docs/GarbageCollection.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   <meta http-equiv="Content-Type" Content="text/html; charset=UTF-8" >
   6   <title>Accurate Garbage Collection with LLVM</title>
   7   <link rel="stylesheet" href="_static/llvm.css" type="text/css">
   8   <style type="text/css">
   9     .rowhead { text-align: left; background: inherit; }
  10     .indent { padding-left: 1em; }
  11     .optl { color: #BFBFBF; }
  12   </style>
  13 </head>
  14 <body>
  15
  16 <h1>
  17   Accurate Garbage Collection with LLVM
  18 </h1>
  19
  20 <ol>
  21   <li><a href="#introduction">Introduction</a>
  22     <ul>
  23     <li><a href="#feature">Goals and non-goals</a></li>
  24     </ul>
  25   </li>
  26
  27   <li><a href="#quickstart">Getting started</a>
  28     <ul>
  29     <li><a href="#quickstart-compiler">In your compiler</a></li>
  30     <li><a href="#quickstart-runtime">In your runtime library</a></li>
  31     <li><a href="#shadow-stack">About the shadow stack</a></li>
  32     </ul>
  33   </li>
  34
  35   <li><a href="#core">Core support</a>
  36     <ul>
  37     <li><a href="#gcattr">Specifying GC code generation:
  38       <tt>gc "..."</tt></a></li>
  39     <li><a href="#gcroot">Identifying GC roots on the stack:
  40       <tt>llvm.gcroot</tt></a></li>
  41     <li><a href="#barriers">Reading and writing references in the heap</a>
  42       <ul>
  43       <li><a href="#gcwrite">Write barrier: <tt>llvm.gcwrite</tt></a></li>
  44       <li><a href="#gcread">Read barrier: <tt>llvm.gcread</tt></a></li>
  45       </ul>
  46     </li>
  47     </ul>
  48   </li>
  49
  50   <li><a href="#plugin">Compiler plugin interface</a>
  51     <ul>
  52     <li><a href="#collector-algos">Overview of available features</a></li>
  53     <li><a href="#stack-map">Computing stack maps</a></li>
  54     <li><a href="#init-roots">Initializing roots to null:
  55       <tt>InitRoots</tt></a></li>
  56     <li><a href="#custom">Custom lowering of intrinsics: <tt>CustomRoots</tt>,
  57       <tt>CustomReadBarriers</tt>, and <tt>CustomWriteBarriers</tt></a></li>
  58     <li><a href="#safe-points">Generating safe points:
  59       <tt>NeededSafePoints</tt></a></li>
  60     <li><a href="#assembly">Emitting assembly code:
  61       <tt>GCMetadataPrinter</tt></a></li>
  62     </ul>
  63   </li>
  64
  65   <li><a href="#runtime-impl">Implementing a collector runtime</a>
  66     <ul>
  67       <li><a href="#gcdescriptors">Tracing GC pointers from heap
  68       objects</a></li>
  69     </ul>
  70   </li>
  71
  72   <li><a href="#references">References</a></li>
  73
  74 </ol>
  75
  76 <div class="doc_author">
  77   <p>Written by <a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a> and
  78      Gordon Henriksen</p>
  79 </div>
  80
  81 <!-- *********************************************************************** -->
  82 <h2>
  83   <a name="introduction">Introduction</a>
  84 </h2>
  85 <!-- *********************************************************************** -->
  86
  87 <div>
  88
  89 <p>Garbage collection is a widely used technique that frees the programmer from
  90 having to know the lifetimes of heap objects, making software easier to produce
  91 and maintain. Many programming languages rely on garbage collection for
  92 automatic memory management. There are two primary forms of garbage collection:
  93 conservative and accurate.</p>
  94
  95 <p>Conservative garbage collection often does not require any special support
  96 from either the language or the compiler: it can handle non-type-safe
  97 programming languages (such as C/C++) and does not require any special
  98 information from the compiler. The
  99 <a href="http://www.hpl.hp.com/personal/Hans_Boehm/gc/">Boehm collector</a> is
 100 an example of a state-of-the-art conservative collector.</p>
 101
 102 <p>Accurate garbage collection requires the ability to identify all pointers in
 103 the program at run-time (which requires that the source-language be type-safe in
 104 most cases). Identifying pointers at run-time requires compiler support to
 105 locate all places that hold live pointer variables at run-time, including the
 106 <a href="#gcroot">processor stack and registers</a>.</p>
 107
 108 <p>Conservative garbage collection is attractive because it does not require any
 109 special compiler support, but it does have problems. In particular, because the
 110 conservative garbage collector cannot <i>know</i> that a particular word in the
 111 machine is a pointer, it cannot move live objects in the heap (preventing the
 112 use of compacting and generational GC algorithms) and it can occasionally suffer
 113 from memory leaks due to integer values that happen to point to objects in the
 114 program. In addition, some aggressive compiler transformations can break
 115 conservative garbage collectors (though these seem rare in practice).</p>
 116
 117 <p>Accurate garbage collectors do not suffer from any of these problems, but
 118 they can suffer from degraded scalar optimization of the program. In particular,
 119 because the runtime must be able to identify and update all pointers active in
 120 the program, some optimizations are less effective. In practice, however, the
 121 locality and performance benefits of using aggressive garbage collection
 122 techniques dominates any low-level losses.</p>
 123
 124 <p>This document describes the mechanisms and interfaces provided by LLVM to
 125 support accurate garbage collection.</p>
 126
 127 <!-- ======================================================================= -->
 128 <h3>
 129   <a name="feature">Goals and non-goals</a>
 130 </h3>
 131
 132 <div>
 133
 134 <p>LLVM's intermediate representation provides <a href="#intrinsics">garbage
 135 collection intrinsics</a> that offer support for a broad class of
 136 collector models. For instance, the intrinsics permit:</p>
 137
 138 <ul>
 139   <li>semi-space collectors</li>
 140   <li>mark-sweep collectors</li>
 141   <li>generational collectors</li>
 142   <li>reference counting</li>
 143   <li>incremental collectors</li>
 144   <li>concurrent collectors</li>
 145   <li>cooperative collectors</li>
 146 </ul>
 147
 148 <p>We hope that the primitive support built into the LLVM IR is sufficient to
 149 support a broad class of garbage collected languages including Scheme, ML, Java,
 150 C#, Perl, Python, Lua, Ruby, other scripting languages, and more.</p>
 151
 152 <p>However, LLVM does not itself provide a garbage collector&mdash;this should
 153 be part of your language's runtime library. LLVM provides a framework for
 154 compile time <a href="#plugin">code generation plugins</a>. The role of these
 155 plugins is to generate code and data structures which conforms to the <em>binary
 156 interface</em> specified by the <em>runtime library</em>. This is similar to the
 157 relationship between LLVM and DWARF debugging info, for example. The
 158 difference primarily lies in the lack of an established standard in the domain
 159 of garbage collection&mdash;thus the plugins.</p>
 160
 161 <p>The aspects of the binary interface with which LLVM's GC support is
 162 concerned are:</p>
 163
 164 <ul>
 165   <li>Creation of GC-safe points within code where collection is allowed to
 166       execute safely.</li>
