dbadaed10eef95ef2dde6433e824a76c2f30d3bf
[platform/upstream/llvm.git] / llvm / docs / SourceLevelDebugging.rst
1 ================================
2 Source Level Debugging with LLVM
3 ================================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 Introduction
9 ============
10
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.
16
17 Philosophy behind LLVM debugging information
18 --------------------------------------------
19
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:
24
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.
28
29 * LLVM optimizations should interact in :ref:`well-defined and easily described
30   ways <intro_debugopt>` with the debugging information.
31
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.
35
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.
39
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.
44
45 The approach used by the LLVM implementation is to use a small set of
46 :ref:`intrinsic functions <format_common_intrinsics>` 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>`_).
52
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.
57
58 Debug information consumers
59 ---------------------------
60
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.
65
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.
73
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.
77
78 .. _intro_debugopt:
79
80 Debug information and optimizations
81 -----------------------------------
82
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:
86
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.
95
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.
100
101 * LLVM debug information does not prevent optimizations from
102   happening (for example inlining, basic block reordering/merging/cleanup,
103   tail duplication, etc).
104
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.
109
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.
118
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:
122
123 .. code-block:: bash
124
125   % cd llvm/projects/test-suite/MultiSource/Benchmarks  # or some other level
126   % make TEST=dbgopt
127
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.
132
133 .. _format:
134
135 Debugging information format
136 ============================
137
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.
144
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.
148
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.
155
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.
162
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.
166
167 Debug information descriptors are `specialized metadata nodes
168 <LangRef.html#specialized-metadata>`_, first-class subclasses of ``Metadata``.
169
170 .. _format_common_intrinsics:
171
172 Debugger intrinsic functions
173 ----------------------------
174
175 LLVM uses several intrinsic functions (name prefixed with "``llvm.dbg``") to
176 track source local variables through optimization and code generation.
177
178 ``llvm.dbg.addr``
179 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
180
181 .. code-block:: llvm
182
183   void @llvm.dbg.addr(metadata, metadata, metadata)
184
185 This intrinsic provides information about a local element (e.g., variable).
186 The first argument is metadata holding the address of variable, typically a
187 static alloca in the function entry block.  The second argument is a
188 `local variable <LangRef.html#dilocalvariable>`_ containing a description of
189 the variable.  The third argument is a `complex expression
190 <LangRef.html#diexpression>`_.  An `llvm.dbg.addr` intrinsic describes the
191 *address* of a source variable.
192
193 .. code-block:: text
194
195     %i.addr = alloca i32, align 4
196     call void @llvm.dbg.addr(metadata i32* %i.addr, metadata !1,
197                              metadata !DIExpression()), !dbg !2
198     !1 = !DILocalVariable(name: "i", ...) ; int i
199     !2 = !DILocation(...)
200     ...
201     %buffer = alloca [256 x i8], align 8
202     ; The address of i is buffer+64.
203     call void @llvm.dbg.addr(metadata [256 x i8]* %buffer, metadata !3,
204                              metadata !DIExpression(DW_OP_plus, 64)), !dbg !4
205     !3 = !DILocalVariable(name: "i", ...) ; int i
206     !4 = !DILocation(...)
207
208 A frontend should generate exactly one call to ``llvm.dbg.addr`` at the point
209 of declaration of a source variable. Optimization passes that fully promote the
210 variable from memory to SSA values will replace this call with possibly
211 multiple calls to `llvm.dbg.value`. Passes that delete stores are effectively
212 partial promotion, and they will insert a mix of calls to ``llvm.dbg.value``
213 and ``llvm.dbg.addr`` to track the source variable value when it is available.
214 After optimization, there may be multiple calls to ``llvm.dbg.addr`` describing
215 the program points where the variables lives in memory. All calls for the same
216 concrete source variable must agree on the memory location.
217
218
219 ``llvm.dbg.declare``
220 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
221
222 .. code-block:: llvm
223
224   void @llvm.dbg.declare(metadata, metadata, metadata)
225
226 This intrinsic is identical to `llvm.dbg.addr`, except that there can only be
227 one call to `llvm.dbg.declare` for a given concrete `local variable
228 <LangRef.html#dilocalvariable>`_. It is not control-dependent, meaning that if
229 a call to `llvm.dbg.declare` exists and has a valid location argument, that
230 address is considered to be the true home of the variable across its entire
231 lifetime. This makes it hard for optimizations to preserve accurate debug info
232 in the presence of ``llvm.dbg.declare``, so we are transitioning away from it,
233 and we plan to deprecate it in future LLVM releases.
234
235
236 ``llvm.dbg.value``
237 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
238
239 .. code-block:: llvm
240
241   void @llvm.dbg.value(metadata, metadata, metadata)
242
243 This intrinsic provides information when a user source variable is set to a new
244 value.  The first argument is the new value (wrapped as metadata).  The second
245 argument is a `local variable <LangRef.html#dilocalvariable>`_ containing a
246 description of the variable.  The third argument is a `complex expression
247 <LangRef.html#diexpression>`_.
248
249 An `llvm.dbg.value` intrinsic describes the *value* of a source variable
250 directly, not its address.  Note that the value operand of this intrinsic may
251 be indirect (i.e, a pointer to the source variable), provided that interpreting
252 the complex expression derives the direct value.
253
254 Object lifetimes and scoping
255 ============================
256
257 In many languages, the local variables in functions can have their lifetimes or
258 scopes limited to a subset of a function.  In the C family of languages, for
259 example, variables are only live (readable and writable) within the source
260 block that they are defined in.  In functional languages, values are only
261 readable after they have been defined.  Though this is a very obvious concept,
262 it is non-trivial to model in LLVM, because it has no notion of scoping in this
263 sense, and does not want to be tied to a language's scoping rules.
264
265 In order to handle this, the LLVM debug format uses the metadata attached to
266 llvm instructions to encode line number and scoping information.  Consider the
267 following C fragment, for example:
268
269 .. code-block:: c
270
271   1.  void foo() {
272   2.    int X = 21;
273   3.    int Y = 22;
274   4.    {
275   5.      int Z = 23;
276   6.      Z = X;
277   7.    }
278   8.    X = Y;
279   9.  }
280
281 .. FIXME: Update the following example to use llvm.dbg.addr once that is the
282    default in clang.
283
284 Compiled to LLVM, this function would be represented like this:
285
286 .. code-block:: text
287
288   ; Function Attrs: nounwind ssp uwtable
289   define void @foo() #0 !dbg !4 {
290   entry:
291     %X = alloca i32, align 4
292     %Y = alloca i32, align 4
293     %Z = alloca i32, align 4
294     call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %X, metadata !11, metadata !13), !dbg !14
295     store i32 21, i32* %X, align 4, !dbg !14
296     call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %Y, metadata !15, metadata !13), !dbg !16
297     store i32 22, i32* %Y, align 4, !dbg !16
298     call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %Z, metadata !17, metadata !13), !dbg !19
299     store i32 23, i32* %Z, align 4, !dbg !19
300     %0 = load i32, i32* %X, align 4, !dbg !20
301     store i32 %0, i32* %Z, align 4, !dbg !21
302     %1 = load i32, i32* %Y, align 4, !dbg !22
303     store i32 %1, i32* %X, align 4, !dbg !23
304     ret void, !dbg !24
305   }
306
307   ; Function Attrs: nounwind readnone
308   declare void @llvm.dbg.declare(metadata, metadata, metadata) #1
309
310   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" }
311   attributes #1 = { nounwind readnone }
312
313   !llvm.dbg.cu = !{!0}
314   !llvm.module.flags = !{!7, !8, !9}
315   !llvm.ident = !{!10}
316
317   !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)
318   !1 = !DIFile(filename: "/dev/stdin", directory: "/Users/dexonsmith/data/llvm/debug-info")
319   !2 = !{}
320   !3 = !{!4}
321   !4 = distinct !DISubprogram(name: "foo", scope: !1, file: !1, line: 1, type: !5, isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1, isOptimized: false, retainedNodes: !2)
322   !5 = !DISubroutineType(types: !6)
323   !6 = !{null}
324   !7 = !{i32 2, !"Dwarf Version", i32 2}
325   !8 = !{i32 2, !"Debug Info Version", i32 3}
326   !9 = !{i32 1, !"PIC Level", i32 2}
327   !10 = !{!"clang version 3.7.0 (trunk 231150) (llvm/trunk 231154)"}
328   !11 = !DILocalVariable(name: "X", scope: !4, file: !1, line: 2, type: !12)
329   !12 = !DIBasicType(name: "int", size: 32, align: 32, encoding: DW_ATE_signed)
330   !13 = !DIExpression()
331   !14 = !DILocation(line: 2, column: 9, scope: !4)
332   !15 = !DILocalVariable(name: "Y", scope: !4, file: !1, line: 3, type: !12)
333   !16 = !DILocation(line: 3, column: 9, scope: !4)
334   !17 = !DILocalVariable(name: "Z", scope: !18, file: !1, line: 5, type: !12)
335   !18 = distinct !DILexicalBlock(scope: !4, file: !1, line: 4, column: 5)
336   !19 = !DILocation(line: 5, column: 11, scope: !18)
337   !20 = !DILocation(line: 6, column: 11, scope: !18)
338   !21 = !DILocation(line: 6, column: 9, scope: !18)
339   !22 = !DILocation(line: 8, column: 9, scope: !4)
340   !23 = !DILocation(line: 8, column: 7, scope: !4)
341   !24 = !DILocation(line: 9, column: 3, scope: !4)
342
343
344 This example illustrates a few important details about LLVM debugging
345 information.  In particular, it shows how the ``llvm.dbg.declare`` intrinsic and
346 location information, which are attached to an instruction, are applied
347 together to allow a debugger to analyze the relationship between statements,
348 variable definitions, and the code used to implement the function.
349
350 .. code-block:: llvm
351
352   call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %X, metadata !11, metadata !13), !dbg !14
353     ; [debug line = 2:7] [debug variable = X]
354
355 The first intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for the
356 variable ``X``.  The metadata ``!dbg !14`` attached to the intrinsic provides
357 scope information for the variable ``X``.
