[NFC] Trim trailing whitespace in *.rst
[platform/upstream/llvm.git] / llvm / docs / Statepoints.rst
1 =====================================
2 Garbage Collection Safepoints in LLVM
3 =====================================
4
5 .. contents::
6    :local:
7    :depth: 2
8
9 Status
10 =======
11
12 This document describes a set of extensions to LLVM to support garbage
13 collection.  By now, these mechanisms are well proven with commercial java
14 implementation with a fully relocating collector having shipped using them.
15 There are a couple places where bugs might still linger; these are called out
16 below.
17
18 They are still listed as "experimental" to indicate that no forward or backward
19 compatibility guarantees are offered across versions.  If your use case is such
20 that you need some form of forward compatibility guarantee, please raise the
21 issue on the llvm-dev mailing list.
22
23 LLVM still supports an alternate mechanism for conservative garbage collection
24 support using the ``gcroot`` intrinsic.  The ``gcroot`` mechanism is mostly of
25 historical interest at this point with one exception - its implementation of
26 shadow stacks has been used successfully by a number of language frontends and
27 is still supported.
28
29 Overview & Core Concepts
30 ========================
31
32 To collect dead objects, garbage collectors must be able to identify
33 any references to objects contained within executing code, and,
34 depending on the collector, potentially update them.  The collector
35 does not need this information at all points in code - that would make
36 the problem much harder - but only at well-defined points in the
37 execution known as 'safepoints' For most collectors, it is sufficient
38 to track at least one copy of each unique pointer value.  However, for
39 a collector which wishes to relocate objects directly reachable from
40 running code, a higher standard is required.
41
42 One additional challenge is that the compiler may compute intermediate
43 results ("derived pointers") which point outside of the allocation or
44 even into the middle of another allocation.  The eventual use of this
45 intermediate value must yield an address within the bounds of the
46 allocation, but such "exterior derived pointers" may be visible to the
47 collector.  Given this, a garbage collector can not safely rely on the
48 runtime value of an address to indicate the object it is associated
49 with.  If the garbage collector wishes to move any object, the
50 compiler must provide a mapping, for each pointer, to an indication of
51 its allocation.
52
53 To simplify the interaction between a collector and the compiled code,
54 most garbage collectors are organized in terms of three abstractions:
55 load barriers, store barriers, and safepoints.
56
57 #. A load barrier is a bit of code executed immediately after the
58    machine load instruction, but before any use of the value loaded.
59    Depending on the collector, such a barrier may be needed for all
60    loads, merely loads of a particular type (in the original source
61    language), or none at all.
62
63 #. Analogously, a store barrier is a code fragment that runs
64    immediately before the machine store instruction, but after the
65    computation of the value stored.  The most common use of a store
66    barrier is to update a 'card table' in a generational garbage
67    collector.
68
69 #. A safepoint is a location at which pointers visible to the compiled
70    code (i.e. currently in registers or on the stack) are allowed to
71    change.  After the safepoint completes, the actual pointer value
72    may differ, but the 'object' (as seen by the source language)
73    pointed to will not.
74
75   Note that the term 'safepoint' is somewhat overloaded.  It refers to
76   both the location at which the machine state is parsable and the
77   coordination protocol involved in bring application threads to a
78   point at which the collector can safely use that information.  The
79   term "statepoint" as used in this document refers exclusively to the
80   former.
81
82 This document focuses on the last item - compiler support for
83 safepoints in generated code.  We will assume that an outside
84 mechanism has decided where to place safepoints.  From our
85 perspective, all safepoints will be function calls.  To support
86 relocation of objects directly reachable from values in compiled code,
87 the collector must be able to:
88
89 #. identify every copy of a pointer (including copies introduced by
90    the compiler itself) at the safepoint,
91 #. identify which object each pointer relates to, and
92 #. potentially update each of those copies.
93
94 This document describes the mechanism by which an LLVM based compiler
95 can provide this information to a language runtime/collector, and
96 ensure that all pointers can be read and updated if desired.
97
98 Abstract Machine Model
99 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
100
101 At a high level, LLVM has been extended to support compiling to an abstract
102 machine which extends the actual target with a non-integral pointer type
103 suitable for representing a garbage collected reference to an object.  In
104 particular, such non-integral pointer type have no defined mapping to an
105 integer representation.  This semantic quirk allows the runtime to pick a
106 integer mapping for each point in the program allowing relocations of objects
107 without visible effects.