 167   <li>Computation of the stack map. For each safe point in the code, object
 168       references within the stack frame must be identified so that the
 169       collector may traverse and perhaps update them.</li>
 170   <li>Write barriers when storing object references to the heap. These are
 171       commonly used to optimize incremental scans in generational
 172       collectors.</li>
 173   <li>Emission of read barriers when loading object references. These are
 174       useful for interoperating with concurrent collectors.</li>
 175 </ul>
 176
 177 <p>There are additional areas that LLVM does not directly address:</p>
 178
 179 <ul>
 180   <li>Registration of global roots with the runtime.</li>
 181   <li>Registration of stack map entries with the runtime.</li>
 182   <li>The functions used by the program to allocate memory, trigger a
 183       collection, etc.</li>
 184   <li>Computation or compilation of type maps, or registration of them with
 185       the runtime. These are used to crawl the heap for object
 186       references.</li>
 187 </ul>
 188
 189 <p>In general, LLVM's support for GC does not include features which can be
 190 adequately addressed with other features of the IR and does not specify a
 191 particular binary interface. On the plus side, this means that you should be
 192 able to integrate LLVM with an existing runtime. On the other hand, it leaves
 193 a lot of work for the developer of a novel language. However, it's easy to get
 194 started quickly and scale up to a more sophisticated implementation as your
 195 compiler matures.</p>
 196
 197 </div>
 198
 199 </div>
 200
 201 <!-- *********************************************************************** -->
 202 <h2>
 203   <a name="quickstart">Getting started</a>
 204 </h2>
 205 <!-- *********************************************************************** -->
 206
 207 <div>
 208
 209 <p>Using a GC with LLVM implies many things, for example:</p>
 210
 211 <ul>
 212   <li>Write a runtime library or find an existing one which implements a GC
 213       heap.<ol>
 214     <li>Implement a memory allocator.</li>
 215     <li>Design a binary interface for the stack map, used to identify
 216         references within a stack frame on the machine stack.*</li>
 217     <li>Implement a stack crawler to discover functions on the call stack.*</li>
 218     <li>Implement a registry for global roots.</li>
 219     <li>Design a binary interface for type maps, used to identify references
 220         within heap objects.</li>
 221     <li>Implement a collection routine bringing together all of the above.</li>
 222   </ol></li>
 223   <li>Emit compatible code from your compiler.<ul>
 224     <li>Initialization in the main function.</li>
 225     <li>Use the <tt>gc "..."</tt> attribute to enable GC code generation
 226         (or <tt>F.setGC("...")</tt>).</li>
 227     <li>Use <tt>@llvm.gcroot</tt> to mark stack roots.</li>
 228     <li>Use <tt>@llvm.gcread</tt> and/or <tt>@llvm.gcwrite</tt> to
 229         manipulate GC references, if necessary.</li>
 230     <li>Allocate memory using the GC allocation routine provided by the
 231         runtime library.</li>
 232     <li>Generate type maps according to your runtime's binary interface.</li>
 233   </ul></li>
 234   <li>Write a compiler plugin to interface LLVM with the runtime library.*<ul>
 235     <li>Lower <tt>@llvm.gcread</tt> and <tt>@llvm.gcwrite</tt> to appropriate
 236         code sequences.*</li>
 237     <li>Compile LLVM's stack map to the binary form expected by the
 238         runtime.</li>
 239   </ul></li>
 240   <li>Load the plugin into the compiler. Use <tt>llc -load</tt> or link the
 241       plugin statically with your language's compiler.*</li>
 242   <li>Link program executables with the runtime.</li>
 243 </ul>
 244
 245 <p>To help with several of these tasks (those indicated with a *), LLVM
 246 includes a highly portable, built-in ShadowStack code generator. It is compiled
 247 into <tt>llc</tt> and works even with the interpreter and C backends.</p>
 248
 249 <!-- ======================================================================= -->
 250 <h3>
 251   <a name="quickstart-compiler">In your compiler</a>
 252 </h3>
 253
 254 <div>
 255
 256 <p>To turn the shadow stack on for your functions, first call:</p>
 257
 258 <div class="doc_code"><pre
 259 >F.setGC("shadow-stack");</pre></div>
 260
 261 <p>for each function your compiler emits. Since the shadow stack is built into
 262 LLVM, you do not need to load a plugin.</p>
 263
 264 <p>Your compiler must also use <tt>@llvm.gcroot</tt> as documented.
 265 Don't forget to create a root for each intermediate value that is generated
 266 when evaluating an expression. In <tt>h(f(), g())</tt>, the result of
 267 <tt>f()</tt> could easily be collected if evaluating <tt>g()</tt> triggers a
 268 collection.</p>
 269
 270 <p>There's no need to use <tt>@llvm.gcread</tt> and <tt>@llvm.gcwrite</tt> over
 271 plain <tt>load</tt> and <tt>store</tt> for now. You will need them when
 272 switching to a more advanced GC.</p>
 273
 274 </div>
 275
 276 <!-- ======================================================================= -->
 277 <h3>
 278   <a name="quickstart-runtime">In your runtime</a>
 279 </h3>
 280
 281 <div>
 282
 283 <p>The shadow stack doesn't imply a memory allocation algorithm. A semispace
 284 collector or building atop <tt>malloc</tt> are great places to start, and can
 285 be implemented with very little code.</p>
 286
 287 <p>When it comes time to collect, however, your runtime needs to traverse the
 288 stack roots, and for this it needs to integrate with the shadow stack. Luckily,
 289 doing so is very simple. (This code is heavily commented to help you
 290 understand the data structure, but there are only 20 lines of meaningful
 291 code.)</p>
 292
 293 <pre class="doc_code">
 294 /// @brief The map for a single function's stack frame. One of these is
 295 ///        compiled as constant data into the executable for each function.
 296 ///
 297 /// Storage of metadata values is elided if the %metadata parameter to
 298 /// @llvm.gcroot is null.
 299 struct FrameMap {
 300   int32_t NumRoots;    //&lt; Number of roots in stack frame.
 301   int32_t NumMeta;     //&lt; Number of metadata entries. May be &lt; NumRoots.
 302   const void *Meta[0]; //&lt; Metadata for each root.
 303 };
 304
 305 /// @brief A link in the dynamic shadow stack. One of these is embedded in the
 306 ///        stack frame of each function on the call stack.
 307 struct StackEntry {
 308   StackEntry *Next;    //&lt; Link to next stack entry (the caller's).
 309   const FrameMap *Map; //&lt; Pointer to constant FrameMap.
 310   void *Roots[0];      //&lt; Stack roots (in-place array).
 311 };
 312
 313 /// @brief The head of the singly-linked list of StackEntries. Functions push
 314 ///        and pop onto this in their prologue and epilogue.
 315 ///
 316 /// Since there is only a global list, this technique is not threadsafe.
 317 StackEntry *llvm_gc_root_chain;
 318
 319 /// @brief Calls Visitor(root, meta) for each GC root on the stack.
 320 ///        root and meta are exactly the values passed to
 321 ///        <tt>@llvm.gcroot</tt>.
 322 ///
 323 /// Visitor could be a function to recursively mark live objects. Or it
 324 /// might copy them to another heap or generation.
