Update the release notes about the new loop vectorizer.
[oota-llvm.git] / docs / GetElementPtr.rst
1 .. _gep:
2
3 =======================================
4 The Often Misunderstood GEP Instruction
5 =======================================
6
7 .. contents::
8    :local:
9
10 Introduction
11 ============
12
13 This document seeks to dispel the mystery and confusion surrounding LLVM's
14 `GetElementPtr <LangRef.html#i_getelementptr>`_ (GEP) instruction.  Questions
15 about the wily GEP instruction are probably the most frequently occurring
16 questions once a developer gets down to coding with LLVM. Here we lay out the
17 sources of confusion and show that the GEP instruction is really quite simple.
18
19 Address Computation
20 ===================
21
22 When people are first confronted with the GEP instruction, they tend to relate
23 it to known concepts from other programming paradigms, most notably C array
24 indexing and field selection. GEP closely resembles C array indexing and field
25 selection, however it's is a little different and this leads to the following
26 questions.
27
28 What is the first index of the GEP instruction?
29 -----------------------------------------------
30
31 Quick answer: The index stepping through the first operand.
32
33 The confusion with the first index usually arises from thinking about the
34 GetElementPtr instruction as if it was a C index operator. They aren't the
35 same. For example, when we write, in "C":
36
37 .. code-block:: c++
38
39   AType *Foo;
40   ...
41   X = &Foo->F;
42
43 it is natural to think that there is only one index, the selection of the field
44 ``F``.  However, in this example, ``Foo`` is a pointer. That pointer
45 must be indexed explicitly in LLVM. C, on the other hand, indices through it
46 transparently.  To arrive at the same address location as the C code, you would
47 provide the GEP instruction with two index operands. The first operand indexes
48 through the pointer; the second operand indexes the field ``F`` of the
49 structure, just as if you wrote:
50
51 .. code-block:: c++
52
53   X = &Foo[0].F;
54
55 Sometimes this question gets rephrased as:
56
57 .. _GEP index through first pointer:
58
59   *Why is it okay to index through the first pointer, but subsequent pointers
60   won't be dereferenced?*
61
62 The answer is simply because memory does not have to be accessed to perform the
63 computation. The first operand to the GEP instruction must be a value of a
64 pointer type. The value of the pointer is provided directly to the GEP
65 instruction as an operand without any need for accessing memory. It must,
66 therefore be indexed and requires an index operand. Consider this example:
67
68 .. code-block:: c++
69
70   struct munger_struct {
71     int f1;
72     int f2;
73   };
74   void munge(struct munger_struct *P) {
75     P[0].f1 = P[1].f1 + P[2].f2;
76   }
77   ...
78   munger_struct Array[3];
79   ...
80   munge(Array);
81
82 In this "C" example, the front end compiler (llvm-gcc) will generate three GEP
83 instructions for the three indices through "P" in the assignment statement.  The
84 function argument ``P`` will be the first operand of each of these GEP
85 instructions.  The second operand indexes through that pointer.  The third
86 operand will be the field offset into the ``struct munger_struct`` type, for
87 either the ``f1`` or ``f2`` field. So, in LLVM assembly the ``munge`` function
88 looks like:
89
90 .. code-block:: llvm
91
92   void %munge(%struct.munger_struct* %P) {
93   entry:
94     %tmp = getelementptr %struct.munger_struct* %P, i32 1, i32 0
95     %tmp = load i32* %tmp
96     %tmp6 = getelementptr %struct.munger_struct* %P, i32 2, i32 1
97     %tmp7 = load i32* %tmp6
98     %tmp8 = add i32 %tmp7, %tmp
99     %tmp9 = getelementptr %struct.munger_struct* %P, i32 0, i32 0
100     store i32 %tmp8, i32* %tmp9
101     ret void
102   }
103
104 In each case the first operand is the pointer through which the GEP instruction
105 starts. The same is true whether the first operand is an argument, allocated
106 memory, or a global variable.
107
108 To make this clear, let's consider a more obtuse example:
109
110 .. code-block:: llvm
111
112   %MyVar = uninitialized global i32
113   ...
