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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 .. _feature:
53
54 Goals and non-goals
55 -------------------
56
57 LLVM's intermediate representation provides :ref:`garbage collection intrinsics
58 <gc_intrinsics>` that offer support for a broad class of collector models.  For
59 instance, the intrinsics permit:
60
61 * semi-space collectors
62
63 * mark-sweep collectors
64
65 * generational collectors
66
67 * reference counting
68
69 * incremental collectors
70
71 * concurrent collectors
72
73 * cooperative collectors
74
75 We hope that the primitive support built into the LLVM IR is sufficient to
76 support a broad class of garbage collected languages including Scheme, ML, Java,
77 C#, Perl, Python, Lua, Ruby, other scripting languages, and more.
78
79 However, LLVM does not itself provide a garbage collector --- this should be
80 part of your language's runtime library.  LLVM provides a framework for compile
81 time :ref:`code generation plugins <plugin>`.  The role of these plugins is to
82 generate code and data structures which conforms to the *binary interface*
83 specified by the *runtime library*.  This is similar to the relationship between
84 LLVM and DWARF debugging info, for example.  The difference primarily lies in
85 the lack of an established standard in the domain of garbage collection --- thus
86 the plugins.
87
88 The aspects of the binary interface with which LLVM's GC support is
89 concerned are:
90
91 * Creation of GC-safe points within code where collection is allowed to execute
92   safely.
93
94 * Computation of the stack map.  For each safe point in the code, object
95   references within the stack frame must be identified so that the collector may
96   traverse and perhaps update them.
97
98 * Write barriers when storing object references to the heap.  These are commonly
99   used to optimize incremental scans in generational collectors.
100
101 * Emission of read barriers when loading object references.  These are useful
102   for interoperating with concurrent collectors.
103
104 There are additional areas that LLVM does not directly address:
105
106 * Registration of global roots with the runtime.
107
108 * Registration of stack map entries with the runtime.
109
110 * The functions used by the program to allocate memory, trigger a collection,
111   etc.
112
113 * Computation or compilation of type maps, or registration of them with the
114   runtime.  These are used to crawl the heap for object references.
115
116 In general, LLVM's support for GC does not include features which can be
117 adequately addressed with other features of the IR and does not specify a
118 particular binary interface.  On the plus side, this means that you should be
119 able to integrate LLVM with an existing runtime.  On the other hand, it leaves a
120 lot of work for the developer of a novel language.  However, it's easy to get
121 started quickly and scale up to a more sophisticated implementation as your
122 compiler matures.
123
124 .. _quickstart:
125
126 Getting started
127 ===============
128
129 Using a GC with LLVM implies many things, for example:
130
131 * Write a runtime library or find an existing one which implements a GC heap.
132
133   #. Implement a memory allocator.
134
135   #. Design a binary interface for the stack map, used to identify references
136      within a stack frame on the machine stack.\*
137
138   #. Implement a stack crawler to discover functions on the call stack.\*
139
140   #. Implement a registry for global roots.
141
142   #. Design a binary interface for type maps, used to identify references
143      within heap objects.
144
145   #. Implement a collection routine bringing together all of the above.
146
147 * Emit compatible code from your compiler.
148
149   * Initialization in the main function.
150
151   * Use the ``gc "..."`` attribute to enable GC code generation (or
152     ``F.setGC("...")``).
153
154   * Use ``@llvm.gcroot`` to mark stack roots.
155
156   * Use ``@llvm.gcread`` and/or ``@llvm.gcwrite`` to manipulate GC references,
157     if necessary.
158
159   * Allocate memory using the GC allocation routine provided by the runtime
160     library.
161
162   * Generate type maps according to your runtime's binary interface.
163
164 * Write a compiler plugin to interface LLVM with the runtime library.\*
165
166   * Lower ``@llvm.gcread`` and ``@llvm.gcwrite`` to appropriate code
167     sequences.\*
168
169   * Compile LLVM's stack map to the binary form expected by the runtime.
170
171 * Load the plugin into the compiler.  Use ``llc -load`` or link the plugin
172   statically with your language's compiler.\*
173
174 * Link program executables with the runtime.
175
176 To help with several of these tasks (those indicated with a \*), LLVM includes a
177 highly portable, built-in ShadowStack code generator.  It is compiled into
178 ``llc`` and works even with the interpreter and C backends.
179
180 .. _quickstart-compiler:
181
182 In your compiler
183 ----------------
184
185 To turn the shadow stack on for your functions, first call:
186
187 .. code-block:: c++
188
189   F.setGC("shadow-stack");
190
191 for each function your compiler emits. Since the shadow stack is built into
192 LLVM, you do not need to load a plugin.
193
194 Your compiler must also use ``@llvm.gcroot`` as documented.  Don't forget to
195 create a root for each intermediate value that is generated when evaluating an
196 expression.  In ``h(f(), g())``, the result of ``f()`` could easily be collected
197 if evaluating ``g()`` triggers a collection.