358
359 .. code-block:: text
360
361   !14 = !DILocation(line: 2, column: 9, scope: !4)
362   !4 = distinct !DISubprogram(name: "foo", scope: !1, file: !1, line: 1, type: !5,
363                               isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1,
364                               isOptimized: false, retainedNodes: !2)
365
366 Here ``!14`` is metadata providing `location information
367 <LangRef.html#dilocation>`_.  In this example, scope is encoded by ``!4``, a
368 `subprogram descriptor <LangRef.html#disubprogram>`_.  This way the location
369 information attached to the intrinsics indicates that the variable ``X`` is
370 declared at line number 2 at a function level scope in function ``foo``.
371
372 Now lets take another example.
373
374 .. code-block:: llvm
375
376   call void @llvm.dbg.declare(metadata i32* %Z, metadata !17, metadata !13), !dbg !19
377     ; [debug line = 5:9] [debug variable = Z]
378
379 The third intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for
380 variable ``Z``.  The metadata ``!dbg !19`` attached to the intrinsic provides
381 scope information for the variable ``Z``.
382
383 .. code-block:: text
384
385   !18 = distinct !DILexicalBlock(scope: !4, file: !1, line: 4, column: 5)
386   !19 = !DILocation(line: 5, column: 11, scope: !18)
387
388 Here ``!19`` indicates that ``Z`` is declared at line number 5 and column
389 number 11 inside of lexical scope ``!18``.  The lexical scope itself resides
390 inside of subprogram ``!4`` described above.
391
392 The scope information attached with each instruction provides a straightforward
393 way to find instructions covered by a scope.
394
395 Object lifetime in optimized code
396 =================================
397
398 In the example above, every variable assignment uniquely corresponds to a
399 memory store to the variable's position on the stack. However in heavily
400 optimized code LLVM promotes most variables into SSA values, which can
401 eventually be placed in physical registers or memory locations. To track SSA
402 values through compilation, when objects are promoted to SSA values an
403 ``llvm.dbg.value`` intrinsic is created for each assignment, recording the
404 variable's new location. Compared with the ``llvm.dbg.declare`` intrinsic:
405
406 * A dbg.value terminates the effect of any preceding dbg.values for (any
407   overlapping fragments of) the specified variable.
408 * The dbg.value's position in the IR defines where in the instruction stream
409   the variable's value changes.
410 * Operands can be constants, indicating the variable is assigned a
411   constant value.
412
413 Care must be taken to update ``llvm.dbg.value`` intrinsics when optimization
414 passes alter or move instructions and blocks -- the developer could observe such
415 changes reflected in the value of variables when debugging the program. For any
416 execution of the optimized program, the set of variable values presented to the
417 developer by the debugger should not show a state that would never have existed
418 in the execution of the unoptimized program, given the same input. Doing so
419 risks misleading the developer by reporting a state that does not exist,
420 damaging their understanding of the optimized program and undermining their
421 trust in the debugger.
422
423 Sometimes perfectly preserving variable locations is not possible, often when a
424 redundant calculation is optimized out. In such cases, a ``llvm.dbg.value``
425 with operand ``undef`` should be used, to terminate earlier variable locations
426 and let the debugger present ``optimized out`` to the developer. Withholding
427 these potentially stale variable values from the developer diminishes the
428 amount of available debug information, but increases the reliability of the
429 remaining information.
430  
431 To illustrate some potential issues, consider the following example:
432
433 .. code-block:: llvm
434
435   define i32 @foo(i32 %bar, i1 %cond) {
436   entry:
437     call @llvm.dbg.value(metadata i32 0, metadata !1, metadata !2)
438     br i1 %cond, label %truebr, label %falsebr
439   truebr:
440     %tval = add i32 %bar, 1
441     call @llvm.dbg.value(metadata i32 %tval, metadata !1, metadata !2)
442     %g1 = call i32 @gazonk()
443     br label %exit
444   falsebr:
445     %fval = add i32 %bar, 2
446     call @llvm.dbg.value(metadata i32 %fval, metadata !1, metadata !2)
447     %g2 = call i32 @gazonk()
448     br label %exit
449   exit:
450     %merge = phi [ %tval, %truebr ], [ %fval, %falsebr ]
451     %g = phi [ %g1, %truebr ], [ %g2, %falsebr ]
452     call @llvm.dbg.value(metadata i32 %merge, metadata !1, metadata !2)
453     call @llvm.dbg.value(metadata i32 %g, metadata !3, metadata !2)
454     %plusten = add i32 %merge, 10
455     %toret = add i32 %plusten, %g
456     call @llvm.dbg.value(metadata i32 %toret, metadata !1, metadata !2)
457     ret i32 %toret
458   }
459
460 Containing two source-level variables in ``!1`` and ``!3``. The function could,
461 perhaps, be optimized into the following code:
462
463 .. code-block:: llvm
464
465   define i32 @foo(i32 %bar, i1 %cond) {
466   entry:
467     %g = call i32 @gazonk()
468     %addoper = select i1 %cond, i32 11, i32 12
469     %plusten = add i32 %bar, %addoper
470     %toret = add i32 %plusten, %g
471     ret i32 %toret
472   }
473
474 What ``llvm.dbg.value`` intrinsics should be placed to represent the original variable
475 locations in this code? Unfortunately the second, third and fourth
476 dbg.values for ``!1`` in the source function have had their operands
477 (%tval, %fval, %merge) optimized out. Assuming we cannot recover them, we
478 might consider this placement of dbg.values:
479
480 .. code-block:: llvm
481
482   define i32 @foo(i32 %bar, i1 %cond) {
483   entry:
484     call @llvm.dbg.value(metadata i32 0, metadata !1, metadata !2)
485     %g = call i32 @gazonk()
486     call @llvm.dbg.value(metadata i32 %g, metadata !3, metadata !2)
487     %addoper = select i1 %cond, i32 11, i32 12
488     %plusten = add i32 %bar, %addoper
489     %toret = add i32 %plusten, %g
490     call @llvm.dbg.value(metadata i32 %toret, metadata !1, metadata !2)
491     ret i32 %toret
492   }
493
494 However, this will cause ``!3`` to have the return value of ``@gazonk()`` at
495 the same time as ``!1`` has the constant value zero -- a pair of assignments
496 that never occurred in the unoptimized program. To avoid this, we must terminate
497 the range that ``!1`` has the constant value assignment by inserting an undef
498 dbg.value before the dbg.value for ``!3``:
499
500 .. code-block:: llvm
501
502   define i32 @foo(i32 %bar, i1 %cond) {
503   entry:
504     call @llvm.dbg.value(metadata i32 0, metadata !1, metadata !2)
505     %g = call i32 @gazonk()
506     call @llvm.dbg.value(metadata i32 undef, metadata !1, metadata !2)
507     call @llvm.dbg.value(metadata i32 %g, metadata !3, metadata !2)
508     %addoper = select i1 %cond, i32 11, i32 12
509     %plusten = add i32 %bar, %addoper
510     %toret = add i32 %plusten, %g
511     call @llvm.dbg.value(metadata i32 %toret, metadata !1, metadata !2)
512     ret i32 %toret
513   }
514
515 In general, if any dbg.value has its operand optimized out and cannot be
516 recovered, then an undef dbg.value is necessary to terminate earlier variable
517 locations. Additional undef dbg.values may be necessary when the debugger can
518 observe re-ordering of assignments.
519
520 How variable location metadata is transformed during CodeGen
521 ============================================================
522
523 LLVM preserves debug information throughout mid-level and backend passes,
524 ultimately producing a mapping between source-level information and
525 instruction ranges. This
526 is relatively straightforwards for line number information, as mapping
527 instructions to line numbers is a simple association. For variable locations
528 however the story is more complex. As each ``llvm.dbg.value`` intrinsic
529 represents a source-level assignment of a value to a source variable, the
530 variable location intrinsics effectively embed a small imperative program
531 within the LLVM IR. By the end of CodeGen, this becomes a mapping from each
532 variable to their machine locations over ranges of instructions.
533 From IR to object emission, the major transformations which affect variable
534 location fidelity are:
535
536 1. Instruction Selection
537 2. Register allocation
538 3. Block layout
539
540 each of which are discussed below. In addition, instruction scheduling can
541 significantly change the ordering of the program, and occurs in a number of
542 different passes.
543
544 Some variable locations are not transformed during CodeGen. Stack locations
545 specified by ``llvm.dbg.declare`` are valid and unchanging for the entire
546 duration of the function, and are recorded in a simple MachineFunction table.
547 Location changes in the prologue and epilogue of a function are also ignored:
548 frame setup and destruction may take several instructions, require a
549 disproportionate amount of debugging information in the output binary to
550 describe, and should be stepped over by debuggers anyway.
551
552 Variable locations in Instruction Selection and MIR
553 ---------------------------------------------------
554
555 Instruction selection creates a MIR function from an IR function, and just as
556 it transforms ``intermediate`` instructions into machine instructions, so must
557 ``intermediate`` variable locations become machine variable locations.
558 Within IR, variable locations are always identified by a Value, but in MIR
559 there can be different types of variable locations. In addition, some IR
560 locations become unavailable, for example if the operation of multiple IR
561 instructions are combined into one machine instruction (such as
562 multiply-and-accumulate) then intermediate Values are lost. To track variable
563 locations through instruction selection, they are first separated into
564 locations that do not depend on code generation (constants, stack locations,
565 allocated virtual registers) and those that do. For those that do, debug
566 metadata is attached to SDNodes in SelectionDAGs. After instruction selection
567 has occurred and a MIR function is created, if the SDNode associated with debug
568 metadata is allocated a virtual register, that virtual register is used as the
569 variable location. If the SDNode is folded into a machine instruction or
570 otherwise transformed into a non-register, the variable location becomes
571 unavailable.
572
573 Locations that are unavailable are treated as if they have been optimized out:
574 in IR the location would be assigned ``undef`` by a debug intrinsic, and in MIR
575 the equivalent location is used.
576
577 After MIR locations are assigned to each variable, machine pseudo-instructions
578 corresponding to each ``llvm.dbg.value`` and ``llvm.dbg.addr`` intrinsic are
579 inserted. There are two forms of this type of instruction.
580
581 The first form, ``DBG_VALUE``, appears thus:
582
583 .. code-block:: text
584
585   DBG_VALUE %1, $noreg, !123, !DIExpression()
586
587 And has the following operands:
588  * The first operand can record the variable location as a register,
589    a frame index, an immediate, or the base address register if the original
590    debug intrinsic referred to memory. ``$noreg`` indicates the variable
591    location is undefined, equivalent to an ``undef`` dbg.value operand.
592  * The type of the second operand indicates whether the variable location is
593    directly referred to by the DBG_VALUE, or whether it is indirect. The
594    ``$noreg`` register signifies the former, an immediate operand (0) the
595    latter.