114   %idx1 = getelementptr i32* %MyVar, i64 0
115   %idx2 = getelementptr i32* %MyVar, i64 1
116   %idx3 = getelementptr i32* %MyVar, i64 2
117
118 These GEP instructions are simply making address computations from the base
119 address of ``MyVar``.  They compute, as follows (using C syntax):
120
121 .. code-block:: c++
122
123   idx1 = (char*) &MyVar + 0
124   idx2 = (char*) &MyVar + 4
125   idx3 = (char*) &MyVar + 8
126
127 Since the type ``i32`` is known to be four bytes long, the indices 0, 1 and 2
128 translate into memory offsets of 0, 4, and 8, respectively. No memory is
129 accessed to make these computations because the address of ``%MyVar`` is passed
130 directly to the GEP instructions.
131
132 The obtuse part of this example is in the cases of ``%idx2`` and ``%idx3``. They
133 result in the computation of addresses that point to memory past the end of the
134 ``%MyVar`` global, which is only one ``i32`` long, not three ``i32``\s long.
135 While this is legal in LLVM, it is inadvisable because any load or store with
136 the pointer that results from these GEP instructions would produce undefined
137 results.
138
139 Why is the extra 0 index required?
140 ----------------------------------
141
142 Quick answer: there are no superfluous indices.
143
144 This question arises most often when the GEP instruction is applied to a global
145 variable which is always a pointer type. For example, consider this:
146
147 .. code-block:: llvm
148
149   %MyStruct = uninitialized global { float*, i32 }
150   ...
151   %idx = getelementptr { float*, i32 }* %MyStruct, i64 0, i32 1
152
153 The GEP above yields an ``i32*`` by indexing the ``i32`` typed field of the
154 structure ``%MyStruct``. When people first look at it, they wonder why the ``i64
155 0`` index is needed. However, a closer inspection of how globals and GEPs work
156 reveals the need. Becoming aware of the following facts will dispel the
157 confusion:
158
159 #. The type of ``%MyStruct`` is *not* ``{ float*, i32 }`` but rather ``{ float*,
160    i32 }*``. That is, ``%MyStruct`` is a pointer to a structure containing a
161    pointer to a ``float`` and an ``i32``.
162
163 #. Point #1 is evidenced by noticing the type of the first operand of the GEP
164    instruction (``%MyStruct``) which is ``{ float*, i32 }*``.
165
166 #. The first index, ``i64 0`` is required to step over the global variable
167    ``%MyStruct``.  Since the first argument to the GEP instruction must always
168    be a value of pointer type, the first index steps through that pointer. A
169    value of 0 means 0 elements offset from that pointer.
170
171 #. The second index, ``i32 1`` selects the second field of the structure (the
172    ``i32``).
173
174 What is dereferenced by GEP?
175 ----------------------------
176
177 Quick answer: nothing.
178
179 The GetElementPtr instruction dereferences nothing. That is, it doesn't access
180 memory in any way. That's what the Load and Store instructions are for.  GEP is
181 only involved in the computation of addresses. For example, consider this:
182
183 .. code-block:: llvm
184
185   %MyVar = uninitialized global { [40 x i32 ]* }
186   ...
187   %idx = getelementptr { [40 x i32]* }* %MyVar, i64 0, i32 0, i64 0, i64 17
188
189 In this example, we have a global variable, ``%MyVar`` that is a pointer to a
190 structure containing a pointer to an array of 40 ints. The GEP instruction seems
191 to be accessing the 18th integer of the structure's array of ints. However, this
192 is actually an illegal GEP instruction. It won't compile. The reason is that the
193 pointer in the structure <i>must</i> be dereferenced in order to index into the
194 array of 40 ints. Since the GEP instruction never accesses memory, it is
195 illegal.
196
197 In order to access the 18th integer in the array, you would need to do the
198 following:
199
200 .. code-block:: llvm
201
202   %idx = getelementptr { [40 x i32]* }* %, i64 0, i32 0
203   %arr = load [40 x i32]** %idx
204   %idx = getelementptr [40 x i32]* %arr, i64 0, i64 17
205
206 In this case, we have to load the pointer in the structure with a load
207 instruction before we can index into the array. If the example was changed to:
208
209 .. code-block:: llvm
210
211   %MyVar = uninitialized global { [40 x i32 ] }
212   ...
213   %idx = getelementptr { [40 x i32] }*, i64 0, i32 0, i64 17
214
215 then everything works fine. In this case, the structure does not contain a
216 pointer and the GEP instruction can index through the global variable, into the
217 first field of the structure and access the 18th ``i32`` in the array there.
