Merging r258729:
[oota-llvm.git] / docs / BitCodeFormat.rst
1 .. role:: raw-html(raw)
2    :format: html
3
4 ========================
5 LLVM Bitcode File Format
6 ========================
7
8 .. contents::
9    :local:
10
11 Abstract
12 ========
13
14 This document describes the LLVM bitstream file format and the encoding of the
15 LLVM IR into it.
16
17 Overview
18 ========
19
20 What is commonly known as the LLVM bitcode file format (also, sometimes
21 anachronistically known as bytecode) is actually two things: a `bitstream
22 container format`_ and an `encoding of LLVM IR`_ into the container format.
23
24 The bitstream format is an abstract encoding of structured data, very similar to
25 XML in some ways.  Like XML, bitstream files contain tags, and nested
26 structures, and you can parse the file without having to understand the tags.
27 Unlike XML, the bitstream format is a binary encoding, and unlike XML it
28 provides a mechanism for the file to self-describe "abbreviations", which are
29 effectively size optimizations for the content.
30
31 LLVM IR files may be optionally embedded into a `wrapper`_ structure, or in a
32 `native object file`_. Both of these mechanisms make it easy to embed extra
33 data along with LLVM IR files.
34
35 This document first describes the LLVM bitstream format, describes the wrapper
36 format, then describes the record structure used by LLVM IR files.
37
38 .. _bitstream container format:
39
40 Bitstream Format
41 ================
42
43 The bitstream format is literally a stream of bits, with a very simple
44 structure.  This structure consists of the following concepts:
45
46 * A "`magic number`_" that identifies the contents of the stream.
47
48 * Encoding `primitives`_ like variable bit-rate integers.
49
50 * `Blocks`_, which define nested content.
51
52 * `Data Records`_, which describe entities within the file.
53
54 * Abbreviations, which specify compression optimizations for the file.
55
56 Note that the :doc:`llvm-bcanalyzer <CommandGuide/llvm-bcanalyzer>` tool can be
57 used to dump and inspect arbitrary bitstreams, which is very useful for
58 understanding the encoding.
59
60 .. _magic number:
61
62 Magic Numbers
63 -------------
64
65 The first two bytes of a bitcode file are 'BC' (``0x42``, ``0x43``).  The second
66 two bytes are an application-specific magic number.  Generic bitcode tools can
67 look at only the first two bytes to verify the file is bitcode, while
68 application-specific programs will want to look at all four.
69
70 .. _primitives:
71
72 Primitives
73 ----------
74
75 A bitstream literally consists of a stream of bits, which are read in order
76 starting with the least significant bit of each byte.  The stream is made up of
77 a number of primitive values that encode a stream of unsigned integer values.
78 These integers are encoded in two ways: either as `Fixed Width Integers`_ or as
79 `Variable Width Integers`_.
80
81 .. _Fixed Width Integers:
82 .. _fixed-width value:
83
84 Fixed Width Integers
85 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
86
87 Fixed-width integer values have their low bits emitted directly to the file.
88 For example, a 3-bit integer value encodes 1 as 001.  Fixed width integers are
89 used when there are a well-known number of options for a field.  For example,
90 boolean values are usually encoded with a 1-bit wide integer.
91
92 .. _Variable Width Integers:
93 .. _Variable Width Integer:
94 .. _variable-width value:
95
96 Variable Width Integers
97 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
98
99 Variable-width integer (VBR) values encode values of arbitrary size, optimizing
100 for the case where the values are small.  Given a 4-bit VBR field, any 3-bit
101 value (0 through 7) is encoded directly, with the high bit set to zero.  Values
102 larger than N-1 bits emit their bits in a series of N-1 bit chunks, where all
103 but the last set the high bit.
104
105 For example, the value 27 (0x1B) is encoded as 1011 0011 when emitted as a vbr4
106 value.  The first set of four bits indicates the value 3 (011) with a
107 continuation piece (indicated by a high bit of 1).  The next word indicates a
108 value of 24 (011 << 3) with no continuation.  The sum (3+24) yields the value
109 27.
110
111 .. _char6-encoded value:
112
113 6-bit characters
114 ^^^^^^^^^^^^^^^^
115
116 6-bit characters encode common characters into a fixed 6-bit field.  They
117 represent the following characters with the following 6-bit values:
118
119 ::
120
121   'a' .. 'z' ---  0 .. 25
122   'A' .. 'Z' --- 26 .. 51
123   '0' .. '9' --- 52 .. 61
124          '.' --- 62
125          '_' --- 63
126
127 This encoding is only suitable for encoding characters and strings that consist
128 only of the above characters.  It is completely incapable of encoding characters
129 not in the set.
130
131 Word Alignment
132 ^^^^^^^^^^^^^^
133
134 Occasionally, it is useful to emit zero bits until the bitstream is a multiple
135 of 32 bits.  This ensures that the bit position in the stream can be represented
136 as a multiple of 32-bit words.
137
138 Abbreviation IDs
139 ----------------
140
141 A bitstream is a sequential series of `Blocks`_ and `Data Records`_.  Both of
142 these start with an abbreviation ID encoded as a fixed-bitwidth field.  The
143 width is specified by the current block, as described below.  The value of the
144 abbreviation ID specifies either a builtin ID (which have special meanings,
145 defined below) or one of the abbreviation IDs defined for the current block by
146 the stream itself.
147
148 The set of builtin abbrev IDs is:
149
150 * 0 - `END_BLOCK`_ --- This abbrev ID marks the end of the current block.