596  * Operand 3 is the Variable field of the original debug intrinsic.
597  * Operand 4 is the Expression field of the original debug intrinsic.
598
599 The second form, ``DBG_VALUE_LIST``, appears thus:
600
601 .. code-block:: text
602
603   DBG_VALUE_LIST !123, !DIExpression(DW_OP_LLVM_arg, 0, DW_OP_LLVM_arg, 1, DW_OP_plus), %1, %2
604
605 And has the following operands:
606  * The first operand is the Variable field of the original debug intrinsic.
607  * The second operand is the Expression field of the original debug intrinsic.
608  * Any number of operands, from the 3rd onwards, record a sequence of variable
609    location operands, which may take any of the same values as the first
610    operand of the ``DBG_VALUE`` instruction above. These variable location
611    operands are inserted into the final DWARF Expression in positions indicated
612    by the DW_OP_LLVM_arg operator in the `DIExpression
613    <LangRef.html#diexpression>`.
614
615 The position at which the DBG_VALUEs are inserted should correspond to the
616 positions of their matching ``llvm.dbg.value`` intrinsics in the IR block.  As
617 with optimization, LLVM aims to preserve the order in which variable
618 assignments occurred in the source program. However SelectionDAG performs some
619 instruction scheduling, which can reorder assignments (discussed below).
620 Function parameter locations are moved to the beginning of the function if
621 they're not already, to ensure they're immediately available on function entry.
622
623 To demonstrate variable locations during instruction selection, consider
624 the following example:
625
626 .. code-block:: llvm
627
628   define i32 @foo(i32* %addr) {
629   entry:
630     call void @llvm.dbg.value(metadata i32 0, metadata !3, metadata !DIExpression()), !dbg !5
631     br label %bb1, !dbg !5
632
633   bb1:                                              ; preds = %bb1, %entry
634     %bar.0 = phi i32 [ 0, %entry ], [ %add, %bb1 ]
635     call void @llvm.dbg.value(metadata i32 %bar.0, metadata !3, metadata !DIExpression()), !dbg !5
636     %addr1 = getelementptr i32, i32 *%addr, i32 1, !dbg !5
637     call void @llvm.dbg.value(metadata i32 *%addr1, metadata !3, metadata !DIExpression()), !dbg !5
638     %loaded1 = load i32, i32* %addr1, !dbg !5
639     %addr2 = getelementptr i32, i32 *%addr, i32 %bar.0, !dbg !5
640     call void @llvm.dbg.value(metadata i32 *%addr2, metadata !3, metadata !DIExpression()), !dbg !5
641     %loaded2 = load i32, i32* %addr2, !dbg !5
642     %add = add i32 %bar.0, 1, !dbg !5
643     call void @llvm.dbg.value(metadata i32 %add, metadata !3, metadata !DIExpression()), !dbg !5
644     %added = add i32 %loaded1, %loaded2
645     %cond = icmp ult i32 %added, %bar.0, !dbg !5
646     br i1 %cond, label %bb1, label %bb2, !dbg !5
647
648   bb2:                                              ; preds = %bb1
649     ret i32 0, !dbg !5
650   }
651
652 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:
653
654 .. code-block:: text
655
656   bb.0.entry:
657     successors: %bb.1(0x80000000)
658     liveins: $rdi
659
660     %2:gr64 = COPY $rdi
661     %3:gr32 = MOV32r0 implicit-def dead $eflags
662     DBG_VALUE 0, $noreg, !3, !DIExpression(), debug-location !5
663
664   bb.1.bb1:
665     successors: %bb.1(0x7c000000), %bb.2(0x04000000)
666
667     %0:gr32 = PHI %3, %bb.0, %1, %bb.1
668     DBG_VALUE %0, $noreg, !3, !DIExpression(), debug-location !5
669     DBG_VALUE %2, $noreg, !3, !DIExpression(DW_OP_plus_uconst, 4, DW_OP_stack_value), debug-location !5
670     %4:gr32 = MOV32rm %2, 1, $noreg, 4, $noreg, debug-location !5 :: (load 4 from %ir.addr1)
671     %5:gr64_nosp = MOVSX64rr32 %0, debug-location !5
672     DBG_VALUE $noreg, $noreg, !3, !DIExpression(), debug-location !5
673     %1:gr32 = INC32r %0, implicit-def dead $eflags, debug-location !5
674     DBG_VALUE %1, $noreg, !3, !DIExpression(), debug-location !5
675     %6:gr32 = ADD32rm %4, %2, 4, killed %5, 0, $noreg, implicit-def dead $eflags :: (load 4 from %ir.addr2)
676     %7:gr32 = SUB32rr %6, %0, implicit-def $eflags, debug-location !5
677     JB_1 %bb.1, implicit $eflags, debug-location !5
678     JMP_1 %bb.2, debug-location !5
679
680   bb.2.bb2:
681     %8:gr32 = MOV32r0 implicit-def dead $eflags
682     $eax = COPY %8, debug-location !5
683     RET 0, $eax, debug-location !5
684
685 Observe first that there is a DBG_VALUE instruction for every ``llvm.dbg.value``
686 intrinsic in the source IR, ensuring no source level assignments go missing.
687 Then consider the different ways in which variable locations have been recorded:
688
689 * For the first dbg.value an immediate operand is used to record a zero value.
690 * The dbg.value of the PHI instruction leads to a DBG_VALUE of virtual register
691   ``%0``.
692 * The first GEP has its effect folded into the first load instruction
693   (as a 4-byte offset), but the variable location is salvaged by folding
694   the GEPs effect into the DIExpression.
695 * The second GEP is also folded into the corresponding load. However, it is
696   insufficiently simple to be salvaged, and is emitted as a ``$noreg``
697   DBG_VALUE, indicating that the variable takes on an undefined location.
698 * The final dbg.value has its Value placed in virtual register ``%1``.
699
700 Instruction Scheduling
701 ----------------------
702
703 A number of passes can reschedule instructions, notably instruction selection
704 and the pre-and-post RA machine schedulers. Instruction scheduling can
705 significantly change the nature of the program -- in the (very unlikely) worst
706 case the instruction sequence could be completely reversed. In such
707 circumstances LLVM follows the principle applied to optimizations, that it is
708 better for the debugger not to display any state than a misleading state.
709 Thus, whenever instructions are advanced in order of execution, any
710 corresponding DBG_VALUE is kept in its original position, and if an instruction
711 is delayed then the variable is given an undefined location for the duration
712 of the delay. To illustrate, consider this pseudo-MIR:
713
714 .. code-block:: text
715
716   %1:gr32 = MOV32rm %0, 1, $noreg, 4, $noreg, debug-location !5 :: (load 4 from %ir.addr1)
717   DBG_VALUE %1, $noreg, !1, !2
718   %4:gr32 = ADD32rr %3, %2, implicit-def dead $eflags
719   DBG_VALUE %4, $noreg, !3, !4
720   %7:gr32 = SUB32rr %6, %5, implicit-def dead $eflags
721   DBG_VALUE %7, $noreg, !5, !6
722
723 Imagine that the SUB32rr were moved forward to give us the following MIR:
724
725 .. code-block:: text
726
727   %7:gr32 = SUB32rr %6, %5, implicit-def dead $eflags
728   %1:gr32 = MOV32rm %0, 1, $noreg, 4, $noreg, debug-location !5 :: (load 4 from %ir.addr1)
729   DBG_VALUE %1, $noreg, !1, !2
730   %4:gr32 = ADD32rr %3, %2, implicit-def dead $eflags
731   DBG_VALUE %4, $noreg, !3, !4
732   DBG_VALUE %7, $noreg, !5, !6
733
734 In this circumstance LLVM would leave the MIR as shown above. Were we to move
735 the DBG_VALUE of virtual register %7 upwards with the SUB32rr, we would re-order
736 assignments and introduce a new state of the program. Whereas with the solution
737 above, the debugger will see one fewer combination of variable values, because
738 ``!3`` and ``!5`` will change value at the same time. This is preferred over
739 misrepresenting the original program.
740
741 In comparison, if one sunk the MOV32rm, LLVM would produce the following:
742
743 .. code-block:: text
744
745   DBG_VALUE $noreg, $noreg, !1, !2
746   %4:gr32 = ADD32rr %3, %2, implicit-def dead $eflags
747   DBG_VALUE %4, $noreg, !3, !4
748   %7:gr32 = SUB32rr %6, %5, implicit-def dead $eflags
749   DBG_VALUE %7, $noreg, !5, !6
750   %1:gr32 = MOV32rm %0, 1, $noreg, 4, $noreg, debug-location !5 :: (load 4 from %ir.addr1)
751   DBG_VALUE %1, $noreg, !1, !2
752
753 Here, to avoid presenting a state in which the first assignment to ``!1``
754 disappears, the DBG_VALUE at the top of the block assigns the variable the
755 undefined location, until its value is available at the end of the block where
756 an additional DBG_VALUE is added. Were any other DBG_VALUE for ``!1`` to occur
757 in the instructions that the MOV32rm was sunk past, the DBG_VALUE for ``%1``
758 would be dropped and the debugger would never observe it in the variable. This
759 accurately reflects that the value is not available during the corresponding
760 portion of the original program.
761
762 Variable locations during Register Allocation
763 ---------------------------------------------
764
765 To avoid debug instructions interfering with the register allocator, the
766 LiveDebugVariables pass extracts variable locations from a MIR function and
767 deletes the corresponding DBG_VALUE instructions. Some localized copy
768 propagation is performed within blocks. After register allocation, the
769 VirtRegRewriter pass re-inserts DBG_VALUE instructions in their original
770 positions, translating virtual register references into their physical
771 machine locations. To avoid encoding incorrect variable locations, in this
772 pass any DBG_VALUE of a virtual register that is not live, is replaced by
773 the undefined location. The LiveDebugVariables may insert redundant DBG_VALUEs
774 because of virtual register rewriting. These will be subsequently removed by
775 the RemoveRedundantDebugValues pass.
776
777 LiveDebugValues expansion of variable locations
778 -----------------------------------------------
779
780 After all optimizations have run and shortly before emission, the
781 LiveDebugValues pass runs to achieve two aims:
782
783 * To propagate the location of variables through copies and register spills,
784 * For every block, to record every valid variable location in that block.
