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[oota-llvm.git] / docs / ExceptionHandling.html
1 <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN"
2                       "http://www.w3.org/TR/html4/strict.dtd">
3 <html>
4 <head>
5   <title>Exception Handling in LLVM</title>
6   <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=utf-8">
7   <meta name="description"
8         content="Exception Handling in LLVM.">
9   <link rel="stylesheet" href="llvm.css" type="text/css">
10 </head>
11
12 <body>
13
14 <h1>Exception Handling in LLVM</h1>
15
16 <table class="layout" style="width:100%">
17   <tr class="layout">
18     <td class="left">
19 <ul>
20   <li><a href="#introduction">Introduction</a>
21   <ol>
22     <li><a href="#itanium">Itanium ABI Zero-cost Exception Handling</a></li>
23     <li><a href="#sjlj">Setjmp/Longjmp Exception Handling</a></li>
24     <li><a href="#overview">Overview</a></li>
25   </ol></li>
26   <li><a href="#codegen">LLVM Code Generation</a>
27   <ol>
28     <li><a href="#throw">Throw</a></li>
29     <li><a href="#try_catch">Try/Catch</a></li>
30     <li><a href="#cleanups">Cleanups</a></li>
31     <li><a href="#throw_filters">Throw Filters</a></li>
32     <li><a href="#restrictions">Restrictions</a></li>
33   </ol></li>
34   <li><a href="#format_common_intrinsics">Exception Handling Intrinsics</a>
35   <ol>
36         <li><a href="#llvm_eh_typeid_for"><tt>llvm.eh.typeid.for</tt></a></li>
37         <li><a href="#llvm_eh_sjlj_setjmp"><tt>llvm.eh.sjlj.setjmp</tt></a></li>
38         <li><a href="#llvm_eh_sjlj_longjmp"><tt>llvm.eh.sjlj.longjmp</tt></a></li>
39         <li><a href="#llvm_eh_sjlj_lsda"><tt>llvm.eh.sjlj.lsda</tt></a></li>
40         <li><a href="#llvm_eh_sjlj_callsite"><tt>llvm.eh.sjlj.callsite</tt></a></li>
41         <li><a href="#llvm_eh_sjlj_dispatchsetup"><tt>llvm.eh.sjlj.dispatchsetup</tt></a></li>
42   </ol></li>
43   <li><a href="#asm">Asm Table Formats</a>
44   <ol>
45     <li><a href="#unwind_tables">Exception Handling Frame</a></li>
46     <li><a href="#exception_tables">Exception Tables</a></li>
47   </ol></li>
48 </ul>
49 </td>
50 </tr></table>
51
52 <div class="doc_author">
53   <p>Written by <a href="mailto:jlaskey@mac.com">Jim Laskey</a></p>
54 </div>
55
56
57 <!-- *********************************************************************** -->
58 <h2><a name="introduction">Introduction</a></h2>
59 <!-- *********************************************************************** -->
60
61 <div>
62
63 <p>This document is the central repository for all information pertaining to
64    exception handling in LLVM.  It describes the format that LLVM exception
65    handling information takes, which is useful for those interested in creating
66    front-ends or dealing directly with the information.  Further, this document
67    provides specific examples of what exception handling information is used for
68    in C and C++.</p>
69
70 <!-- ======================================================================= -->
71 <h3>
72   <a name="itanium">Itanium ABI Zero-cost Exception Handling</a>
73 </h3>
74
75 <div>
76
77 <p>Exception handling for most programming languages is designed to recover from
78    conditions that rarely occur during general use of an application.  To that
79    end, exception handling should not interfere with the main flow of an
80    application's algorithm by performing checkpointing tasks, such as saving the
81    current pc or register state.</p>
82
83 <p>The Itanium ABI Exception Handling Specification defines a methodology for
84    providing outlying data in the form of exception tables without inlining
85    speculative exception handling code in the flow of an application's main
86    algorithm.  Thus, the specification is said to add "zero-cost" to the normal
87    execution of an application.</p>
88
89 <p>A more complete description of the Itanium ABI exception handling runtime
90    support of can be found at
91    <a href="http://www.codesourcery.com/cxx-abi/abi-eh.html">Itanium C++ ABI:
92    Exception Handling</a>. A description of the exception frame format can be
93    found at
94    <a href="http://refspecs.freestandards.org/LSB_3.0.0/LSB-Core-generic/LSB-Core-generic/ehframechpt.html">Exception
95    Frames</a>, with details of the DWARF 4 specification at
96    <a href="http://dwarfstd.org/Dwarf4Std.php">DWARF 4 Standard</a>.