198
199 There's no need to use ``@llvm.gcread`` and ``@llvm.gcwrite`` over plain
200 ``load`` and ``store`` for now.  You will need them when switching to a more
201 advanced GC.
202
203 .. _quickstart-runtime:
204
205 In your runtime
206 ---------------
207
208 The shadow stack doesn't imply a memory allocation algorithm.  A semispace
209 collector or building atop ``malloc`` are great places to start, and can be
210 implemented with very little code.
211
212 When it comes time to collect, however, your runtime needs to traverse the stack
213 roots, and for this it needs to integrate with the shadow stack.  Luckily, doing
214 so is very simple. (This code is heavily commented to help you understand the
215 data structure, but there are only 20 lines of meaningful code.)
216
217 .. code-block:: c++
218
219   /// @brief The map for a single function's stack frame.  One of these is
220   ///        compiled as constant data into the executable for each function.
221   ///
222   /// Storage of metadata values is elided if the %metadata parameter to
223   /// @llvm.gcroot is null.
224   struct FrameMap {
225     int32_t NumRoots;    //< Number of roots in stack frame.
226     int32_t NumMeta;     //< Number of metadata entries.  May be < NumRoots.
227     const void *Meta[0]; //< Metadata for each root.
228   };
229
230   /// @brief A link in the dynamic shadow stack.  One of these is embedded in
231   ///        the stack frame of each function on the call stack.
232   struct StackEntry {
233     StackEntry *Next;    //< Link to next stack entry (the caller's).
234     const FrameMap *Map; //< Pointer to constant FrameMap.
235     void *Roots[0];      //< Stack roots (in-place array).
236   };
237
238   /// @brief The head of the singly-linked list of StackEntries.  Functions push
239   ///        and pop onto this in their prologue and epilogue.
240   ///
241   /// Since there is only a global list, this technique is not threadsafe.
242   StackEntry *llvm_gc_root_chain;
243
244   /// @brief Calls Visitor(root, meta) for each GC root on the stack.
245   ///        root and meta are exactly the values passed to
246   ///        @llvm.gcroot.
247   ///
248   /// Visitor could be a function to recursively mark live objects.  Or it
249   /// might copy them to another heap or generation.
250   ///
251   /// @param Visitor A function to invoke for every GC root on the stack.
252   void visitGCRoots(void (*Visitor)(void **Root, const void *Meta)) {
253     for (StackEntry *R = llvm_gc_root_chain; R; R = R->Next) {
254       unsigned i = 0;
255
256       // For roots [0, NumMeta), the metadata pointer is in the FrameMap.
257       for (unsigned e = R->Map->NumMeta; i != e; ++i)
258         Visitor(&R->Roots[i], R->Map->Meta[i]);
259
260       // For roots [NumMeta, NumRoots), the metadata pointer is null.
261       for (unsigned e = R->Map->NumRoots; i != e; ++i)
262         Visitor(&R->Roots[i], NULL);
263     }
264   }
265
266 .. _shadow-stack:
267
268 About the shadow stack
269 ----------------------
270
271 Unlike many GC algorithms which rely on a cooperative code generator to compile
272 stack maps, this algorithm carefully maintains a linked list of stack roots
273 [:ref:`Henderson2002 <henderson02>`].  This so-called "shadow stack" mirrors the
274 machine stack.  Maintaining this data structure is slower than using a stack map
275 compiled into the executable as constant data, but has a significant portability
276 advantage because it requires no special support from the target code generator,
277 and does not require tricky platform-specific code to crawl the machine stack.
278
279 The tradeoff for this simplicity and portability is:
280
281 * High overhead per function call.
282
283 * Not thread-safe.
284
285 Still, it's an easy way to get started.  After your compiler and runtime are up
286 and running, writing a plugin_ will allow you to take advantage of :ref:`more
287 advanced GC features <collector-algos>` of LLVM in order to improve performance.
288
289 .. _gc_intrinsics:
290
291 IR features
292 ===========
293
294 This section describes the garbage collection facilities provided by the
295 :doc:`LLVM intermediate representation <LangRef>`.  The exact behavior of these
296 IR features is specified by the binary interface implemented by a :ref:`code
297 generation plugin <plugin>`, not by this document.
298
299 These facilities are limited to those strictly necessary; they are not intended
300 to be a complete interface to any garbage collector.  A program will need to
301 interface with the GC library using the facilities provided by that program.
302
303 .. _gcattr:
304
305 Specifying GC code generation: ``gc "..."``
306 -------------------------------------------
307
308 .. code-block:: llvm
309
310   define ty @name(...) gc "name" { ...