108
109 This high level abstract machine model is used for most of the optimizer.  As
110 a result, transform passes do not need to be extended to look through explicit
111 relocation sequence.  Before starting code generation, we switch
112 representations to an explicit form.  The exact location chosen for lowering
113 is an implementation detail.
114
115 Note that most of the value of the abstract machine model comes for collectors
116 which need to model potentially relocatable objects.  For a compiler which
117 supports only a non-relocating collector, you may wish to consider starting
118 with the fully explicit form.
119
120 Warning: There is one currently known semantic hole in the definition of
121 non-integral pointers which has not been addressed upstream.  To work around
122 this, you need to disable speculation of loads unless the memory type
123 (non-integral pointer vs anything else) is known to unchanged.  That is, it is
124 not safe to speculate a load if doing causes a non-integral pointer value to
125 be loaded as any other type or vice versa.  In practice, this restriction is
126 well isolated to isSafeToSpeculate in ValueTracking.cpp.
127
128 Explicit Representation
129 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
130
131 A frontend could directly generate this low level explicit form, but
132 doing so may inhibit optimization.  Instead, it is recommended that
133 compilers with relocating collectors target the abstract machine model just
134 described.
135
136 The heart of the explicit approach is to construct (or rewrite) the IR in a
137 manner where the possible updates performed by the garbage collector are
138 explicitly visible in the IR.  Doing so requires that we:
139
140 #. create a new SSA value for each potentially relocated pointer, and
141    ensure that no uses of the original (non relocated) value is
142    reachable after the safepoint,
143 #. specify the relocation in a way which is opaque to the compiler to
144    ensure that the optimizer can not introduce new uses of an
145    unrelocated value after a statepoint. This prevents the optimizer
146    from performing unsound optimizations.
147 #. recording a mapping of live pointers (and the allocation they're
148    associated with) for each statepoint.
149
150 At the most abstract level, inserting a safepoint can be thought of as
151 replacing a call instruction with a call to a multiple return value
152 function which both calls the original target of the call, returns
153 its result, and returns updated values for any live pointers to
154 garbage collected objects.
155
156   Note that the task of identifying all live pointers to garbage
157   collected values, transforming the IR to expose a pointer giving the
158   base object for every such live pointer, and inserting all the
159   intrinsics correctly is explicitly out of scope for this document.
160   The recommended approach is to use the :ref:`utility passes
161   <statepoint-utilities>` described below.
162
163 This abstract function call is concretely represented by a sequence of
164 intrinsic calls known collectively as a "statepoint relocation sequence".
165
166 Let's consider a simple call in LLVM IR:
167
168 .. code-block:: llvm
169
170   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj)
171          gc "statepoint-example" {
172     call void ()* @foo()
173     ret i8 addrspace(1)* %obj
174   }
175
176 Depending on our language we may need to allow a safepoint during the execution
177 of ``foo``. If so, we need to let the collector update local values in the
178 current frame.  If we don't, we'll be accessing a potential invalid reference
179 once we eventually return from the call.
180
181 In this example, we need to relocate the SSA value ``%obj``.  Since we can't
182 actually change the value in the SSA value ``%obj``, we need to introduce a new
183 SSA value ``%obj.relocated`` which represents the potentially changed value of
184 ``%obj`` after the safepoint and update any following uses appropriately.  The
185 resulting relocation sequence is:
186
187 .. code-block:: llvm
188
189   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj)
190          gc "statepoint-example" {
191     %0 = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 0, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
192     %obj.relocated = call coldcc i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %0, i32 7, i32 7)
193     ret i8 addrspace(1)* %obj.relocated
194   }
195
196 Ideally, this sequence would have been represented as a M argument, N
197 return value function (where M is the number of values being
198 relocated + the original call arguments and N is the original return
199 value + each relocated value), but LLVM does not easily support such a
200 representation.
201
202 Instead, the statepoint intrinsic marks the actual site of the
203 safepoint or statepoint.  The statepoint returns a token value (which
204 exists only at compile time).  To get back the original return value
205 of the call, we use the ``gc.result`` intrinsic.  To get the relocation
206 of each pointer in turn, we use the ``gc.relocate`` intrinsic with the
207 appropriate index.  Note that both the ``gc.relocate`` and ``gc.result`` are
208 tied to the statepoint.  The combination forms a "statepoint relocation
209 sequence" and represents the entirety of a parseable call or 'statepoint'.