 325 ///
 326 /// @param Visitor A function to invoke for every GC root on the stack.
 327 void visitGCRoots(void (*Visitor)(void **Root, const void *Meta)) {
 328   for (StackEntry *R = llvm_gc_root_chain; R; R = R->Next) {
 329     unsigned i = 0;
 330
 331     // For roots [0, NumMeta), the metadata pointer is in the FrameMap.
 332     for (unsigned e = R->Map->NumMeta; i != e; ++i)
 333       Visitor(&amp;R->Roots[i], R->Map->Meta[i]);
 334
 335     // For roots [NumMeta, NumRoots), the metadata pointer is null.
 336     for (unsigned e = R->Map->NumRoots; i != e; ++i)
 337       Visitor(&amp;R->Roots[i], NULL);
 338   }
 339 }</pre>
 340
 341 </div>
 342
 343 <!-- ======================================================================= -->
 344 <h3>
 345   <a name="shadow-stack">About the shadow stack</a>
 346 </h3>
 347
 348 <div>
 349
 350 <p>Unlike many GC algorithms which rely on a cooperative code generator to
 351 compile stack maps, this algorithm carefully maintains a linked list of stack
 352 roots [<a href="#henderson02">Henderson2002</a>]. This so-called "shadow stack"
 353 mirrors the machine stack. Maintaining this data structure is slower than using
 354 a stack map compiled into the executable as constant data, but has a significant
 355 portability advantage because it requires no special support from the target
 356 code generator, and does not require tricky platform-specific code to crawl
 357 the machine stack.</p>
 358
 359 <p>The tradeoff for this simplicity and portability is:</p>
 360
 361 <ul>
 362   <li>High overhead per function call.</li>
 363   <li>Not thread-safe.</li>
 364 </ul>
 365
 366 <p>Still, it's an easy way to get started. After your compiler and runtime are
 367 up and running, writing a <a href="#plugin">plugin</a> will allow you to take
 368 advantage of <a href="#collector-algos">more advanced GC features</a> of LLVM
 369 in order to improve performance.</p>
 370
 371 </div>
 372
 373 </div>
 374
 375 <!-- *********************************************************************** -->
 376 <h2>
 377   <a name="core">IR features</a><a name="intrinsics"></a>
 378 </h2>
 379 <!-- *********************************************************************** -->
 380
 381 <div>
 382
 383 <p>This section describes the garbage collection facilities provided by the
 384 <a href="LangRef.html">LLVM intermediate representation</a>. The exact behavior
 385 of these IR features is specified by the binary interface implemented by a
 386 <a href="#plugin">code generation plugin</a>, not by this document.</p>
 387
 388 <p>These facilities are limited to those strictly necessary; they are not
 389 intended to be a complete interface to any garbage collector. A program will
 390 need to interface with the GC library using the facilities provided by that
 391 program.</p>
 392
 393 <!-- ======================================================================= -->
 394 <h3>
 395   <a name="gcattr">Specifying GC code generation: <tt>gc "..."</tt></a>
 396 </h3>
 397
 398 <div>
 399
 400 <div class="doc_code"><tt>
 401   define <i>ty</i> @<i>name</i>(...) <span style="text-decoration: underline">gc "<i>name</i>"</span> { ...
 402 </tt></div>
 403
 404 <p>The <tt>gc</tt> function attribute is used to specify the desired GC style
 405 to the compiler. Its programmatic equivalent is the <tt>setGC</tt> method of
 406 <tt>Function</tt>.</p>
 407
 408 <p>Setting <tt>gc "<i>name</i>"</tt> on a function triggers a search for a
 409 matching code generation plugin "<i>name</i>"; it is that plugin which defines
 410 the exact nature of the code generated to support GC. If none is found, the
 411 compiler will raise an error.</p>
 412
 413 <p>Specifying the GC style on a per-function basis allows LLVM to link together
 414 programs that use different garbage collection algorithms (or none at all).</p>
 415
 416 </div>
 417
 418 <!-- ======================================================================= -->
 419 <h3>
 420   <a name="gcroot">Identifying GC roots on the stack: <tt>llvm.gcroot</tt></a>
 421 </h3>
 422
 423 <div>
 424
 425 <div class="doc_code"><tt>
 426   void @llvm.gcroot(i8** %ptrloc, i8* %metadata)
 427 </tt></div>
 428
 429 <p>The <tt>llvm.gcroot</tt> intrinsic is used to inform LLVM that a stack
 430 variable references an object on the heap and is to be tracked for garbage
 431 collection. The exact impact on generated code is specified by a <a
 432 href="#plugin">compiler plugin</a>. All calls to <tt>llvm.gcroot</tt> <b>must</b> reside
 433  inside the first basic block.</p>
 434
 435 <p>A compiler which uses mem2reg to raise imperative code using <tt>alloca</tt>
 436 into SSA form need only add a call to <tt>@llvm.gcroot</tt> for those variables
 437 which a pointers into the GC heap.</p>
 438
 439 <p>It is also important to mark intermediate values with <tt>llvm.gcroot</tt>.
 440 For example, consider <tt>h(f(), g())</tt>. Beware leaking the result of
 441 <tt>f()</tt> in the case that <tt>g()</tt> triggers a collection. Note, that
 442 stack variables must be initialized and marked with <tt>llvm.gcroot</tt> in
 443 function's prologue.</p>
 444
 445 <p>The first argument <b>must</b> be a value referring to an alloca instruction
 446 or a bitcast of an alloca. The second contains a pointer to metadata that
 447 should be associated with the pointer, and <b>must</b> be a constant or global
 448 value address. If your target collector uses tags, use a null pointer for
 449 metadata.</p>
 450
 451 <p>The <tt>%metadata</tt> argument can be used to avoid requiring heap objects
 452 to have 'isa' pointers or tag bits. [<a href="#appel89">Appel89</a>, <a
 453 href="#goldberg91">Goldberg91</a>, <a href="#tolmach94">Tolmach94</a>] If
 454 specified, its value will be tracked along with the location of the pointer in
 455 the stack frame.</p>
 456
 457 <p>Consider the following fragment of Java code:</p>
 458
 459 <pre class="doc_code">
 460        {
 461          Object X;   // A null-initialized reference to an object
 462          ...
 463        }
 464 </pre>
 465
 466 <p>This block (which may be located in the middle of a function or in a loop
 467 nest), could be compiled to this LLVM code:</p>
 468
 469 <pre class="doc_code">
 470 Entry:
 471    ;; In the entry block for the function, allocate the
 472    ;; stack space for X, which is an LLVM pointer.
 473    %X = alloca %Object*
 474
 475    ;; Tell LLVM that the stack space is a stack root.
 476    ;; Java has type-tags on objects, so we pass null as metadata.
 477    %tmp = bitcast %Object** %X to i8**
 478    call void @llvm.gcroot(i8** %tmp, i8* null)
 479    ...
 480
 481    ;; "CodeBlock" is the block corresponding to the start
 482    ;;  of the scope above.
 483 CodeBlock:
 484    ;; Java null-initializes pointers.
 485    store %Object* null, %Object** %X
 486
 487    ...