311
312 The ``gc`` function attribute is used to specify the desired GC style to the
313 compiler.  Its programmatic equivalent is the ``setGC`` method of ``Function``.
314
315 Setting ``gc "name"`` on a function triggers a search for a matching code
316 generation plugin "*name*"; it is that plugin which defines the exact nature of
317 the code generated to support GC.  If none is found, the compiler will raise an
318 error.
319
320 Specifying the GC style on a per-function basis allows LLVM to link together
321 programs that use different garbage collection algorithms (or none at all).
322
323 .. _gcroot:
324
325 Identifying GC roots on the stack: ``llvm.gcroot``
326 --------------------------------------------------
327
328 .. code-block:: llvm
329
330   void @llvm.gcroot(i8** %ptrloc, i8* %metadata)
331
332 The ``llvm.gcroot`` intrinsic is used to inform LLVM that a stack variable
333 references an object on the heap and is to be tracked for garbage collection.
334 The exact impact on generated code is specified by a :ref:`compiler plugin
335 <plugin>`.  All calls to ``llvm.gcroot`` **must** reside inside the first basic
336 block.
337
338 A compiler which uses mem2reg to raise imperative code using ``alloca`` into SSA
339 form need only add a call to ``@llvm.gcroot`` for those variables which a
340 pointers into the GC heap.
341
342 It is also important to mark intermediate values with ``llvm.gcroot``.  For
343 example, consider ``h(f(), g())``.  Beware leaking the result of ``f()`` in the
344 case that ``g()`` triggers a collection.  Note, that stack variables must be
345 initialized and marked with ``llvm.gcroot`` in function's prologue.
346
347 The first argument **must** be a value referring to an alloca instruction or a
348 bitcast of an alloca.  The second contains a pointer to metadata that should be
349 associated with the pointer, and **must** be a constant or global value
350 address.  If your target collector uses tags, use a null pointer for metadata.
351
352 The ``%metadata`` argument can be used to avoid requiring heap objects to have
353 'isa' pointers or tag bits. [Appel89_, Goldberg91_, Tolmach94_] If specified,
354 its value will be tracked along with the location of the pointer in the stack
355 frame.
356
357 Consider the following fragment of Java code:
358
359 .. code-block:: java
360
361    {
362      Object X;   // A null-initialized reference to an object
363      ...
364    }
365
366 This block (which may be located in the middle of a function or in a loop nest),
367 could be compiled to this LLVM code:
368
369 .. code-block:: llvm
370
371   Entry:
372      ;; In the entry block for the function, allocate the
373      ;; stack space for X, which is an LLVM pointer.
374      %X = alloca %Object*
375
376      ;; Tell LLVM that the stack space is a stack root.
377      ;; Java has type-tags on objects, so we pass null as metadata.
378      %tmp = bitcast %Object** %X to i8**
379      call void @llvm.gcroot(i8** %tmp, i8* null)
380      ...
381
382      ;; "CodeBlock" is the block corresponding to the start
383      ;;  of the scope above.
384   CodeBlock:
385      ;; Java null-initializes pointers.
386      store %Object* null, %Object** %X
387
388      ...
389
390      ;; As the pointer goes out of scope, store a null value into
391      ;; it, to indicate that the value is no longer live.
392      store %Object* null, %Object** %X
393      ...
394
395 .. _barriers:
396
397 Reading and writing references in the heap
398 ------------------------------------------
399
400 Some collectors need to be informed when the mutator (the program that needs
401 garbage collection) either reads a pointer from or writes a pointer to a field
402 of a heap object.  The code fragments inserted at these points are called *read
403 barriers* and *write barriers*, respectively.  The amount of code that needs to
404 be executed is usually quite small and not on the critical path of any
405 computation, so the overall performance impact of the barrier is tolerable.
406
407 Barriers often require access to the *object pointer* rather than the *derived
408 pointer* (which is a pointer to the field within the object).  Accordingly,
409 these intrinsics take both pointers as separate arguments for completeness.  In
410 this snippet, ``%object`` is the object pointer, and ``%derived`` is the derived
411 pointer:
412
413 .. code-block:: llvm
414
415   ;; An array type.
416   %class.Array = type { %class.Object, i32, [0 x %class.Object*] }
417   ...
418
419   ;; Load the object pointer from a gcroot.
420   %object = load %class.Array** %object_addr
421
422   ;; Compute the derived pointer.
423   %derived = getelementptr %object, i32 0, i32 2, i32 %n
424
425 LLVM does not enforce this relationship between the object and derived pointer
426 (although a plugin_ might).  However, it would be an unusual collector that
427 violated it.