151
152 * 1 - `ENTER_SUBBLOCK`_ --- This abbrev ID marks the beginning of a new
153   block.
154
155 * 2 - `DEFINE_ABBREV`_ --- This defines a new abbreviation.
156
157 * 3 - `UNABBREV_RECORD`_ --- This ID specifies the definition of an
158   unabbreviated record.
159
160 Abbreviation IDs 4 and above are defined by the stream itself, and specify an
161 `abbreviated record encoding`_.
162
163 .. _Blocks:
164
165 Blocks
166 ------
167
168 Blocks in a bitstream denote nested regions of the stream, and are identified by
169 a content-specific id number (for example, LLVM IR uses an ID of 12 to represent
170 function bodies).  Block IDs 0-7 are reserved for `standard blocks`_ whose
171 meaning is defined by Bitcode; block IDs 8 and greater are application
172 specific. Nested blocks capture the hierarchical structure of the data encoded
173 in it, and various properties are associated with blocks as the file is parsed.
174 Block definitions allow the reader to efficiently skip blocks in constant time
175 if the reader wants a summary of blocks, or if it wants to efficiently skip data
176 it does not understand.  The LLVM IR reader uses this mechanism to skip function
177 bodies, lazily reading them on demand.
178
179 When reading and encoding the stream, several properties are maintained for the
180 block.  In particular, each block maintains:
181
182 #. A current abbrev id width.  This value starts at 2 at the beginning of the
183    stream, and is set every time a block record is entered.  The block entry
184    specifies the abbrev id width for the body of the block.
185
186 #. A set of abbreviations.  Abbreviations may be defined within a block, in
187    which case they are only defined in that block (neither subblocks nor
188    enclosing blocks see the abbreviation).  Abbreviations can also be defined
189    inside a `BLOCKINFO`_ block, in which case they are defined in all blocks
190    that match the ID that the ``BLOCKINFO`` block is describing.
191
192 As sub blocks are entered, these properties are saved and the new sub-block has
193 its own set of abbreviations, and its own abbrev id width.  When a sub-block is
194 popped, the saved values are restored.
195
196 .. _ENTER_SUBBLOCK:
197
198 ENTER_SUBBLOCK Encoding
199 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
200
201 :raw-html:`<tt>`
202 [ENTER_SUBBLOCK, blockid\ :sub:`vbr8`, newabbrevlen\ :sub:`vbr4`, <align32bits>, blocklen_32]
203 :raw-html:`</tt>`
204
205 The ``ENTER_SUBBLOCK`` abbreviation ID specifies the start of a new block
206 record.  The ``blockid`` value is encoded as an 8-bit VBR identifier, and
207 indicates the type of block being entered, which can be a `standard block`_ or
208 an application-specific block.  The ``newabbrevlen`` value is a 4-bit VBR, which
209 specifies the abbrev id width for the sub-block.  The ``blocklen`` value is a
210 32-bit aligned value that specifies the size of the subblock in 32-bit
211 words. This value allows the reader to skip over the entire block in one jump.
212
213 .. _END_BLOCK:
214
215 END_BLOCK Encoding
216 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
217
218 ``[END_BLOCK, <align32bits>]``
219
220 The ``END_BLOCK`` abbreviation ID specifies the end of the current block record.
221 Its end is aligned to 32-bits to ensure that the size of the block is an even
222 multiple of 32-bits.
223
224 .. _Data Records:
225
226 Data Records
227 ------------
228
229 Data records consist of a record code and a number of (up to) 64-bit integer
230 values.  The interpretation of the code and values is application specific and
231 may vary between different block types.  Records can be encoded either using an
232 unabbrev record, or with an abbreviation.  In the LLVM IR format, for example,
233 there is a record which encodes the target triple of a module.  The code is
234 ``MODULE_CODE_TRIPLE``, and the values of the record are the ASCII codes for the
235 characters in the string.
236
237 .. _UNABBREV_RECORD:
238
239 UNABBREV_RECORD Encoding
240 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
241
242 :raw-html:`<tt>`
243 [UNABBREV_RECORD, code\ :sub:`vbr6`, numops\ :sub:`vbr6`, op0\ :sub:`vbr6`, op1\ :sub:`vbr6`, ...]
244 :raw-html:`</tt>`
245
246 An ``UNABBREV_RECORD`` provides a default fallback encoding, which is both
247 completely general and extremely inefficient.  It can describe an arbitrary
248 record by emitting the code and operands as VBRs.
249
250 For example, emitting an LLVM IR target triple as an unabbreviated record
251 requires emitting the ``UNABBREV_RECORD`` abbrevid, a vbr6 for the
252 ``MODULE_CODE_TRIPLE`` code, a vbr6 for the length of the string, which is equal
253 to the number of operands, and a vbr6 for each character.  Because there are no
254 letters with values less than 32, each letter would need to be emitted as at
255 least a two-part VBR, which means that each letter would require at least 12
256 bits.  This is not an efficient encoding, but it is fully general.
257
258 .. _abbreviated record encoding:
259
260 Abbreviated Record Encoding
261 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
262
263 ``[<abbrevid>, fields...]``
264
265 An abbreviated record is a abbreviation id followed by a set of fields that are
266 encoded according to the `abbreviation definition`_.  This allows records to be
267 encoded significantly more densely than records encoded with the
268 `UNABBREV_RECORD`_ type, and allows the abbreviation types to be specified in
269 the stream itself, which allows the files to be completely self describing.  The
270 actual encoding of abbreviations is defined below.