210
211 When lowered, this example would generate the following x86 assembly:
212
213 .. code-block:: gas
214
215           .globl        test1
216           .align        16, 0x90
217           pushq %rax
218           callq foo
219   .Ltmp1:
220           movq  (%rsp), %rax  # This load is redundant (oops!)
221           popq  %rdx
222           retq
223
224 Each of the potentially relocated values has been spilled to the
225 stack, and a record of that location has been recorded to the
226 :ref:`Stack Map section <stackmap-section>`.  If the garbage collector
227 needs to update any of these pointers during the call, it knows
228 exactly what to change.
229
230 The relevant parts of the StackMap section for our example are:
231
232 .. code-block:: gas
233
234   # This describes the call site
235   # Stack Maps: callsite 2882400000
236           .quad 2882400000
237           .long .Ltmp1-test1
238           .short        0
239   # .. 8 entries skipped ..
240   # This entry describes the spill slot which is directly addressable
241   # off RSP with offset 0.  Given the value was spilled with a pushq,
242   # that makes sense.
243   # Stack Maps:   Loc 8: Direct RSP     [encoding: .byte 2, .byte 8, .short 7, .int 0]
244           .byte 2
245           .byte 8
246           .short        7
247           .long 0
248
249 This example was taken from the tests for the :ref:`RewriteStatepointsForGC`
250 utility pass.  As such, its full StackMap can be easily examined with the
251 following command.
252
253 .. code-block:: bash
254
255   opt -rewrite-statepoints-for-gc test/Transforms/RewriteStatepointsForGC/basics.ll -S | llc -debug-only=stackmaps
256
257 Simplifications for Non-Relocating GCs
258 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
259
260 Some of the complexity in the previous example is unnecessary for a
261 non-relocating collector.  While a non-relocating collector still needs the
262 information about which location contain live references, it doesn't need to
263 represent explicit relocations.  As such, the previously described explicit
264 lowering can be simplified to remove all of the ``gc.relocate`` intrinsic
265 calls and leave uses in terms of the original reference value.
266
267 Here's the explicit lowering for the previous example for a non-relocating
268 collector:
269
270 .. code-block:: llvm
271
272   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj)
273          gc "statepoint-example" {
274     call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 0, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
275     ret i8 addrspace(1)* %obj
276   }
277
278 Recording On Stack Regions
279 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
280
281 In addition to the explicit relocation form previously described, the
282 statepoint infrastructure also allows the listing of allocas within the gc
283 pointer list.  Allocas can be listed with or without additional explicit gc
284 pointer values and relocations.
285
286 An alloca in the gc region of the statepoint operand list will cause the
287 address of the stack region to be listed in the stackmap for the statepoint.
288
289 This mechanism can be used to describe explicit spill slots if desired.  It
290 then becomes the generator's responsibility to ensure that values are
291 spill/filled to/from the alloca as needed on either side of the safepoint.
292 Note that there is no way to indicate a corresponding base pointer for such
293 an explicitly specified spill slot, so usage is restricted to values for
294 which the associated collector can derive the object base from the pointer
295 itself.
296
297 This mechanism can be used to describe on stack objects containing
298 references provided that the collector can map from the location on the
299 stack to a heap map describing the internal layout of the references the
300 collector needs to process.
301
302 WARNING: At the moment, this alternate form is not well exercised.  It is
303 recommended to use this with caution and expect to have to fix a few bugs.
304 In particular, the RewriteStatepointsForGC utility pass does not do
305 anything for allocas today.
306
307 Base & Derived Pointers
308 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
309
310 A "base pointer" is one which points to the starting address of an allocation
311 (object).  A "derived pointer" is one which is offset from a base pointer by
312 some amount.  When relocating objects, a garbage collector needs to be able
313 to relocate each derived pointer associated with an allocation to the same
314 offset from the new address.
315
316 "Interior derived pointers" remain within the bounds of the allocation
317 they're associated with.  As a result, the base object can be found at
318 runtime provided the bounds of allocations are known to the runtime system.
319
320 "Exterior derived pointers" are outside the bounds of the associated object;
321 they may even fall within *another* allocations address range.  As a result,
322 there is no way for a garbage collector to determine which allocation they
323 are associated with at runtime and compiler support is needed.