218
219 Why don't GEP x,0,0,1 and GEP x,1 alias?
220 ----------------------------------------
221
222 Quick Answer: They compute different address locations.
223
224 If you look at the first indices in these GEP instructions you find that they
225 are different (0 and 1), therefore the address computation diverges with that
226 index. Consider this example:
227
228 .. code-block:: llvm
229
230   %MyVar = global { [10 x i32 ] }
231   %idx1 = getelementptr { [10 x i32 ] }* %MyVar, i64 0, i32 0, i64 1
232   %idx2 = getelementptr { [10 x i32 ] }* %MyVar, i64 1
233
234 In this example, ``idx1`` computes the address of the second integer in the
235 array that is in the structure in ``%MyVar``, that is ``MyVar+4``. The type of
236 ``idx1`` is ``i32*``. However, ``idx2`` computes the address of *the next*
237 structure after ``%MyVar``. The type of ``idx2`` is ``{ [10 x i32] }*`` and its
238 value is equivalent to ``MyVar + 40`` because it indexes past the ten 4-byte
239 integers in ``MyVar``. Obviously, in such a situation, the pointers don't
240 alias.
241
242 Why do GEP x,1,0,0 and GEP x,1 alias?
243 -------------------------------------
244
245 Quick Answer: They compute the same address location.
246
247 These two GEP instructions will compute the same address because indexing
248 through the 0th element does not change the address. However, it does change the
249 type. Consider this example:
250
251 .. code-block:: llvm
252
253   %MyVar = global { [10 x i32 ] }
254   %idx1 = getelementptr { [10 x i32 ] }* %MyVar, i64 1, i32 0, i64 0
255   %idx2 = getelementptr { [10 x i32 ] }* %MyVar, i64 1
256
257 In this example, the value of ``%idx1`` is ``%MyVar+40`` and its type is
258 ``i32*``. The value of ``%idx2`` is also ``MyVar+40`` but its type is ``{ [10 x
259 i32] }*``.
260
261 Can GEP index into vector elements?
262 -----------------------------------
263
264 This hasn't always been forcefully disallowed, though it's not recommended.  It
265 leads to awkward special cases in the optimizers, and fundamental inconsistency
266 in the IR. In the future, it will probably be outright disallowed.
267
268 What effect do address spaces have on GEPs?
269 -------------------------------------------
270
271 None, except that the address space qualifier on the first operand pointer type
272 always matches the address space qualifier on the result type.
273
274 How is GEP different from ``ptrtoint``, arithmetic, and ``inttoptr``?
275 ---------------------------------------------------------------------
276
277 It's very similar; there are only subtle differences.
278
279 With ptrtoint, you have to pick an integer type. One approach is to pick i64;
280 this is safe on everything LLVM supports (LLVM internally assumes pointers are
281 never wider than 64 bits in many places), and the optimizer will actually narrow
282 the i64 arithmetic down to the actual pointer size on targets which don't
283 support 64-bit arithmetic in most cases. However, there are some cases where it
284 doesn't do this. With GEP you can avoid this problem.
285
286 Also, GEP carries additional pointer aliasing rules. It's invalid to take a GEP
287 from one object, address into a different separately allocated object, and
288 dereference it. IR producers (front-ends) must follow this rule, and consumers
289 (optimizers, specifically alias analysis) benefit from being able to rely on
290 it. See the `Rules`_ section for more information.
291
292 And, GEP is more concise in common cases.
293
294 However, for the underlying integer computation implied, there is no
295 difference.
296
297
298 I'm writing a backend for a target which needs custom lowering for GEP. How do I do this?
299 -----------------------------------------------------------------------------------------
300
301 You don't. The integer computation implied by a GEP is target-independent.
302 Typically what you'll need to do is make your backend pattern-match expressions
303 trees involving ADD, MUL, etc., which are what GEP is lowered into. This has the
304 advantage of letting your code work correctly in more cases.
305
306 GEP does use target-dependent parameters for the size and layout of data types,
307 which targets can customize.
308
309 If you require support for addressing units which are not 8 bits, you'll need to
310 fix a lot of code in the backend, with GEP lowering being only a small piece of
311 the overall picture.
312
313 How does VLA addressing work with GEPs?
314 ---------------------------------------
315
316 GEPs don't natively support VLAs. LLVM's type system is entirely static, and GEP
317 address computations are guided by an LLVM type.
318
319 VLA indices can be implemented as linearized indices. For example, an expression
320 like ``X[a][b][c]``, must be effectively lowered into a form like
321 ``X[a*m+b*n+c]``, so that it appears to the GEP as a single-dimensional array
322 reference.