97    A description for the C++ exception table formats can be found at
98    <a href="http://www.codesourcery.com/cxx-abi/exceptions.pdf">Exception Handling
99    Tables</a>.</p>
100
101 </div>
102
103 <!-- ======================================================================= -->
104 <h3>
105   <a name="sjlj">Setjmp/Longjmp Exception Handling</a>
106 </h3>
107
108 <div>
109
110 <p>Setjmp/Longjmp (SJLJ) based exception handling uses LLVM intrinsics
111    <a href="#llvm_eh_sjlj_setjmp"><tt>llvm.eh.sjlj.setjmp</tt></a> and
112    <a href="#llvm_eh_sjlj_longjmp"><tt>llvm.eh.sjlj.longjmp</tt></a> to
113    handle control flow for exception handling.</p>
114
115 <p>For each function which does exception processing &mdash; be
116    it <tt>try</tt>/<tt>catch</tt> blocks or cleanups &mdash; that function
117    registers itself on a global frame list. When exceptions are unwinding, the
118    runtime uses this list to identify which functions need processing.<p>
119
120 <p>Landing pad selection is encoded in the call site entry of the function
121    context. The runtime returns to the function via
122    <a href="#llvm_eh_sjlj_longjmp"><tt>llvm.eh.sjlj.longjmp</tt></a>, where
123    a switch table transfers control to the appropriate landing pad based on
124    the index stored in the function context.</p>
125
126 <p>In contrast to DWARF exception handling, which encodes exception regions
127    and frame information in out-of-line tables, SJLJ exception handling
128    builds and removes the unwind frame context at runtime. This results in
129    faster exception handling at the expense of slower execution when no
130    exceptions are thrown. As exceptions are, by their nature, intended for
131    uncommon code paths, DWARF exception handling is generally preferred to
132    SJLJ.</p>
133
134 </div>
135
136 <!-- ======================================================================= -->
137 <h3>
138   <a name="overview">Overview</a>
139 </h3>
140
141 <div>
142
143 <p>When an exception is thrown in LLVM code, the runtime does its best to find a
144    handler suited to processing the circumstance.</p>
145
146 <p>The runtime first attempts to find an <i>exception frame</i> corresponding to
147    the function where the exception was thrown.  If the programming language
148    supports exception handling (e.g. C++), the exception frame contains a
149    reference to an exception table describing how to process the exception.  If
150    the language does not support exception handling (e.g. C), or if the
151    exception needs to be forwarded to a prior activation, the exception frame
152    contains information about how to unwind the current activation and restore
153    the state of the prior activation.  This process is repeated until the
154    exception is handled. If the exception is not handled and no activations
155    remain, then the application is terminated with an appropriate error
156    message.</p>
157
158 <p>Because different programming languages have different behaviors when
159    handling exceptions, the exception handling ABI provides a mechanism for
160    supplying <i>personalities</i>. An exception handling personality is defined
161    by way of a <i>personality function</i> (e.g. <tt>__gxx_personality_v0</tt>
162    in C++), which receives the context of the exception, an <i>exception
163    structure</i> containing the exception object type and value, and a reference
164    to the exception table for the current function.  The personality function
165    for the current compile unit is specified in a <i>common exception
166    frame</i>.</p>
167
168 <p>The organization of an exception table is language dependent. For C++, an
169    exception table is organized as a series of code ranges defining what to do
170    if an exception occurs in that range. Typically, the information associated
171    with a range defines which types of exception objects (using C++ <i>type
172    info</i>) that are handled in that range, and an associated action that
173    should take place. Actions typically pass control to a <i>landing
174    pad</i>.</p>
175
176 <p>A landing pad corresponds roughly to the code found in the <tt>catch</tt>
177    portion of a <tt>try</tt>/<tt>catch</tt> sequence. When execution resumes at
178    a landing pad, it receives an <i>exception structure</i> and a
179    <i>selector value</i> corresponding to the <i>type</i> of exception
180    thrown. The selector is then used to determine which <i>catch</i> should
181    actually process the exception.</p>
182
183 </div>
184
185 </div>
186
187 <!-- ======================================================================= -->