271
272 The record code, which is the first field of an abbreviated record, may be
273 encoded in the abbreviation definition (as a literal operand) or supplied in the
274 abbreviated record (as a Fixed or VBR operand value).
275
276 .. _abbreviation definition:
277
278 Abbreviations
279 -------------
280
281 Abbreviations are an important form of compression for bitstreams.  The idea is
282 to specify a dense encoding for a class of records once, then use that encoding
283 to emit many records.  It takes space to emit the encoding into the file, but
284 the space is recouped (hopefully plus some) when the records that use it are
285 emitted.
286
287 Abbreviations can be determined dynamically per client, per file. Because the
288 abbreviations are stored in the bitstream itself, different streams of the same
289 format can contain different sets of abbreviations according to the needs of the
290 specific stream.  As a concrete example, LLVM IR files usually emit an
291 abbreviation for binary operators.  If a specific LLVM module contained no or
292 few binary operators, the abbreviation does not need to be emitted.
293
294 .. _DEFINE_ABBREV:
295
296 DEFINE_ABBREV Encoding
297 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
298
299 :raw-html:`<tt>`
300 [DEFINE_ABBREV, numabbrevops\ :sub:`vbr5`, abbrevop0, abbrevop1, ...]
301 :raw-html:`</tt>`
302
303 A ``DEFINE_ABBREV`` record adds an abbreviation to the list of currently defined
304 abbreviations in the scope of this block.  This definition only exists inside
305 this immediate block --- it is not visible in subblocks or enclosing blocks.
306 Abbreviations are implicitly assigned IDs sequentially starting from 4 (the
307 first application-defined abbreviation ID).  Any abbreviations defined in a
308 ``BLOCKINFO`` record for the particular block type receive IDs first, in order,
309 followed by any abbreviations defined within the block itself.  Abbreviated data
310 records reference this ID to indicate what abbreviation they are invoking.
311
312 An abbreviation definition consists of the ``DEFINE_ABBREV`` abbrevid followed
313 by a VBR that specifies the number of abbrev operands, then the abbrev operands
314 themselves.  Abbreviation operands come in three forms.  They all start with a
315 single bit that indicates whether the abbrev operand is a literal operand (when
316 the bit is 1) or an encoding operand (when the bit is 0).
317
318 #. Literal operands --- :raw-html:`<tt>` [1\ :sub:`1`, litvalue\
319    :sub:`vbr8`] :raw-html:`</tt>` --- Literal operands specify that the value in
320    the result is always a single specific value.  This specific value is emitted
321    as a vbr8 after the bit indicating that it is a literal operand.
322
323 #. Encoding info without data --- :raw-html:`<tt>` [0\ :sub:`1`, encoding\
324    :sub:`3`] :raw-html:`</tt>` --- Operand encodings that do not have extra data
325    are just emitted as their code.
326
327 #. Encoding info with data --- :raw-html:`<tt>` [0\ :sub:`1`, encoding\
328    :sub:`3`, value\ :sub:`vbr5`] :raw-html:`</tt>` --- Operand encodings that do
329    have extra data are emitted as their code, followed by the extra data.
330
331 The possible operand encodings are:
332
333 * Fixed (code 1): The field should be emitted as a `fixed-width value`_, whose
334   width is specified by the operand's extra data.
335
336 * VBR (code 2): The field should be emitted as a `variable-width value`_, whose
337   width is specified by the operand's extra data.
338
339 * Array (code 3): This field is an array of values.  The array operand has no
340   extra data, but expects another operand to follow it, indicating the element
341   type of the array.  When reading an array in an abbreviated record, the first
342   integer is a vbr6 that indicates the array length, followed by the encoded
343   elements of the array.  An array may only occur as the last operand of an
344   abbreviation (except for the one final operand that gives the array's
345   type).
346
347 * Char6 (code 4): This field should be emitted as a `char6-encoded value`_.
348   This operand type takes no extra data. Char6 encoding is normally used as an
349   array element type.
350
351 * Blob (code 5): This field is emitted as a vbr6, followed by padding to a
352   32-bit boundary (for alignment) and an array of 8-bit objects.  The array of
353   bytes is further followed by tail padding to ensure that its total length is a
354   multiple of 4 bytes.  This makes it very efficient for the reader to decode
355   the data without having to make a copy of it: it can use a pointer to the data
356   in the mapped in file and poke directly at it.  A blob may only occur as the
357   last operand of an abbreviation.
358
359 For example, target triples in LLVM modules are encoded as a record of the form
360 ``[TRIPLE, 'a', 'b', 'c', 'd']``.  Consider if the bitstream emitted the
361 following abbrev entry:
362
363 ::
364
365   [0, Fixed, 4]
366   [0, Array]
367   [0, Char6]
368
369 When emitting a record with this abbreviation, the above entry would be emitted
370 as:
371
372 :raw-html:`<tt><blockquote>`
373 [4\ :sub:`abbrevwidth`, 2\ :sub:`4`, 4\ :sub:`vbr6`, 0\ :sub:`6`, 1\ :sub:`6`, 2\ :sub:`6`, 3\ :sub:`6`]
374 :raw-html:`</blockquote></tt>`
375
376 These values are:
377
378 #. The first value, 4, is the abbreviation ID for this abbreviation.
379
380 #. The second value, 2, is the record code for ``TRIPLE`` records within LLVM IR
381    file ``MODULE_BLOCK`` blocks.
382
383 #. The third value, 4, is the length of the array.
384
385 #. The rest of the values are the char6 encoded values for ``"abcd"``.