324
325 The ``gc.relocate`` intrinsic supports an explicit operand for describing the
326 allocation associated with a derived pointer.  This operand is frequently
327 referred to as the base operand, but does not strictly speaking have to be
328 a base pointer, but it does need to lie within the bounds of the associated
329 allocation.  Some collectors may require that the operand be an actual base
330 pointer rather than merely an internal derived pointer. Note that during
331 lowering both the base and derived pointer operands are required to be live
332 over the associated call safepoint even if the base is otherwise unused
333 afterwards.
334
335 If we extend our previous example to include a pointless derived pointer,
336 we get:
337
338 .. code-block:: llvm
339
340   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj)
341          gc "statepoint-example" {
342     %gep = getelementptr i8, i8 addrspace(1)* %obj, i64 20000
343     %token = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 0, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj, i8 addrspace(1)* %gep)
344     %obj.relocated = call i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %token, i32 7, i32 7)
345     %gep.relocated = call i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %token, i32 7, i32 8)
346     %p = getelementptr i8, i8 addrspace(1)* %gep, i64 -20000
347     ret i8 addrspace(1)* %p
348   }
349
350 Note that in this example %p and %obj.relocate are the same address and we
351 could replace one with the other, potentially removing the derived pointer
352 from the live set at the safepoint entirely.
353
354 .. _gc_transition_args:
355
356 GC Transitions
357 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
358
359 As a practical consideration, many garbage-collected systems allow code that is
360 collector-aware ("managed code") to call code that is not collector-aware
361 ("unmanaged code"). It is common that such calls must also be safepoints, since
362 it is desirable to allow the collector to run during the execution of
363 unmanaged code. Furthermore, it is common that coordinating the transition from
364 managed to unmanaged code requires extra code generation at the call site to
365 inform the collector of the transition. In order to support these needs, a
366 statepoint may be marked as a GC transition, and data that is necessary to
367 perform the transition (if any) may be provided as additional arguments to the
368 statepoint.
369
370   Note that although in many cases statepoints may be inferred to be GC
371   transitions based on the function symbols involved (e.g. a call from a
372   function with GC strategy "foo" to a function with GC strategy "bar"),
373   indirect calls that are also GC transitions must also be supported. This
374   requirement is the driving force behind the decision to require that GC
375   transitions are explicitly marked.
376
377 Let's revisit the sample given above, this time treating the call to ``@foo``
378 as a GC transition. Depending on our target, the transition code may need to
379 access some extra state in order to inform the collector of the transition.
380 Let's assume a hypothetical GC--somewhat unimaginatively named "hypothetical-gc"
381 --that requires that a TLS variable must be written to before and after a call
382 to unmanaged code. The resulting relocation sequence is:
383
384 .. code-block:: llvm
385
386   @flag = thread_local global i32 0, align 4
387
388   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1) *%obj)
389          gc "hypothetical-gc" {
390
391     %0 = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 0, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 1, i32* @Flag, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
392     %obj.relocated = call coldcc i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %0, i32 7, i32 7)
393     ret i8 addrspace(1)* %obj.relocated
394   }
395
396 During lowering, this will result in an instruction selection DAG that looks
397 something like:
398
399 ::
400
401   CALLSEQ_START
402   ...
403   GC_TRANSITION_START (lowered i32 *@Flag), SRCVALUE i32* Flag
404   STATEPOINT
405   GC_TRANSITION_END (lowered i32 *@Flag), SRCVALUE i32 *Flag
406   ...
407   CALLSEQ_END
408
409 In order to generate the necessary transition code, the backend for each target
410 supported by "hypothetical-gc" must be modified to lower ``GC_TRANSITION_START``
411 and ``GC_TRANSITION_END`` nodes appropriately when the "hypothetical-gc"
412 strategy is in use for a particular function. Assuming that such lowering has
413 been added for X86, the generated assembly would be:
414
415 .. code-block:: gas
416
417           .globl        test1
418           .align        16, 0x90
419           pushq %rax
420           movl $1, %fs:Flag@TPOFF
421           callq foo
422           movl $0, %fs:Flag@TPOFF
423   .Ltmp1:
424           movq  (%rsp), %rax  # This load is redundant (oops!)
