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[oota-llvm.git] / docs / GarbageCollection.rst
1 =====================================
2 Accurate Garbage Collection with LLVM
3 =====================================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 .. sectionauthor:: Chris Lattner <sabre@nondot.org>  and
9                    Gordon Henriksen
10
11 Introduction
12 ============
13
14 Garbage collection is a widely used technique that frees the programmer from
15 having to know the lifetimes of heap objects, making software easier to produce
16 and maintain.  Many programming languages rely on garbage collection for
17 automatic memory management.  There are two primary forms of garbage collection:
18 conservative and accurate.
19
20 Conservative garbage collection often does not require any special support from
21 either the language or the compiler: it can handle non-type-safe programming
22 languages (such as C/C++) and does not require any special information from the
23 compiler.  The `Boehm collector
24 <http://www.hpl.hp.com/personal/Hans_Boehm/gc/>`__ is an example of a
25 state-of-the-art conservative collector.
26
27 Accurate garbage collection requires the ability to identify all pointers in the
28 program at run-time (which requires that the source-language be type-safe in
29 most cases).  Identifying pointers at run-time requires compiler support to
30 locate all places that hold live pointer variables at run-time, including the
31 :ref:`processor stack and registers <gcroot>`.
32
33 Conservative garbage collection is attractive because it does not require any
34 special compiler support, but it does have problems.  In particular, because the
35 conservative garbage collector cannot *know* that a particular word in the
36 machine is a pointer, it cannot move live objects in the heap (preventing the
37 use of compacting and generational GC algorithms) and it can occasionally suffer
38 from memory leaks due to integer values that happen to point to objects in the
39 program.  In addition, some aggressive compiler transformations can break
40 conservative garbage collectors (though these seem rare in practice).
41
42 Accurate garbage collectors do not suffer from any of these problems, but they
43 can suffer from degraded scalar optimization of the program.  In particular,
44 because the runtime must be able to identify and update all pointers active in
45 the program, some optimizations are less effective.  In practice, however, the
46 locality and performance benefits of using aggressive garbage collection
47 techniques dominates any low-level losses.
48
49 This document describes the mechanisms and interfaces provided by LLVM to
50 support accurate garbage collection.
51
52 Goals and non-goals
53 -------------------
54
55 LLVM's intermediate representation provides :ref:`garbage collection intrinsics
56 <gc_intrinsics>` that offer support for a broad class of collector models.  For
57 instance, the intrinsics permit:
58
59 * semi-space collectors
60
61 * mark-sweep collectors
62
63 * generational collectors
64
65 * reference counting
66
67 * incremental collectors
68
69 * concurrent collectors
70
71 * cooperative collectors
72
73 We hope that the primitive support built into the LLVM IR is sufficient to
74 support a broad class of garbage collected languages including Scheme, ML, Java,
75 C#, Perl, Python, Lua, Ruby, other scripting languages, and more.
76
77 However, LLVM does not itself provide a garbage collector --- this should be
78 part of your language's runtime library.  LLVM provides a framework for compile
79 time :ref:`code generation plugins <plugin>`.  The role of these plugins is to
80 generate code and data structures which conforms to the *binary interface*
81 specified by the *runtime library*.  This is similar to the relationship between
82 LLVM and DWARF debugging info, for example.  The difference primarily lies in
83 the lack of an established standard in the domain of garbage collection --- thus
84 the plugins.
85
86 The aspects of the binary interface with which LLVM's GC support is
87 concerned are:
88
89 * Creation of GC-safe points within code where collection is allowed to execute
90   safely.
91
92 * Computation of the stack map.  For each safe point in the code, object
93   references within the stack frame must be identified so that the collector may
94   traverse and perhaps update them.
95
96 * Write barriers when storing object references to the heap.  These are commonly
97   used to optimize incremental scans in generational collectors.
98
99 * Emission of read barriers when loading object references.  These are useful
100   for interoperating with concurrent collectors.
101
102 There are additional areas that LLVM does not directly address:
103
104 * Registration of global roots with the runtime.
105
106 * Registration of stack map entries with the runtime.
107
108 * The functions used by the program to allocate memory, trigger a collection,
109   etc.
110
111 * Computation or compilation of type maps, or registration of them with the
112   runtime.  These are used to crawl the heap for object references.
113
114 In general, LLVM's support for GC does not include features which can be
115 adequately addressed with other features of the IR and does not specify a
116 particular binary interface.  On the plus side, this means that you should be
117 able to integrate LLVM with an existing runtime.  On the other hand, it leaves a
118 lot of work for the developer of a novel language.  However, it's easy to get
119 started quickly and scale up to a more sophisticated implementation as your
120 compiler matures.
121
122 Getting started
123 ===============
124
125 Using a GC with LLVM implies many things, for example:
126
127 * Write a runtime library or find an existing one which implements a GC heap.
128
129   #. Implement a memory allocator.