323
324 This means if you want to write an analysis which understands array indices and
325 you want to support VLAs, your code will have to be prepared to reverse-engineer
326 the linearization. One way to solve this problem is to use the ScalarEvolution
327 library, which always presents VLA and non-VLA indexing in the same manner.
328
329 .. _Rules:
330
331 Rules
332 =====
333
334 What happens if an array index is out of bounds?
335 ------------------------------------------------
336
337 There are two senses in which an array index can be out of bounds.
338
339 First, there's the array type which comes from the (static) type of the first
340 operand to the GEP. Indices greater than the number of elements in the
341 corresponding static array type are valid. There is no problem with out of
342 bounds indices in this sense. Indexing into an array only depends on the size of
343 the array element, not the number of elements.
344
345 A common example of how this is used is arrays where the size is not known.
346 It's common to use array types with zero length to represent these. The fact
347 that the static type says there are zero elements is irrelevant; it's perfectly
348 valid to compute arbitrary element indices, as the computation only depends on
349 the size of the array element, not the number of elements. Note that zero-sized
350 arrays are not a special case here.
351
352 This sense is unconnected with ``inbounds`` keyword. The ``inbounds`` keyword is
353 designed to describe low-level pointer arithmetic overflow conditions, rather
354 than high-level array indexing rules.
355
356 Analysis passes which wish to understand array indexing should not assume that
357 the static array type bounds are respected.
358
359 The second sense of being out of bounds is computing an address that's beyond
360 the actual underlying allocated object.
361
362 With the ``inbounds`` keyword, the result value of the GEP is undefined if the
363 address is outside the actual underlying allocated object and not the address
364 one-past-the-end.
365
366 Without the ``inbounds`` keyword, there are no restrictions on computing
367 out-of-bounds addresses. Obviously, performing a load or a store requires an
368 address of allocated and sufficiently aligned memory. But the GEP itself is only
369 concerned with computing addresses.
370
371 Can array indices be negative?
372 ------------------------------
373
374 Yes. This is basically a special case of array indices being out of bounds.
375
376 Can I compare two values computed with GEPs?
377 --------------------------------------------
378
379 Yes. If both addresses are within the same allocated object, or
380 one-past-the-end, you'll get the comparison result you expect. If either is
381 outside of it, integer arithmetic wrapping may occur, so the comparison may not
382 be meaningful.
383
384 Can I do GEP with a different pointer type than the type of the underlying object?
385 ----------------------------------------------------------------------------------
386
387 Yes. There are no restrictions on bitcasting a pointer value to an arbitrary
388 pointer type. The types in a GEP serve only to define the parameters for the
389 underlying integer computation. They need not correspond with the actual type of
390 the underlying object.
391
392 Furthermore, loads and stores don't have to use the same types as the type of
393 the underlying object. Types in this context serve only to specify memory size
394 and alignment. Beyond that there are merely a hint to the optimizer indicating
395 how the value will likely be used.
396
397 Can I cast an object's address to integer and add it to null?
398 -------------------------------------------------------------
399
400 You can compute an address that way, but if you use GEP to do the add, you can't
401 use that pointer to actually access the object, unless the object is managed
402 outside of LLVM.
403
404 The underlying integer computation is sufficiently defined; null has a defined
405 value --- zero --- and you can add whatever value you want to it.
406
407 However, it's invalid to access (load from or store to) an LLVM-aware object
408 with such a pointer. This includes ``GlobalVariables``, ``Allocas``, and objects
409 pointed to by noalias pointers.
410
411 If you really need this functionality, you can do the arithmetic with explicit
412 integer instructions, and use inttoptr to convert the result to an address. Most
413 of GEP's special aliasing rules do not apply to pointers computed from ptrtoint,
414 arithmetic, and inttoptr sequences.
415
416 Can I compute the distance between two objects, and add that value to one address to compute the other address?
417 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
418
419 As with arithmetic on null, You can use GEP to compute an address that way, but
420 you can't use that pointer to actually access the object if you do, unless the
421 object is managed outside of LLVM.
422
423 Also as above, ptrtoint and inttoptr provide an alternative way to do this which
424 do not have this restriction.
425
426 Can I do type-based alias analysis on LLVM IR?
427 ----------------------------------------------
428
429 You can't do type-based alias analysis using LLVM's built-in type system,
430 because LLVM has no restrictions on mixing types in addressing, loads or stores.