 488
 489    ;; As the pointer goes out of scope, store a null value into
 490    ;; it, to indicate that the value is no longer live.
 491    store %Object* null, %Object** %X
 492    ...
 493 </pre>
 494
 495 </div>
 496
 497 <!-- ======================================================================= -->
 498 <h3>
 499   <a name="barriers">Reading and writing references in the heap</a>
 500 </h3>
 501
 502 <div>
 503
 504 <p>Some collectors need to be informed when the mutator (the program that needs
 505 garbage collection) either reads a pointer from or writes a pointer to a field
 506 of a heap object. The code fragments inserted at these points are called
 507 <em>read barriers</em> and <em>write barriers</em>, respectively. The amount of
 508 code that needs to be executed is usually quite small and not on the critical
 509 path of any computation, so the overall performance impact of the barrier is
 510 tolerable.</p>
 511
 512 <p>Barriers often require access to the <em>object pointer</em> rather than the
 513 <em>derived pointer</em> (which is a pointer to the field within the
 514 object). Accordingly, these intrinsics take both pointers as separate arguments
 515 for completeness. In this snippet, <tt>%object</tt> is the object pointer, and
 516 <tt>%derived</tt> is the derived pointer:</p>
 517
 518 <blockquote><pre>
 519     ;; An array type.
 520     %class.Array = type { %class.Object, i32, [0 x %class.Object*] }
 521     ...
 522
 523     ;; Load the object pointer from a gcroot.
 524     %object = load %class.Array** %object_addr
 525
 526     ;; Compute the derived pointer.
 527     %derived = getelementptr %object, i32 0, i32 2, i32 %n</pre></blockquote>
 528
 529 <p>LLVM does not enforce this relationship between the object and derived
 530 pointer (although a <a href="#plugin">plugin</a> might). However, it would be
 531 an unusual collector that violated it.</p>
 532
 533 <p>The use of these intrinsics is naturally optional if the target GC does
 534 require the corresponding barrier. Such a GC plugin will replace the intrinsic
 535 calls with the corresponding <tt>load</tt> or <tt>store</tt> instruction if they
 536 are used.</p>
 537
 538 <!-- ======================================================================= -->
 539 <h4>
 540   <a name="gcwrite">Write barrier: <tt>llvm.gcwrite</tt></a>
 541 </h4>
 542
 543 <div>
 544
 545 <div class="doc_code"><tt>
 546 void @llvm.gcwrite(i8* %value, i8* %object, i8** %derived)
 547 </tt></div>
 548
 549 <p>For write barriers, LLVM provides the <tt>llvm.gcwrite</tt> intrinsic
 550 function. It has exactly the same semantics as a non-volatile <tt>store</tt> to
 551 the derived pointer (the third argument). The exact code generated is specified
 552 by a <a href="#plugin">compiler plugin</a>.</p>
 553
 554 <p>Many important algorithms require write barriers, including generational
 555 and concurrent collectors. Additionally, write barriers could be used to
 556 implement reference counting.</p>
 557
 558 </div>
 559
 560 <!-- ======================================================================= -->
 561 <h4>
 562   <a name="gcread">Read barrier: <tt>llvm.gcread</tt></a>
 563 </h4>
 564
 565 <div>
 566
 567 <div class="doc_code"><tt>
 568 i8* @llvm.gcread(i8* %object, i8** %derived)<br>
 569 </tt></div>
 570
 571 <p>For read barriers, LLVM provides the <tt>llvm.gcread</tt> intrinsic function.
 572 It has exactly the same semantics as a non-volatile <tt>load</tt> from the
 573 derived pointer (the second argument). The exact code generated is specified by
 574 a <a href="#plugin">compiler plugin</a>.</p>
 575
 576 <p>Read barriers are needed by fewer algorithms than write barriers, and may
 577 have a greater performance impact since pointer reads are more frequent than
 578 writes.</p>
 579
 580 </div>
 581
 582 </div>
 583
 584 </div>
 585
 586 <!-- *********************************************************************** -->
 587 <h2>
 588   <a name="plugin">Implementing a collector plugin</a>
 589 </h2>
 590 <!-- *********************************************************************** -->
 591
 592 <div>
 593
 594 <p>User code specifies which GC code generation to use with the <tt>gc</tt>
 595 function attribute or, equivalently, with the <tt>setGC</tt> method of
 596 <tt>Function</tt>.</p>
 597
 598 <p>To implement a GC plugin, it is necessary to subclass
 599 <tt>llvm::GCStrategy</tt>, which can be accomplished in a few lines of
 600 boilerplate code. LLVM's infrastructure provides access to several important
 601 algorithms. For an uncontroversial collector, all that remains may be to
 602 compile LLVM's computed stack map to assembly code (using the binary
 603 representation expected by the runtime library). This can be accomplished in
 604 about 100 lines of code.</p>
 605
 606 <p>This is not the appropriate place to implement a garbage collected heap or a
 607 garbage collector itself. That code should exist in the language's runtime
 608 library. The compiler plugin is responsible for generating code which
 609 conforms to the binary interface defined by library, most essentially the
 610 <a href="#stack-map">stack map</a>.</p>
 611
 612 <p>To subclass <tt>llvm::GCStrategy</tt> and register it with the compiler:</p>
 613
 614 <blockquote><pre>// lib/MyGC/MyGC.cpp - Example LLVM GC plugin
 615
 616 #include "llvm/CodeGen/GCStrategy.h"
 617 #include "llvm/CodeGen/GCMetadata.h"
 618 #include "llvm/Support/Compiler.h"
 619
 620 using namespace llvm;
 621
 622 namespace {
 623   class LLVM_LIBRARY_VISIBILITY MyGC : public GCStrategy {
 624   public:
 625     MyGC() {}
 626   };
 627
 628   GCRegistry::Add&lt;MyGC&gt;
 629   X("mygc", "My bespoke garbage collector.");
 630 }</pre></blockquote>
 631
 632 <p>This boilerplate collector does nothing. More specifically:</p>
 633
 634 <ul>
 635   <li><tt>llvm.gcread</tt> calls are replaced with the corresponding
 636       <tt>load</tt> instruction.</li>
 637   <li><tt>llvm.gcwrite</tt> calls are replaced with the corresponding
 638       <tt>store</tt> instruction.</li>
 639   <li>No safe points are added to the code.</li>
 640   <li>The stack map is not compiled into the executable.</li>
 641 </ul>
 642
 643 <p>Using the LLVM makefiles (like the <a
 644 href="http://llvm.org/viewvc/llvm-project/llvm/trunk/projects/sample/">sample