785
786 After this pass the DBG_VALUE instruction changes meaning: rather than
787 corresponding to a source-level assignment where the variable may change value,
788 it asserts the location of a variable in a block, and loses effect outside the
789 block. Propagating variable locations through copies and spills is
790 straightforwards: determining the variable location in every basic block
791 requires the consideration of control flow. Consider the following IR, which
792 presents several difficulties:
793
794 .. code-block:: text
795
796   define dso_local i32 @foo(i1 %cond, i32 %input) !dbg !12 {
797   entry:
798     br i1 %cond, label %truebr, label %falsebr
799
800   bb1: 
801     %value = phi i32 [ %value1, %truebr ], [ %value2, %falsebr ]
802     br label %exit, !dbg !26
803
804   truebr:
805     call void @llvm.dbg.value(metadata i32 %input, metadata !30, metadata !DIExpression()), !dbg !24
806     call void @llvm.dbg.value(metadata i32 1, metadata !23, metadata !DIExpression()), !dbg !24
807     %value1 = add i32 %input, 1
808     br label %bb1
809
810   falsebr:
811     call void @llvm.dbg.value(metadata i32 %input, metadata !30, metadata !DIExpression()), !dbg !24
812     call void @llvm.dbg.value(metadata i32 2, metadata !23, metadata !DIExpression()), !dbg !24
813     %value = add i32 %input, 2
814     br label %bb1
815
816   exit: 
817     ret i32 %value, !dbg !30
818   }
819
820 Here the difficulties are:
821
822 * The control flow is roughly the opposite of basic block order
823 * The value of the ``!23`` variable merges into ``%bb1``, but there is no PHI
824   node
825
826 As mentioned above, the ``llvm.dbg.value`` intrinsics essentially form an
827 imperative program embedded in the IR, with each intrinsic defining a variable
828 location. This *could* be converted to an SSA form by mem2reg, in the same way
829 that it uses use-def chains to identify control flow merges and insert phi
830 nodes for IR Values. However, because debug variable locations are defined for
831 every machine instruction, in effect every IR instruction uses every variable
832 location, which would lead to a large number of debugging intrinsics being
833 generated.
834
835 Examining the example above, variable ``!30`` is assigned ``%input`` on both
836 conditional paths through the function, while ``!23`` is assigned differing
837 constant values on either path. Where control flow merges in ``%bb1`` we would
838 want ``!30`` to keep its location (``%input``), but ``!23`` to become undefined
839 as we cannot determine at runtime what value it should have in %bb1 without
840 inserting a PHI node. mem2reg does not insert the PHI node to avoid changing
841 codegen when debugging is enabled, and does not insert the other dbg.values
842 to avoid adding very large numbers of intrinsics.
843
844 Instead, LiveDebugValues determines variable locations when control
845 flow merges. A dataflow analysis is used to propagate locations between blocks:
846 when control flow merges, if a variable has the same location in all
847 predecessors then that location is propagated into the successor. If the
848 predecessor locations disagree, the location becomes undefined.
849
850 Once LiveDebugValues has run, every block should have all valid variable
851 locations described by DBG_VALUE instructions within the block. Very little
852 effort is then required by supporting classes (such as
853 DbgEntityHistoryCalculator) to build a map of each instruction to every
854 valid variable location, without the need to consider control flow. From
855 the example above, it is otherwise difficult to determine that the location
856 of variable ``!30`` should flow "up" into block ``%bb1``, but that the location
857 of variable ``!23`` should not flow "down" into the ``%exit`` block.
858
859 .. _ccxx_frontend:
860
861 C/C++ front-end specific debug information
862 ==========================================
863
864 The C and C++ front-ends represent information about the program in a
865 format that is effectively identical to `DWARF <http://www.dwarfstd.org/>`_
866 in terms of information content.  This allows code generators to
867 trivially support native debuggers by generating standard dwarf
868 information, and contains enough information for non-dwarf targets to
869 translate it as needed.
870
871 This section describes the forms used to represent C and C++ programs.  Other
872 languages could pattern themselves after this (which itself is tuned to
873 representing programs in the same way that DWARF does), or they could choose
874 to provide completely different forms if they don't fit into the DWARF model.
875 As support for debugging information gets added to the various LLVM
876 source-language front-ends, the information used should be documented here.
877
878 The following sections provide examples of a few C/C++ constructs and
879 the debug information that would best describe those constructs.  The
880 canonical references are the ``DINode`` classes defined in
881 ``include/llvm/IR/DebugInfoMetadata.h`` and the implementations of the
882 helper functions in ``lib/IR/DIBuilder.cpp``.
883
884 C/C++ source file information
885 -----------------------------
886
887 ``llvm::Instruction`` provides easy access to metadata attached with an
888 instruction.  One can extract line number information encoded in LLVM IR using
889 ``Instruction::getDebugLoc()`` and ``DILocation::getLine()``.
890
891 .. code-block:: c++
892
893   if (DILocation *Loc = I->getDebugLoc()) { // Here I is an LLVM instruction
894     unsigned Line = Loc->getLine();
895     StringRef File = Loc->getFilename();
896     StringRef Dir = Loc->getDirectory();
897     bool ImplicitCode = Loc->isImplicitCode();
898   }
899
900 When the flag ImplicitCode is true then it means that the Instruction has been
901 added by the front-end but doesn't correspond to source code written by the user. For example
902
903 .. code-block:: c++
904
905   if (MyBoolean) {
906     MyObject MO;
907     ...
908   }
909
910 At the end of the scope the MyObject's destructor is called but it isn't written
911 explicitly. This information is useful to avoid to have counters on brackets when
912 making code coverage.
913
914 C/C++ global variable information
915 ---------------------------------
916
917 Given an integer global variable declared as follows:
918
919 .. code-block:: c
920
921   _Alignas(8) int MyGlobal = 100;
922
923 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
924
925 .. code-block:: text
926
927   ;;
928   ;; Define the global itself.
929   ;;
930   @MyGlobal = global i32 100, align 8, !dbg !0
931
932   ;;
933   ;; List of debug info of globals
934   ;;
935   !llvm.dbg.cu = !{!1}
936
937   ;; Some unrelated metadata.
938   !llvm.module.flags = !{!6, !7}
939   !llvm.ident = !{!8}
940
941   ;; Define the global variable itself
942   !0 = distinct !DIGlobalVariable(name: "MyGlobal", scope: !1, file: !2, line: 1, type: !5, isLocal: false, isDefinition: true, align: 64)
943
944   ;; Define the compile unit.
945   !1 = distinct !DICompileUnit(language: DW_LANG_C99, file: !2,
946                                producer: "clang version 4.0.0",
947                                isOptimized: false, runtimeVersion: 0, emissionKind: FullDebug,
948                                enums: !3, globals: !4)
949
950   ;;
951   ;; Define the file
952   ;;
953   !2 = !DIFile(filename: "/dev/stdin",
954                directory: "/Users/dexonsmith/data/llvm/debug-info")
955
956   ;; An empty array.
957   !3 = !{}
958
959   ;; The Array of Global Variables
960   !4 = !{!0}
961
962   ;;
963   ;; Define the type
964   ;;
965   !5 = !DIBasicType(name: "int", size: 32, encoding: DW_ATE_signed)
966
967   ;; Dwarf version to output.
968   !6 = !{i32 2, !"Dwarf Version", i32 4}
969
970   ;; Debug info schema version.
971   !7 = !{i32 2, !"Debug Info Version", i32 3}
972
973   ;; Compiler identification
974   !8 = !{!"clang version 4.0.0"}
975
976
977 The align value in DIGlobalVariable description specifies variable alignment in
978 case it was forced by C11 _Alignas(), C++11 alignas() keywords or compiler
979 attribute __attribute__((aligned ())). In other case (when this field is missing)
980 alignment is considered default. This is used when producing DWARF output
981 for DW_AT_alignment value.
982
983 C/C++ function information
984 --------------------------
985
986 Given a function declared as follows:
987
988 .. code-block:: c
989
990   int main(int argc, char *argv[]) {
991     return 0;
992   }
993
994 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
995
996 .. code-block:: text
997
998   ;;
999   ;; Define the anchor for subprograms.
1000   ;;
1001   !4 = !DISubprogram(name: "main", scope: !1, file: !1, line: 1, type: !5,
1002                      isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1,
1003                      flags: DIFlagPrototyped, isOptimized: false,
1004                      retainedNodes: !2)
1005
1006   ;;
1007   ;; Define the subprogram itself.
1008   ;;
1009   define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) !dbg !4 {
1010   ...
1011   }
1012
1013 C++ specific debug information
1014 ==============================
1015
1016 C++ special member functions information
1017 ----------------------------------------
1018
1019 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.
1020
1021 Given a class declaration with copy constructor declared as deleted:
1022
1023 .. code-block:: c
1024
1025   class foo {
1026    public:
1027      foo(const foo&) = deleted;
1028   };
1029
1030 A C++ frontend would generate following:
1031
1032 .. code-block:: text
1033
1034   !17 = !DISubprogram(name: "foo", scope: !11, file: !1, line: 5, type: !18, scopeLine: 5, flags: DIFlagPublic | DIFlagPrototyped, spFlags: DISPFlagDeleted)
1035
1036 and this will produce an additional DWARF attribute as:
1037
1038 .. code-block:: text
1039
1040   DW_TAG_subprogram [7] *
1041     DW_AT_name [DW_FORM_strx1]    (indexed (00000006) string = "foo")
1042     DW_AT_decl_line [DW_FORM_data1]       (5)
1043     ...
1044     DW_AT_deleted [DW_FORM_flag_present]  (true)
1045
1046 Fortran specific debug information
1047 ==================================
1048
1049 Fortran function information
1050 ----------------------------
1051
1052 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.
1053
1054 .. code-block:: fortran
1055
1056   elemental function elem_func(a)
1057
1058 a Fortran front-end would generate the following descriptors:
1059
1060 .. code-block:: text
1061
1062   !11 = distinct !DISubprogram(name: "subroutine2", scope: !1, file: !1,
1063           line: 5, type: !8, scopeLine: 6,
1064           spFlags: DISPFlagDefinition | DISPFlagElemental, unit: !0,
1065           retainedNodes: !2)
1066
1067 and this will materialize an additional DWARF attribute as:
1068
1069 .. code-block:: text
1070
1071   DW_TAG_subprogram [3]  
1072      DW_AT_low_pc [DW_FORM_addr]     (0x0000000000000010 ".text")
1073      DW_AT_high_pc [DW_FORM_data4]   (0x00000001)
1074      ...