130
131   #. Design a binary interface for the stack map, used to identify references
132      within a stack frame on the machine stack.\*
133
134   #. Implement a stack crawler to discover functions on the call stack.\*
135
136   #. Implement a registry for global roots.
137
138   #. Design a binary interface for type maps, used to identify references
139      within heap objects.
140
141   #. Implement a collection routine bringing together all of the above.
142
143 * Emit compatible code from your compiler.
144
145   * Initialization in the main function.
146
147   * Use the ``gc "..."`` attribute to enable GC code generation (or
148     ``F.setGC("...")``).
149
150   * Use ``@llvm.gcroot`` to mark stack roots.
151
152   * Use ``@llvm.gcread`` and/or ``@llvm.gcwrite`` to manipulate GC references,
153     if necessary.
154
155   * Allocate memory using the GC allocation routine provided by the runtime
156     library.
157
158   * Generate type maps according to your runtime's binary interface.
159
160 * Write a compiler plugin to interface LLVM with the runtime library.\*
161
162   * Lower ``@llvm.gcread`` and ``@llvm.gcwrite`` to appropriate code
163     sequences.\*
164
165   * Compile LLVM's stack map to the binary form expected by the runtime.
166
167 * Load the plugin into the compiler.  Use ``llc -load`` or link the plugin
168   statically with your language's compiler.\*
169
170 * Link program executables with the runtime.
171
172 To help with several of these tasks (those indicated with a \*), LLVM includes a
173 highly portable, built-in ShadowStack code generator.  It is compiled into
174 ``llc`` and works even with the interpreter and C backends.
175
176 In your compiler
177 ----------------
178
179 To turn the shadow stack on for your functions, first call:
180
181 .. code-block:: c++
182
183   F.setGC("shadow-stack");
184
185 for each function your compiler emits. Since the shadow stack is built into
186 LLVM, you do not need to load a plugin.
187
188 Your compiler must also use ``@llvm.gcroot`` as documented.  Don't forget to
189 create a root for each intermediate value that is generated when evaluating an
190 expression.  In ``h(f(), g())``, the result of ``f()`` could easily be collected
191 if evaluating ``g()`` triggers a collection.
192
193 There's no need to use ``@llvm.gcread`` and ``@llvm.gcwrite`` over plain
194 ``load`` and ``store`` for now.  You will need them when switching to a more
195 advanced GC.
196
197 In your runtime
198 ---------------
199
200 The shadow stack doesn't imply a memory allocation algorithm.  A semispace
201 collector or building atop ``malloc`` are great places to start, and can be
202 implemented with very little code.
203
204 When it comes time to collect, however, your runtime needs to traverse the stack
205 roots, and for this it needs to integrate with the shadow stack.  Luckily, doing
206 so is very simple. (This code is heavily commented to help you understand the
207 data structure, but there are only 20 lines of meaningful code.)
208
209 .. code-block:: c++
210
211   /// @brief The map for a single function's stack frame.  One of these is
212   ///        compiled as constant data into the executable for each function.
213   ///
214   /// Storage of metadata values is elided if the %metadata parameter to
215   /// @llvm.gcroot is null.
216   struct FrameMap {
217     int32_t NumRoots;    //< Number of roots in stack frame.
218     int32_t NumMeta;     //< Number of metadata entries.  May be < NumRoots.
219     const void *Meta[0]; //< Metadata for each root.
220   };
221
222   /// @brief A link in the dynamic shadow stack.  One of these is embedded in
223   ///        the stack frame of each function on the call stack.
224   struct StackEntry {
225     StackEntry *Next;    //< Link to next stack entry (the caller's).
226     const FrameMap *Map; //< Pointer to constant FrameMap.
227     void *Roots[0];      //< Stack roots (in-place array).
228   };
229
230   /// @brief The head of the singly-linked list of StackEntries.  Functions push
231   ///        and pop onto this in their prologue and epilogue.
232   ///
233   /// Since there is only a global list, this technique is not threadsafe.
234   StackEntry *llvm_gc_root_chain;
235
236   /// @brief Calls Visitor(root, meta) for each GC root on the stack.
237   ///        root and meta are exactly the values passed to
238   ///        @llvm.gcroot.
239   ///
240   /// Visitor could be a function to recursively mark live objects.  Or it
241   /// might copy them to another heap or generation.
242   ///
243   /// @param Visitor A function to invoke for every GC root on the stack.
244   void visitGCRoots(void (*Visitor)(void **Root, const void *Meta)) {
245     for (StackEntry *R = llvm_gc_root_chain; R; R = R->Next) {
246       unsigned i = 0;
247
248       // For roots [0, NumMeta), the metadata pointer is in the FrameMap.
249       for (unsigned e = R->Map->NumMeta; i != e; ++i)
250         Visitor(&R->Roots[i], R->Map->Meta[i]);
251
252       // For roots [NumMeta, NumRoots), the metadata pointer is null.