428
429 The use of these intrinsics is naturally optional if the target GC does require
430 the corresponding barrier.  Such a GC plugin will replace the intrinsic calls
431 with the corresponding ``load`` or ``store`` instruction if they are used.
432
433 .. _gcwrite:
434
435 Write barrier: ``llvm.gcwrite``
436 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
437
438 .. code-block:: llvm
439
440   void @llvm.gcwrite(i8* %value, i8* %object, i8** %derived)
441
442 For write barriers, LLVM provides the ``llvm.gcwrite`` intrinsic function.  It
443 has exactly the same semantics as a non-volatile ``store`` to the derived
444 pointer (the third argument).  The exact code generated is specified by a
445 compiler plugin_.
446
447 Many important algorithms require write barriers, including generational and
448 concurrent collectors.  Additionally, write barriers could be used to implement
449 reference counting.
450
451 .. _gcread:
452
453 Read barrier: ``llvm.gcread``
454 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
455
456 .. code-block:: llvm
457
458   i8* @llvm.gcread(i8* %object, i8** %derived)
459
460 For read barriers, LLVM provides the ``llvm.gcread`` intrinsic function.  It has
461 exactly the same semantics as a non-volatile ``load`` from the derived pointer
462 (the second argument).  The exact code generated is specified by a compiler
463 plugin_.
464
465 Read barriers are needed by fewer algorithms than write barriers, and may have a
466 greater performance impact since pointer reads are more frequent than writes.
467
468 .. _plugin:
469
470 Implementing a collector plugin
471 ===============================
472
473 User code specifies which GC code generation to use with the ``gc`` function
474 attribute or, equivalently, with the ``setGC`` method of ``Function``.
475
476 To implement a GC plugin, it is necessary to subclass ``llvm::GCStrategy``,
477 which can be accomplished in a few lines of boilerplate code.  LLVM's
478 infrastructure provides access to several important algorithms.  For an
479 uncontroversial collector, all that remains may be to compile LLVM's computed
480 stack map to assembly code (using the binary representation expected by the
481 runtime library).  This can be accomplished in about 100 lines of code.
482
483 This is not the appropriate place to implement a garbage collected heap or a
484 garbage collector itself.  That code should exist in the language's runtime
485 library.  The compiler plugin is responsible for generating code which conforms
486 to the binary interface defined by library, most essentially the :ref:`stack map
487 <stack-map>`.
488
489 To subclass ``llvm::GCStrategy`` and register it with the compiler:
490
491 .. code-block:: c++
492
493   // lib/MyGC/MyGC.cpp - Example LLVM GC plugin
494
495   #include "llvm/CodeGen/GCStrategy.h"
496   #include "llvm/CodeGen/GCMetadata.h"
497   #include "llvm/Support/Compiler.h"
498
499   using namespace llvm;
500
501   namespace {
502     class LLVM_LIBRARY_VISIBILITY MyGC : public GCStrategy {
503     public:
504       MyGC() {}
505     };
506
507     GCRegistry::Add<MyGC>
508     X("mygc", "My bespoke garbage collector.");
509   }
510
511 This boilerplate collector does nothing.  More specifically:
512
513 * ``llvm.gcread`` calls are replaced with the corresponding ``load``
514   instruction.
515
516 * ``llvm.gcwrite`` calls are replaced with the corresponding ``store``
517   instruction.
518
519 * No safe points are added to the code.
520
521 * The stack map is not compiled into the executable.
522
523 Using the LLVM makefiles (like the `sample project
524 <http://llvm.org/viewvc/llvm-project/llvm/trunk/projects/sample/>`__), this code
525 can be compiled as a plugin using a simple makefile:
526
527 .. code-block:: make
528
529   # lib/MyGC/Makefile
530
531   LEVEL := ../..
532   LIBRARYNAME = MyGC
533   LOADABLE_MODULE = 1
534
535   include $(LEVEL)/Makefile.common
536
537 Once the plugin is compiled, code using it may be compiled using ``llc
538 -load=MyGC.so`` (though MyGC.so may have some other platform-specific
539 extension):
540
541 ::
542
543   $ cat sample.ll
544   define void @f() gc "mygc" {
545   entry:
546           ret void
547   }
548   $ llvm-as < sample.ll | llc -load=MyGC.so
549
550 It is also possible to statically link the collector plugin into tools, such as
551 a language-specific compiler front-end.
552
553 .. _collector-algos:
554
555 Overview of available features
556 ------------------------------
557
558 ``GCStrategy`` provides a range of features through which a plugin may do useful
559 work.  Some of these are callbacks, some are algorithms that can be enabled,
560 disabled, or customized.  This matrix summarizes the supported (and planned)
561 features and correlates them with the collection techniques which typically
562 require them.