1075      DW_AT_elemental [DW_FORM_flag_present]  (true)
1076
1077 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.
1078
1079 .. code-block:: fortran
1080
1081   character(len=*), intent(in) :: string
1082
1083 a Fortran front-end would generate the following descriptors:
1084
1085 .. code-block:: text
1086
1087   !DILocalVariable(name: "string", arg: 1, scope: !10, file: !3, line: 4, type: !15)
1088   !DIStringType(name: "character(*)!2", stringLength: !16, stringLengthExpression: !DIExpression(), size: 32)
1089
1090 and this will materialize in DWARF tags as:
1091
1092 .. code-block:: text
1093
1094    DW_TAG_string_type
1095                 DW_AT_name      ("character(*)!2")
1096                 DW_AT_string_length     (0x00000064)
1097    0x00000064:    DW_TAG_variable
1098                   DW_AT_location      (DW_OP_fbreg +16)
1099                   DW_AT_type  (0x00000083 "integer*8")
1100                   ...
1101                   DW_AT_artificial    (true)
1102
1103 Debugging information format
1104 ============================
1105
1106 Debugging Information Extension for Objective C Properties
1107 ----------------------------------------------------------
1108
1109 Introduction
1110 ^^^^^^^^^^^^
1111
1112 Objective C provides a simpler way to declare and define accessor methods using
1113 declared properties.  The language provides features to declare a property and
1114 to let compiler synthesize accessor methods.
1115
1116 The debugger lets developer inspect Objective C interfaces and their instance
1117 variables and class variables.  However, the debugger does not know anything
1118 about the properties defined in Objective C interfaces.  The debugger consumes
1119 information generated by compiler in DWARF format.  The format does not support
1120 encoding of Objective C properties.  This proposal describes DWARF extensions to
1121 encode Objective C properties, which the debugger can use to let developers
1122 inspect Objective C properties.
1123
1124 Proposal
1125 ^^^^^^^^
1126
1127 Objective C properties exist separately from class members.  A property can be
1128 defined only by "setter" and "getter" selectors, and be calculated anew on each
1129 access.  Or a property can just be a direct access to some declared ivar.
1130 Finally it can have an ivar "automatically synthesized" for it by the compiler,
1131 in which case the property can be referred to in user code directly using the
1132 standard C dereference syntax as well as through the property "dot" syntax, but
1133 there is no entry in the ``@interface`` declaration corresponding to this ivar.
1134
1135 To facilitate debugging, these properties we will add a new DWARF TAG into the
1136 ``DW_TAG_structure_type`` definition for the class to hold the description of a
1137 given property, and a set of DWARF attributes that provide said description.
1138 The property tag will also contain the name and declared type of the property.
1139
1140 If there is a related ivar, there will also be a DWARF property attribute placed
1141 in the ``DW_TAG_member`` DIE for that ivar referring back to the property TAG
1142 for that property.  And in the case where the compiler synthesizes the ivar
1143 directly, the compiler is expected to generate a ``DW_TAG_member`` for that
1144 ivar (with the ``DW_AT_artificial`` set to 1), whose name will be the name used
1145 to access this ivar directly in code, and with the property attribute pointing
1146 back to the property it is backing.
1147
1148 The following examples will serve as illustration for our discussion:
1149
1150 .. code-block:: objc
1151
1152   @interface I1 {
1153     int n2;
1154   }
1155
1156   @property int p1;
1157   @property int p2;
1158   @end
1159
1160   @implementation I1
1161   @synthesize p1;
1162   @synthesize p2 = n2;
1163   @end
1164
1165 This produces the following DWARF (this is a "pseudo dwarfdump" output):
1166
1167 .. code-block:: none
1168
1169   0x00000100:  TAG_structure_type [7] *
1170                  AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
1171                  AT_name( "I1" )
1172                  AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
1173                  AT_decl_line( 3 )
1174
1175   0x00000110    TAG_APPLE_property
1176                   AT_name ( "p1" )
1177                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
1178
1179   0x00000120:   TAG_APPLE_property
1180                   AT_name ( "p2" )
1181                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
1182
1183   0x00000130:   TAG_member [8]
1184                   AT_name( "_p1" )
1185                   AT_APPLE_property ( {0x00000110} "p1" )
1186                   AT_type( {0x00000150} ( int ) )
1187                   AT_artificial ( 0x1 )
1188
1189   0x00000140:    TAG_member [8]
1190                    AT_name( "n2" )
1191                    AT_APPLE_property ( {0x00000120} "p2" )
1192                    AT_type( {0x00000150} ( int ) )
1193
1194   0x00000150:  AT_type( ( int ) )
1195
1196 Note, the current convention is that the name of the ivar for an
1197 auto-synthesized property is the name of the property from which it derives
1198 with an underscore prepended, as is shown in the example.  But we actually
1199 don't need to know this convention, since we are given the name of the ivar
1200 directly.
1201
1202 Also, it is common practice in ObjC to have different property declarations in
1203 the @interface and @implementation - e.g. to provide a read-only property in
1204 the interface, and a read-write interface in the implementation.  In that case,
1205 the compiler should emit whichever property declaration will be in force in the
1206 current translation unit.
1207
1208 Developers can decorate a property with attributes which are encoded using
1209 ``DW_AT_APPLE_property_attribute``.
1210
1211 .. code-block:: objc
1212
1213   @property (readonly, nonatomic) int pr;
1214
1215 .. code-block:: none
1216
1217   TAG_APPLE_property [8]
1218     AT_name( "pr" )
1219     AT_type ( {0x00000147} (int) )
1220     AT_APPLE_property_attribute (DW_APPLE_PROPERTY_readonly, DW_APPLE_PROPERTY_nonatomic)
1221
1222 The setter and getter method names are attached to the property using
1223 ``DW_AT_APPLE_property_setter`` and ``DW_AT_APPLE_property_getter`` attributes.
1224
1225 .. code-block:: objc
1226
1227   @interface I1
1228   @property (setter=myOwnP3Setter:) int p3;
1229   -(void)myOwnP3Setter:(int)a;
1230   @end
1231
1232   @implementation I1
1233   @synthesize p3;
1234   -(void)myOwnP3Setter:(int)a{ }
1235   @end
1236
1237 The DWARF for this would be:
1238
1239 .. code-block:: none
1240
1241   0x000003bd: TAG_structure_type [7] *
1242                 AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
1243                 AT_name( "I1" )
1244                 AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
1245                 AT_decl_line( 3 )
1246
1247   0x000003cd      TAG_APPLE_property
1248                     AT_name ( "p3" )
1249                     AT_APPLE_property_setter ( "myOwnP3Setter:" )
1250                     AT_type( {0x00000147} ( int ) )
1251
1252   0x000003f3:     TAG_member [8]
1253                     AT_name( "_p3" )
1254                     AT_type ( {0x00000147} ( int ) )
1255                     AT_APPLE_property ( {0x000003cd} )
1256                     AT_artificial ( 0x1 )
1257
1258 New DWARF Tags
1259 ^^^^^^^^^^^^^^
1260
1261 +-----------------------+--------+
1262 | TAG                   | Value  |
1263 +=======================+========+
1264 | DW_TAG_APPLE_property | 0x4200 |
1265 +-----------------------+--------+
1266
1267 New DWARF Attributes
1268 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1269
1270 +--------------------------------+--------+-----------+
1271 | Attribute                      | Value  | Classes   |
1272 +================================+========+===========+
1273 | DW_AT_APPLE_property           | 0x3fed | Reference |
1274 +--------------------------------+--------+-----------+
1275 | DW_AT_APPLE_property_getter    | 0x3fe9 | String    |
1276 +--------------------------------+--------+-----------+
1277 | DW_AT_APPLE_property_setter    | 0x3fea | String    |
1278 +--------------------------------+--------+-----------+
1279 | DW_AT_APPLE_property_attribute | 0x3feb | Constant  |
1280 +--------------------------------+--------+-----------+
1281
1282 New DWARF Constants
1283 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1284
1285 +--------------------------------------+-------+
1286 | Name                                 | Value |
1287 +======================================+=======+
1288 | DW_APPLE_PROPERTY_readonly           | 0x01  |
1289 +--------------------------------------+-------+
1290 | DW_APPLE_PROPERTY_getter             | 0x02  |
1291 +--------------------------------------+-------+
1292 | DW_APPLE_PROPERTY_assign             | 0x04  |
1293 +--------------------------------------+-------+
1294 | DW_APPLE_PROPERTY_readwrite          | 0x08  |
1295 +--------------------------------------+-------+
1296 | DW_APPLE_PROPERTY_retain             | 0x10  |
1297 +--------------------------------------+-------+
1298 | DW_APPLE_PROPERTY_copy               | 0x20  |
1299 +--------------------------------------+-------+
1300 | DW_APPLE_PROPERTY_nonatomic          | 0x40  |
1301 +--------------------------------------+-------+
1302 | DW_APPLE_PROPERTY_setter             | 0x80  |
1303 +--------------------------------------+-------+
1304 | DW_APPLE_PROPERTY_atomic             | 0x100 |
1305 +--------------------------------------+-------+
1306 | DW_APPLE_PROPERTY_weak               | 0x200 |
1307 +--------------------------------------+-------+
1308 | DW_APPLE_PROPERTY_strong             | 0x400 |
1309 +--------------------------------------+-------+
1310 | DW_APPLE_PROPERTY_unsafe_unretained  | 0x800 |
1311 +--------------------------------------+-------+
1312 | DW_APPLE_PROPERTY_nullability        | 0x1000|
1313 +--------------------------------------+-------+
1314 | DW_APPLE_PROPERTY_null_resettable    | 0x2000|
1315 +--------------------------------------+-------+
1316 | DW_APPLE_PROPERTY_class              | 0x4000|
1317 +--------------------------------------+-------+
1318
1319 Name Accelerator Tables
1320 -----------------------
1321
1322 Introduction
1323 ^^^^^^^^^^^^
1324
1325 The "``.debug_pubnames``" and "``.debug_pubtypes``" formats are not what a
1326 debugger needs.  The "``pub``" in the section name indicates that the entries
1327 in the table are publicly visible names only.  This means no static or hidden
1328 functions show up in the "``.debug_pubnames``".  No static variables or private
1329 class variables are in the "``.debug_pubtypes``".  Many compilers add different
1330 things to these tables, so we can't rely upon the contents between gcc, icc, or
1331 clang.