253       for (unsigned e = R->Map->NumRoots; i != e; ++i)
254         Visitor(&R->Roots[i], NULL);
255     }
256   }
257
258 About the shadow stack
259 ----------------------
260
261 Unlike many GC algorithms which rely on a cooperative code generator to compile
262 stack maps, this algorithm carefully maintains a linked list of stack roots
263 [:ref:`Henderson2002 <henderson02>`].  This so-called "shadow stack" mirrors the
264 machine stack.  Maintaining this data structure is slower than using a stack map
265 compiled into the executable as constant data, but has a significant portability
266 advantage because it requires no special support from the target code generator,
267 and does not require tricky platform-specific code to crawl the machine stack.
268
269 The tradeoff for this simplicity and portability is:
270
271 * High overhead per function call.
272
273 * Not thread-safe.
274
275 Still, it's an easy way to get started.  After your compiler and runtime are up
276 and running, writing a :ref:`plugin <plugin>` will allow you to take advantage
277 of :ref:`more advanced GC features <collector-algos>` of LLVM in order to
278 improve performance.
279
280 .. _gc_intrinsics:
281
282 IR features
283 ===========
284
285 This section describes the garbage collection facilities provided by the
286 :doc:`LLVM intermediate representation <LangRef>`.  The exact behavior of these
287 IR features is specified by the binary interface implemented by a :ref:`code
288 generation plugin <plugin>`, not by this document.
289
290 These facilities are limited to those strictly necessary; they are not intended
291 to be a complete interface to any garbage collector.  A program will need to
292 interface with the GC library using the facilities provided by that program.
293
294 Specifying GC code generation: ``gc "..."``
295 -------------------------------------------
296
297 .. code-block:: llvm
298
299   define ty @name(...) gc "name" { ...
300
301 The ``gc`` function attribute is used to specify the desired GC style to the
302 compiler.  Its programmatic equivalent is the ``setGC`` method of ``Function``.
303
304 Setting ``gc "name"`` on a function triggers a search for a matching code
305 generation plugin "*name*"; it is that plugin which defines the exact nature of
306 the code generated to support GC.  If none is found, the compiler will raise an
307 error.
308
309 Specifying the GC style on a per-function basis allows LLVM to link together
310 programs that use different garbage collection algorithms (or none at all).
311
312 .. _gcroot:
313
314 Identifying GC roots on the stack: ``llvm.gcroot``
315 --------------------------------------------------
316
317 .. code-block:: llvm
318
319   void @llvm.gcroot(i8** %ptrloc, i8* %metadata)
320
321 The ``llvm.gcroot`` intrinsic is used to inform LLVM that a stack variable
322 references an object on the heap and is to be tracked for garbage collection.
323 The exact impact on generated code is specified by a :ref:`compiler plugin
324 <plugin>`.  All calls to ``llvm.gcroot`` **must** reside inside the first basic
325 block.
326
327 A compiler which uses mem2reg to raise imperative code using ``alloca`` into SSA
328 form need only add a call to ``@llvm.gcroot`` for those variables which a
329 pointers into the GC heap.
330
331 It is also important to mark intermediate values with ``llvm.gcroot``.  For
332 example, consider ``h(f(), g())``.  Beware leaking the result of ``f()`` in the
333 case that ``g()`` triggers a collection.  Note, that stack variables must be
334 initialized and marked with ``llvm.gcroot`` in function's prologue.
335
336 The first argument **must** be a value referring to an alloca instruction or a
337 bitcast of an alloca.  The second contains a pointer to metadata that should be
338 associated with the pointer, and **must** be a constant or global value
339 address.  If your target collector uses tags, use a null pointer for metadata.
340
341 The ``%metadata`` argument can be used to avoid requiring heap objects to have
342 'isa' pointers or tag bits. [Appel89_, Goldberg91_, Tolmach94_] If specified,
343 its value will be tracked along with the location of the pointer in the stack
344 frame.
345
346 Consider the following fragment of Java code:
347
348 .. code-block:: java
349
350    {
351      Object X;   // A null-initialized reference to an object
352      ...
353    }
354
355 This block (which may be located in the middle of a function or in a loop nest),
356 could be compiled to this LLVM code:
357
358 .. code-block:: llvm
359
360   Entry:
361      ;; In the entry block for the function, allocate the
362      ;; stack space for X, which is an LLVM pointer.
363      %X = alloca %Object*
364
365      ;; Tell LLVM that the stack space is a stack root.
366      ;; Java has type-tags on objects, so we pass null as metadata.
367      %tmp = bitcast %Object** %X to i8**
368      call void @llvm.gcroot(i8** %tmp, i8* null)
369      ...
370
371      ;; "CodeBlock" is the block corresponding to the start
372      ;;  of the scope above.
373   CodeBlock:
374      ;; Java null-initializes pointers.
375      store %Object* null, %Object** %X
376
377      ...
378
379      ;; As the pointer goes out of scope, store a null value into
380      ;; it, to indicate that the value is no longer live.
381      store %Object* null, %Object** %X
382      ...