386
387 With this abbreviation, the triple is emitted with only 37 bits (assuming a
388 abbrev id width of 3).  Without the abbreviation, significantly more space would
389 be required to emit the target triple.  Also, because the ``TRIPLE`` value is
390 not emitted as a literal in the abbreviation, the abbreviation can also be used
391 for any other string value.
392
393 .. _standard blocks:
394 .. _standard block:
395
396 Standard Blocks
397 ---------------
398
399 In addition to the basic block structure and record encodings, the bitstream
400 also defines specific built-in block types.  These block types specify how the
401 stream is to be decoded or other metadata.  In the future, new standard blocks
402 may be added.  Block IDs 0-7 are reserved for standard blocks.
403
404 .. _BLOCKINFO:
405
406 #0 - BLOCKINFO Block
407 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
408
409 The ``BLOCKINFO`` block allows the description of metadata for other blocks.
410 The currently specified records are:
411
412 ::
413
414   [SETBID (#1), blockid]
415   [DEFINE_ABBREV, ...]
416   [BLOCKNAME, ...name...]
417   [SETRECORDNAME, RecordID, ...name...]
418
419 The ``SETBID`` record (code 1) indicates which block ID is being described.
420 ``SETBID`` records can occur multiple times throughout the block to change which
421 block ID is being described.  There must be a ``SETBID`` record prior to any
422 other records.
423
424 Standard ``DEFINE_ABBREV`` records can occur inside ``BLOCKINFO`` blocks, but
425 unlike their occurrence in normal blocks, the abbreviation is defined for blocks
426 matching the block ID we are describing, *not* the ``BLOCKINFO`` block
427 itself.  The abbreviations defined in ``BLOCKINFO`` blocks receive abbreviation
428 IDs as described in `DEFINE_ABBREV`_.
429
430 The ``BLOCKNAME`` record (code 2) can optionally occur in this block.  The
431 elements of the record are the bytes of the string name of the block.
432 llvm-bcanalyzer can use this to dump out bitcode files symbolically.
433
434 The ``SETRECORDNAME`` record (code 3) can also optionally occur in this block.
435 The first operand value is a record ID number, and the rest of the elements of
436 the record are the bytes for the string name of the record.  llvm-bcanalyzer can
437 use this to dump out bitcode files symbolically.
438
439 Note that although the data in ``BLOCKINFO`` blocks is described as "metadata,"
440 the abbreviations they contain are essential for parsing records from the
441 corresponding blocks.  It is not safe to skip them.
442
443 .. _wrapper:
444
445 Bitcode Wrapper Format
446 ======================
447
448 Bitcode files for LLVM IR may optionally be wrapped in a simple wrapper
449 structure.  This structure contains a simple header that indicates the offset
450 and size of the embedded BC file.  This allows additional information to be
451 stored alongside the BC file.  The structure of this file header is:
452
453 :raw-html:`<tt><blockquote>`
454 [Magic\ :sub:`32`, Version\ :sub:`32`, Offset\ :sub:`32`, Size\ :sub:`32`, CPUType\ :sub:`32`]
455 :raw-html:`</blockquote></tt>`
456
457 Each of the fields are 32-bit fields stored in little endian form (as with the
458 rest of the bitcode file fields).  The Magic number is always ``0x0B17C0DE`` and
459 the version is currently always ``0``.  The Offset field is the offset in bytes
460 to the start of the bitcode stream in the file, and the Size field is the size
461 in bytes of the stream. CPUType is a target-specific value that can be used to
462 encode the CPU of the target.
463
464 .. _native object file:
465
466 Native Object File Wrapper Format
467 =================================
468
469 Bitcode files for LLVM IR may also be wrapped in a native object file
470 (i.e. ELF, COFF, Mach-O).  The bitcode must be stored in a section of the
471 object file named ``.llvmbc``.  This wrapper format is useful for accommodating
472 LTO in compilation pipelines where intermediate objects must be native object
473 files which contain metadata in other sections.
474
475 Not all tools support this format.
476
477 .. _encoding of LLVM IR:
478
479 LLVM IR Encoding
480 ================
481
482 LLVM IR is encoded into a bitstream by defining blocks and records.  It uses
483 blocks for things like constant pools, functions, symbol tables, etc.  It uses
484 records for things like instructions, global variable descriptors, type
485 descriptions, etc.  This document does not describe the set of abbreviations
486 that the writer uses, as these are fully self-described in the file, and the
487 reader is not allowed to build in any knowledge of this.
488
489 Basics
490 ------
491
492 LLVM IR Magic Number
493 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
494
495 The magic number for LLVM IR files is:
496
497 :raw-html:`<tt><blockquote>`
498 [0x0\ :sub:`4`, 0xC\ :sub:`4`, 0xE\ :sub:`4`, 0xD\ :sub:`4`]
499 :raw-html:`</blockquote></tt>`
500
501 When combined with the bitcode magic number and viewed as bytes, this is
502 ``"BC 0xC0DE"``.
503
504 .. _Signed VBRs:
505
506 Signed VBRs
507 ^^^^^^^^^^^
508
509 `Variable Width Integer`_ encoding is an efficient way to encode arbitrary sized
510 unsigned values, but is an extremely inefficient for encoding signed values, as
511 signed values are otherwise treated as maximally large unsigned values.
512
513 As such, signed VBR values of a specific width are emitted as follows:
514
515 * Positive values are emitted as VBRs of the specified width, but with their
516   value shifted left by one.
517
518 * Negative values are emitted as VBRs of the specified width, but the negated
519   value is shifted left by one, and the low bit is set.