188 <h2>
189   <a name="codegen">LLVM Code Generation</a>
190 </h2>
191
192 <div>
193
194 <p>From a C++ developer's perspective, exceptions are defined in terms of the
195    <tt>throw</tt> and <tt>try</tt>/<tt>catch</tt> statements. In this section
196    we will describe the implementation of LLVM exception handling in terms of
197    C++ examples.</p>
198
199 <!-- ======================================================================= -->
200 <h3>
201   <a name="throw">Throw</a>
202 </h3>
203
204 <div>
205
206 <p>Languages that support exception handling typically provide a <tt>throw</tt>
207    operation to initiate the exception process. Internally, a <tt>throw</tt>
208    operation breaks down into two steps.</p>
209
210 <ol>
211   <li>A request is made to allocate exception space for an exception structure.
212       This structure needs to survive beyond the current activation. This
213       structure will contain the type and value of the object being thrown.</li>
214
215   <li>A call is made to the runtime to raise the exception, passing the
216       exception structure as an argument.</li>
217 </ol>
218
219 <p>In C++, the allocation of the exception structure is done by the
220    <tt>__cxa_allocate_exception</tt> runtime function. The exception raising is
221    handled by <tt>__cxa_throw</tt>. The type of the exception is represented
222    using a C++ RTTI structure.</p>
223
224 </div>
225
226 <!-- ======================================================================= -->
227 <h3>
228   <a name="try_catch">Try/Catch</a>
229 </h3>
230
231 <div>
232
233 <p>A call within the scope of a <i>try</i> statement can potentially raise an
234    exception. In those circumstances, the LLVM C++ front-end replaces the call
235    with an <tt>invoke</tt> instruction. Unlike a call, the <tt>invoke</tt> has
236    two potential continuation points:</p>
237
238 <ol>
239   <li>where to continue when the call succeeds as per normal, and</li>
240
241   <li>where to continue if the call raises an exception, either by a throw or
242       the unwinding of a throw</li>
243 </ol>
244
245 <p>The term used to define a the place where an <tt>invoke</tt> continues after
246    an exception is called a <i>landing pad</i>. LLVM landing pads are
247    conceptually alternative function entry points where an exception structure
248    reference and a type info index are passed in as arguments. The landing pad
249    saves the exception structure reference and then proceeds to select the catch
250    block that corresponds to the type info of the exception object.</p>
251
252 <p>The LLVM <a href="LangRef.html#i_landingpad"><tt>landingpad</tt>
253    instruction</a> is used to convey information about the landing pad to the
254    back end. For C++, the <tt>landingpad</tt> instruction returns a pointer and
255    integer pair corresponding to the pointer to the <i>exception structure</i>
256    and the <i>selector value</i> respectively.</p>
257
258 <p>The <tt>landingpad</tt> instruction takes a reference to the personality
259    function to be used for this <tt>try</tt>/<tt>catch</tt> sequence. The
260    remainder of the instruction is a list of <i>cleanup</i>, <i>catch</i>,
261    and <i>filter</i> clauses. The exception is tested against the clauses
262    sequentially from first to last. The selector value is a positive number if
263    the exception matched a type info, a negative number if it matched a filter,
264    and zero if it matched a cleanup. If nothing is matched, the behavior of
265    the program is <a href="#restrictions">undefined</a>. If a type info matched,
266    then the selector value is the index of the type info in the exception table,
267    which can be obtained using the
268    <a href="#llvm_eh_typeid_for"><tt>llvm.eh.typeid.for</tt></a> intrinsic.</p>
269
270 <p>Once the landing pad has the type info selector, the code branches to the
271    code for the first catch. The catch then checks the value of the type info
272    selector against the index of type info for that catch.  Since the type info
273    index is not known until all the type infos have been gathered in the
274    backend, the catch code must call the
275    <a href="#llvm_eh_typeid_for"><tt>llvm.eh.typeid.for</tt></a> intrinsic to
276    determine the index for a given type info. If the catch fails to match the
277    selector then control is passed on to the next catch.</p>
278
279 <p>Finally, the entry and exit of catch code is bracketed with calls to
280    <tt>__cxa_begin_catch</tt> and <tt>__cxa_end_catch</tt>.</p>
281
282 <ul>
283   <li><tt>__cxa_begin_catch</tt> takes an exception structure reference as an