425           popq  %rdx
426           retq
427
428 Note that the design as presented above is not fully implemented: in particular,
429 strategy-specific lowering is not present, and all GC transitions are emitted as
430 as single no-op before and after the call instruction. These no-ops are often
431 removed by the backend during dead machine instruction elimination.
432
433 Before the abstract machine model is lowered to the explicit statepoint model
434 of relocations by the :ref:`RewriteStatepointsForGC` pass it is possible for
435 any derived pointer to get its base pointer and offset from the base pointer
436 by using the ``gc.get.pointer.base`` and the ``gc.get.pointer.offset``
437 intrinsics respectively. These intrinsics are inlined by the
438 :ref:`RewriteStatepointsForGC` pass and must not be used after this pass.
439
440
441 .. _statepoint-stackmap-format:
442
443 Stack Map Format
444 ================
445
446 Locations for each pointer value which may need read and/or updated by
447 the runtime or collector are provided in a separate section of the
448 generated object file as specified in the PatchPoint documentation.
449 This special section is encoded per the
450 :ref:`Stack Map format <stackmap-format>`.
451
452 The general expectation is that a JIT compiler will parse and discard this
453 format; it is not particularly memory efficient.  If you need an alternate
454 format (e.g. for an ahead of time compiler), see discussion under
455 :ref: `open work items <OpenWork>` below.
456
457 Each statepoint generates the following Locations:
458
459 * Constant which describes the calling convention of the call target. This
460   constant is a valid :ref:`calling convention identifier <callingconv>` for
461   the version of LLVM used to generate the stackmap. No additional compatibility
462   guarantees are made for this constant over what LLVM provides elsewhere w.r.t.
463   these identifiers.
464 * Constant which describes the flags passed to the statepoint intrinsic
465 * Constant which describes number of following deopt *Locations* (not
466   operands).  Will be 0 if no "deopt" bundle is provided.
467 * Variable number of Locations, one for each deopt parameter listed in the
468   "deopt" operand bundle.  At the moment, only deopt parameters with a bitwidth
469   of 64 bits or less are supported.  Values of a type larger than 64 bits can be
470   specified and reported only if a) the value is constant at the call site, and
471   b) the constant can be represented with less than 64 bits (assuming zero
472   extension to the original bitwidth).
473 * Variable number of relocation records, each of which consists of
474   exactly two Locations.  Relocation records are described in detail
475   below.
476
477 Each relocation record provides sufficient information for a collector to
478 relocate one or more derived pointers.  Each record consists of a pair of
479 Locations.  The second element in the record represents the pointer (or
480 pointers) which need updated.  The first element in the record provides a
481 pointer to the base of the object with which the pointer(s) being relocated is
482 associated.  This information is required for handling generalized derived
483 pointers since a pointer may be outside the bounds of the original allocation,
484 but still needs to be relocated with the allocation.  Additionally:
485
486 * It is guaranteed that the base pointer must also appear explicitly as a
487   relocation pair if used after the statepoint.
488 * There may be fewer relocation records then gc parameters in the IR
489   statepoint. Each *unique* pair will occur at least once; duplicates
490   are possible.
491 * The Locations within each record may either be of pointer size or a
492   multiple of pointer size.  In the later case, the record must be
493   interpreted as describing a sequence of pointers and their corresponding
494   base pointers. If the Location is of size N x sizeof(pointer), then
495   there will be N records of one pointer each contained within the Location.
496   Both Locations in a pair can be assumed to be of the same size.
497
498 Note that the Locations used in each section may describe the same
499 physical location.  e.g. A stack slot may appear as a deopt location,
500 a gc base pointer, and a gc derived pointer.
501
502 The LiveOut section of the StkMapRecord will be empty for a statepoint
503 record.
504
505 Safepoint Semantics & Verification
506 ==================================
507
508 The fundamental correctness property for the compiled code's
509 correctness w.r.t. the garbage collector is a dynamic one.  It must be
510 the case that there is no dynamic trace such that an operation
511 involving a potentially relocated pointer is observably-after a
512 safepoint which could relocate it.  'observably-after' is this usage
513 means that an outside observer could observe this sequence of events
514 in a way which precludes the operation being performed before the
515 safepoint.