520
521 With this encoding, small positive and small negative values can both be emitted
522 efficiently. Signed VBR encoding is used in ``CST_CODE_INTEGER`` and
523 ``CST_CODE_WIDE_INTEGER`` records within ``CONSTANTS_BLOCK`` blocks.
524 It is also used for phi instruction operands in `MODULE_CODE_VERSION`_ 1.
525
526 LLVM IR Blocks
527 ^^^^^^^^^^^^^^
528
529 LLVM IR is defined with the following blocks:
530
531 * 8 --- `MODULE_BLOCK`_ --- This is the top-level block that contains the entire
532   module, and describes a variety of per-module information.
533
534 * 9 --- `PARAMATTR_BLOCK`_ --- This enumerates the parameter attributes.
535
536 * 10 --- `TYPE_BLOCK`_ --- This describes all of the types in the module.
537
538 * 11 --- `CONSTANTS_BLOCK`_ --- This describes constants for a module or
539   function.
540
541 * 12 --- `FUNCTION_BLOCK`_ --- This describes a function body.
542
543 * 13 --- `TYPE_SYMTAB_BLOCK`_ --- This describes the type symbol table.
544
545 * 14 --- `VALUE_SYMTAB_BLOCK`_ --- This describes a value symbol table.
546
547 * 15 --- `METADATA_BLOCK`_ --- This describes metadata items.
548
549 * 16 --- `METADATA_ATTACHMENT`_ --- This contains records associating metadata
550   with function instruction values.
551
552 .. _MODULE_BLOCK:
553
554 MODULE_BLOCK Contents
555 ---------------------
556
557 The ``MODULE_BLOCK`` block (id 8) is the top-level block for LLVM bitcode files,
558 and each bitcode file must contain exactly one. In addition to records
559 (described below) containing information about the module, a ``MODULE_BLOCK``
560 block may contain the following sub-blocks:
561
562 * `BLOCKINFO`_
563 * `PARAMATTR_BLOCK`_
564 * `TYPE_BLOCK`_
565 * `TYPE_SYMTAB_BLOCK`_
566 * `VALUE_SYMTAB_BLOCK`_
567 * `CONSTANTS_BLOCK`_
568 * `FUNCTION_BLOCK`_
569 * `METADATA_BLOCK`_
570
571 .. _MODULE_CODE_VERSION:
572
573 MODULE_CODE_VERSION Record
574 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
575
576 ``[VERSION, version#]``
577
578 The ``VERSION`` record (code 1) contains a single value indicating the format
579 version. Versions 0 and 1 are supported at this time. The difference between
580 version 0 and 1 is in the encoding of instruction operands in
581 each `FUNCTION_BLOCK`_.
582
583 In version 0, each value defined by an instruction is assigned an ID
584 unique to the function. Function-level value IDs are assigned starting from
585 ``NumModuleValues`` since they share the same namespace as module-level
586 values. The value enumerator resets after each function. When a value is
587 an operand of an instruction, the value ID is used to represent the operand.
588 For large functions or large modules, these operand values can be large.
589
590 The encoding in version 1 attempts to avoid large operand values
591 in common cases. Instead of using the value ID directly, operands are
592 encoded as relative to the current instruction. Thus, if an operand
593 is the value defined by the previous instruction, the operand
594 will be encoded as 1.
595
596 For example, instead of
597
598 .. code-block:: llvm
599
600   #n = load #n-1
601   #n+1 = icmp eq #n, #const0
602   br #n+1, label #(bb1), label #(bb2)
603
604 version 1 will encode the instructions as
605
606 .. code-block:: llvm
607
608   #n = load #1
609   #n+1 = icmp eq #1, (#n+1)-#const0
610   br #1, label #(bb1), label #(bb2)
611
612 Note in the example that operands which are constants also use
613 the relative encoding, while operands like basic block labels
614 do not use the relative encoding.
615
616 Forward references will result in a negative value.
617 This can be inefficient, as operands are normally encoded
618 as unsigned VBRs. However, forward references are rare, except in the
619 case of phi instructions. For phi instructions, operands are encoded as
620 `Signed VBRs`_ to deal with forward references.
621
622
623 MODULE_CODE_TRIPLE Record
624 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
625
626 ``[TRIPLE, ...string...]``
627
628 The ``TRIPLE`` record (code 2) contains a variable number of values representing
629 the bytes of the ``target triple`` specification string.
630
631 MODULE_CODE_DATALAYOUT Record
632 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
633
634 ``[DATALAYOUT, ...string...]``
635
636 The ``DATALAYOUT`` record (code 3) contains a variable number of values
637 representing the bytes of the ``target datalayout`` specification string.
638
639 MODULE_CODE_ASM Record
640 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
641
642 ``[ASM, ...string...]``
643
644 The ``ASM`` record (code 4) contains a variable number of values representing
645 the bytes of ``module asm`` strings, with individual assembly blocks separated
646 by newline (ASCII 10) characters.
647
648 .. _MODULE_CODE_SECTIONNAME:
649
650 MODULE_CODE_SECTIONNAME Record
651 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
652
653 ``[SECTIONNAME, ...string...]``
654
655 The ``SECTIONNAME`` record (code 5) contains a variable number of values
656 representing the bytes of a single section name string. There should be one
657 ``SECTIONNAME`` record for each section name referenced (e.g., in global
658 variable or function ``section`` attributes) within the module. These records
659 can be referenced by the 1-based index in the *section* fields of ``GLOBALVAR``
660 or ``FUNCTION`` records.