284       argument and returns the value of the exception object.</li>
285
286   <li><tt>__cxa_end_catch</tt> takes no arguments. This function:<br><br>
287     <ol>
288       <li>Locates the most recently caught exception and decrements its handler
289           count,</li>
290       <li>Removes the exception from the <i>caught</i> stack if the handler
291           count goes to zero, and</li>
292       <li>Destroys the exception if the handler count goes to zero and the
293           exception was not re-thrown by throw.</li>
294     </ol>
295     <p><b>Note:</b> a rethrow from within the catch may replace this call with
296        a <tt>__cxa_rethrow</tt>.</p></li>
297 </ul>
298
299 </div>
300
301 <!-- ======================================================================= -->
302 <h3>
303   <a name="cleanups">Cleanups</a>
304 </h3>
305
306 <div>
307
308 <p>A cleanup is extra code which needs to be run as part of unwinding a scope.
309    C++ destructors are a typical example, but other languages and language
310    extensions provide a variety of different kinds of cleanups. In general, a
311    landing pad may need to run arbitrary amounts of cleanup code before actually
312    entering a catch block. To indicate the presence of cleanups, a
313    <a href="LangRef.html#i_landingpad"><tt>landingpad</tt> instruction</a>
314    should have a <i>cleanup</i> clause. Otherwise, the unwinder will not stop at
315    the landing pad if there are no catches or filters that require it to.</p>
316
317 <p><b>Note:</b> Do not allow a new exception to propagate out of the execution
318    of a cleanup. This can corrupt the internal state of the unwinder.
319    Different languages describe different high-level semantics for these
320    situations: for example, C++ requires that the process be terminated, whereas
321    Ada cancels both exceptions and throws a third.</p>
322
323 <p>When all cleanups are finished, if the exception is not handled by the
324    current function, resume unwinding by calling the
325    <a href="LangRef.html#i_resume"><tt>resume</tt> instruction</a>, passing in
326    the result of the <tt>landingpad</tt> instruction for the original landing
327    pad.</p>
328
329 </div>
330
331 <!-- ======================================================================= -->
332 <h3>
333   <a name="throw_filters">Throw Filters</a>
334 </h3>
335
336 <div>
337
338 <p>C++ allows the specification of which exception types may be thrown from a
339    function. To represent this, a top level landing pad may exist to filter out
340    invalid types. To express this in LLVM code the
341    <a href="LangRef.html#i_landingpad"><tt>landingpad</tt> instruction</a> will
342    have a filter clause. The clause consists of an array of type infos.
343    <tt>landingpad</tt> will return a negative value if the exception does not
344    match any of the type infos. If no match is found then a call
345    to <tt>__cxa_call_unexpected</tt> should be made, otherwise
346    <tt>_Unwind_Resume</tt>.  Each of these functions requires a reference to the
347    exception structure.  Note that the most general form of a
348    <a href="LangRef.html#i_landingpad"><tt>landingpad</tt> instruction</a> can
349    have any number of catch, cleanup, and filter clauses (though having more
350    than one cleanup is pointless). The LLVM C++ front-end can generate such
351    <a href="LangRef.html#i_landingpad"><tt>landingpad</tt> instructions</a> due
352    to inlining creating nested exception handling scopes.</p>
353
354 </div>
355
356 <!-- ======================================================================= -->
357 <h3>
358   <a name="restrictions">Restrictions</a>
359 </h3>
360
361 <div>
362
363 <p>The unwinder delegates the decision of whether to stop in a call frame to
364    that call frame's language-specific personality function. Not all unwinders
365    guarantee that they will stop to perform cleanups. For example, the GNU C++
366    unwinder doesn't do so unless the exception is actually caught somewhere
367    further up the stack.</p>
368
369 <p>In order for inlining to behave correctly, landing pads must be prepared to
370    handle selector results that they did not originally advertise. Suppose that
371    a function catches exceptions of type <tt>A</tt>, and it's inlined into a
372    function that catches exceptions of type <tt>B</tt>. The inliner will update
373    the <tt>landingpad</tt> instruction for the inlined landing pad to include
374    the fact that <tt>B</tt> is also caught. If that landing pad assumes that it
375    will only be entered to catch an <tt>A</tt>, it's in for a rude awakening.