 645 project</a>), this code can be compiled as a plugin using a simple
 646 makefile:</p>
 647
 648 <blockquote><pre
 649 ># lib/MyGC/Makefile
 650
 651 LEVEL := ../..
 652 LIBRARYNAME = <var>MyGC</var>
 653 LOADABLE_MODULE = 1
 654
 655 include $(LEVEL)/Makefile.common</pre></blockquote>
 656
 657 <p>Once the plugin is compiled, code using it may be compiled using <tt>llc
 658 -load=<var>MyGC.so</var></tt> (though <var>MyGC.so</var> may have some other
 659 platform-specific extension):</p>
 660
 661 <blockquote><pre
 662 >$ cat sample.ll
 663 define void @f() gc "mygc" {
 664 entry:
 665         ret void
 666 }
 667 $ llvm-as &lt; sample.ll | llc -load=MyGC.so</pre></blockquote>
 668
 669 <p>It is also possible to statically link the collector plugin into tools, such
 670 as a language-specific compiler front-end.</p>
 671
 672 <!-- ======================================================================= -->
 673 <h3>
 674   <a name="collector-algos">Overview of available features</a>
 675 </h3>
 676
 677 <div>
 678
 679 <p><tt>GCStrategy</tt> provides a range of features through which a plugin
 680 may do useful work. Some of these are callbacks, some are algorithms that can
 681 be enabled, disabled, or customized. This matrix summarizes the supported (and
 682 planned) features and correlates them with the collection techniques which
 683 typically require them.</p>
 684
 685 <table>
 686   <tr>
 687     <th>Algorithm</th>
 688     <th>Done</th>
 689     <th>shadow stack</th>
 690     <th>refcount</th>
 691     <th>mark-sweep</th>
 692     <th>copying</th>
 693     <th>incremental</th>
 694     <th>threaded</th>
 695     <th>concurrent</th>
 696   </tr>
 697   <tr>
 698     <th class="rowhead"><a href="#stack-map">stack map</a></th>
 699     <td>&#10004;</td>
 700     <td></td>
 701     <td></td>
 702     <td>&#10008;</td>
 703     <td>&#10008;</td>
 704     <td>&#10008;</td>
 705     <td>&#10008;</td>
 706     <td>&#10008;</td>
 707   </tr>
 708   <tr>
 709     <th class="rowhead"><a href="#init-roots">initialize roots</a></th>
 710     <td>&#10004;</td>
 711     <td>&#10008;</td>
 712     <td>&#10008;</td>
 713     <td>&#10008;</td>
 714     <td>&#10008;</td>
 715     <td>&#10008;</td>
 716     <td>&#10008;</td>
 717     <td>&#10008;</td>
 718   </tr>
 719   <tr class="doc_warning">
 720     <th class="rowhead">derived pointers</th>
 721     <td>NO</td>
 722     <td></td>
 723     <td></td>
 724     <td></td>
 725     <td></td>
 726     <td></td>
 727     <td>&#10008;*</td>
 728     <td>&#10008;*</td>
 729   </tr>
 730   <tr>
 731     <th class="rowhead"><em><a href="#custom">custom lowering</a></em></th>
 732     <td>&#10004;</td>
 733     <th></th>
 734     <th></th>
 735     <th></th>
 736     <th></th>
 737     <th></th>
 738     <th></th>
 739     <th></th>
 740   </tr>
 741   <tr>
 742     <th class="rowhead indent">gcroot</th>
 743     <td>&#10004;</td>
 744     <td>&#10008;</td>
 745     <td>&#10008;</td>
 746     <td></td>
 747     <td></td>
 748     <td></td>
 749     <td></td>
 750     <td></td>
 751   </tr>
 752   <tr>
 753     <th class="rowhead indent">gcwrite</th>
 754     <td>&#10004;</td>
 755     <td></td>
 756     <td>&#10008;</td>
 757     <td></td>
 758     <td></td>
 759     <td>&#10008;</td>
 760     <td></td>
 761     <td>&#10008;</td>
 762   </tr>
 763   <tr>
 764     <th class="rowhead indent">gcread</th>
 765     <td>&#10004;</td>
 766     <td></td>
 767     <td></td>
 768     <td></td>
 769     <td></td>
 770     <td></td>
 771     <td></td>
 772     <td>&#10008;</td>
 773   </tr>
 774   <tr>
 775     <th class="rowhead"><em><a href="#safe-points">safe points</a></em></th>
 776     <td></td>
 777     <th></th>
 778     <th></th>
 779     <th></th>
 780     <th></th>
 781     <th></th>
 782     <th></th>
 783     <th></th>
 784   </tr>
 785   <tr>
 786     <th class="rowhead indent">in calls</th>
 787     <td>&#10004;</td>
 788     <td></td>
 789     <td></td>
 790     <td>&#10008;</td>
 791     <td>&#10008;</td>
 792     <td>&#10008;</td>
 793     <td>&#10008;</td>
 794     <td>&#10008;</td>
 795   </tr>
 796   <tr>
 797     <th class="rowhead indent">before calls</th>
 798     <td>&#10004;</td>
 799     <td></td>
 800     <td></td>
 801     <td></td>
 802     <td></td>
 803     <td></td>
 804     <td>&#10008;</td>
 805     <td>&#10008;</td>
 806   </tr>
 807   <tr class="doc_warning">
 808     <th class="rowhead indent">for loops</th>
 809     <td>NO</td>
 810     <td></td>
 811     <td></td>
 812     <td></td>
 813     <td></td>
 814     <td></td>
 815     <td>&#10008;</td>
 816     <td>&#10008;</td>
 817   </tr>
 818   <tr>
 819     <th class="rowhead indent">before escape</th>
 820     <td>&#10004;</td>
 821     <td></td>
 822     <td></td>
 823     <td></td>
 824     <td></td>
 825     <td></td>
 826     <td>&#10008;</td>
 827     <td>&#10008;</td>
 828   </tr>
 829   <tr class="doc_warning">
 830     <th class="rowhead">emit code at safe points</th>
 831     <td>NO</td>
 832     <td></td>
 833     <td></td>
 834     <td></td>
 835     <td></td>
 836     <td></td>
 837     <td>&#10008;</td>
 838     <td>&#10008;</td>
 839   </tr>
 840   <tr>
 841     <th class="rowhead"><em>output</em></th>
 842     <td></td>
 843     <th></th>
 844     <th></th>
 845     <th></th>
 846     <th></th>
 847     <th></th>
 848     <th></th>
 849     <th></th>
 850   </tr>
 851   <tr>
 852     <th class="rowhead indent"><a href="#assembly">assembly</a></th>
 853     <td>&#10004;</td>
 854     <td></td>
 855     <td></td>
 856     <td>&#10008;</td>
 857     <td>&#10008;</td>
 858     <td>&#10008;</td>
 859     <td>&#10008;</td>
 860     <td>&#10008;</td>
 861   </tr>
 862   <tr class="doc_warning">
 863     <th class="rowhead indent">JIT</th>
 864     <td>NO</td>
 865     <td></td>
 866     <td></td>
 867     <td class="optl">&#10008;</td>
 868     <td class="optl">&#10008;</td>
 869     <td class="optl">&#10008;</td>
 870     <td class="optl">&#10008;</td>
 871     <td class="optl">&#10008;</td>
 872   </tr>
 873   <tr class="doc_warning">
 874     <th class="rowhead indent">obj</th>
 875     <td>NO</td>
 876     <td></td>
 877     <td></td>
 878     <td class="optl">&#10008;</td>
 879     <td class="optl">&#10008;</td>
 880     <td class="optl">&#10008;</td>
 881     <td class="optl">&#10008;</td>
 882     <td class="optl">&#10008;</td>
 883   </tr>
 884   <tr class="doc_warning">
 885     <th class="rowhead">live analysis</th>
 886     <td>NO</td>
 887     <td></td>
 888     <td></td>
 889     <td class="optl">&#10008;</td>
 890     <td class="optl">&#10008;</td>
 891     <td class="optl">&#10008;</td>
 892     <td class="optl">&#10008;</td>
 893     <td class="optl">&#10008;</td>
 894   </tr>
 895   <tr class="doc_warning">
 896     <th class="rowhead">register map</th>
 897     <td>NO</td>
 898     <td></td>
 899     <td></td>
 900     <td class="optl">&#10008;</td>
 901     <td class="optl">&#10008;</td>
 902     <td class="optl">&#10008;</td>
 903     <td class="optl">&#10008;</td>
 904     <td class="optl">&#10008;</td>
 905   </tr>
 906   <tr>
 907     <td colspan="10">
 908       <div><span class="doc_warning">*</span> Derived pointers only pose a
 909            hazard to copying collectors.</div>
 910       <div><span class="optl">&#10008;</span> in gray denotes a feature which
 911            could be utilized if available.</div>
 912     </td>
 913   </tr>
 914 </table>
 915