661
662 MODULE_CODE_DEPLIB Record
663 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
664
665 ``[DEPLIB, ...string...]``
666
667 The ``DEPLIB`` record (code 6) contains a variable number of values representing
668 the bytes of a single dependent library name string, one of the libraries
669 mentioned in a ``deplibs`` declaration.  There should be one ``DEPLIB`` record
670 for each library name referenced.
671
672 MODULE_CODE_GLOBALVAR Record
673 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
674
675 ``[GLOBALVAR, pointer type, isconst, initid, linkage, alignment, section, visibility, threadlocal, unnamed_addr, externally_initialized, dllstorageclass, comdat]``
676
677 The ``GLOBALVAR`` record (code 7) marks the declaration or definition of a
678 global variable. The operand fields are:
679
680 * *pointer type*: The type index of the pointer type used to point to this
681   global variable
682
683 * *isconst*: Non-zero if the variable is treated as constant within the module,
684   or zero if it is not
685
686 * *initid*: If non-zero, the value index of the initializer for this variable,
687   plus 1.
688
689 .. _linkage type:
690
691 * *linkage*: An encoding of the linkage type for this variable:
692   * ``external``: code 0
693   * ``weak``: code 1
694   * ``appending``: code 2
695   * ``internal``: code 3
696   * ``linkonce``: code 4
697   * ``dllimport``: code 5
698   * ``dllexport``: code 6
699   * ``extern_weak``: code 7
700   * ``common``: code 8
701   * ``private``: code 9
702   * ``weak_odr``: code 10
703   * ``linkonce_odr``: code 11
704   * ``available_externally``: code 12
705   * deprecated : code 13
706   * deprecated : code 14
707
708 * alignment*: The logarithm base 2 of the variable's requested alignment, plus 1
709
710 * *section*: If non-zero, the 1-based section index in the table of
711   `MODULE_CODE_SECTIONNAME`_ entries.
712
713 .. _visibility:
714
715 * *visibility*: If present, an encoding of the visibility of this variable:
716   * ``default``: code 0
717   * ``hidden``: code 1
718   * ``protected``: code 2
719
720 * *threadlocal*: If present, an encoding of the thread local storage mode of the
721   variable:
722   * ``not thread local``: code 0
723   * ``thread local; default TLS model``: code 1
724   * ``localdynamic``: code 2
725   * ``initialexec``: code 3
726   * ``localexec``: code 4
727
728 * *unnamed_addr*: If present and non-zero, indicates that the variable has
729   ``unnamed_addr``
730
731 .. _bcdllstorageclass:
732
733 * *dllstorageclass*: If present, an encoding of the DLL storage class of this variable:
734
735   * ``default``: code 0
736   * ``dllimport``: code 1
737   * ``dllexport``: code 2
738
739 .. _FUNCTION:
740
741 MODULE_CODE_FUNCTION Record
742 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
743
744 ``[FUNCTION, type, callingconv, isproto, linkage, paramattr, alignment, section, visibility, gc, prologuedata, dllstorageclass, comdat, prefixdata, personalityfn]``
745
746 The ``FUNCTION`` record (code 8) marks the declaration or definition of a
747 function. The operand fields are:
748
749 * *type*: The type index of the function type describing this function
750
751 * *callingconv*: The calling convention number:
752   * ``ccc``: code 0
753   * ``fastcc``: code 8
754   * ``coldcc``: code 9
755   * ``webkit_jscc``: code 12
756   * ``anyregcc``: code 13
757   * ``preserve_mostcc``: code 14
758   * ``preserve_allcc``: code 15
759   * ``cxx_fast_tlscc``: code 17
760   * ``x86_stdcallcc``: code 64
761   * ``x86_fastcallcc``: code 65
762   * ``arm_apcscc``: code 66
763   * ``arm_aapcscc``: code 67
764   * ``arm_aapcs_vfpcc``: code 68
765
766 * isproto*: Non-zero if this entry represents a declaration rather than a
767   definition
768
769 * *linkage*: An encoding of the `linkage type`_ for this function
770
771 * *paramattr*: If nonzero, the 1-based parameter attribute index into the table
772   of `PARAMATTR_CODE_ENTRY`_ entries.
773
774 * *alignment*: The logarithm base 2 of the function's requested alignment, plus
775   1
776
777 * *section*: If non-zero, the 1-based section index in the table of
778   `MODULE_CODE_SECTIONNAME`_ entries.
779
780 * *visibility*: An encoding of the `visibility`_ of this function
781
782 * *gc*: If present and nonzero, the 1-based garbage collector index in the table
783   of `MODULE_CODE_GCNAME`_ entries.
784
785 * *unnamed_addr*: If present and non-zero, indicates that the function has
786   ``unnamed_addr``
787
788 * *prologuedata*: If non-zero, the value index of the prologue data for this function,
789   plus 1.
790
791 * *dllstorageclass*: An encoding of the
792   :ref:`dllstorageclass<bcdllstorageclass>` of this function
793
794 * *comdat*: An encoding of the COMDAT of this function
795
796 * *prefixdata*: If non-zero, the value index of the prefix data for this function,
797   plus 1.
798
799 * *personalityfn*: If non-zero, the value index of the personality function for this function,
800   plus 1.