516
517 To understand why this 'observable-after' property is required,
518 consider a null comparison performed on the original copy of a
519 relocated pointer.  Assuming that control flow follows the safepoint,
520 there is no way to observe externally whether the null comparison is
521 performed before or after the safepoint.  (Remember, the original
522 Value is unmodified by the safepoint.)  The compiler is free to make
523 either scheduling choice.
524
525 The actual correctness property implemented is slightly stronger than
526 this.  We require that there be no *static path* on which a
527 potentially relocated pointer is 'observably-after' it may have been
528 relocated.  This is slightly stronger than is strictly necessary (and
529 thus may disallow some otherwise valid programs), but greatly
530 simplifies reasoning about correctness of the compiled code.
531
532 By construction, this property will be upheld by the optimizer if
533 correctly established in the source IR.  This is a key invariant of
534 the design.
535
536 The existing IR Verifier pass has been extended to check most of the
537 local restrictions on the intrinsics mentioned in their respective
538 documentation.  The current implementation in LLVM does not check the
539 key relocation invariant, but this is ongoing work on developing such
540 a verifier.  Please ask on llvm-dev if you're interested in
541 experimenting with the current version.
542
543 .. _statepoint-utilities:
544
545 Utility Passes for Safepoint Insertion
546 ======================================
547
548 .. _RewriteStatepointsForGC:
549
550 RewriteStatepointsForGC
551 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
552
553 The pass RewriteStatepointsForGC transforms a function's IR to lower from the
554 abstract machine model described above to the explicit statepoint model of
555 relocations.  To do this, it replaces all calls or invokes of functions which
556 might contain a safepoint poll with a ``gc.statepoint`` and associated full
557 relocation sequence, including all required ``gc.relocates``.
558
559 Note that by default, this pass only runs for the "statepoint-example" or
560 "core-clr" gc strategies.  You will need to add your custom strategy to this
561 list or use one of the predefined ones.
562
563 As an example, given this code:
564
565 .. code-block:: llvm
566
567   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj)
568          gc "statepoint-example" {
569     call void @foo()
570     ret i8 addrspace(1)* %obj
571   }
572
573 The pass would produce this IR:
574
575 .. code-block:: llvm
576
577   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj)
578          gc "statepoint-example" {
579     %0 = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 2882400000, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 5, i32 0, i32 -1, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
580     %obj.relocated = call coldcc i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %0, i32 12, i32 12)
581     ret i8 addrspace(1)* %obj.relocated
582   }
583
584 In the above examples, the addrspace(1) marker on the pointers is the mechanism
585 that the ``statepoint-example`` GC strategy uses to distinguish references from
586 non references.  The pass assumes that all addrspace(1) pointers are non-integral
587 pointer types.  Address space 1 is not globally reserved for this purpose.
588
589 This pass can be used an utility function by a language frontend that doesn't
590 want to manually reason about liveness, base pointers, or relocation when
591 constructing IR.  As currently implemented, RewriteStatepointsForGC must be
592 run after SSA construction (i.e. mem2ref).
593
594 RewriteStatepointsForGC will ensure that appropriate base pointers are listed
595 for every relocation created.  It will do so by duplicating code as needed to
596 propagate the base pointer associated with each pointer being relocated to
597 the appropriate safepoints.  The implementation assumes that the following
598 IR constructs produce base pointers: loads from the heap, addresses of global
599 variables, function arguments, function return values. Constant pointers (such
600 as null) are also assumed to be base pointers.  In practice, this constraint
601 can be relaxed to producing interior derived pointers provided the target
602 collector can find the associated allocation from an arbitrary interior
603 derived pointer.
604
605 By default RewriteStatepointsForGC passes in ``0xABCDEF00`` as the statepoint
606 ID and ``0`` as the number of patchable bytes to the newly constructed
607 ``gc.statepoint``.  These values can be configured on a per-callsite
608 basis using the attributes ``"statepoint-id"`` and
609 ``"statepoint-num-patch-bytes"``.  If a call site is marked with a
610 ``"statepoint-id"`` function attribute and its value is a positive
611 integer (represented as a string), then that value is used as the ID
612 of the newly constructed ``gc.statepoint``.  If a call site is marked
613 with a ``"statepoint-num-patch-bytes"`` function attribute and its
614 value is a positive integer, then that value is used as the 'num patch
615 bytes' parameter of the newly constructed ``gc.statepoint``.  The
616 ``"statepoint-id"`` and ``"statepoint-num-patch-bytes"`` attributes
617 are not propagated to the ``gc.statepoint`` call or invoke if they
618 could be successfully parsed.