 916 <p>To be clear, the collection techniques above are defined as:</p>
 917
 918 <dl>
 919   <dt>Shadow Stack</dt>
 920   <dd>The mutator carefully maintains a linked list of stack roots.</dd>
 921   <dt>Reference Counting</dt>
 922   <dd>The mutator maintains a reference count for each object and frees an
 923       object when its count falls to zero.</dd>
 924   <dt>Mark-Sweep</dt>
 925   <dd>When the heap is exhausted, the collector marks reachable objects starting
 926       from the roots, then deallocates unreachable objects in a sweep
 927       phase.</dd>
 928   <dt>Copying</dt>
 929   <dd>As reachability analysis proceeds, the collector copies objects from one
 930       heap area to another, compacting them in the process. Copying collectors
 931       enable highly efficient "bump pointer" allocation and can improve locality
 932       of reference.</dd>
 933   <dt>Incremental</dt>
 934   <dd>(Including generational collectors.) Incremental collectors generally have
 935       all the properties of a copying collector (regardless of whether the
 936       mature heap is compacting), but bring the added complexity of requiring
 937       write barriers.</dd>
 938   <dt>Threaded</dt>
 939   <dd>Denotes a multithreaded mutator; the collector must still stop the mutator
 940       ("stop the world") before beginning reachability analysis. Stopping a
 941       multithreaded mutator is a complicated problem. It generally requires
 942       highly platform specific code in the runtime, and the production of
 943       carefully designed machine code at safe points.</dd>
 944   <dt>Concurrent</dt>
 945   <dd>In this technique, the mutator and the collector run concurrently, with
 946       the goal of eliminating pause times. In a <em>cooperative</em> collector,
 947       the mutator further aids with collection should a pause occur, allowing
 948       collection to take advantage of multiprocessor hosts. The "stop the world"
 949       problem of threaded collectors is generally still present to a limited
 950       extent. Sophisticated marking algorithms are necessary. Read barriers may
 951       be necessary.</dd>
 952 </dl>
 953
 954 <p>As the matrix indicates, LLVM's garbage collection infrastructure is already
 955 suitable for a wide variety of collectors, but does not currently extend to
 956 multithreaded programs. This will be added in the future as there is
 957 interest.</p>
 958
 959 </div>
 960
 961 <!-- ======================================================================= -->
 962 <h3>
 963   <a name="stack-map">Computing stack maps</a>
 964 </h3>
 965
 966 <div>
 967
 968 <p>LLVM automatically computes a stack map. One of the most important features
 969 of a <tt>GCStrategy</tt> is to compile this information into the executable in
 970 the binary representation expected by the runtime library.</p>
 971
 972 <p>The stack map consists of the location and identity of each GC root in the
 973 each function in the module. For each root:</p>
 974
 975 <ul>
 976   <li><tt>RootNum</tt>: The index of the root.</li>
 977   <li><tt>StackOffset</tt>: The offset of the object relative to the frame
 978       pointer.</li>
 979   <li><tt>RootMetadata</tt>: The value passed as the <tt>%metadata</tt>
 980       parameter to the <a href="#gcroot"><tt>@llvm.gcroot</tt></a> intrinsic.</li>
 981 </ul>
 982
 983 <p>Also, for the function as a whole:</p>
 984
 985 <ul>
 986   <li><tt>getFrameSize()</tt>: The overall size of the function's initial
 987       stack frame, not accounting for any dynamic allocation.</li>
 988   <li><tt>roots_size()</tt>: The count of roots in the function.</li>
 989 </ul>
 990
 991 <p>To access the stack map, use <tt>GCFunctionMetadata::roots_begin()</tt> and
 992 -<tt>end()</tt> from the <tt><a
 993 href="#assembly">GCMetadataPrinter</a></tt>:</p>
 994
 995 <blockquote><pre
 996 >for (iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I) {
 997   GCFunctionInfo *FI = *I;
 998   unsigned FrameSize = FI-&gt;getFrameSize();
 999   size_t RootCount = FI-&gt;roots_size();
1000
1001   for (GCFunctionInfo::roots_iterator RI = FI-&gt;roots_begin(),
1002                                       RE = FI-&gt;roots_end();
1003                                       RI != RE; ++RI) {
1004     int RootNum = RI->Num;
1005     int RootStackOffset = RI->StackOffset;
1006     Constant *RootMetadata = RI->Metadata;
1007   }
1008 }</pre></blockquote>
1009
1010 <p>If the <tt>llvm.gcroot</tt> intrinsic is eliminated before code generation by
1011 a custom lowering pass, LLVM will compute an empty stack map. This may be useful
1012 for collector plugins which implement reference counting or a shadow stack.</p>
1013
1014 </div>
1015
1016
1017 <!-- ======================================================================= -->
1018 <h3>
1019   <a name="init-roots">Initializing roots to null: <tt>InitRoots</tt></a>
1020 </h3>
1021
1022 <div>
1023
1024 <blockquote><pre
1025 >MyGC::MyGC() {
1026   InitRoots = true;
1027 }</pre></blockquote>
1028
1029 <p>When set, LLVM will automatically initialize each root to <tt>null</tt> upon
1030 entry to the function. This prevents the GC's sweep phase from visiting
1031 uninitialized pointers, which will almost certainly cause it to crash. This
1032 initialization occurs before custom lowering, so the two may be used
1033 together.</p>
1034
1035 <p>Since LLVM does not yet compute liveness information, there is no means of
1036 distinguishing an uninitialized stack root from an initialized one. Therefore,
1037 this feature should be used by all GC plugins. It is enabled by default.</p>
1038
1039 </div>
1040
1041
1042 <!-- ======================================================================= -->
1043 <h3>
1044   <a name="custom">Custom lowering of intrinsics: <tt>CustomRoots</tt>,
1045     <tt>CustomReadBarriers</tt>, and <tt>CustomWriteBarriers</tt></a>
1046 </h3>
1047
1048 <div>
1049
1050 <p>For GCs which use barriers or unusual treatment of stack roots, these
1051 flags allow the collector to perform arbitrary transformations of the LLVM
1052 IR:</p>
1053
1054 <blockquote><pre
1055 >class MyGC : public GCStrategy {
1056 public:
1057   MyGC() {
1058     CustomRoots = true;
1059     CustomReadBarriers = true;
1060     CustomWriteBarriers = true;
1061   }
1062
1063   virtual bool initializeCustomLowering(Module &amp;M);
1064   virtual bool performCustomLowering(Function &amp;F);
1065 };</pre></blockquote>
1066
1067 <p>If any of these flags are set, then LLVM suppresses its default lowering for
1068 the corresponding intrinsics and instead calls
1069 <tt>performCustomLowering</tt>.</p>
1070
1071 <p>LLVM's default action for each intrinsic is as follows:</p>
1072
1073 <ul>
1074   <li><tt>llvm.gcroot</tt>: Leave it alone. The code generator must see it
1075                             or the stack map will not be computed.</li>
1076   <li><tt>llvm.gcread</tt>: Substitute a <tt>load</tt> instruction.</li>
1077   <li><tt>llvm.gcwrite</tt>: Substitute a <tt>store</tt> instruction.</li>
1078 </ul>
1079
1080 <p>If <tt>CustomReadBarriers</tt> or <tt>CustomWriteBarriers</tt> are specified,
1081 then <tt>performCustomLowering</tt> <strong>must</strong> eliminate the
1082 corresponding barriers.</p>
1083
1084 <p><tt>performCustomLowering</tt> must comply with the same restrictions as <a
1085 href="WritingAnLLVMPass.html#runOnFunction"><tt
1086 >FunctionPass::runOnFunction</tt></a>.