801
802 MODULE_CODE_ALIAS Record
803 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
804
805 ``[ALIAS, alias type, aliasee val#, linkage, visibility, dllstorageclass]``
806
807 The ``ALIAS`` record (code 9) marks the definition of an alias. The operand
808 fields are
809
810 * *alias type*: The type index of the alias
811
812 * *aliasee val#*: The value index of the aliased value
813
814 * *linkage*: An encoding of the `linkage type`_ for this alias
815
816 * *visibility*: If present, an encoding of the `visibility`_ of the alias
817
818 * *dllstorageclass*: If present, an encoding of the
819   :ref:`dllstorageclass<bcdllstorageclass>` of the alias
820
821 MODULE_CODE_PURGEVALS Record
822 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
823
824 ``[PURGEVALS, numvals]``
825
826 The ``PURGEVALS`` record (code 10) resets the module-level value list to the
827 size given by the single operand value. Module-level value list items are added
828 by ``GLOBALVAR``, ``FUNCTION``, and ``ALIAS`` records.  After a ``PURGEVALS``
829 record is seen, new value indices will start from the given *numvals* value.
830
831 .. _MODULE_CODE_GCNAME:
832
833 MODULE_CODE_GCNAME Record
834 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
835
836 ``[GCNAME, ...string...]``
837
838 The ``GCNAME`` record (code 11) contains a variable number of values
839 representing the bytes of a single garbage collector name string. There should
840 be one ``GCNAME`` record for each garbage collector name referenced in function
841 ``gc`` attributes within the module. These records can be referenced by 1-based
842 index in the *gc* fields of ``FUNCTION`` records.
843
844 .. _PARAMATTR_BLOCK:
845
846 PARAMATTR_BLOCK Contents
847 ------------------------
848
849 The ``PARAMATTR_BLOCK`` block (id 9) contains a table of entries describing the
850 attributes of function parameters. These entries are referenced by 1-based index
851 in the *paramattr* field of module block `FUNCTION`_ records, or within the
852 *attr* field of function block ``INST_INVOKE`` and ``INST_CALL`` records.
853
854 Entries within ``PARAMATTR_BLOCK`` are constructed to ensure that each is unique
855 (i.e., no two indices represent equivalent attribute lists).
856
857 .. _PARAMATTR_CODE_ENTRY:
858
859 PARAMATTR_CODE_ENTRY Record
860 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
861
862 ``[ENTRY, paramidx0, attr0, paramidx1, attr1...]``
863
864 The ``ENTRY`` record (code 1) contains an even number of values describing a
865 unique set of function parameter attributes. Each *paramidx* value indicates
866 which set of attributes is represented, with 0 representing the return value
867 attributes, 0xFFFFFFFF representing function attributes, and other values
868 representing 1-based function parameters. Each *attr* value is a bitmap with the
869 following interpretation:
870
871 * bit 0: ``zeroext``
872 * bit 1: ``signext``
873 * bit 2: ``noreturn``
874 * bit 3: ``inreg``
875 * bit 4: ``sret``
876 * bit 5: ``nounwind``
877 * bit 6: ``noalias``
878 * bit 7: ``byval``
879 * bit 8: ``nest``
880 * bit 9: ``readnone``
881 * bit 10: ``readonly``
882 * bit 11: ``noinline``
883 * bit 12: ``alwaysinline``
884 * bit 13: ``optsize``
885 * bit 14: ``ssp``
886 * bit 15: ``sspreq``
887 * bits 16-31: ``align n``
888 * bit 32: ``nocapture``
889 * bit 33: ``noredzone``
890 * bit 34: ``noimplicitfloat``
891 * bit 35: ``naked``
892 * bit 36: ``inlinehint``
893 * bits 37-39: ``alignstack n``, represented as the logarithm
894   base 2 of the requested alignment, plus 1
895
896 .. _TYPE_BLOCK:
897
898 TYPE_BLOCK Contents
899 -------------------
900
901 The ``TYPE_BLOCK`` block (id 10) contains records which constitute a table of
902 type operator entries used to represent types referenced within an LLVM
903 module. Each record (with the exception of `NUMENTRY`_) generates a single type
904 table entry, which may be referenced by 0-based index from instructions,
905 constants, metadata, type symbol table entries, or other type operator records.
906
907 Entries within ``TYPE_BLOCK`` are constructed to ensure that each entry is
908 unique (i.e., no two indices represent structurally equivalent types).
909
910 .. _TYPE_CODE_NUMENTRY:
911 .. _NUMENTRY:
912
913 TYPE_CODE_NUMENTRY Record
914 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
915
916 ``[NUMENTRY, numentries]``
917
918 The ``NUMENTRY`` record (code 1) contains a single value which indicates the
919 total number of type code entries in the type table of the module. If present,
920 ``NUMENTRY`` should be the first record in the block.
921
922 TYPE_CODE_VOID Record
923 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
924
925 ``[VOID]``
926
927 The ``VOID`` record (code 2) adds a ``void`` type to the type table.
928
929 TYPE_CODE_HALF Record
930 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
931
932 ``[HALF]``
933
934 The ``HALF`` record (code 10) adds a ``half`` (16-bit floating point) type to
935 the type table.
936
937 TYPE_CODE_FLOAT Record
938 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
939
940 ``[FLOAT]``
941
942 The ``FLOAT`` record (code 3) adds a ``float`` (32-bit floating point) type to
943 the type table.
944
945 TYPE_CODE_DOUBLE Record
946 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
947
948 ``[DOUBLE]``
949
950 The ``DOUBLE`` record (code 4) adds a ``double`` (64-bit floating point) type to
951 the type table.
952
953 TYPE_CODE_LABEL Record
954 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
955
956 ``[LABEL]``
957
958 The ``LABEL`` record (code 5) adds a ``label`` type to the type table.
959
960 TYPE_CODE_OPAQUE Record
961 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
962
963 ``[OPAQUE]``
964
965 The ``OPAQUE`` record (code 6) adds an ``opaque`` type to the type table. Note
966 that distinct ``opaque`` types are not unified.