1332
1333 The typical query given by users tends not to match up with the contents of
1334 these tables.  For example, the DWARF spec states that "In the case of the name
1335 of a function member or static data member of a C++ structure, class or union,
1336 the name presented in the "``.debug_pubnames``" section is not the simple name
1337 given by the ``DW_AT_name attribute`` of the referenced debugging information
1338 entry, but rather the fully qualified name of the data or function member."
1339 So the only names in these tables for complex C++ entries is a fully
1340 qualified name.  Debugger users tend not to enter their search strings as
1341 "``a::b::c(int,const Foo&) const``", but rather as "``c``", "``b::c``" , or
1342 "``a::b::c``".  So the name entered in the name table must be demangled in
1343 order to chop it up appropriately and additional names must be manually entered
1344 into the table to make it effective as a name lookup table for debuggers to
1345 use.
1346
1347 All debuggers currently ignore the "``.debug_pubnames``" table as a result of
1348 its inconsistent and useless public-only name content making it a waste of
1349 space in the object file.  These tables, when they are written to disk, are not
1350 sorted in any way, leaving every debugger to do its own parsing and sorting.
1351 These tables also include an inlined copy of the string values in the table
1352 itself making the tables much larger than they need to be on disk, especially
1353 for large C++ programs.
1354
1355 Can't we just fix the sections by adding all of the names we need to this
1356 table? No, because that is not what the tables are defined to contain and we
1357 won't know the difference between the old bad tables and the new good tables.
1358 At best we could make our own renamed sections that contain all of the data we
1359 need.
1360
1361 These tables are also insufficient for what a debugger like LLDB needs.  LLDB
1362 uses clang for its expression parsing where LLDB acts as a PCH.  LLDB is then
1363 often asked to look for type "``foo``" or namespace "``bar``", or list items in
1364 namespace "``baz``".  Namespaces are not included in the pubnames or pubtypes
1365 tables.  Since clang asks a lot of questions when it is parsing an expression,
1366 we need to be very fast when looking up names, as it happens a lot.  Having new
1367 accelerator tables that are optimized for very quick lookups will benefit this
1368 type of debugging experience greatly.
1369
1370 We would like to generate name lookup tables that can be mapped into memory
1371 from disk, and used as is, with little or no up-front parsing.  We would also
1372 be able to control the exact content of these different tables so they contain
1373 exactly what we need.  The Name Accelerator Tables were designed to fix these
1374 issues.  In order to solve these issues we need to:
1375
1376 * Have a format that can be mapped into memory from disk and used as is
1377 * Lookups should be very fast
1378 * Extensible table format so these tables can be made by many producers
1379 * Contain all of the names needed for typical lookups out of the box
1380 * Strict rules for the contents of tables
1381
1382 Table size is important and the accelerator table format should allow the reuse
1383 of strings from common string tables so the strings for the names are not
1384 duplicated.  We also want to make sure the table is ready to be used as-is by
1385 simply mapping the table into memory with minimal header parsing.
1386
1387 The name lookups need to be fast and optimized for the kinds of lookups that
1388 debuggers tend to do.  Optimally we would like to touch as few parts of the
1389 mapped table as possible when doing a name lookup and be able to quickly find
1390 the name entry we are looking for, or discover there are no matches.  In the
1391 case of debuggers we optimized for lookups that fail most of the time.
1392
1393 Each table that is defined should have strict rules on exactly what is in the
1394 accelerator tables and documented so clients can rely on the content.
1395
1396 Hash Tables
1397 ^^^^^^^^^^^
1398
1399 Standard Hash Tables
1400 """"""""""""""""""""
1401
1402 Typical hash tables have a header, buckets, and each bucket points to the
1403 bucket contents:
1404
1405 .. code-block:: none
1406
1407   .------------.
1408   |  HEADER    |
1409   |------------|
1410   |  BUCKETS   |
1411   |------------|
1412   |  DATA      |
1413   `------------'
1414
1415 The BUCKETS are an array of offsets to DATA for each hash:
1416
1417 .. code-block:: none
1418
1419   .------------.
1420   | 0x00001000 | BUCKETS[0]
1421   | 0x00002000 | BUCKETS[1]
1422   | 0x00002200 | BUCKETS[2]
1423   | 0x000034f0 | BUCKETS[3]
1424   |            | ...
1425   | 0xXXXXXXXX | BUCKETS[n_buckets]
1426   '------------'
1427
1428 So for ``bucket[3]`` in the example above, we have an offset into the table
1429 0x000034f0 which points to a chain of entries for the bucket.  Each bucket must
1430 contain a next pointer, full 32 bit hash value, the string itself, and the data
1431 for the current string value.
1432
1433 .. code-block:: none
1434
1435               .------------.
1436   0x000034f0: | 0x00003500 | next pointer
1437               | 0x12345678 | 32 bit hash
1438               | "erase"    | string value
1439               | data[n]    | HashData for this bucket
1440               |------------|
1441   0x00003500: | 0x00003550 | next pointer
1442               | 0x29273623 | 32 bit hash
1443               | "dump"     | string value
1444               | data[n]    | HashData for this bucket
1445               |------------|
1446   0x00003550: | 0x00000000 | next pointer
1447               | 0x82638293 | 32 bit hash
1448               | "main"     | string value
1449               | data[n]    | HashData for this bucket
1450               `------------'
1451
1452 The problem with this layout for debuggers is that we need to optimize for the
1453 negative lookup case where the symbol we're searching for is not present.  So
1454 if we were to lookup "``printf``" in the table above, we would make a 32-bit
1455 hash for "``printf``", it might match ``bucket[3]``.  We would need to go to
1456 the offset 0x000034f0 and start looking to see if our 32 bit hash matches.  To
1457 do so, we need to read the next pointer, then read the hash, compare it, and
1458 skip to the next bucket.  Each time we are skipping many bytes in memory and
1459 touching new pages just to do the compare on the full 32 bit hash.  All of
1460 these accesses then tell us that we didn't have a match.
1461
1462 Name Hash Tables
1463 """"""""""""""""
1464
1465 To solve the issues mentioned above we have structured the hash tables a bit
1466 differently: a header, buckets, an array of all unique 32 bit hash values,
1467 followed by an array of hash value data offsets, one for each hash value, then
1468 the data for all hash values:
1469
1470 .. code-block:: none
1471
1472   .-------------.
1473   |  HEADER     |
1474   |-------------|
1475   |  BUCKETS    |
1476   |-------------|
1477   |  HASHES     |
1478   |-------------|
1479   |  OFFSETS    |
1480   |-------------|
1481   |  DATA       |
1482   `-------------'
1483
1484 The ``BUCKETS`` in the name tables are an index into the ``HASHES`` array.  By
1485 making all of the full 32 bit hash values contiguous in memory, we allow
1486 ourselves to efficiently check for a match while touching as little memory as
1487 possible.  Most often checking the 32 bit hash values is as far as the lookup
1488 goes.  If it does match, it usually is a match with no collisions.  So for a
1489 table with "``n_buckets``" buckets, and "``n_hashes``" unique 32 bit hash
1490 values, we can clarify the contents of the ``BUCKETS``, ``HASHES`` and
1491 ``OFFSETS`` as:
1492
1493 .. code-block:: none
1494
1495   .-------------------------.
1496   |  HEADER.magic           | uint32_t
1497   |  HEADER.version         | uint16_t
1498   |  HEADER.hash_function   | uint16_t
1499   |  HEADER.bucket_count    | uint32_t
1500   |  HEADER.hashes_count    | uint32_t
1501   |  HEADER.header_data_len | uint32_t
1502   |  HEADER_DATA            | HeaderData
1503   |-------------------------|
1504   |  BUCKETS                | uint32_t[n_buckets] // 32 bit hash indexes
1505   |-------------------------|
1506   |  HASHES                 | uint32_t[n_hashes] // 32 bit hash values
1507   |-------------------------|
1508   |  OFFSETS                | uint32_t[n_hashes] // 32 bit offsets to hash value data
1509   |-------------------------|
1510   |  ALL HASH DATA          |
1511   `-------------------------'
1512
1513 So taking the exact same data from the standard hash example above we end up
1514 with:
1515
1516 .. code-block:: none
1517
1518               .------------.
1519               | HEADER     |
1520               |------------|
1521               |          0 | BUCKETS[0]
1522               |          2 | BUCKETS[1]
1523               |          5 | BUCKETS[2]
1524               |          6 | BUCKETS[3]
1525               |            | ...
