adding readability-identifier-naming to llvm clang-tidy configuration.
[oota-llvm.git] / docs / ProgrammersManual.rst
1 ========================
2 LLVM Programmer's Manual
3 ========================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 .. warning::
9    This is always a work in progress.
10
11 .. _introduction:
12
13 Introduction
14 ============
15
16 This document is meant to highlight some of the important classes and interfaces
17 available in the LLVM source-base.  This manual is not intended to explain what
18 LLVM is, how it works, and what LLVM code looks like.  It assumes that you know
19 the basics of LLVM and are interested in writing transformations or otherwise
20 analyzing or manipulating the code.
21
22 This document should get you oriented so that you can find your way in the
23 continuously growing source code that makes up the LLVM infrastructure.  Note
24 that this manual is not intended to serve as a replacement for reading the
25 source code, so if you think there should be a method in one of these classes to
26 do something, but it's not listed, check the source.  Links to the `doxygen
27 <http://llvm.org/doxygen/>`__ sources are provided to make this as easy as
28 possible.
29
30 The first section of this document describes general information that is useful
31 to know when working in the LLVM infrastructure, and the second describes the
32 Core LLVM classes.  In the future this manual will be extended with information
33 describing how to use extension libraries, such as dominator information, CFG
34 traversal routines, and useful utilities like the ``InstVisitor`` (`doxygen
35 <http://llvm.org/doxygen/InstVisitor_8h-source.html>`__) template.
36
37 .. _general:
38
39 General Information
40 ===================
41
42 This section contains general information that is useful if you are working in
43 the LLVM source-base, but that isn't specific to any particular API.
44
45 .. _stl:
46
47 The C++ Standard Template Library
48 ---------------------------------
49
50 LLVM makes heavy use of the C++ Standard Template Library (STL), perhaps much
51 more than you are used to, or have seen before.  Because of this, you might want
52 to do a little background reading in the techniques used and capabilities of the
53 library.  There are many good pages that discuss the STL, and several books on
54 the subject that you can get, so it will not be discussed in this document.
55
56 Here are some useful links:
57
58 #. `cppreference.com
59    <http://en.cppreference.com/w/>`_ - an excellent
60    reference for the STL and other parts of the standard C++ library.
61
62 #. `C++ In a Nutshell <http://www.tempest-sw.com/cpp/>`_ - This is an O'Reilly
63    book in the making.  It has a decent Standard Library Reference that rivals
64    Dinkumware's, and is unfortunately no longer free since the book has been
65    published.
66
67 #. `C++ Frequently Asked Questions <http://www.parashift.com/c++-faq-lite/>`_.
68
69 #. `SGI's STL Programmer's Guide <http://www.sgi.com/tech/stl/>`_ - Contains a
70    useful `Introduction to the STL
71    <http://www.sgi.com/tech/stl/stl_introduction.html>`_.
72
73 #. `Bjarne Stroustrup's C++ Page
74    <http://www.research.att.com/%7Ebs/C++.html>`_.
75
76 #. `Bruce Eckel's Thinking in C++, 2nd ed. Volume 2 Revision 4.0
77    (even better, get the book)
78    <http://www.mindview.net/Books/TICPP/ThinkingInCPP2e.html>`_.
79
80 You are also encouraged to take a look at the :doc:`LLVM Coding Standards
81 <CodingStandards>` guide which focuses on how to write maintainable code more
82 than where to put your curly braces.
83
84 .. _resources:
85
86 Other useful references
87 -----------------------
88
89 #. `Using static and shared libraries across platforms
90    <http://www.fortran-2000.com/ArnaudRecipes/sharedlib.html>`_
91
92 .. _apis:
93
94 Important and useful LLVM APIs
95 ==============================
96
97 Here we highlight some LLVM APIs that are generally useful and good to know
98 about when writing transformations.
99
100 .. _isa:
101
102 The ``isa<>``, ``cast<>`` and ``dyn_cast<>`` templates
103 ------------------------------------------------------
104
105 The LLVM source-base makes extensive use of a custom form of RTTI.  These
106 templates have many similarities to the C++ ``dynamic_cast<>`` operator, but
107 they don't have some drawbacks (primarily stemming from the fact that
108 ``dynamic_cast<>`` only works on classes that have a v-table).  Because they are
109 used so often, you must know what they do and how they work.  All of these
110 templates are defined in the ``llvm/Support/Casting.h`` (`doxygen
111 <http://llvm.org/doxygen/Casting_8h-source.html>`__) file (note that you very
112 rarely have to include this file directly).