383
384 Reading and writing references in the heap
385 ------------------------------------------
386
387 Some collectors need to be informed when the mutator (the program that needs
388 garbage collection) either reads a pointer from or writes a pointer to a field
389 of a heap object.  The code fragments inserted at these points are called *read
390 barriers* and *write barriers*, respectively.  The amount of code that needs to
391 be executed is usually quite small and not on the critical path of any
392 computation, so the overall performance impact of the barrier is tolerable.
393
394 Barriers often require access to the *object pointer* rather than the *derived
395 pointer* (which is a pointer to the field within the object).  Accordingly,
396 these intrinsics take both pointers as separate arguments for completeness.  In
397 this snippet, ``%object`` is the object pointer, and ``%derived`` is the derived
398 pointer:
399
400 .. code-block:: llvm
401
402   ;; An array type.
403   %class.Array = type { %class.Object, i32, [0 x %class.Object*] }
404   ...
405
406   ;; Load the object pointer from a gcroot.
407   %object = load %class.Array** %object_addr
408
409   ;; Compute the derived pointer.
410   %derived = getelementptr %object, i32 0, i32 2, i32 %n
411
412 LLVM does not enforce this relationship between the object and derived pointer
413 (although a :ref:`plugin <plugin>` might).  However, it would be an unusual
414 collector that violated it.
415
416 The use of these intrinsics is naturally optional if the target GC does require
417 the corresponding barrier.  Such a GC plugin will replace the intrinsic calls
418 with the corresponding ``load`` or ``store`` instruction if they are used.
419
420 Write barrier: ``llvm.gcwrite``
421 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
422
423 .. code-block:: llvm
424
425   void @llvm.gcwrite(i8* %value, i8* %object, i8** %derived)
426
427 For write barriers, LLVM provides the ``llvm.gcwrite`` intrinsic function.  It
428 has exactly the same semantics as a non-volatile ``store`` to the derived
429 pointer (the third argument).  The exact code generated is specified by a
430 compiler :ref:`plugin <plugin>`.
431
432 Many important algorithms require write barriers, including generational and
433 concurrent collectors.  Additionally, write barriers could be used to implement
434 reference counting.
435
436 Read barrier: ``llvm.gcread``
437 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
438
439 .. code-block:: llvm
440
441   i8* @llvm.gcread(i8* %object, i8** %derived)
442
443 For read barriers, LLVM provides the ``llvm.gcread`` intrinsic function.  It has
444 exactly the same semantics as a non-volatile ``load`` from the derived pointer
445 (the second argument).  The exact code generated is specified by a
446 :ref:`compiler plugin <plugin>`.
447
448 Read barriers are needed by fewer algorithms than write barriers, and may have a
449 greater performance impact since pointer reads are more frequent than writes.
450
451 .. _plugin:
452
453 Implementing a collector plugin
454 ===============================
455
456 User code specifies which GC code generation to use with the ``gc`` function
457 attribute or, equivalently, with the ``setGC`` method of ``Function``.
458
459 To implement a GC plugin, it is necessary to subclass ``llvm::GCStrategy``,
460 which can be accomplished in a few lines of boilerplate code.  LLVM's
461 infrastructure provides access to several important algorithms.  For an
462 uncontroversial collector, all that remains may be to compile LLVM's computed
463 stack map to assembly code (using the binary representation expected by the
464 runtime library).  This can be accomplished in about 100 lines of code.
465
466 This is not the appropriate place to implement a garbage collected heap or a
467 garbage collector itself.  That code should exist in the language's runtime
468 library.  The compiler plugin is responsible for generating code which conforms
469 to the binary interface defined by library, most essentially the :ref:`stack map
470 <stack-map>`.
471
472 To subclass ``llvm::GCStrategy`` and register it with the compiler:
473
474 .. code-block:: c++
475
476   // lib/MyGC/MyGC.cpp - Example LLVM GC plugin
477
478   #include "llvm/CodeGen/GCStrategy.h"
479   #include "llvm/CodeGen/GCMetadata.h"
480   #include "llvm/Support/Compiler.h"
481
482   using namespace llvm;
483
484   namespace {
485     class LLVM_LIBRARY_VISIBILITY MyGC : public GCStrategy {
486     public:
487       MyGC() {}
488     };
489
490     GCRegistry::Add<MyGC>
491     X("mygc", "My bespoke garbage collector.");
492   }
493
494 This boilerplate collector does nothing.  More specifically:
495
496 * ``llvm.gcread`` calls are replaced with the corresponding ``load``
497   instruction.
498
499 * ``llvm.gcwrite`` calls are replaced with the corresponding ``store``
500   instruction.
501
502 * No safe points are added to the code.
503
504 * The stack map is not compiled into the executable.