1526               |        ... | BUCKETS[n_buckets]
1527               |------------|
1528               | 0x........ | HASHES[0]
1529               | 0x........ | HASHES[1]
1530               | 0x........ | HASHES[2]
1531               | 0x........ | HASHES[3]
1532               | 0x........ | HASHES[4]
1533               | 0x........ | HASHES[5]
1534               | 0x12345678 | HASHES[6]    hash for BUCKETS[3]
1535               | 0x29273623 | HASHES[7]    hash for BUCKETS[3]
1536               | 0x82638293 | HASHES[8]    hash for BUCKETS[3]
1537               | 0x........ | HASHES[9]
1538               | 0x........ | HASHES[10]
1539               | 0x........ | HASHES[11]
1540               | 0x........ | HASHES[12]
1541               | 0x........ | HASHES[13]
1542               | 0x........ | HASHES[n_hashes]
1543               |------------|
1544               | 0x........ | OFFSETS[0]
1545               | 0x........ | OFFSETS[1]
1546               | 0x........ | OFFSETS[2]
1547               | 0x........ | OFFSETS[3]
1548               | 0x........ | OFFSETS[4]
1549               | 0x........ | OFFSETS[5]
1550               | 0x000034f0 | OFFSETS[6]   offset for BUCKETS[3]
1551               | 0x00003500 | OFFSETS[7]   offset for BUCKETS[3]
1552               | 0x00003550 | OFFSETS[8]   offset for BUCKETS[3]
1553               | 0x........ | OFFSETS[9]
1554               | 0x........ | OFFSETS[10]
1555               | 0x........ | OFFSETS[11]
1556               | 0x........ | OFFSETS[12]
1557               | 0x........ | OFFSETS[13]
1558               | 0x........ | OFFSETS[n_hashes]
1559               |------------|
1560               |            |
1561               |            |
1562               |            |
1563               |            |
1564               |            |
1565               |------------|
1566   0x000034f0: | 0x00001203 | .debug_str ("erase")
1567               | 0x00000004 | A 32 bit array count - number of HashData with name "erase"
1568               | 0x........ | HashData[0]
1569               | 0x........ | HashData[1]
1570               | 0x........ | HashData[2]
1571               | 0x........ | HashData[3]
1572               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1573               |------------|
1574   0x00003500: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("collision")
1575               | 0x00000002 | A 32 bit array count - number of HashData with name "collision"
1576               | 0x........ | HashData[0]
1577               | 0x........ | HashData[1]
1578               | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("dump")
1579               | 0x00000003 | A 32 bit array count - number of HashData with name "dump"
1580               | 0x........ | HashData[0]
1581               | 0x........ | HashData[1]
1582               | 0x........ | HashData[2]
1583               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1584               |------------|
1585   0x00003550: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("main")
1586               | 0x00000009 | A 32 bit array count - number of HashData with name "main"
1587               | 0x........ | HashData[0]
1588               | 0x........ | HashData[1]
1589               | 0x........ | HashData[2]
1590               | 0x........ | HashData[3]
1591               | 0x........ | HashData[4]
1592               | 0x........ | HashData[5]
1593               | 0x........ | HashData[6]
1594               | 0x........ | HashData[7]
1595               | 0x........ | HashData[8]
1596               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1597               `------------'
1598
1599 So we still have all of the same data, we just organize it more efficiently for
1600 debugger lookup.  If we repeat the same "``printf``" lookup from above, we
1601 would hash "``printf``" and find it matches ``BUCKETS[3]`` by taking the 32 bit
1602 hash value and modulo it by ``n_buckets``.  ``BUCKETS[3]`` contains "6" which
1603 is the index into the ``HASHES`` table.  We would then compare any consecutive
1604 32 bit hashes values in the ``HASHES`` array as long as the hashes would be in
1605 ``BUCKETS[3]``.  We do this by verifying that each subsequent hash value modulo
1606 ``n_buckets`` is still 3.  In the case of a failed lookup we would access the
1607 memory for ``BUCKETS[3]``, and then compare a few consecutive 32 bit hashes
1608 before we know that we have no match.  We don't end up marching through
1609 multiple words of memory and we really keep the number of processor data cache
1610 lines being accessed as small as possible.
1611
1612 The string hash that is used for these lookup tables is the Daniel J.
1613 Bernstein hash which is also used in the ELF ``GNU_HASH`` sections.  It is a
1614 very good hash for all kinds of names in programs with very few hash
1615 collisions.
1616
1617 Empty buckets are designated by using an invalid hash index of ``UINT32_MAX``.
1618
1619 Details
1620 ^^^^^^^
1621
1622 These name hash tables are designed to be generic where specializations of the
1623 table get to define additional data that goes into the header ("``HeaderData``"),
1624 how the string value is stored ("``KeyType``") and the content of the data for each
1625 hash value.
1626
1627 Header Layout
1628 """""""""""""
1629
1630 The header has a fixed part, and the specialized part.  The exact format of the
1631 header is:
1632
1633 .. code-block:: c
1634
1635   struct Header
1636   {
1637     uint32_t   magic;           // 'HASH' magic value to allow endian detection
1638     uint16_t   version;         // Version number
1639     uint16_t   hash_function;   // The hash function enumeration that was used
1640     uint32_t   bucket_count;    // The number of buckets in this hash table
1641     uint32_t   hashes_count;    // The total number of unique hash values and hash data offsets in this table
1642     uint32_t   header_data_len; // The bytes to skip to get to the hash indexes (buckets) for correct alignment
1643                                 // Specifically the length of the following HeaderData field - this does not
1644                                 // include the size of the preceding fields
1645     HeaderData header_data;     // Implementation specific header data
1646   };
1647
1648 The header starts with a 32 bit "``magic``" value which must be ``'HASH'``
1649 encoded as an ASCII integer.  This allows the detection of the start of the
1650 hash table and also allows the table's byte order to be determined so the table
1651 can be correctly extracted.  The "``magic``" value is followed by a 16 bit
1652 ``version`` number which allows the table to be revised and modified in the
1653 future.  The current version number is 1. ``hash_function`` is a ``uint16_t``
1654 enumeration that specifies which hash function was used to produce this table.
1655 The current values for the hash function enumerations include:
1656
1657 .. code-block:: c
1658
1659   enum HashFunctionType
1660   {
1661     eHashFunctionDJB = 0u, // Daniel J Bernstein hash function
1662   };
1663
1664 ``bucket_count`` is a 32 bit unsigned integer that represents how many buckets
1665 are in the ``BUCKETS`` array.  ``hashes_count`` is the number of unique 32 bit
1666 hash values that are in the ``HASHES`` array, and is the same number of offsets
1667 are contained in the ``OFFSETS`` array.  ``header_data_len`` specifies the size
1668 in bytes of the ``HeaderData`` that is filled in by specialized versions of
1669 this table.
1670
1671 Fixed Lookup
1672 """"""""""""
1673
1674 The header is followed by the buckets, hashes, offsets, and hash value data.
1675
1676 .. code-block:: c
1677
1678   struct FixedTable
1679   {
1680     uint32_t buckets[Header.bucket_count];  // An array of hash indexes into the "hashes[]" array below
1681     uint32_t hashes [Header.hashes_count];  // Every unique 32 bit hash for the entire table is in this table
1682     uint32_t offsets[Header.hashes_count];  // An offset that corresponds to each item in the "hashes[]" array above
1683   };
1684
1685 ``buckets`` is an array of 32 bit indexes into the ``hashes`` array.  The
1686 ``hashes`` array contains all of the 32 bit hash values for all names in the
1687 hash table.  Each hash in the ``hashes`` table has an offset in the ``offsets``
1688 array that points to the data for the hash value.
1689
1690 This table setup makes it very easy to repurpose these tables to contain
1691 different data, while keeping the lookup mechanism the same for all tables.
1692 This layout also makes it possible to save the table to disk and map it in
1693 later and do very efficient name lookups with little or no parsing.
1694
1695 DWARF lookup tables can be implemented in a variety of ways and can store a lot
1696 of information for each name.  We want to make the DWARF tables extensible and
1697 able to store the data efficiently so we have used some of the DWARF features
1698 that enable efficient data storage to define exactly what kind of data we store
1699 for each name.
1700
1701 The ``HeaderData`` contains a definition of the contents of each HashData chunk.
1702 We might want to store an offset to all of the debug information entries (DIEs)
1703 for each name.  To keep things extensible, we create a list of items, or
1704 Atoms, that are contained in the data for each name.  First comes the type of
1705 the data in each atom:
1706
1707 .. code-block:: c
1708
1709   enum AtomType
1710   {
1711     eAtomTypeNULL       = 0u,
1712     eAtomTypeDIEOffset  = 1u,   // DIE offset, check form for encoding
1713     eAtomTypeCUOffset   = 2u,   // DIE offset of the compiler unit header that contains the item in question
1714     eAtomTypeTag        = 3u,   // DW_TAG_xxx value, should be encoded as DW_FORM_data1 (if no tags exceed 255) or DW_FORM_data2
1715     eAtomTypeNameFlags  = 4u,   // Flags from enum NameFlags
1716     eAtomTypeTypeFlags  = 5u,   // Flags from enum TypeFlags
1717   };
1718
1719 The enumeration values and their meanings are:
1720
1721 .. code-block:: none
1722
1723   eAtomTypeNULL       - a termination atom that specifies the end of the atom list
1724   eAtomTypeDIEOffset  - an offset into the .debug_info section for the DWARF DIE for this name
1725   eAtomTypeCUOffset   - an offset into the .debug_info section for the CU that contains the DIE
1726   eAtomTypeDIETag     - The DW_TAG_XXX enumeration value so you don't have to parse the DWARF to see what it is
1727   eAtomTypeNameFlags  - Flags for functions and global variables (isFunction, isInlined, isExternal...)
1728   eAtomTypeTypeFlags  - Flags for types (isCXXClass, isObjCClass, ...)
1729
1730 Then we allow each atom type to define the atom type and how the data for each
1731 atom type data is encoded:
1732
1733 .. code-block:: c
1734
1735   struct Atom
1736   {
1737     uint16_t type;  // AtomType enum value
1738     uint16_t form;  // DWARF DW_FORM_XXX defines
1739   };
1740
1741 The ``form`` type above is from the DWARF specification and defines the exact
1742 encoding of the data for the Atom type.  See the DWARF specification for the
1743 ``DW_FORM_`` definitions.
1744
1745 .. code-block:: c
1746
1747   struct HeaderData
1748   {
1749     uint32_t die_offset_base;
1750     uint32_t atom_count;
1751     Atoms    atoms[atom_count0];
1752   };
1753
1754 ``HeaderData`` defines the base DIE offset that should be added to any atoms
1755 that are encoded using the ``DW_FORM_ref1``, ``DW_FORM_ref2``,
1756 ``DW_FORM_ref4``, ``DW_FORM_ref8`` or ``DW_FORM_ref_udata``.  It also defines
1757 what is contained in each ``HashData`` object -- ``Atom.form`` tells us how large
1758 each field will be in the ``HashData`` and the ``Atom.type`` tells us how this data
1759 should be interpreted.
1760
1761 For the current implementations of the "``.apple_names``" (all functions +
1762 globals), the "``.apple_types``" (names of all types that are defined), and
1763 the "``.apple_namespaces``" (all namespaces), we currently set the ``Atom``
1764 array to be:
1765
1766 .. code-block:: c
1767
1768   HeaderData.atom_count = 1;
1769   HeaderData.atoms[0].type = eAtomTypeDIEOffset;
1770   HeaderData.atoms[0].form = DW_FORM_data4;
1771
1772 This defines the contents to be the DIE offset (eAtomTypeDIEOffset) that is
1773 encoded as a 32 bit value (DW_FORM_data4).  This allows a single name to have
1774 multiple matching DIEs in a single file, which could come up with an inlined
1775 function for instance.  Future tables could include more information about the
1776 DIE such as flags indicating if the DIE is a function, method, block,
1777 or inlined.