563
564 .. |v| unicode:: 0x2714
565    :trim:
566
567 .. |x| unicode:: 0x2718
568    :trim:
569
570 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
571 | Algorithm  | Done | Shadow | refcount | mark- | copying | incremental | threaded | concurrent |
572 |            |      | stack  |          | sweep |         |             |          |            |
573 +============+======+========+==========+=======+=========+=============+==========+============+
574 | stack map  | |v|  |        |          | |x|   | |x|     | |x|         | |x|      | |x|        |
575 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
576 | initialize | |v|  | |x|    | |x|      | |x|   | |x|     | |x|         | |x|      | |x|        |
577 | roots      |      |        |          |       |         |             |          |            |
578 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
579 | derived    | NO   |        |          |       |         |             | **N**\*  | **N**\*    |
580 | pointers   |      |        |          |       |         |             |          |            |
581 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
582 | **custom   | |v|  |        |          |       |         |             |          |            |
583 | lowering** |      |        |          |       |         |             |          |            |
584 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
585 | *gcroot*   | |v|  | |x|    | |x|      |       |         |             |          |            |
586 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
587 | *gcwrite*  | |v|  |        | |x|      |       |         | |x|         |          | |x|        |
588 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
589 | *gcread*   | |v|  |        |          |       |         |             |          | |x|        |
590 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
591 | **safe     |      |        |          |       |         |             |          |            |
592 | points**   |      |        |          |       |         |             |          |            |
593 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
594 | *in        | |v|  |        |          | |x|   | |x|     | |x|         | |x|      | |x|        |
595 | calls*     |      |        |          |       |         |             |          |            |
596 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
597 | *before    | |v|  |        |          |       |         |             | |x|      | |x|        |
598 | calls*     |      |        |          |       |         |             |          |            |
599 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
600 | *for       | NO   |        |          |       |         |             | **N**    | **N**      |
601 | loops*     |      |        |          |       |         |             |          |            |
602 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
603 | *before    | |v|  |        |          |       |         |             | |x|      | |x|        |
604 | escape*    |      |        |          |       |         |             |          |            |
605 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
606 | emit code  | NO   |        |          |       |         |             | **N**    | **N**      |
607 | at safe    |      |        |          |       |         |             |          |            |
608 | points     |      |        |          |       |         |             |          |            |
609 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
610 | **output** |      |        |          |       |         |             |          |            |
611 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
612 | *assembly* | |v|  |        |          | |x|   | |x|     | |x|         | |x|      | |x|        |
613 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
614 | *JIT*      | NO   |        |          | **?** | **?**   | **?**       | **?**    | **?**      |
615 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
616 | *obj*      | NO   |        |          | **?** | **?**   | **?**       | **?**    | **?**      |
617 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
618 | live       | NO   |        |          | **?** | **?**   | **?**       | **?**    | **?**      |
619 | analysis   |      |        |          |       |         |             |          |            |
620 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
621 | register   | NO   |        |          | **?** | **?**   | **?**       | **?**    | **?**      |
622 | map        |      |        |          |       |         |             |          |            |
623 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
624 | \* Derived pointers only pose a hasard to copying collections.                                |
625 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
626 | **?** denotes a feature which could be utilized if available.                                 |
627 +------------+------+--------+----------+-------+---------+-------------+----------+------------+
628
629 To be clear, the collection techniques above are defined as:
630
631 Shadow Stack
632   The mutator carefully maintains a linked list of stack roots.
633
634 Reference Counting
635   The mutator maintains a reference count for each object and frees an object
636   when its count falls to zero.
637
638 Mark-Sweep
639   When the heap is exhausted, the collector marks reachable objects starting
640   from the roots, then deallocates unreachable objects in a sweep phase.
641
642 Copying
643   As reachability analysis proceeds, the collector copies objects from one heap
644   area to another, compacting them in the process.  Copying collectors enable
645   highly efficient "bump pointer" allocation and can improve locality of
646   reference.
647
648 Incremental
649   (Including generational collectors.) Incremental collectors generally have all
650   the properties of a copying collector (regardless of whether the mature heap
651   is compacting), but bring the added complexity of requiring write barriers.
652
653 Threaded
654   Denotes a multithreaded mutator; the collector must still stop the mutator
655   ("stop the world") before beginning reachability analysis.  Stopping a
656   multithreaded mutator is a complicated problem.  It generally requires highly
657   platform specific code in the runtime, and the production of carefully
658   designed machine code at safe points.
659
660 Concurrent
661   In this technique, the mutator and the collector run concurrently, with the
662   goal of eliminating pause times.  In a *cooperative* collector, the mutator
663   further aids with collection should a pause occur, allowing collection to take
664   advantage of multiprocessor hosts.  The "stop the world" problem of threaded
665   collectors is generally still present to a limited extent.  Sophisticated
666   marking algorithms are necessary.  Read barriers may be necessary.