113
114 ``isa<>``:
115   The ``isa<>`` operator works exactly like the Java "``instanceof``" operator.
116   It returns true or false depending on whether a reference or pointer points to
117   an instance of the specified class.  This can be very useful for constraint
118   checking of various sorts (example below).
119
120 ``cast<>``:
121   The ``cast<>`` operator is a "checked cast" operation.  It converts a pointer
122   or reference from a base class to a derived class, causing an assertion
123   failure if it is not really an instance of the right type.  This should be
124   used in cases where you have some information that makes you believe that
125   something is of the right type.  An example of the ``isa<>`` and ``cast<>``
126   template is:
127
128   .. code-block:: c++
129
130     static bool isLoopInvariant(const Value *V, const Loop *L) {
131       if (isa<Constant>(V) || isa<Argument>(V) || isa<GlobalValue>(V))
132         return true;
133
134       // Otherwise, it must be an instruction...
135       return !L->contains(cast<Instruction>(V)->getParent());
136     }
137
138   Note that you should **not** use an ``isa<>`` test followed by a ``cast<>``,
139   for that use the ``dyn_cast<>`` operator.
140
141 ``dyn_cast<>``:
142   The ``dyn_cast<>`` operator is a "checking cast" operation.  It checks to see
143   if the operand is of the specified type, and if so, returns a pointer to it
144   (this operator does not work with references).  If the operand is not of the
145   correct type, a null pointer is returned.  Thus, this works very much like
146   the ``dynamic_cast<>`` operator in C++, and should be used in the same
147   circumstances.  Typically, the ``dyn_cast<>`` operator is used in an ``if``
148   statement or some other flow control statement like this:
149
150   .. code-block:: c++
151
152     if (AllocationInst *AI = dyn_cast<AllocationInst>(Val)) {
153       // ...
154     }
155
156   This form of the ``if`` statement effectively combines together a call to
157   ``isa<>`` and a call to ``cast<>`` into one statement, which is very
158   convenient.
159
160   Note that the ``dyn_cast<>`` operator, like C++'s ``dynamic_cast<>`` or Java's
161   ``instanceof`` operator, can be abused.  In particular, you should not use big
162   chained ``if/then/else`` blocks to check for lots of different variants of
163   classes.  If you find yourself wanting to do this, it is much cleaner and more
164   efficient to use the ``InstVisitor`` class to dispatch over the instruction
165   type directly.
166
167 ``cast_or_null<>``:
168   The ``cast_or_null<>`` operator works just like the ``cast<>`` operator,
169   except that it allows for a null pointer as an argument (which it then
170   propagates).  This can sometimes be useful, allowing you to combine several
171   null checks into one.
172
173 ``dyn_cast_or_null<>``:
174   The ``dyn_cast_or_null<>`` operator works just like the ``dyn_cast<>``
175   operator, except that it allows for a null pointer as an argument (which it
176   then propagates).  This can sometimes be useful, allowing you to combine
177   several null checks into one.
178
179 These five templates can be used with any classes, whether they have a v-table
180 or not.  If you want to add support for these templates, see the document
181 :doc:`How to set up LLVM-style RTTI for your class hierarchy
182 <HowToSetUpLLVMStyleRTTI>`
183
184 .. _string_apis:
185
186 Passing strings (the ``StringRef`` and ``Twine`` classes)
187 ---------------------------------------------------------
188
189 Although LLVM generally does not do much string manipulation, we do have several
190 important APIs which take strings.  Two important examples are the Value class
191 -- which has names for instructions, functions, etc. -- and the ``StringMap``
192 class which is used extensively in LLVM and Clang.
193
194 These are generic classes, and they need to be able to accept strings which may
195 have embedded null characters.  Therefore, they cannot simply take a ``const
196 char *``, and taking a ``const std::string&`` requires clients to perform a heap
197 allocation which is usually unnecessary.  Instead, many LLVM APIs use a
198 ``StringRef`` or a ``const Twine&`` for passing strings efficiently.
199
200 .. _StringRef:
201
202 The ``StringRef`` class
203 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
204
205 The ``StringRef`` data type represents a reference to a constant string (a
206 character array and a length) and supports the common operations available on
207 ``std::string``, but does not require heap allocation.