505
506 Using the LLVM makefiles (like the `sample project
507 <http://llvm.org/viewvc/llvm-project/llvm/trunk/projects/sample/>`__), this code
508 can be compiled as a plugin using a simple makefile:
509
510 .. code-block:: make
511
512   # lib/MyGC/Makefile
513
514   LEVEL := ../..
515   LIBRARYNAME = MyGC
516   LOADABLE_MODULE = 1
517
518   include $(LEVEL)/Makefile.common
519
520 Once the plugin is compiled, code using it may be compiled using ``llc
521 -load=MyGC.so`` (though MyGC.so may have some other platform-specific
522 extension):
523
524 ::
525
526   $ cat sample.ll
527   define void @f() gc "mygc" {
528   entry:
529           ret void
530   }
531   $ llvm-as < sample.ll | llc -load=MyGC.so
532
533 It is also possible to statically link the collector plugin into tools, such as
534 a language-specific compiler front-end.
535
536 .. _collector-algos:
537
538 Overview of available features
539 ------------------------------
540
541 ``GCStrategy`` provides a range of features through which a plugin may do useful
542 work.  Some of these are callbacks, some are algorithms that can be enabled,
543 disabled, or customized.  This matrix summarizes the supported (and planned)
544 features and correlates them with the collection techniques which typically
545 require them.
546
547 .. |v| unicode:: 0x2714
548    :trim:
549
550 .. |x| unicode:: 0x2718
551    :trim:
552
553 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
554 | Algorithm  | Done | Shadow | refcount | mark- | copying | incremental | threaded | concurrent |
555 |            |      | stack  |          | sweep |         |             |          |            |
556 +============+======+========+==========+=======+=========+=============+==========+============+
557 | stack map  | |v|  |        |          | |x|   | |x|     | |x|         | |x|      | |x|        |
558 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
559 | initialize | |v|  | |x|    | |x|      | |x|   | |x|     | |x|         | |x|      | |x|        |
560 | roots      |      |        |          |       |         |             |          |            |
561 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
562 | derived    | NO   |        |          |       |         |             | **N**\*  | **N**\*    |
563 | pointers   |      |        |          |       |         |             |          |            |
564 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
565 | **custom   | |v|  |        |          |       |         |             |          |            |
566 | lowering** |      |        |          |       |         |             |          |            |
567 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
568 | *gcroot*   | |v|  | |x|    | |x|      |       |         |             |          |            |
569 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
570 | *gcwrite*  | |v|  |        | |x|      |       |         | |x|         |          | |x|        |
571 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
572 | *gcread*   | |v|  |        |          |       |         |             |          | |x|        |
573 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
574 | **safe     |      |        |          |       |         |             |          |            |
575 | points**   |      |        |          |       |         |             |          |            |
576 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
577 | *in        | |v|  |        |          | |x|   | |x|     | |x|         | |x|      | |x|        |
578 | calls*     |      |        |          |       |         |             |          |            |
579 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
580 | *before    | |v|  |        |          |       |         |             | |x|      | |x|        |
581 | calls*     |      |        |          |       |         |             |          |            |
582 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
583 | *for       | NO   |        |          |       |         |             | **N**    | **N**      |
584 | loops*     |      |        |          |       |         |             |          |            |
585 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
586 | *before    | |v|  |        |          |       |         |             | |x|      | |x|        |
587 | escape*    |      |        |          |       |         |             |          |            |
588 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
589 | emit code  | NO   |        |          |       |         |             | **N**    | **N**      |
590 | at safe    |      |        |          |       |         |             |          |            |
591 | points     |      |        |          |       |         |             |          |            |
592 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
593 | **output** |      |        |          |       |         |             |          |            |
594 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
595 | *assembly* | |v|  |        |          | |x|   | |x|     | |x|         | |x|      | |x|        |
596 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
597 | *JIT*      | NO   |        |          | **?** | **?**   | **?**       | **?**    | **?**      |
598 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
599 | *obj*      | NO   |        |          | **?** | **?**   | **?**       | **?**    | **?**      |
600 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
601 | live       | NO   |        |          | **?** | **?**   | **?**       | **?**    | **?**      |
602 | analysis   |      |        |          |       |         |             |          |            |
603 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
604 | register   | NO   |        |          | **?** | **?**   | **?**       | **?**    | **?**      |
605 | map        |      |        |          |       |         |             |          |            |
606 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
607 | \* Derived pointers only pose a hasard to copying collections.                                |
608 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
609 | **?** denotes a feature which could be utilized if available.                                 |
610 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
611
612 To be clear, the collection techniques above are defined as:
613
614 Shadow Stack
615   The mutator carefully maintains a linked list of stack roots.
616
617 Reference Counting
618   The mutator maintains a reference count for each object and frees an object
619   when its count falls to zero.
620
621 Mark-Sweep
622   When the heap is exhausted, the collector marks reachable objects starting
623   from the roots, then deallocates unreachable objects in a sweep phase.
624
625 Copying
626   As reachability analysis proceeds, the collector copies objects from one heap
627   area to another, compacting them in the process.  Copying collectors enable
628   highly efficient "bump pointer" allocation and can improve locality of
629   reference.