1087 Likewise, <tt>initializeCustomLowering</tt> has the same semantics as <a
1088 href="WritingAnLLVMPass.html#doInitialization_mod"><tt
1089 >Pass::doInitialization(Module&amp;)</tt></a>.</p>
1090
1091 <p>The following can be used as a template:</p>
1092
1093 <blockquote><pre
1094 >#include "llvm/Module.h"
1095 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
1096
1097 bool MyGC::initializeCustomLowering(Module &amp;M) {
1098   return false;
1099 }
1100
1101 bool MyGC::performCustomLowering(Function &amp;F) {
1102   bool MadeChange = false;
1103
1104   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
1105     for (BasicBlock::iterator II = BB-&gt;begin(), E = BB-&gt;end(); II != E; )
1106       if (IntrinsicInst *CI = dyn_cast&lt;IntrinsicInst&gt;(II++))
1107         if (Function *F = CI-&gt;getCalledFunction())
1108           switch (F-&gt;getIntrinsicID()) {
1109           case Intrinsic::gcwrite:
1110             // Handle llvm.gcwrite.
1111             CI-&gt;eraseFromParent();
1112             MadeChange = true;
1113             break;
1114           case Intrinsic::gcread:
1115             // Handle llvm.gcread.
1116             CI-&gt;eraseFromParent();
1117             MadeChange = true;
1118             break;
1119           case Intrinsic::gcroot:
1120             // Handle llvm.gcroot.
1121             CI-&gt;eraseFromParent();
1122             MadeChange = true;
1123             break;
1124           }
1125
1126   return MadeChange;
1127 }</pre></blockquote>
1128
1129 </div>
1130
1131
1132 <!-- ======================================================================= -->
1133 <h3>
1134   <a name="safe-points">Generating safe points: <tt>NeededSafePoints</tt></a>
1135 </h3>
1136
1137 <div>
1138
1139 <p>LLVM can compute four kinds of safe points:</p>
1140
1141 <blockquote><pre
1142 >namespace GC {
1143   /// PointKind - The type of a collector-safe point.
1144   ///
1145   enum PointKind {
1146     Loop,    //&lt; Instr is a loop (backwards branch).
1147     Return,  //&lt; Instr is a return instruction.
1148     PreCall, //&lt; Instr is a call instruction.
1149     PostCall //&lt; Instr is the return address of a call.
1150   };
1151 }</pre></blockquote>
1152
1153 <p>A collector can request any combination of the four by setting the
1154 <tt>NeededSafePoints</tt> mask:</p>
1155
1156 <blockquote><pre
1157 >MyGC::MyGC() {
1158   NeededSafePoints = 1 &lt;&lt; GC::Loop
1159                    | 1 &lt;&lt; GC::Return
1160                    | 1 &lt;&lt; GC::PreCall
1161                    | 1 &lt;&lt; GC::PostCall;
1162 }</pre></blockquote>
1163
1164 <p>It can then use the following routines to access safe points.</p>
1165
1166 <blockquote><pre
1167 >for (iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I) {
1168   GCFunctionInfo *MD = *I;
1169   size_t PointCount = MD-&gt;size();
1170
1171   for (GCFunctionInfo::iterator PI = MD-&gt;begin(),
1172                                 PE = MD-&gt;end(); PI != PE; ++PI) {
1173     GC::PointKind PointKind = PI-&gt;Kind;
1174     unsigned PointNum = PI-&gt;Num;
1175   }
1176 }
1177 </pre></blockquote>
1178
1179 <p>Almost every collector requires <tt>PostCall</tt> safe points, since these
1180 correspond to the moments when the function is suspended during a call to a
1181 subroutine.</p>
1182
1183 <p>Threaded programs generally require <tt>Loop</tt> safe points to guarantee
1184 that the application will reach a safe point within a bounded amount of time,
1185 even if it is executing a long-running loop which contains no function
1186 calls.</p>
1187
1188 <p>Threaded collectors may also require <tt>Return</tt> and <tt>PreCall</tt>
1189 safe points to implement "stop the world" techniques using self-modifying code,
1190 where it is important that the program not exit the function without reaching a
1191 safe point (because only the topmost function has been patched).</p>
1192
1193 </div>
1194
1195
1196 <!-- ======================================================================= -->
1197 <h3>
1198   <a name="assembly">Emitting assembly code: <tt>GCMetadataPrinter</tt></a>
1199 </h3>
1200
1201 <div>
1202
1203 <p>LLVM allows a plugin to print arbitrary assembly code before and after the
1204 rest of a module's assembly code. At the end of the module, the GC can compile
1205 the LLVM stack map into assembly code. (At the beginning, this information is not
1206 yet computed.)</p>
1207
1208 <p>Since AsmWriter and CodeGen are separate components of LLVM, a separate
1209 abstract base class and registry is provided for printing assembly code, the
1210 <tt>GCMetadaPrinter</tt> and <tt>GCMetadataPrinterRegistry</tt>. The AsmWriter
1211 will look for such a subclass if the <tt>GCStrategy</tt> sets
1212 <tt>UsesMetadata</tt>:</p>
1213
1214 <blockquote><pre
1215 >MyGC::MyGC() {
1216   UsesMetadata = true;
1217 }</pre></blockquote>
1218
1219 <p>This separation allows JIT-only clients to be smaller.</p>
1220
1221 <p>Note that LLVM does not currently have analogous APIs to support code
1222 generation in the JIT, nor using the object writers.</p>
1223
1224 <blockquote><pre
1225 >// lib/MyGC/MyGCPrinter.cpp - Example LLVM GC printer
1226
1227 #include "llvm/CodeGen/GCMetadataPrinter.h"
1228 #include "llvm/Support/Compiler.h"
1229
1230 using namespace llvm;
1231
1232 namespace {
1233   class LLVM_LIBRARY_VISIBILITY MyGCPrinter : public GCMetadataPrinter {
1234   public:
1235     virtual void beginAssembly(std::ostream &amp;OS, AsmPrinter &amp;AP,
1236                                const TargetAsmInfo &amp;TAI);
1237
1238     virtual void finishAssembly(std::ostream &amp;OS, AsmPrinter &amp;AP,
1239                                 const TargetAsmInfo &amp;TAI);
1240   };
1241
1242   GCMetadataPrinterRegistry::Add&lt;MyGCPrinter&gt;
1243   X("mygc", "My bespoke garbage collector.");
1244 }</pre></blockquote>
1245
1246 <p>The collector should use <tt>AsmPrinter</tt> and <tt>TargetAsmInfo</tt> to
1247 print portable assembly code to the <tt>std::ostream</tt>. The collector itself
1248 contains the stack map for the entire module, and may access the
1249 <tt>GCFunctionInfo</tt> using its own <tt>begin()</tt> and <tt>end()</tt>
1250 methods. Here's a realistic example:</p>
1251
1252 <blockquote><pre
1253 >#include "llvm/CodeGen/AsmPrinter.h"
1254 #include "llvm/Function.h"
1255 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
1256 #include "llvm/DataLayout.h"
1257 #include "llvm/Target/TargetAsmInfo.h"
1258
1259 void MyGCPrinter::beginAssembly(std::ostream &amp;OS, AsmPrinter &amp;AP,
1260                                 const TargetAsmInfo &amp;TAI) {
1261   // Nothing to do.