208
209 It can be implicitly constructed using a C style null-terminated string, an
210 ``std::string``, or explicitly with a character pointer and length.  For
211 example, the ``StringRef`` find function is declared as:
212
213 .. code-block:: c++
214
215   iterator find(StringRef Key);
216
217 and clients can call it using any one of:
218
219 .. code-block:: c++
220
221   Map.find("foo");                 // Lookup "foo"
222   Map.find(std::string("bar"));    // Lookup "bar"
223   Map.find(StringRef("\0baz", 4)); // Lookup "\0baz"
224
225 Similarly, APIs which need to return a string may return a ``StringRef``
226 instance, which can be used directly or converted to an ``std::string`` using
227 the ``str`` member function.  See ``llvm/ADT/StringRef.h`` (`doxygen
228 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1StringRef_8h-source.html>`__) for more
229 information.
230
231 You should rarely use the ``StringRef`` class directly, because it contains
232 pointers to external memory it is not generally safe to store an instance of the
233 class (unless you know that the external storage will not be freed).
234 ``StringRef`` is small and pervasive enough in LLVM that it should always be
235 passed by value.
236
237 The ``Twine`` class
238 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
239
240 The ``Twine`` (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Twine.html>`__)
241 class is an efficient way for APIs to accept concatenated strings.  For example,
242 a common LLVM paradigm is to name one instruction based on the name of another
243 instruction with a suffix, for example:
244
245 .. code-block:: c++
246
247     New = CmpInst::Create(..., SO->getName() + ".cmp");
248
249 The ``Twine`` class is effectively a lightweight `rope
250 <http://en.wikipedia.org/wiki/Rope_(computer_science)>`_ which points to
251 temporary (stack allocated) objects.  Twines can be implicitly constructed as
252 the result of the plus operator applied to strings (i.e., a C strings, an
253 ``std::string``, or a ``StringRef``).  The twine delays the actual concatenation
254 of strings until it is actually required, at which point it can be efficiently
255 rendered directly into a character array.  This avoids unnecessary heap
256 allocation involved in constructing the temporary results of string
257 concatenation.  See ``llvm/ADT/Twine.h`` (`doxygen
258 <http://llvm.org/doxygen/Twine_8h_source.html>`__) and :ref:`here <dss_twine>`
259 for more information.
260
261 As with a ``StringRef``, ``Twine`` objects point to external memory and should
262 almost never be stored or mentioned directly.  They are intended solely for use
263 when defining a function which should be able to efficiently accept concatenated
264 strings.
265
266 .. _function_apis:
267
268 Passing functions and other callable objects
269 --------------------------------------------
270
271 Sometimes you may want a function to be passed a callback object. In order to
272 support lambda expressions and other function objects, you should not use the
273 traditional C approach of taking a function pointer and an opaque cookie:
274
275 .. code-block:: c++
276
277     void takeCallback(bool (*Callback)(Function *, void *), void *Cookie);
278
279 Instead, use one of the following approaches:
280
281 Function template
282 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
283
284 If you don't mind putting the definition of your function into a header file,
285 make it a function template that is templated on the callable type.
286
287 .. code-block:: c++
288
289     template<typename Callable>
290     void takeCallback(Callable Callback) {
291       Callback(1, 2, 3);
292     }
293
294 The ``function_ref`` class template
295 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
296
297 The ``function_ref``
298 (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1function_ref.html>`__) class
299 template represents a reference to a callable object, templated over the type
300 of the callable. This is a good choice for passing a callback to a function,
301 if you don't need to hold onto the callback after the function returns. In this
302 way, ``function_ref`` is to ``std::function`` as ``StringRef`` is to
303 ``std::string``.
304
305 ``function_ref<Ret(Param1, Param2, ...)>`` can be implicitly constructed from
306 any callable object that can be called with arguments of type ``Param1``,
307 ``Param2``, ..., and returns a value that can be converted to type ``Ret``.
308 For example:
309
310 .. code-block:: c++
311
312     void visitBasicBlocks(Function *F, function_ref<bool (BasicBlock*)> Callback) {
313       for (BasicBlock &BB : *F)
314         if (Callback(&BB))
315           return;
316     }
317
318 can be called using:
319
320 .. code-block:: c++
321
322     visitBasicBlocks(F, [&](BasicBlock *BB) {
323       if (process(BB))
324         return isEmpty(BB);
325       return false;
326     });
327
328 Note that a ``function_ref`` object contains pointers to external memory, so it
329 is not generally safe to store an instance of the class (unless you know that
330 the external storage will not be freed). If you need this ability, consider
331 using ``std::function``. ``function_ref`` is small enough that it should always
332 be passed by value.