630
631 Incremental
632   (Including generational collectors.) Incremental collectors generally have all
633   the properties of a copying collector (regardless of whether the mature heap
634   is compacting), but bring the added complexity of requiring write barriers.
635
636 Threaded
637   Denotes a multithreaded mutator; the collector must still stop the mutator
638   ("stop the world") before beginning reachability analysis.  Stopping a
639   multithreaded mutator is a complicated problem.  It generally requires highly
640   platform specific code in the runtime, and the production of carefully
641   designed machine code at safe points.
642
643 Concurrent
644   In this technique, the mutator and the collector run concurrently, with the
645   goal of eliminating pause times.  In a *cooperative* collector, the mutator
646   further aids with collection should a pause occur, allowing collection to take
647   advantage of multiprocessor hosts.  The "stop the world" problem of threaded
648   collectors is generally still present to a limited extent.  Sophisticated
649   marking algorithms are necessary.  Read barriers may be necessary.
650
651 As the matrix indicates, LLVM's garbage collection infrastructure is already
652 suitable for a wide variety of collectors, but does not currently extend to
653 multithreaded programs.  This will be added in the future as there is
654 interest.
655
656 .. _stack-map:
657
658 Computing stack maps
659 --------------------
660
661 LLVM automatically computes a stack map.  One of the most important features
662 of a ``GCStrategy`` is to compile this information into the executable in
663 the binary representation expected by the runtime library.
664
665 The stack map consists of the location and identity of each GC root in the
666 each function in the module.  For each root:
667
668 * ``RootNum``: The index of the root.
669
670 * ``StackOffset``: The offset of the object relative to the frame pointer.
671
672 * ``RootMetadata``: The value passed as the ``%metadata`` parameter to the
673   ``@llvm.gcroot`` intrinsic.
674
675 Also, for the function as a whole:
676
677 * ``getFrameSize()``: The overall size of the function's initial stack frame,
678    not accounting for any dynamic allocation.
679
680 * ``roots_size()``: The count of roots in the function.
681
682 To access the stack map, use ``GCFunctionMetadata::roots_begin()`` and
683 -``end()`` from the :ref:`GCMetadataPrinter <assembly>`:
684
685 .. code-block:: c++
686
687   for (iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I) {
688     GCFunctionInfo *FI = *I;
689     unsigned FrameSize = FI->getFrameSize();
690     size_t RootCount = FI->roots_size();
691
692     for (GCFunctionInfo::roots_iterator RI = FI->roots_begin(),
693                                         RE = FI->roots_end();
694                                         RI != RE; ++RI) {
695       int RootNum = RI->Num;
696       int RootStackOffset = RI->StackOffset;
697       Constant *RootMetadata = RI->Metadata;
698     }
699   }
700
701 If the ``llvm.gcroot`` intrinsic is eliminated before code generation by a
702 custom lowering pass, LLVM will compute an empty stack map.  This may be useful
703 for collector plugins which implement reference counting or a shadow stack.
704
705 .. _init-roots:
706
707 Initializing roots to null: ``InitRoots``
708 -----------------------------------------
709
710 .. code-block:: c++
711
712   MyGC::MyGC() {
713     InitRoots = true;
714   }
715
716 When set, LLVM will automatically initialize each root to ``null`` upon entry to
717 the function.  This prevents the GC's sweep phase from visiting uninitialized
718 pointers, which will almost certainly cause it to crash.  This initialization
719 occurs before custom lowering, so the two may be used together.
720
721 Since LLVM does not yet compute liveness information, there is no means of
722 distinguishing an uninitialized stack root from an initialized one.  Therefore,
723 this feature should be used by all GC plugins.  It is enabled by default.
724
725 Custom lowering of intrinsics: ``CustomRoots``, ``CustomReadBarriers``, and ``CustomWriteBarriers``
726 ---------------------------------------------------------------------------------------------------
727
728 For GCs which use barriers or unusual treatment of stack roots, these flags
729 allow the collector to perform arbitrary transformations of the LLVM IR:
730
731 .. code-block:: c++
732
733   class MyGC : public GCStrategy {
734   public:
735     MyGC() {
736       CustomRoots = true;
737       CustomReadBarriers = true;
738       CustomWriteBarriers = true;
739     }
740
741     virtual bool initializeCustomLowering(Module &M);
742     virtual bool performCustomLowering(Function &F);
743   };
744
745 If any of these flags are set, then LLVM suppresses its default lowering for the
746 corresponding intrinsics and instead calls ``performCustomLowering``.
747
748 LLVM's default action for each intrinsic is as follows:
749
750 * ``llvm.gcroot``: Leave it alone.  The code generator must see it or the stack
751   map will not be computed.
752
753 * ``llvm.gcread``: Substitute a ``load`` instruction.
754
755 * ``llvm.gcwrite``: Substitute a ``store`` instruction.
756
757 If ``CustomReadBarriers`` or ``CustomWriteBarriers`` are specified, then
758 ``performCustomLowering`` **must** eliminate the corresponding barriers.