431
432 LLVM's type-based alias analysis pass uses metadata to describe a different type
433 system (such as the C type system), and performs type-based aliasing on top of
434 that.  Further details are in the `language reference <LangRef.html#tbaa>`_.
435
436 What happens if a GEP computation overflows?
437 --------------------------------------------
438
439 If the GEP lacks the ``inbounds`` keyword, the value is the result from
440 evaluating the implied two's complement integer computation. However, since
441 there's no guarantee of where an object will be allocated in the address space,
442 such values have limited meaning.
443
444 If the GEP has the ``inbounds`` keyword, the result value is undefined (a "trap
445 value") if the GEP overflows (i.e. wraps around the end of the address space).
446
447 As such, there are some ramifications of this for inbounds GEPs: scales implied
448 by array/vector/pointer indices are always known to be "nsw" since they are
449 signed values that are scaled by the element size.  These values are also
450 allowed to be negative (e.g. "``gep i32 *%P, i32 -1``") but the pointer itself
451 is logically treated as an unsigned value.  This means that GEPs have an
452 asymmetric relation between the pointer base (which is treated as unsigned) and
453 the offset applied to it (which is treated as signed). The result of the
454 additions within the offset calculation cannot have signed overflow, but when
455 applied to the base pointer, there can be signed overflow.
456
457 How can I tell if my front-end is following the rules?
458 ------------------------------------------------------
459
460 There is currently no checker for the getelementptr rules. Currently, the only
461 way to do this is to manually check each place in your front-end where
462 GetElementPtr operators are created.
463
464 It's not possible to write a checker which could find all rule violations
465 statically. It would be possible to write a checker which works by instrumenting
466 the code with dynamic checks though. Alternatively, it would be possible to
467 write a static checker which catches a subset of possible problems. However, no
468 such checker exists today.
469
470 Rationale
471 =========
472
473 Why is GEP designed this way?
474 -----------------------------
475
476 The design of GEP has the following goals, in rough unofficial order of
477 priority:
478
479 * Support C, C-like languages, and languages which can be conceptually lowered
480   into C (this covers a lot).
481
482 * Support optimizations such as those that are common in C compilers. In
483   particular, GEP is a cornerstone of LLVM's `pointer aliasing
484   model <LangRef.html#pointeraliasing>`_.
485
486 * Provide a consistent method for computing addresses so that address
487   computations don't need to be a part of load and store instructions in the IR.
488
489 * Support non-C-like languages, to the extent that it doesn't interfere with
490   other goals.
491
492 * Minimize target-specific information in the IR.
493
494 Why do struct member indices always use ``i32``?
495 ------------------------------------------------
496
497 The specific type i32 is probably just a historical artifact, however it's wide
498 enough for all practical purposes, so there's been no need to change it.  It
499 doesn't necessarily imply i32 address arithmetic; it's just an identifier which
500 identifies a field in a struct. Requiring that all struct indices be the same
501 reduces the range of possibilities for cases where two GEPs are effectively the
502 same but have distinct operand types.
503
504 What's an uglygep?
505 ------------------
506
507 Some LLVM optimizers operate on GEPs by internally lowering them into more
508 primitive integer expressions, which allows them to be combined with other
509 integer expressions and/or split into multiple separate integer expressions. If
510 they've made non-trivial changes, translating back into LLVM IR can involve
511 reverse-engineering the structure of the addressing in order to fit it into the
512 static type of the original first operand. It isn't always possibly to fully
513 reconstruct this structure; sometimes the underlying addressing doesn't
514 correspond with the static type at all. In such cases the optimizer instead will
515 emit a GEP with the base pointer casted to a simple address-unit pointer, using
516 the name "uglygep". This isn't pretty, but it's just as valid, and it's
517 sufficient to preserve the pointer aliasing guarantees that GEP provides.
518
519 Summary
520 =======
521
522 In summary, here's some things to always remember about the GetElementPtr
523 instruction:
524
525
526 #. The GEP instruction never accesses memory, it only provides pointer
527    computations.
528
529 #. The first operand to the GEP instruction is always a pointer and it must be
530    indexed.
531
532 #. There are no superfluous indices for the GEP instruction.
533
534 #. Trailing zero indices are superfluous for pointer aliasing, but not for the
535    types of the pointers.
536
537 #. Leading zero indices are not superfluous for pointer aliasing nor the types
538    of the pointers.