333
334 .. _DEBUG:
335
336 The ``DEBUG()`` macro and ``-debug`` option
337 -------------------------------------------
338
339 Often when working on your pass you will put a bunch of debugging printouts and
340 other code into your pass.  After you get it working, you want to remove it, but
341 you may need it again in the future (to work out new bugs that you run across).
342
343 Naturally, because of this, you don't want to delete the debug printouts, but
344 you don't want them to always be noisy.  A standard compromise is to comment
345 them out, allowing you to enable them if you need them in the future.
346
347 The ``llvm/Support/Debug.h`` (`doxygen
348 <http://llvm.org/doxygen/Debug_8h-source.html>`__) file provides a macro named
349 ``DEBUG()`` that is a much nicer solution to this problem.  Basically, you can
350 put arbitrary code into the argument of the ``DEBUG`` macro, and it is only
351 executed if '``opt``' (or any other tool) is run with the '``-debug``' command
352 line argument:
353
354 .. code-block:: c++
355
356   DEBUG(errs() << "I am here!\n");
357
358 Then you can run your pass like this:
359
360 .. code-block:: none
361
362   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass
363   <no output>
364   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug
365   I am here!
366
367 Using the ``DEBUG()`` macro instead of a home-brewed solution allows you to not
368 have to create "yet another" command line option for the debug output for your
369 pass.  Note that ``DEBUG()`` macros are disabled for non-asserts builds, so they
370 do not cause a performance impact at all (for the same reason, they should also
371 not contain side-effects!).
372
373 One additional nice thing about the ``DEBUG()`` macro is that you can enable or
374 disable it directly in gdb.  Just use "``set DebugFlag=0``" or "``set
375 DebugFlag=1``" from the gdb if the program is running.  If the program hasn't
376 been started yet, you can always just run it with ``-debug``.
377
378 .. _DEBUG_TYPE:
379
380 Fine grained debug info with ``DEBUG_TYPE`` and the ``-debug-only`` option
381 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
382
383 Sometimes you may find yourself in a situation where enabling ``-debug`` just
384 turns on **too much** information (such as when working on the code generator).
385 If you want to enable debug information with more fine-grained control, you
386 should define the ``DEBUG_TYPE`` macro and use the ``-debug-only`` option as
387 follows:
388
389 .. code-block:: c++
390
391   #define DEBUG_TYPE "foo"
392   DEBUG(errs() << "'foo' debug type\n");
393   #undef  DEBUG_TYPE
394   #define DEBUG_TYPE "bar"
395   DEBUG(errs() << "'bar' debug type\n"));
396   #undef  DEBUG_TYPE
397
398 Then you can run your pass like this:
399
400 .. code-block:: none
401
402   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass
403   <no output>
404   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug
405   'foo' debug type
406   'bar' debug type
407   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug-only=foo
408   'foo' debug type
409   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug-only=bar
410   'bar' debug type
411
412 Of course, in practice, you should only set ``DEBUG_TYPE`` at the top of a file,
413 to specify the debug type for the entire module. Be careful that you only do
414 this after including Debug.h and not around any #include of headers. Also, you
415 should use names more meaningful than "foo" and "bar", because there is no
416 system in place to ensure that names do not conflict. If two different modules
417 use the same string, they will all be turned on when the name is specified.
418 This allows, for example, all debug information for instruction scheduling to be
419 enabled with ``-debug-only=InstrSched``, even if the source lives in multiple
420 files.
421
422 For performance reasons, -debug-only is not available in optimized build
423 (``--enable-optimized``) of LLVM.
424
425 The ``DEBUG_WITH_TYPE`` macro is also available for situations where you would
426 like to set ``DEBUG_TYPE``, but only for one specific ``DEBUG`` statement.  It
427 takes an additional first parameter, which is the type to use.  For example, the
428 preceding example could be written as:
429
430 .. code-block:: c++
431
432   DEBUG_WITH_TYPE("foo", errs() << "'foo' debug type\n");
433   DEBUG_WITH_TYPE("bar", errs() << "'bar' debug type\n"));
434
435 .. _Statistic:
436
437 The ``Statistic`` class & ``-stats`` option
438 -------------------------------------------
439
440 The ``llvm/ADT/Statistic.h`` (`doxygen
441 <http://llvm.org/doxygen/Statistic_8h-source.html>`__) file provides a class
442 named ``Statistic`` that is used as a unified way to keep track of what the LLVM
443 compiler is doing and how effective various optimizations are.  It is useful to
444 see what optimizations are contributing to making a particular program run
445 faster.