967
968 TYPE_CODE_INTEGER Record
969 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
970
971 ``[INTEGER, width]``
972
973 The ``INTEGER`` record (code 7) adds an integer type to the type table. The
974 single *width* field indicates the width of the integer type.
975
976 TYPE_CODE_POINTER Record
977 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
978
979 ``[POINTER, pointee type, address space]``
980
981 The ``POINTER`` record (code 8) adds a pointer type to the type table. The
982 operand fields are
983
984 * *pointee type*: The type index of the pointed-to type
985
986 * *address space*: If supplied, the target-specific numbered address space where
987   the pointed-to object resides. Otherwise, the default address space is zero.
988
989 TYPE_CODE_FUNCTION Record
990 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
991
992 ``[FUNCTION, vararg, ignored, retty, ...paramty... ]``
993
994 The ``FUNCTION`` record (code 9) adds a function type to the type table. The
995 operand fields are
996
997 * *vararg*: Non-zero if the type represents a varargs function
998
999 * *ignored*: This value field is present for backward compatibility only, and is
1000   ignored
1001
1002 * *retty*: The type index of the function's return type
1003
1004 * *paramty*: Zero or more type indices representing the parameter types of the
1005   function
1006
1007 TYPE_CODE_STRUCT Record
1008 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1009
1010 ``[STRUCT, ispacked, ...eltty...]``
1011
1012 The ``STRUCT`` record (code 10) adds a struct type to the type table. The
1013 operand fields are
1014
1015 * *ispacked*: Non-zero if the type represents a packed structure
1016
1017 * *eltty*: Zero or more type indices representing the element types of the
1018   structure
1019
1020 TYPE_CODE_ARRAY Record
1021 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1022
1023 ``[ARRAY, numelts, eltty]``
1024
1025 The ``ARRAY`` record (code 11) adds an array type to the type table.  The
1026 operand fields are
1027
1028 * *numelts*: The number of elements in arrays of this type
1029
1030 * *eltty*: The type index of the array element type
1031
1032 TYPE_CODE_VECTOR Record
1033 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1034
1035 ``[VECTOR, numelts, eltty]``
1036
1037 The ``VECTOR`` record (code 12) adds a vector type to the type table.  The
1038 operand fields are
1039
1040 * *numelts*: The number of elements in vectors of this type
1041
1042 * *eltty*: The type index of the vector element type
1043
1044 TYPE_CODE_X86_FP80 Record
1045 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1046
1047 ``[X86_FP80]``
1048
1049 The ``X86_FP80`` record (code 13) adds an ``x86_fp80`` (80-bit floating point)
1050 type to the type table.
1051
1052 TYPE_CODE_FP128 Record
1053 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1054
1055 ``[FP128]``
1056
1057 The ``FP128`` record (code 14) adds an ``fp128`` (128-bit floating point) type
1058 to the type table.
1059
1060 TYPE_CODE_PPC_FP128 Record
1061 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1062
1063 ``[PPC_FP128]``
1064
1065 The ``PPC_FP128`` record (code 15) adds a ``ppc_fp128`` (128-bit floating point)
1066 type to the type table.
1067
1068 TYPE_CODE_METADATA Record
1069 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1070
1071 ``[METADATA]``
1072
1073 The ``METADATA`` record (code 16) adds a ``metadata`` type to the type table.
1074
1075 .. _CONSTANTS_BLOCK:
1076
1077 CONSTANTS_BLOCK Contents
1078 ------------------------
1079
1080 The ``CONSTANTS_BLOCK`` block (id 11) ...
1081
1082 .. _FUNCTION_BLOCK:
1083
1084 FUNCTION_BLOCK Contents
1085 -----------------------
1086
1087 The ``FUNCTION_BLOCK`` block (id 12) ...
1088
1089 In addition to the record types described below, a ``FUNCTION_BLOCK`` block may
1090 contain the following sub-blocks:
1091
1092 * `CONSTANTS_BLOCK`_
1093 * `VALUE_SYMTAB_BLOCK`_
1094 * `METADATA_ATTACHMENT`_
1095
1096 .. _TYPE_SYMTAB_BLOCK:
1097
1098 TYPE_SYMTAB_BLOCK Contents
1099 --------------------------
1100
1101 The ``TYPE_SYMTAB_BLOCK`` block (id 13) contains entries which map between
1102 module-level named types and their corresponding type indices.
1103
1104 .. _TST_CODE_ENTRY:
1105
1106 TST_CODE_ENTRY Record
1107 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1108
1109 ``[ENTRY, typeid, ...string...]``
1110
1111 The ``ENTRY`` record (code 1) contains a variable number of values, with the
1112 first giving the type index of the designated type, and the remaining values
1113 giving the character codes of the type name. Each entry corresponds to a single
1114 named type.
1115
1116 .. _VALUE_SYMTAB_BLOCK:
1117
1118 VALUE_SYMTAB_BLOCK Contents
1119 ---------------------------
1120
1121 The ``VALUE_SYMTAB_BLOCK`` block (id 14) ...
1122
1123 .. _METADATA_BLOCK:
1124
1125 METADATA_BLOCK Contents
1126 -----------------------
1127
1128 The ``METADATA_BLOCK`` block (id 15) ...
1129
1130 .. _METADATA_ATTACHMENT:
1131
1132 METADATA_ATTACHMENT Contents
1133 ----------------------------
1134
1135 The ``METADATA_ATTACHMENT`` block (id 16) ...