619
620 In practice, RewriteStatepointsForGC should be run much later in the pass
621 pipeline, after most optimization is already done.  This helps to improve
622 the quality of the generated code when compiled with garbage collection support.
623
624 .. _RewriteStatepointsForGC_intrinsic_lowering:
625
626 RewriteStatepointsForGC intrinsic lowering
627 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
628
629 As a part of lowering to the explicit model of relocations
630 RewriteStatepointsForGC performs GC specific lowering for the following
631 intrinsics:
632
633 * ``gc.get.pointer.base``
634 * ``gc.get.pointer.offset``
635 * ``llvm.memcpy.element.unordered.atomic.*``
636 * ``llvm.memmove.element.unordered.atomic.*``
637
638 There are two possible lowerings for the memcpy and memmove operations:
639 GC leaf lowering and GC parseable lowering. If a call is explicitly marked with
640 "gc-leaf-function" attribute the call is lowered to a GC leaf call to
641 '``__llvm_memcpy_element_unordered_atomic_*``' or
642 '``__llvm_memmove_element_unordered_atomic_*``' symbol. Such a call can not
643 take a safepoint. Otherwise, the call is made GC parseable by wrapping the
644 call into a statepoint. This makes it possible to take a safepoint during
645 copy operation. Note that a GC parseable copy operation is not required to
646 take a safepoint. For example, a short copy operation may be performed without
647 taking a safepoint.
648
649 GC parseable calls to '``llvm.memcpy.element.unordered.atomic.*``',
650 '``llvm.memmove.element.unordered.atomic.*``' intrinsics are lowered to calls
651 to '``__llvm_memcpy_element_unordered_atomic_safepoint_*``',
652 '``__llvm_memmove_element_unordered_atomic_safepoint_*``' symbols respectively.
653 This way the runtime can provide implementations of copy operations with and
654 without safepoints.
655
656 GC parseable lowering also involves adjusting the arguments for the call.
657 Memcpy and memmove intrinsics take derived pointers as source and destination
658 arguments. If a copy operation takes a safepoint it might need to relocate the
659 underlying source and destination objects. This requires the corresponding base
660 pointers to be available in the copy operation. In order to make the base
661 pointers available RewriteStatepointsForGC replaces derived pointers with base
662 pointer and offset pairs. For example:
663
664 .. code-block:: llvm
665
666   declare void @__llvm_memcpy_element_unordered_atomic_safepoint_1(
667     i8 addrspace(1)*  %dest_base, i64 %dest_offset,
668     i8 addrspace(1)*  %src_base, i64 %src_offset,
669     i64 %length)
670
671
672 .. _PlaceSafepoints:
673
674 PlaceSafepoints
675 ^^^^^^^^^^^^^^^^
676
677 The pass PlaceSafepoints inserts safepoint polls sufficient to ensure running
678 code checks for a safepoint request on a timely manner. This pass is expected
679 to be run before RewriteStatepointsForGC and thus does not produce full
680 relocation sequences.
681
682 As an example, given input IR of the following:
683
684 .. code-block:: llvm
685
686   define void @test() gc "statepoint-example" {
687     call void @foo()
688     ret void
689   }
690
691   declare void @do_safepoint()
692   define void @gc.safepoint_poll() {
693     call void @do_safepoint()
694     ret void
695   }
696
697
698 This pass would produce the following IR:
699
700 .. code-block:: llvm
701
702   define void @test() gc "statepoint-example" {
703     call void @do_safepoint()
704     call void @foo()
705     ret void
706   }
707
708 In this case, we've added an (unconditional) entry safepoint poll.  Note that
709 despite appearances, the entry poll is not necessarily redundant.  We'd have to
710 know that ``foo`` and ``test`` were not mutually recursive for the poll to be
711 redundant.  In practice, you'd probably want to your poll definition to contain
712 a conditional branch of some form.
713
714 At the moment, PlaceSafepoints can insert safepoint polls at method entry and
715 loop backedges locations.  Extending this to work with return polls would be
716 straight forward if desired.