446
447 Often you may run your pass on some big program, and you're interested to see
448 how many times it makes a certain transformation.  Although you can do this with
449 hand inspection, or some ad-hoc method, this is a real pain and not very useful
450 for big programs.  Using the ``Statistic`` class makes it very easy to keep
451 track of this information, and the calculated information is presented in a
452 uniform manner with the rest of the passes being executed.
453
454 There are many examples of ``Statistic`` uses, but the basics of using it are as
455 follows:
456
457 #. Define your statistic like this:
458
459   .. code-block:: c++
460
461     #define DEBUG_TYPE "mypassname"   // This goes before any #includes.
462     STATISTIC(NumXForms, "The # of times I did stuff");
463
464   The ``STATISTIC`` macro defines a static variable, whose name is specified by
465   the first argument.  The pass name is taken from the ``DEBUG_TYPE`` macro, and
466   the description is taken from the second argument.  The variable defined
467   ("NumXForms" in this case) acts like an unsigned integer.
468
469 #. Whenever you make a transformation, bump the counter:
470
471   .. code-block:: c++
472
473     ++NumXForms;   // I did stuff!
474
475 That's all you have to do.  To get '``opt``' to print out the statistics
476 gathered, use the '``-stats``' option:
477
478 .. code-block:: none
479
480   $ opt -stats -mypassname < program.bc > /dev/null
481   ... statistics output ...
482
483 Note that in order to use the '``-stats``' option, LLVM must be
484 compiled with assertions enabled.
485
486 When running ``opt`` on a C file from the SPEC benchmark suite, it gives a
487 report that looks like this:
488
489 .. code-block:: none
490
491    7646 bitcodewriter   - Number of normal instructions
492     725 bitcodewriter   - Number of oversized instructions
493  129996 bitcodewriter   - Number of bitcode bytes written
494    2817 raise           - Number of insts DCEd or constprop'd
495    3213 raise           - Number of cast-of-self removed
496    5046 raise           - Number of expression trees converted
497      75 raise           - Number of other getelementptr's formed
498     138 raise           - Number of load/store peepholes
499      42 deadtypeelim    - Number of unused typenames removed from symtab
500     392 funcresolve     - Number of varargs functions resolved
501      27 globaldce       - Number of global variables removed
502       2 adce            - Number of basic blocks removed
503     134 cee             - Number of branches revectored
504      49 cee             - Number of setcc instruction eliminated
505     532 gcse            - Number of loads removed
506    2919 gcse            - Number of instructions removed
507      86 indvars         - Number of canonical indvars added
508      87 indvars         - Number of aux indvars removed
509      25 instcombine     - Number of dead inst eliminate
510     434 instcombine     - Number of insts combined
511     248 licm            - Number of load insts hoisted
512    1298 licm            - Number of insts hoisted to a loop pre-header
513       3 licm            - Number of insts hoisted to multiple loop preds (bad, no loop pre-header)
514      75 mem2reg         - Number of alloca's promoted
515    1444 cfgsimplify     - Number of blocks simplified
516
517 Obviously, with so many optimizations, having a unified framework for this stuff
518 is very nice.  Making your pass fit well into the framework makes it more
519 maintainable and useful.
520
521 .. _ViewGraph:
522
523 Viewing graphs while debugging code
524 -----------------------------------
525
526 Several of the important data structures in LLVM are graphs: for example CFGs
527 made out of LLVM :ref:`BasicBlocks <BasicBlock>`, CFGs made out of LLVM
528 :ref:`MachineBasicBlocks <MachineBasicBlock>`, and :ref:`Instruction Selection
529 DAGs <SelectionDAG>`.  In many cases, while debugging various parts of the
530 compiler, it is nice to instantly visualize these graphs.