759
760 ``performCustomLowering`` must comply with the same restrictions as
761 :ref:`FunctionPass::runOnFunction <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>`
762 Likewise, ``initializeCustomLowering`` has the same semantics as
763 :ref:`Pass::doInitialization(Module&)
764 <writing-an-llvm-pass-doInitialization-mod>`
765
766 The following can be used as a template:
767
768 .. code-block:: c++
769
770   #include "llvm/Module.h"
771   #include "llvm/IntrinsicInst.h"
772
773   bool MyGC::initializeCustomLowering(Module &M) {
774     return false;
775   }
776
777   bool MyGC::performCustomLowering(Function &F) {
778     bool MadeChange = false;
779
780     for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
781       for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; )
782         if (IntrinsicInst *CI = dyn_cast<IntrinsicInst>(II++))
783           if (Function *F = CI->getCalledFunction())
784             switch (F->getIntrinsicID()) {
785             case Intrinsic::gcwrite:
786               // Handle llvm.gcwrite.
787               CI->eraseFromParent();
788               MadeChange = true;
789               break;
790             case Intrinsic::gcread:
791               // Handle llvm.gcread.
792               CI->eraseFromParent();
793               MadeChange = true;
794               break;
795             case Intrinsic::gcroot:
796               // Handle llvm.gcroot.
797               CI->eraseFromParent();
798               MadeChange = true;
799               break;
800             }
801
802     return MadeChange;
803   }
804
805 .. _safe-points:
806
807 Generating safe points: ``NeededSafePoints``
808 --------------------------------------------
809
810 LLVM can compute four kinds of safe points:
811
812 .. code-block:: c++
813
814   namespace GC {
815     /// PointKind - The type of a collector-safe point.
816     ///
817     enum PointKind {
818       Loop,    //< Instr is a loop (backwards branch).
819       Return,  //< Instr is a return instruction.
820       PreCall, //< Instr is a call instruction.
821       PostCall //< Instr is the return address of a call.
822     };
823   }
824
825 A collector can request any combination of the four by setting the
826 ``NeededSafePoints`` mask:
827
828 .. code-block:: c++
829
830   MyGC::MyGC()  {
831     NeededSafePoints = 1 << GC::Loop
832                      | 1 << GC::Return
833                      | 1 << GC::PreCall
834                      | 1 << GC::PostCall;
835   }
836
837 It can then use the following routines to access safe points.
838
839 .. code-block:: c++
840
841   for (iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I) {
842     GCFunctionInfo *MD = *I;
843     size_t PointCount = MD->size();
844
845     for (GCFunctionInfo::iterator PI = MD->begin(),
846                                   PE = MD->end(); PI != PE; ++PI) {
847       GC::PointKind PointKind = PI->Kind;
848       unsigned PointNum = PI->Num;
849     }
850   }
851
852 Almost every collector requires ``PostCall`` safe points, since these correspond
853 to the moments when the function is suspended during a call to a subroutine.
854
855 Threaded programs generally require ``Loop`` safe points to guarantee that the
856 application will reach a safe point within a bounded amount of time, even if it
857 is executing a long-running loop which contains no function calls.
858
859 Threaded collectors may also require ``Return`` and ``PreCall`` safe points to
860 implement "stop the world" techniques using self-modifying code, where it is
861 important that the program not exit the function without reaching a safe point
862 (because only the topmost function has been patched).
863
864 .. _assembly:
865
866 Emitting assembly code: ``GCMetadataPrinter``
867 ---------------------------------------------
868
869 LLVM allows a plugin to print arbitrary assembly code before and after the rest
870 of a module's assembly code.  At the end of the module, the GC can compile the
871 LLVM stack map into assembly code. (At the beginning, this information is not
872 yet computed.)
873
874 Since AsmWriter and CodeGen are separate components of LLVM, a separate abstract
875 base class and registry is provided for printing assembly code, the
876 ``GCMetadaPrinter`` and ``GCMetadataPrinterRegistry``.  The AsmWriter will look
877 for such a subclass if the ``GCStrategy`` sets ``UsesMetadata``:
878
879 .. code-block:: c++
880
881   MyGC::MyGC() {
882     UsesMetadata = true;
883   }
884
885 This separation allows JIT-only clients to be smaller.
886
887 Note that LLVM does not currently have analogous APIs to support code generation
888 in the JIT, nor using the object writers.