717
718 PlaceSafepoints includes a number of optimizations to avoid placing safepoint
719 polls at particular sites unless needed to ensure timely execution of a poll
720 under normal conditions.  PlaceSafepoints does not attempt to ensure timely
721 execution of a poll under worst case conditions such as heavy system paging.
722
723 The implementation of a safepoint poll action is specified by looking up a
724 function of the name ``gc.safepoint_poll`` in the containing Module.  The body
725 of this function is inserted at each poll site desired.  While calls or invokes
726 inside this method are transformed to a ``gc.statepoints``, recursive poll
727 insertion is not performed.
728
729 This pass is useful for any language frontend which only has to support
730 garbage collection semantics at safepoints.  If you need other abstract
731 frame information at safepoints (e.g. for deoptimization or introspection),
732 you can insert safepoint polls in the frontend.  If you have the later case,
733 please ask on llvm-dev for suggestions.  There's been a good amount of work
734 done on making such a scheme work well in practice which is not yet documented
735 here.
736
737
738 Supported Architectures
739 =======================
740
741 Support for statepoint generation requires some code for each backend.
742 Today, only X86_64 is supported.
743
744 .. _OpenWork:
745
746 Limitations and Half Baked Ideas
747 ================================
748
749 Mixing References and Raw Pointers
750 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
751
752 Support for languages which allow unmanaged pointers to garbage collected
753 objects (i.e. pass a pointer to an object to a C routine) in the abstract
754 machine model.  At the moment, the best idea on how to approach this
755 involves an intrinsic or opaque function which hides the connection between
756 the reference value and the raw pointer.  The problem is that having a
757 ptrtoint or inttoptr cast (which is common for such use cases) breaks the
758 rules used for inferring base pointers for arbitrary references when
759 lowering out of the abstract model to the explicit physical model.  Note
760 that a frontend which lowers directly to the physical model doesn't have
761 any problems here.
762
763 Objects on the Stack
764 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
765
766 As noted above, the explicit lowering supports objects allocated on the
767 stack provided the collector can find a heap map given the stack address.
768
769 The missing pieces are a) integration with rewriting (RS4GC) from the
770 abstract machine model and b) support for optionally decomposing on stack
771 objects so as not to require heap maps for them.  The later is required
772 for ease of integration with some collectors.
773
774 Lowering Quality and Representation Overhead
775 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
776
777 The current statepoint lowering is known to be somewhat poor.  In the very
778 long term, we'd like to integrate statepoints with the register allocator;
779 in the near term this is unlikely to happen.  We've found the quality of
780 lowering to be relatively unimportant as hot-statepoints are almost always
781 inliner bugs.
782
783 Concerns have been raised that the statepoint representation results in a
784 large amount of IR being produced for some examples and that this
785 contributes to higher than expected memory usage and compile times.  There's
786 no immediate plans to make changes due to this, but alternate models may be
787 explored in the future.
788
789 Relocations Along Exceptional Edges
790 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
791
792 Relocations along exceptional paths are currently broken in ToT.  In
793 particular, there is current no way to represent a rethrow on a path which
794 also has relocations.  See `this llvm-dev discussion
795 <https://groups.google.com/forum/#!topic/llvm-dev/AE417XjgxvI>`_ for more
796 detail.
797
798 Support for alternate stackmap formats
799 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
800
801 For some use cases, it is
802 desirable to directly encode a final memory efficient stackmap format for
803 use by the runtime.  This is particularly relevant for ahead of time
804 compilers which wish to directly link object files without the need for
805 post processing of each individual object file.  While not implemented
806 today for statepoints, there is precedent for a GCStrategy to be able to
807 select a customer GCMetataPrinter for this purpose.  Patches to enable
808 this functionality upstream are welcome.
809
810 Bugs and Enhancements
811 =====================
812
813 Currently known bugs and enhancements under consideration can be
814 tracked by performing a `bugzilla search
815 <https://bugs.llvm.org/buglist.cgi?cmdtype=runnamed&namedcmd=Statepoint%20Bugs&list_id=64342>`_
816 for [Statepoint] in the summary field. When filing new bugs, please
817 use this tag so that interested parties see the newly filed bug.  As
818 with most LLVM features, design discussions take place on `llvm-dev
819 <http://lists.llvm.org/mailman/listinfo/llvm-dev>`_, and patches
820 should be sent to `llvm-commits
821 <http://lists.llvm.org/mailman/listinfo/llvm-commits>`_ for review.