531
532 LLVM provides several callbacks that are available in a debug build to do
533 exactly that.  If you call the ``Function::viewCFG()`` method, for example, the
534 current LLVM tool will pop up a window containing the CFG for the function where
535 each basic block is a node in the graph, and each node contains the instructions
536 in the block.  Similarly, there also exists ``Function::viewCFGOnly()`` (does
537 not include the instructions), the ``MachineFunction::viewCFG()`` and
538 ``MachineFunction::viewCFGOnly()``, and the ``SelectionDAG::viewGraph()``
539 methods.  Within GDB, for example, you can usually use something like ``call
540 DAG.viewGraph()`` to pop up a window.  Alternatively, you can sprinkle calls to
541 these functions in your code in places you want to debug.
542
543 Getting this to work requires a small amount of setup.  On Unix systems
544 with X11, install the `graphviz <http://www.graphviz.org>`_ toolkit, and make
545 sure 'dot' and 'gv' are in your path.  If you are running on Mac OS X, download
546 and install the Mac OS X `Graphviz program
547 <http://www.pixelglow.com/graphviz/>`_ and add
548 ``/Applications/Graphviz.app/Contents/MacOS/`` (or wherever you install it) to
549 your path. The programs need not be present when configuring, building or
550 running LLVM and can simply be installed when needed during an active debug
551 session.
552
553 ``SelectionDAG`` has been extended to make it easier to locate *interesting*
554 nodes in large complex graphs.  From gdb, if you ``call DAG.setGraphColor(node,
555 "color")``, then the next ``call DAG.viewGraph()`` would highlight the node in
556 the specified color (choices of colors can be found at `colors
557 <http://www.graphviz.org/doc/info/colors.html>`_.) More complex node attributes
558 can be provided with ``call DAG.setGraphAttrs(node, "attributes")`` (choices can
559 be found at `Graph attributes <http://www.graphviz.org/doc/info/attrs.html>`_.)
560 If you want to restart and clear all the current graph attributes, then you can
561 ``call DAG.clearGraphAttrs()``.
562
563 Note that graph visualization features are compiled out of Release builds to
564 reduce file size.  This means that you need a Debug+Asserts or Release+Asserts
565 build to use these features.
566
567 .. _datastructure:
568
569 Picking the Right Data Structure for a Task
570 ===========================================
571
572 LLVM has a plethora of data structures in the ``llvm/ADT/`` directory, and we
573 commonly use STL data structures.  This section describes the trade-offs you
574 should consider when you pick one.
575
576 The first step is a choose your own adventure: do you want a sequential
577 container, a set-like container, or a map-like container?  The most important
578 thing when choosing a container is the algorithmic properties of how you plan to
579 access the container.  Based on that, you should use:
580
581
582 * a :ref:`map-like <ds_map>` container if you need efficient look-up of a
583   value based on another value.  Map-like containers also support efficient
584   queries for containment (whether a key is in the map).  Map-like containers
585   generally do not support efficient reverse mapping (values to keys).  If you
586   need that, use two maps.  Some map-like containers also support efficient
587   iteration through the keys in sorted order.  Map-like containers are the most
588   expensive sort, only use them if you need one of these capabilities.
589
590 * a :ref:`set-like <ds_set>` container if you need to put a bunch of stuff into
591   a container that automatically eliminates duplicates.  Some set-like
592   containers support efficient iteration through the elements in sorted order.
593   Set-like containers are more expensive than sequential containers.
594
595 * a :ref:`sequential <ds_sequential>` container provides the most efficient way
596   to add elements and keeps track of the order they are added to the collection.
597   They permit duplicates and support efficient iteration, but do not support
598   efficient look-up based on a key.
599
600 * a :ref:`string <ds_string>` container is a specialized sequential container or
601   reference structure that is used for character or byte arrays.
602
603 * a :ref:`bit <ds_bit>` container provides an efficient way to store and
604   perform set operations on sets of numeric id's, while automatically
605   eliminating duplicates.  Bit containers require a maximum of 1 bit for each
606   identifier you want to store.
607
608 Once the proper category of container is determined, you can fine tune the
609 memory use, constant factors, and cache behaviors of access by intelligently
610 picking a member of the category.  Note that constant factors and cache behavior
611 can be a big deal.  If you have a vector that usually only contains a few
612 elements (but could contain many), for example, it's much better to use
613 :ref:`SmallVector <dss_smallvector>` than :ref:`vector <dss_vector>`.  Doing so
614 avoids (relatively) expensive malloc/free calls, which dwarf the cost of adding
615 the elements to the container.
616
617 .. _ds_sequential:
618
619 Sequential Containers (std::vector, std::list, etc)
620 ---------------------------------------------------
621
622 There are a variety of sequential containers available for you, based on your
623 needs.  Pick the first in this section that will do what you want.
