existing
857   implementations include:</para>
858 <itemizedlist>
859   <listitem><para><link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="http://www.cs.sjsu.edu/faculty/horstman/safestl.html">SafeSTL</link>:
860   SafeSTL was the original debugging version of the Standard Template
861   Library (STL), implemented by Cay S. Horstmann on top of the
862   Hewlett-Packard STL. Though it inspired much work in this area, it
863   has not been kept up-to-date for use with modern compilers or C++
864   standard library implementations.</para></listitem>
865
866   <listitem><para><link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="http://www.stlport.org/">STLport</link>: STLport is a free
867   implementation of the C++ standard library derived from the <link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="http://www.sgi.com/tech/stl/">SGI implementation</link>, and
868   ported to many other platforms. It includes a debug mode that uses a
869   wrapper model (that in some ways inspired the libstdc++ debug mode
870   design), although at the time of this writing the debug mode is
871   somewhat incomplete and meets only the "Full user recompilation" (2)
872   recompilation guarantee by requiring the user to link against a
873   different library in debug mode vs. release mode.</para></listitem>
874
875   <listitem><para>Metrowerks CodeWarrior: The C++ standard library
876   that ships with Metrowerks CodeWarrior includes a debug mode. It is
877   a full debug-mode implementation (including debugging for
878   CodeWarrior extensions) and is easy to use, although it meets only
879   the "Full recompilation" (1) recompilation
880   guarantee.</para></listitem>
881 </itemizedlist>
882
883   </section>
884 </section>
885
886 </chapter>