376    Consequently, landing pads must test for the selector results they understand
377    and then resume exception propagation with the
378    <a href="LangRef.html#i_resume"><tt>resume</tt> instruction</a> if none of
379    the conditions match.</p>
380
381 </div>
382
383 </div>
384
385 <!-- ======================================================================= -->
386 <h2>
387   <a name="format_common_intrinsics">Exception Handling Intrinsics</a>
388 </h2>
389
390 <div>
391
392 <p>In addition to the
393    <a href="LangRef.html#i_landingpad"><tt>landingpad</tt></a> and
394    <a href="LangRef.html#i_resume"><tt>resume</tt></a> instructions, LLVM uses
395    several intrinsic functions (name prefixed with <i><tt>llvm.eh</tt></i>) to
396    provide exception handling information at various points in generated
397    code.</p>
398
399 <!-- ======================================================================= -->
400 <h4>
401   <a name="llvm_eh_typeid_for">llvm.eh.typeid.for</a>
402 </h4>
403
404 <div>
405
406 <pre>
407   i32 @llvm.eh.typeid.for(i8* %type_info)
408 </pre>
409
410 <p>This intrinsic returns the type info index in the exception table of the
411    current function.  This value can be used to compare against the result
412    of <a href="LangRef.html#i_landingpad"><tt>landingpad</tt> instruction</a>.
413    The single argument is a reference to a type info.</p>
414
415 </div>
416
417 <!-- ======================================================================= -->
418 <h4>
419   <a name="llvm_eh_sjlj_setjmp">llvm.eh.sjlj.setjmp</a>
420 </h4>
421
422 <div>
423
424 <pre>
425   i32 @llvm.eh.sjlj.setjmp(i8* %setjmp_buf)
426 </pre>
427
428 <p>For SJLJ based exception handling, this intrinsic forces register saving for
429    the current function and stores the address of the following instruction for
430    use as a destination address
431    by <a href="#llvm_eh_sjlj_longjmp"><tt>llvm.eh.sjlj.longjmp</tt></a>. The
432    buffer format and the overall functioning of this intrinsic is compatible
433    with the GCC <tt>__builtin_setjmp</tt> implementation allowing code built
434    with the clang and GCC to interoperate.</p>
435
436 <p>The single parameter is a pointer to a five word buffer in which the calling
437    context is saved. The front end places the frame pointer in the first word,
438    and the target implementation of this intrinsic should place the destination
439    address for a
440    <a href="#llvm_eh_sjlj_longjmp"><tt>llvm.eh.sjlj.longjmp</tt></a> in the
441    second word. The following three words are available for use in a
442    target-specific manner.</p>
443
444 </div>
445
446 <!-- ======================================================================= -->
447 <h4>
448   <a name="llvm_eh_sjlj_longjmp">llvm.eh.sjlj.longjmp</a>
449 </h4>
450
451 <div>
452
453 <pre>
454   void @llvm.eh.sjlj.longjmp(i8* %setjmp_buf)
455 </pre>
456
457 <p>For SJLJ based exception handling, the <tt>llvm.eh.sjlj.longjmp</tt>
458    intrinsic is used to implement <tt>__builtin_longjmp()</tt>. The single
459    parameter is a pointer to a buffer populated
460    by <a href="#llvm_eh_sjlj_setjmp"><tt>llvm.eh.sjlj.setjmp</tt></a>. The frame
461    pointer and stack pointer are restored from the buffer, then control is
462    transferred to the destination address.</p>
463
464 </div>
465 <!-- ======================================================================= -->
466 <h4>
467   <a name="llvm_eh_sjlj_lsda">llvm.eh.sjlj.lsda</a>
468 </h4>
469
470 <div>
471
472 <pre>
473   i8* @llvm.eh.sjlj.lsda()
474 </pre>
475