667
668 As the matrix indicates, LLVM's garbage collection infrastructure is already
669 suitable for a wide variety of collectors, but does not currently extend to
670 multithreaded programs.  This will be added in the future as there is
671 interest.
672
673 .. _stack-map:
674
675 Computing stack maps
676 --------------------
677
678 LLVM automatically computes a stack map.  One of the most important features
679 of a ``GCStrategy`` is to compile this information into the executable in
680 the binary representation expected by the runtime library.
681
682 The stack map consists of the location and identity of each GC root in the
683 each function in the module.  For each root:
684
685 * ``RootNum``: The index of the root.
686
687 * ``StackOffset``: The offset of the object relative to the frame pointer.
688
689 * ``RootMetadata``: The value passed as the ``%metadata`` parameter to the
690   ``@llvm.gcroot`` intrinsic.
691
692 Also, for the function as a whole:
693
694 * ``getFrameSize()``: The overall size of the function's initial stack frame,
695    not accounting for any dynamic allocation.
696
697 * ``roots_size()``: The count of roots in the function.
698
699 To access the stack map, use ``GCFunctionMetadata::roots_begin()`` and
700 -``end()`` from the :ref:`GCMetadataPrinter <assembly>`:
701
702 .. code-block:: c++
703
704   for (iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I) {
705     GCFunctionInfo *FI = *I;
706     unsigned FrameSize = FI->getFrameSize();
707     size_t RootCount = FI->roots_size();
708
709     for (GCFunctionInfo::roots_iterator RI = FI->roots_begin(),
710                                         RE = FI->roots_end();
711                                         RI != RE; ++RI) {
712       int RootNum = RI->Num;
713       int RootStackOffset = RI->StackOffset;
714       Constant *RootMetadata = RI->Metadata;
715     }
716   }
717
718 If the ``llvm.gcroot`` intrinsic is eliminated before code generation by a
719 custom lowering pass, LLVM will compute an empty stack map.  This may be useful
720 for collector plugins which implement reference counting or a shadow stack.
721
722 .. _init-roots:
723
724 Initializing roots to null: ``InitRoots``
725 -----------------------------------------
726
727 .. code-block:: c++
728
729   MyGC::MyGC() {
730     InitRoots = true;
731   }
732
733 When set, LLVM will automatically initialize each root to ``null`` upon entry to
734 the function.  This prevents the GC's sweep phase from visiting uninitialized
735 pointers, which will almost certainly cause it to crash.  This initialization
736 occurs before custom lowering, so the two may be used together.
737
738 Since LLVM does not yet compute liveness information, there is no means of
739 distinguishing an uninitialized stack root from an initialized one.  Therefore,
740 this feature should be used by all GC plugins.  It is enabled by default.
741
742 .. _custom:
743
744 Custom lowering of intrinsics: ``CustomRoots``, ``CustomReadBarriers``, and ``CustomWriteBarriers``
745 ---------------------------------------------------------------------------------------------------
746
747 For GCs which use barriers or unusual treatment of stack roots, these flags
748 allow the collector to perform arbitrary transformations of the LLVM IR:
749
750 .. code-block:: c++
751
752   class MyGC : public GCStrategy {
753   public:
754     MyGC() {
755       CustomRoots = true;
756       CustomReadBarriers = true;
757       CustomWriteBarriers = true;
758     }
759
760     virtual bool initializeCustomLowering(Module &M);
761     virtual bool performCustomLowering(Function &F);
762   };
763
764 If any of these flags are set, then LLVM suppresses its default lowering for the
765 corresponding intrinsics and instead calls ``performCustomLowering``.
766
767 LLVM's default action for each intrinsic is as follows:
768
769 * ``llvm.gcroot``: Leave it alone.  The code generator must see it or the stack
770   map will not be computed.
771
772 * ``llvm.gcread``: Substitute a ``load`` instruction.
773
774 * ``llvm.gcwrite``: Substitute a ``store`` instruction.
775
776 If ``CustomReadBarriers`` or ``CustomWriteBarriers`` are specified, then
777 ``performCustomLowering`` **must** eliminate the corresponding barriers.