1262 }
1263
1264 void MyGCPrinter::finishAssembly(std::ostream &amp;OS, AsmPrinter &amp;AP,
1265                                  const TargetAsmInfo &amp;TAI) {
1266   // Set up for emitting addresses.
1267   const char *AddressDirective;
1268   int AddressAlignLog;
1269   if (AP.TM.getDataLayout()->getPointerSize() == sizeof(int32_t)) {
1270     AddressDirective = TAI.getData32bitsDirective();
1271     AddressAlignLog = 2;
1272   } else {
1273     AddressDirective = TAI.getData64bitsDirective();
1274     AddressAlignLog = 3;
1275   }
1276
1277   // Put this in the data section.
1278   AP.SwitchToDataSection(TAI.getDataSection());
1279
1280   // For each function...
1281   for (iterator FI = begin(), FE = end(); FI != FE; ++FI) {
1282     GCFunctionInfo &amp;MD = **FI;
1283
1284     // Emit this data structure:
1285     //
1286     // struct {
1287     //   int32_t PointCount;
1288     //   struct {
1289     //     void *SafePointAddress;
1290     //     int32_t LiveCount;
1291     //     int32_t LiveOffsets[LiveCount];
1292     //   } Points[PointCount];
1293     // } __gcmap_&lt;FUNCTIONNAME&gt;;
1294
1295     // Align to address width.
1296     AP.EmitAlignment(AddressAlignLog);
1297
1298     // Emit the symbol by which the stack map entry can be found.
1299     std::string Symbol;
1300     Symbol += TAI.getGlobalPrefix();
1301     Symbol += "__gcmap_";
1302     Symbol += MD.getFunction().getName();
1303     if (const char *GlobalDirective = TAI.getGlobalDirective())
1304       OS &lt;&lt; GlobalDirective &lt;&lt; Symbol &lt;&lt; "\n";
1305     OS &lt;&lt; TAI.getGlobalPrefix() &lt;&lt; Symbol &lt;&lt; ":\n";
1306
1307     // Emit PointCount.
1308     AP.EmitInt32(MD.size());
1309     AP.EOL("safe point count");
1310
1311     // And each safe point...
1312     for (GCFunctionInfo::iterator PI = MD.begin(),
1313                                      PE = MD.end(); PI != PE; ++PI) {
1314       // Align to address width.
1315       AP.EmitAlignment(AddressAlignLog);
1316
1317       // Emit the address of the safe point.
1318       OS &lt;&lt; AddressDirective
1319          &lt;&lt; TAI.getPrivateGlobalPrefix() &lt;&lt; "label" &lt;&lt; PI-&gt;Num;
1320       AP.EOL("safe point address");
1321
1322       // Emit the stack frame size.
1323       AP.EmitInt32(MD.getFrameSize());
1324       AP.EOL("stack frame size");
1325
1326       // Emit the number of live roots in the function.
1327       AP.EmitInt32(MD.live_size(PI));
1328       AP.EOL("live root count");
1329
1330       // And for each live root...
1331       for (GCFunctionInfo::live_iterator LI = MD.live_begin(PI),
1332                                             LE = MD.live_end(PI);
1333                                             LI != LE; ++LI) {
1334         // Print its offset within the stack frame.
1335         AP.EmitInt32(LI-&gt;StackOffset);
1336         AP.EOL("stack offset");
1337       }
1338     }
1339   }
1340 }
1341 </pre></blockquote>
1342
1343 </div>
1344
1345 </div>
1346
1347 <!-- *********************************************************************** -->
1348 <h2>
1349   <a name="references">References</a>
1350 </h2>
1351 <!-- *********************************************************************** -->
1352
1353 <div>
1354
1355 <p><a name="appel89">[Appel89]</a> Runtime Tags Aren't Necessary. Andrew
1356 W. Appel. Lisp and Symbolic Computation 19(7):703-705, July 1989.</p>
1357
1358 <p><a name="goldberg91">[Goldberg91]</a> Tag-free garbage collection for
1359 strongly typed programming languages. Benjamin Goldberg. ACM SIGPLAN
1360 PLDI'91.</p>
1361
1362 <p><a name="tolmach94">[Tolmach94]</a> Tag-free garbage collection using
1363 explicit type parameters. Andrew Tolmach. Proceedings of the 1994 ACM
1364 conference on LISP and functional programming.</p>
1365
1366 <p><a name="henderson02">[Henderson2002]</a> <a
1367 href="http://citeseer.ist.psu.edu/henderson02accurate.html">
1368 Accurate Garbage Collection in an Uncooperative Environment</a>.
1369 Fergus Henderson. International Symposium on Memory Management 2002.</p>
1370
1371 </div>
1372
1373
1374 <!-- *********************************************************************** -->
1375
1376 <hr>
1377 <address>
1378   <a href="http://jigsaw.w3.org/css-validator/check/referer"><img
1379   src="http://jigsaw.w3.org/css-validator/images/vcss-blue" alt="Valid CSS"></a>
1380   <a href="http://validator.w3.org/check/referer"><img
1381   src="http://www.w3.org/Icons/valid-html401-blue" alt="Valid HTML 4.01"></a>
1382
1383   <a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a><br>
1384   <a href="http://llvm.org/">LLVM Compiler Infrastructure</a><br>
1385   Last modified: $Date$
1386 </address>
1387
1388 </body>
1389 </html>