1778
1779 The KeyType for the DWARF table is a 32 bit string table offset into the
1780 ".debug_str" table.  The ".debug_str" is the string table for the DWARF which
1781 may already contain copies of all of the strings.  This helps make sure, with
1782 help from the compiler, that we reuse the strings between all of the DWARF
1783 sections and keeps the hash table size down.  Another benefit to having the
1784 compiler generate all strings as DW_FORM_strp in the debug info, is that
1785 DWARF parsing can be made much faster.
1786
1787 After a lookup is made, we get an offset into the hash data.  The hash data
1788 needs to be able to deal with 32 bit hash collisions, so the chunk of data
1789 at the offset in the hash data consists of a triple:
1790
1791 .. code-block:: c
1792
1793   uint32_t str_offset
1794   uint32_t hash_data_count
1795   HashData[hash_data_count]
1796
1797 If "str_offset" is zero, then the bucket contents are done. 99.9% of the
1798 hash data chunks contain a single item (no 32 bit hash collision):
1799
1800 .. code-block:: none
1801
1802   .------------.
1803   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
1804   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
1805   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
1806   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
1807   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
1808   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
1809   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
1810   `------------'
1811
1812 If there are collisions, you will have multiple valid string offsets:
1813
1814 .. code-block:: none
1815
1816   .------------.
1817   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
1818   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
1819   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
1820   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
1821   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
1822   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
1823   | 0x00002023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0002023] => "print")
1824   | 0x00000002 | uint32_t HashData count
1825   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
1826   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
1827   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
1828   `------------'
1829
1830 Current testing with real world C++ binaries has shown that there is around 1
1831 32 bit hash collision per 100,000 name entries.
1832
1833 Contents
1834 ^^^^^^^^
1835
1836 As we said, we want to strictly define exactly what is included in the
1837 different tables.  For DWARF, we have 3 tables: "``.apple_names``",
1838 "``.apple_types``", and "``.apple_namespaces``".
1839
1840 "``.apple_names``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
1841 ``DW_TAG`` is a ``DW_TAG_label``, ``DW_TAG_inlined_subroutine``, or
1842 ``DW_TAG_subprogram`` that has address attributes: ``DW_AT_low_pc``,
1843 ``DW_AT_high_pc``, ``DW_AT_ranges`` or ``DW_AT_entry_pc``.  It also contains
1844 ``DW_TAG_variable`` DIEs that have a ``DW_OP_addr`` in the location (global and
1845 static variables).  All global and static variables should be included,
1846 including those scoped within functions and classes.  For example using the
1847 following code:
1848
1849 .. code-block:: c
1850
1851   static int var = 0;
1852
1853   void f ()
1854   {
1855     static int var = 0;
1856   }
1857
1858 Both of the static ``var`` variables would be included in the table.  All
1859 functions should emit both their full names and their basenames.  For C or C++,
1860 the full name is the mangled name (if available) which is usually in the
1861 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, and the ``DW_AT_name`` contains the
1862 function basename.  If global or static variables have a mangled name in a
1863 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, this should be emitted along with the
1864 simple name found in the ``DW_AT_name`` attribute.
1865
1866 "``.apple_types``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
1867 tag is one of:
1868
1869 * DW_TAG_array_type
1870 * DW_TAG_class_type
1871 * DW_TAG_enumeration_type
1872 * DW_TAG_pointer_type
1873 * DW_TAG_reference_type
1874 * DW_TAG_string_type
1875 * DW_TAG_structure_type
1876 * DW_TAG_subroutine_type
1877 * DW_TAG_typedef
1878 * DW_TAG_union_type
1879 * DW_TAG_ptr_to_member_type
1880 * DW_TAG_set_type
1881 * DW_TAG_subrange_type
1882 * DW_TAG_base_type
1883 * DW_TAG_const_type
1884 * DW_TAG_file_type
1885 * DW_TAG_namelist
1886 * DW_TAG_packed_type
1887 * DW_TAG_volatile_type
1888 * DW_TAG_restrict_type
1889 * DW_TAG_atomic_type
1890 * DW_TAG_interface_type
1891 * DW_TAG_unspecified_type
1892 * DW_TAG_shared_type
1893
1894 Only entries with a ``DW_AT_name`` attribute are included, and the entry must
1895 not be a forward declaration (``DW_AT_declaration`` attribute with a non-zero
1896 value).  For example, using the following code:
1897
1898 .. code-block:: c
1899
1900   int main ()
1901   {
1902     int *b = 0;
1903     return *b;
1904   }
1905
1906 We get a few type DIEs:
1907
1908 .. code-block:: none
1909
1910   0x00000067:     TAG_base_type [5]
1911                   AT_encoding( DW_ATE_signed )
1912                   AT_name( "int" )
1913                   AT_byte_size( 0x04 )
1914
1915   0x0000006e:     TAG_pointer_type [6]
1916                   AT_type( {0x00000067} ( int ) )
1917                   AT_byte_size( 0x08 )
1918
1919 The DW_TAG_pointer_type is not included because it does not have a ``DW_AT_name``.
1920
1921 "``.apple_namespaces``" section should contain all ``DW_TAG_namespace`` DIEs.
1922 If we run into a namespace that has no name this is an anonymous namespace, and
1923 the name should be output as "``(anonymous namespace)``" (without the quotes).
1924 Why?  This matches the output of the ``abi::cxa_demangle()`` that is in the
1925 standard C++ library that demangles mangled names.
1926
1927
1928 Language Extensions and File Format Changes
1929 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1930
1931 Objective-C Extensions
1932 """"""""""""""""""""""
1933
1934 "``.apple_objc``" section should contain all ``DW_TAG_subprogram`` DIEs for an
1935 Objective-C class.  The name used in the hash table is the name of the
1936 Objective-C class itself.  If the Objective-C class has a category, then an
1937 entry is made for both the class name without the category, and for the class
1938 name with the category.  So if we have a DIE at offset 0x1234 with a name of
1939 method "``-[NSString(my_additions) stringWithSpecialString:]``", we would add
1940 an entry for "``NSString``" that points to DIE 0x1234, and an entry for
1941 "``NSString(my_additions)``" that points to 0x1234.  This allows us to quickly
1942 track down all Objective-C methods for an Objective-C class when doing
1943 expressions.  It is needed because of the dynamic nature of Objective-C where
1944 anyone can add methods to a class.  The DWARF for Objective-C methods is also
1945 emitted differently from C++ classes where the methods are not usually
1946 contained in the class definition, they are scattered about across one or more
1947 compile units.  Categories can also be defined in different shared libraries.
1948 So we need to be able to quickly find all of the methods and class functions
1949 given the Objective-C class name, or quickly find all methods and class
1950 functions for a class + category name.  This table does not contain any
1951 selector names, it just maps Objective-C class names (or class names +
1952 category) to all of the methods and class functions.  The selectors are added
1953 as function basenames in the "``.debug_names``" section.
1954
1955 In the "``.apple_names``" section for Objective-C functions, the full name is
1956 the entire function name with the brackets ("``-[NSString
1957 stringWithCString:]``") and the basename is the selector only
1958 ("``stringWithCString:``").
1959
1960 Mach-O Changes
1961 """"""""""""""
1962
1963 The sections names for the apple hash tables are for non-mach-o files.  For
1964 mach-o files, the sections should be contained in the ``__DWARF`` segment with
1965 names as follows:
1966
1967 * "``.apple_names``" -> "``__apple_names``"
1968 * "``.apple_types``" -> "``__apple_types``"
1969 * "``.apple_namespaces``" -> "``__apple_namespac``" (16 character limit)
1970 * "``.apple_objc``" -> "``__apple_objc``"
1971
1972 .. _codeview:
1973
1974 CodeView Debug Info Format
1975 ==========================
1976
1977 LLVM supports emitting CodeView, the Microsoft debug info format, and this
1978 section describes the design and implementation of that support.
1979
1980 Format Background
1981 -----------------
1982
1983 CodeView as a format is clearly oriented around C++ debugging, and in C++, the
1984 majority of debug information tends to be type information. Therefore, the
1985 overriding design constraint of CodeView is the separation of type information
1986 from other "symbol" information so that type information can be efficiently
1987 merged across translation units. Both type information and symbol information is
1988 generally stored as a sequence of records, where each record begins with a
1989 16-bit record size and a 16-bit record kind.
1990
1991 Type information is usually stored in the ``.debug$T`` section of the object
1992 file.  All other debug info, such as line info, string table, symbol info, and
1993 inlinee info, is stored in one or more ``.debug$S`` sections. There may only be
1994 one ``.debug$T`` section per object file, since all other debug info refers to
1995 it. If a PDB (enabled by the ``/Zi`` MSVC option) was used during compilation,
1996 the ``.debug$T`` section will contain only an ``LF_TYPESERVER2`` record pointing
1997 to the PDB. When using PDBs, symbol information appears to remain in the object
1998 file ``.debug$S`` sections.
1999
2000 Type records are referred to by their index, which is the number of records in
2001 the stream before a given record plus ``0x1000``. Many common basic types, such
2002 as the basic integral types and unqualified pointers to them, are represented
2003 using type indices less than ``0x1000``. Such basic types are built in to
2004 CodeView consumers and do not require type records.
2005
2006 Each type record may only contain type indices that are less than its own type
2007 index. This ensures that the graph of type stream references is acyclic. While
2008 the source-level type graph may contain cycles through pointer types (consider a
2009 linked list struct), these cycles are removed from the type stream by always
2010 referring to the forward declaration record of user-defined record types. Only
2011 "symbol" records in the ``.debug$S`` streams may refer to complete,
2012 non-forward-declaration type records.
2013
2014 Working with CodeView
2015 ---------------------
2016
2017 These are instructions for some common tasks for developers working to improve
2018 LLVM's CodeView support. Most of them revolve around using the CodeView dumper
2019 embedded in ``llvm-readobj``.
2020
2021 * Testing MSVC's output::
2022
2023     $ cl -c -Z7 foo.cpp # Use /Z7 to keep types in the object file
2024     $ llvm-readobj --codeview foo.obj
2025
2026 * Getting LLVM IR debug info out of Clang::
2027
2028     $ clang -g -gcodeview --target=x86_64-windows-msvc foo.cpp -S -emit-llvm
2029
2030   Use this to generate LLVM IR for LLVM test cases.
2031
2032 * Generate and dump CodeView from LLVM IR metadata::
2033
2034     $ llc foo.ll -filetype=obj -o foo.obj
2035     $ llvm-readobj --codeview foo.obj > foo.txt
2036
2037   Use this pattern in lit test cases and FileCheck the output of llvm-readobj
2038
2039 Improving LLVM's CodeView support is a process of finding interesting type
2040 records, constructing a C++ test case that makes MSVC emit those records,
2041 dumping the records, understanding them, and then generating equivalent records
2042 in LLVM's backend.