778
779 ``performCustomLowering`` must comply with the same restrictions as
780 `FunctionPass::runOnFunction <WritingAnLLVMPass.html#runOnFunction>`__
781 Likewise, ``initializeCustomLowering`` has the same semantics as
782 `Pass::doInitialization(Module&)
783 <WritingAnLLVMPass.html#doInitialization_mod>`__
784
785 The following can be used as a template:
786
787 .. code-block:: c++
788
789   #include "llvm/Module.h"
790   #include "llvm/IntrinsicInst.h"
791
792   bool MyGC::initializeCustomLowering(Module &M) {
793     return false;
794   }
795
796   bool MyGC::performCustomLowering(Function &F) {
797     bool MadeChange = false;
798
799     for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
800       for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; )
801         if (IntrinsicInst *CI = dyn_cast<IntrinsicInst>(II++))
802           if (Function *F = CI->getCalledFunction())
803             switch (F->getIntrinsicID()) {
804             case Intrinsic::gcwrite:
805               // Handle llvm.gcwrite.
806               CI->eraseFromParent();
807               MadeChange = true;
808               break;
809             case Intrinsic::gcread:
810               // Handle llvm.gcread.
811               CI->eraseFromParent();
812               MadeChange = true;
813               break;
814             case Intrinsic::gcroot:
815               // Handle llvm.gcroot.
816               CI->eraseFromParent();
817               MadeChange = true;
818               break;
819             }
820
821     return MadeChange;
822   }
823
824 .. _safe-points:
825
826 Generating safe points: ``NeededSafePoints``
827 --------------------------------------------
828
829 LLVM can compute four kinds of safe points:
830
831 .. code-block:: c++
832
833   namespace GC {
834     /// PointKind - The type of a collector-safe point.
835     ///
836     enum PointKind {
837       Loop,    //< Instr is a loop (backwards branch).
838       Return,  //< Instr is a return instruction.
839       PreCall, //< Instr is a call instruction.
840       PostCall //< Instr is the return address of a call.
841     };
842   }
843
844 A collector can request any combination of the four by setting the
845 ``NeededSafePoints`` mask:
846
847 .. code-block:: c++
848
849   MyGC::MyGC()  {
850     NeededSafePoints = 1 << GC::Loop
851                      | 1 << GC::Return
852                      | 1 << GC::PreCall
853                      | 1 << GC::PostCall;
854   }
855
856 It can then use the following routines to access safe points.
857
858 .. code-block:: c++
859
860   for (iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I) {
861     GCFunctionInfo *MD = *I;
862     size_t PointCount = MD->size();
863
864     for (GCFunctionInfo::iterator PI = MD->begin(),
865                                   PE = MD->end(); PI != PE; ++PI) {
866       GC::PointKind PointKind = PI->Kind;
867       unsigned PointNum = PI->Num;
868     }
869   }
870
871 Almost every collector requires ``PostCall`` safe points, since these correspond
872 to the moments when the function is suspended during a call to a subroutine.
873
874 Threaded programs generally require ``Loop`` safe points to guarantee that the
875 application will reach a safe point within a bounded amount of time, even if it
876 is executing a long-running loop which contains no function calls.
877
878 Threaded collectors may also require ``Return`` and ``PreCall`` safe points to
879 implement "stop the world" techniques using self-modifying code, where it is
880 important that the program not exit the function without reaching a safe point
881 (because only the topmost function has been patched).
882
883 .. _assembly:
884
885 Emitting assembly code: ``GCMetadataPrinter``
886 ---------------------------------------------
887
888 LLVM allows a plugin to print arbitrary assembly code before and after the rest
889 of a module's assembly code.  At the end of the module, the GC can compile the
890 LLVM stack map into assembly code. (At the beginning, this information is not
891 yet computed.)
892
893 Since AsmWriter and CodeGen are separate components of LLVM, a separate abstract
894 base class and registry is provided for printing assembly code, the
895 ``GCMetadaPrinter`` and ``GCMetadataPrinterRegistry``.  The AsmWriter will look
896 for such a subclass if the ``GCStrategy`` sets ``UsesMetadata``:
897
898 .. code-block:: c++
899
900   MyGC::MyGC() {
901     UsesMetadata = true;
902   }
903
904 This separation allows JIT-only clients to be smaller.
905
906 Note that LLVM does not currently have analogous APIs to support code generation
907 in the JIT, nor using the object writers.
908
909 .. code-block:: c++
910
911   // lib/MyGC/MyGCPrinter.cpp - Example LLVM GC printer
912
913   #include "llvm/CodeGen/GCMetadataPrinter.h"
914   #include "llvm/Support/Compiler.h"
915
916   using namespace llvm;
917
918   namespace {
919     class LLVM_LIBRARY_VISIBILITY MyGCPrinter : public GCMetadataPrinter {
920     public:
921       virtual void beginAssembly(std::ostream &OS, AsmPrinter &AP,
922                                  const TargetAsmInfo &TAI);
923
924       virtual void finishAssembly(std::ostream &OS, AsmPrinter &AP,
925                                   const TargetAsmInfo &TAI);
926     };
927
928     GCMetadataPrinterRegistry::Add<MyGCPrinter>
929     X("mygc", "My bespoke garbage collector.");
930   }
931
932 The collector should use ``AsmPrinter`` and ``TargetAsmInfo`` to print portable
933 assembly code to the ``std::ostream``.  The collector itself contains the stack
934 map for the entire module, and may access the ``GCFunctionInfo`` using its own
935 ``begin()`` and ``end()`` methods.  Here's a realistic example:
936
937 .. code-block:: c++
938
939   #include "llvm/CodeGen/AsmPrinter.h"
940   #include "llvm/Function.h"
941   #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
942   #include "llvm/DataLayout.h"
943   #include "llvm/Target/TargetAsmInfo.h"
944
945   void MyGCPrinter::beginAssembly(std::ostream &OS, AsmPrinter &AP,
946                                   const TargetAsmInfo &TAI) {
947     // Nothing to do.