889
890 .. code-block:: c++
891
892   // lib/MyGC/MyGCPrinter.cpp - Example LLVM GC printer
893
894   #include "llvm/CodeGen/GCMetadataPrinter.h"
895   #include "llvm/Support/Compiler.h"
896
897   using namespace llvm;
898
899   namespace {
900     class LLVM_LIBRARY_VISIBILITY MyGCPrinter : public GCMetadataPrinter {
901     public:
902       virtual void beginAssembly(std::ostream &OS, AsmPrinter &AP,
903                                  const TargetAsmInfo &TAI);
904
905       virtual void finishAssembly(std::ostream &OS, AsmPrinter &AP,
906                                   const TargetAsmInfo &TAI);
907     };
908
909     GCMetadataPrinterRegistry::Add<MyGCPrinter>
910     X("mygc", "My bespoke garbage collector.");
911   }
912
913 The collector should use ``AsmPrinter`` and ``TargetAsmInfo`` to print portable
914 assembly code to the ``std::ostream``.  The collector itself contains the stack
915 map for the entire module, and may access the ``GCFunctionInfo`` using its own
916 ``begin()`` and ``end()`` methods.  Here's a realistic example:
917
918 .. code-block:: c++
919
920   #include "llvm/CodeGen/AsmPrinter.h"
921   #include "llvm/Function.h"
922   #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
923   #include "llvm/DataLayout.h"
924   #include "llvm/Target/TargetAsmInfo.h"
925
926   void MyGCPrinter::beginAssembly(std::ostream &OS, AsmPrinter &AP,
927                                   const TargetAsmInfo &TAI) {
928     // Nothing to do.
929   }
930
931   void MyGCPrinter::finishAssembly(std::ostream &OS, AsmPrinter &AP,
932                                    const TargetAsmInfo &TAI) {
933     // Set up for emitting addresses.
934     const char *AddressDirective;
935     int AddressAlignLog;
936     if (AP.TM.getDataLayout()->getPointerSize() == sizeof(int32_t)) {
937       AddressDirective = TAI.getData32bitsDirective();
938       AddressAlignLog = 2;
939     } else {
940       AddressDirective = TAI.getData64bitsDirective();
941       AddressAlignLog = 3;
942     }
943
944     // Put this in the data section.
945     AP.SwitchToDataSection(TAI.getDataSection());
946
947     // For each function...
948     for (iterator FI = begin(), FE = end(); FI != FE; ++FI) {
949       GCFunctionInfo &MD = **FI;
950
951       // Emit this data structure:
952       //
953       // struct {
954       //   int32_t PointCount;
955       //   struct {
956       //     void *SafePointAddress;
957       //     int32_t LiveCount;
958       //     int32_t LiveOffsets[LiveCount];
959       //   } Points[PointCount];
960       // } __gcmap_<FUNCTIONNAME>;
961
962       // Align to address width.
963       AP.EmitAlignment(AddressAlignLog);
964
965       // Emit the symbol by which the stack map entry can be found.
966       std::string Symbol;
967       Symbol += TAI.getGlobalPrefix();
968       Symbol += "__gcmap_";
969       Symbol += MD.getFunction().getName();
970       if (const char *GlobalDirective = TAI.getGlobalDirective())
971         OS << GlobalDirective << Symbol << "\n";
972       OS << TAI.getGlobalPrefix() << Symbol << ":\n";
973
974       // Emit PointCount.
975       AP.EmitInt32(MD.size());
976       AP.EOL("safe point count");
977
978       // And each safe point...
979       for (GCFunctionInfo::iterator PI = MD.begin(),
980                                        PE = MD.end(); PI != PE; ++PI) {
981         // Align to address width.
982         AP.EmitAlignment(AddressAlignLog);
983
984         // Emit the address of the safe point.
985         OS << AddressDirective
986            << TAI.getPrivateGlobalPrefix() << "label" << PI->Num;
987         AP.EOL("safe point address");
988
989         // Emit the stack frame size.
990         AP.EmitInt32(MD.getFrameSize());
991         AP.EOL("stack frame size");
992
993         // Emit the number of live roots in the function.
994         AP.EmitInt32(MD.live_size(PI));
995         AP.EOL("live root count");
996
997         // And for each live root...
998         for (GCFunctionInfo::live_iterator LI = MD.live_begin(PI),
999                                            LE = MD.live_end(PI);
1000                                            LI != LE; ++LI) {
1001           // Print its offset within the stack frame.
1002           AP.EmitInt32(LI->StackOffset);
1003           AP.EOL("stack offset");
1004         }
1005       }
1006     }
1007   }
1008
1009 References
1010 ==========
1011
1012 .. _appel89:
1013
1014 [Appel89] Runtime Tags Aren't Necessary. Andrew W. Appel. Lisp and Symbolic
1015 Computation 19(7):703-705, July 1989.
1016
1017 .. _goldberg91:
1018
1019 [Goldberg91] Tag-free garbage collection for strongly typed programming
1020 languages. Benjamin Goldberg. ACM SIGPLAN PLDI'91.
1021
1022 .. _tolmach94:
1023
1024 [Tolmach94] Tag-free garbage collection using explicit type parameters. Andrew
1025 Tolmach. Proceedings of the 1994 ACM conference on LISP and functional
1026 programming.
1027
1028 .. _henderson02:
1029
1030 [Henderson2002] `Accurate Garbage Collection in an Uncooperative Environment
1031 <http://citeseer.ist.psu.edu/henderson02accurate.html>`__
1032