476 <p>For SJLJ based exception handling, the <tt>llvm.eh.sjlj.lsda</tt> intrinsic
477    returns the address of the Language Specific Data Area (LSDA) for the current
478    function. The SJLJ front-end code stores this address in the exception
479    handling function context for use by the runtime.</p>
480
481 </div>
482
483 <!-- ======================================================================= -->
484 <h4>
485   <a name="llvm_eh_sjlj_callsite">llvm.eh.sjlj.callsite</a>
486 </h4>
487
488 <div>
489
490 <pre>
491   void @llvm.eh.sjlj.callsite(i32 %call_site_num)
492 </pre>
493
494 <p>For SJLJ based exception handling, the <tt>llvm.eh.sjlj.callsite</tt>
495    intrinsic identifies the callsite value associated with the
496    following <tt>invoke</tt> instruction. This is used to ensure that landing
497    pad entries in the LSDA are generated in matching order.</p>
498
499 </div>
500
501 <!-- ======================================================================= -->
502 <h4>
503   <a name="llvm_eh_sjlj_dispatchsetup">llvm.eh.sjlj.dispatchsetup</a>
504 </h4>
505
506 <div>
507
508 <pre>
509   void @llvm.eh.sjlj.dispatchsetup(i32 %dispatch_value)
510 </pre>
511
512 <p>For SJLJ based exception handling, the <tt>llvm.eh.sjlj.dispatchsetup</tt>
513    intrinsic is used by targets to do any unwind edge setup they need. By
514    default, no action is taken.</p>
515
516 </div>
517
518 </div>
519
520 <!-- ======================================================================= -->
521 <h2>
522   <a name="asm">Asm Table Formats</a>
523 </h2>
524
525 <div>
526
527 <p>There are two tables that are used by the exception handling runtime to
528    determine which actions should be taken when an exception is thrown.</p>
529
530 <!-- ======================================================================= -->
531 <h3>
532   <a name="unwind_tables">Exception Handling Frame</a>
533 </h3>
534
535 <div>
536
537 <p>An exception handling frame <tt>eh_frame</tt> is very similar to the unwind
538    frame used by DWARF debug info. The frame contains all the information
539    necessary to tear down the current frame and restore the state of the prior
540    frame. There is an exception handling frame for each function in a compile
541    unit, plus a common exception handling frame that defines information common
542    to all functions in the unit.</p>
543
544 <!-- Todo - Table details here. -->
545
546 </div>
547
548 <!-- ======================================================================= -->
549 <h3>
550   <a name="exception_tables">Exception Tables</a>
551 </h3>
552
553 <div>
554
555 <p>An exception table contains information about what actions to take when an
556    exception is thrown in a particular part of a function's code. There is one
557    exception table per function, except leaf functions and functions that have
558    calls only to non-throwing functions. They do not need an exception
559    table.</p>
560
561 <!-- Todo - Table details here. -->
562
563 </div>
564
565 </div>
566
567 <!-- *********************************************************************** -->
568
569 <hr>
570 <address>
571   <a href="http://jigsaw.w3.org/css-validator/check/referer"><img
572   src="http://jigsaw.w3.org/css-validator/images/vcss-blue" alt="Valid CSS"></a>
573   <a href="http://validator.w3.org/check/referer"><img
574   src="http://www.w3.org/Icons/valid-html401-blue" alt="Valid HTML 4.01"></a>
575
576   <a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a><br>
577   <a href="http://llvm.org/">LLVM Compiler Infrastructure</a><br>
578   Last modified: $Date$
579 </address>
580
581 </body>
582 </html>