948   }
949
950   void MyGCPrinter::finishAssembly(std::ostream &OS, AsmPrinter &AP,
951                                    const TargetAsmInfo &TAI) {
952     // Set up for emitting addresses.
953     const char *AddressDirective;
954     int AddressAlignLog;
955     if (AP.TM.getDataLayout()->getPointerSize() == sizeof(int32_t)) {
956       AddressDirective = TAI.getData32bitsDirective();
957       AddressAlignLog = 2;
958     } else {
959       AddressDirective = TAI.getData64bitsDirective();
960       AddressAlignLog = 3;
961     }
962
963     // Put this in the data section.
964     AP.SwitchToDataSection(TAI.getDataSection());
965
966     // For each function...
967     for (iterator FI = begin(), FE = end(); FI != FE; ++FI) {
968       GCFunctionInfo &MD = **FI;
969
970       // Emit this data structure:
971       //
972       // struct {
973       //   int32_t PointCount;
974       //   struct {
975       //     void *SafePointAddress;
976       //     int32_t LiveCount;
977       //     int32_t LiveOffsets[LiveCount];
978       //   } Points[PointCount];
979       // } __gcmap_<FUNCTIONNAME>;
980
981       // Align to address width.
982       AP.EmitAlignment(AddressAlignLog);
983
984       // Emit the symbol by which the stack map entry can be found.
985       std::string Symbol;
986       Symbol += TAI.getGlobalPrefix();
987       Symbol += "__gcmap_";
988       Symbol += MD.getFunction().getName();
989       if (const char *GlobalDirective = TAI.getGlobalDirective())
990         OS << GlobalDirective << Symbol << "\n";
991       OS << TAI.getGlobalPrefix() << Symbol << ":\n";
992
993       // Emit PointCount.
994       AP.EmitInt32(MD.size());
995       AP.EOL("safe point count");
996
997       // And each safe point...
998       for (GCFunctionInfo::iterator PI = MD.begin(),
999                                        PE = MD.end(); PI != PE; ++PI) {
1000         // Align to address width.
1001         AP.EmitAlignment(AddressAlignLog);
1002
1003         // Emit the address of the safe point.
1004         OS << AddressDirective
1005            << TAI.getPrivateGlobalPrefix() << "label" << PI->Num;
1006         AP.EOL("safe point address");
1007
1008         // Emit the stack frame size.
1009         AP.EmitInt32(MD.getFrameSize());
1010         AP.EOL("stack frame size");
1011
1012         // Emit the number of live roots in the function.
1013         AP.EmitInt32(MD.live_size(PI));
1014         AP.EOL("live root count");
1015
1016         // And for each live root...
1017         for (GCFunctionInfo::live_iterator LI = MD.live_begin(PI),
1018                                            LE = MD.live_end(PI);
1019                                            LI != LE; ++LI) {
1020           // Print its offset within the stack frame.
1021           AP.EmitInt32(LI->StackOffset);
1022           AP.EOL("stack offset");
1023         }
1024       }
1025     }
1026   }
1027
1028 References
1029 ==========
1030
1031 .. _appel89:
1032
1033 [Appel89] Runtime Tags Aren't Necessary. Andrew W. Appel. Lisp and Symbolic
1034 Computation 19(7):703-705, July 1989.
1035
1036 .. _goldberg91:
1037
1038 [Goldberg91] Tag-free garbage collection for strongly typed programming
1039 languages. Benjamin Goldberg. ACM SIGPLAN PLDI'91.
1040
1041 .. _tolmach94:
1042
1043 [Tolmach94] Tag-free garbage collection using explicit type parameters. Andrew
1044 Tolmach. Proceedings of the 1994 ACM conference on LISP and functional
1045 programming.
1046
1047 .. _henderson02:
1048
1049 [Henderson2002] `Accurate Garbage Collection in an Uncooperative Environment
1050 <http://citeseer.ist.psu.edu/henderson02accurate.html>`__
1051