624
625 .. _dss_arrayref:
626
627 llvm/ADT/ArrayRef.h
628 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
629
630 The ``llvm::ArrayRef`` class is the preferred class to use in an interface that
631 accepts a sequential list of elements in memory and just reads from them.  By
632 taking an ``ArrayRef``, the API can be passed a fixed size array, an
633 ``std::vector``, an ``llvm::SmallVector`` and anything else that is contiguous
634 in memory.
635
636 .. _dss_fixedarrays:
637
638 Fixed Size Arrays
639 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
640
641 Fixed size arrays are very simple and very fast.  They are good if you know
642 exactly how many elements you have, or you have a (low) upper bound on how many
643 you have.
644
645 .. _dss_heaparrays:
646
647 Heap Allocated Arrays
648 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
649
650 Heap allocated arrays (``new[]`` + ``delete[]``) are also simple.  They are good
651 if the number of elements is variable, if you know how many elements you will
652 need before the array is allocated, and if the array is usually large (if not,
653 consider a :ref:`SmallVector <dss_smallvector>`).  The cost of a heap allocated
654 array is the cost of the new/delete (aka malloc/free).  Also note that if you
655 are allocating an array of a type with a constructor, the constructor and
656 destructors will be run for every element in the array (re-sizable vectors only
657 construct those elements actually used).
658
659 .. _dss_tinyptrvector:
660
661 llvm/ADT/TinyPtrVector.h
662 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
663
664 ``TinyPtrVector<Type>`` is a highly specialized collection class that is
665 optimized to avoid allocation in the case when a vector has zero or one
666 elements.  It has two major restrictions: 1) it can only hold values of pointer
667 type, and 2) it cannot hold a null pointer.
668
669 Since this container is highly specialized, it is rarely used.
670
671 .. _dss_smallvector:
672
673 llvm/ADT/SmallVector.h
674 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
675
676 ``SmallVector<Type, N>`` is a simple class that looks and smells just like
677 ``vector<Type>``: it supports efficient iteration, lays out elements in memory
678 order (so you can do pointer arithmetic between elements), supports efficient
679 push_back/pop_back operations, supports efficient random access to its elements,
680 etc.
681
682 The advantage of SmallVector is that it allocates space for some number of
683 elements (N) **in the object itself**.  Because of this, if the SmallVector is
684 dynamically smaller than N, no malloc is performed.  This can be a big win in
685 cases where the malloc/free call is far more expensive than the code that
686 fiddles around with the elements.
687
688 This is good for vectors that are "usually small" (e.g. the number of
689 predecessors/successors of a block is usually less than 8).  On the other hand,
690 this makes the size of the SmallVector itself large, so you don't want to
691 allocate lots of them (doing so will waste a lot of space).  As such,
692 SmallVectors are most useful when on the stack.
693
694 SmallVector also provides a nice portable and efficient replacement for
695 ``alloca``.
696
697 .. note::
698
699    Prefer to use ``SmallVectorImpl<T>`` as a parameter type.
700
701    In APIs that don't care about the "small size" (most?), prefer to use
702    the ``SmallVectorImpl<T>`` class, which is basically just the "vector
703    header" (and methods) without the elements allocated after it. Note that
704    ``SmallVector<T, N>`` inherits from ``SmallVectorImpl<T>`` so the
705    conversion is implicit and costs nothing. E.g.
706
707    .. code-block:: c++
708
709       // BAD: Clients cannot pass e.g. SmallVector<Foo, 4>.
710       hardcodedSmallSize(SmallVector<Foo, 2> &Out);
711       // GOOD: Clients can pass any SmallVector<Foo, N>.
712       allowsAnySmallSize(SmallVectorImpl<Foo> &Out);
713
714       void someFunc() {
715         SmallVector<Foo, 8> Vec;
716         hardcodedSmallSize(Vec); // Error.
717         allowsAnySmallSize(Vec); // Works.
718       }
719
720    Even though it has "``Impl``" in the name, this is so widely used that
721    it really isn't "private to the implementation" anymore. A name like
722    ``SmallVectorHeader`` would be more appropriate.
723
724 .. _dss_vector:
725
726 <vector>
727 ^^^^^^^^
728
729 ``std::vector`` is well loved and respected.  It is useful when SmallVector
730 isn't: when the size of the vector is often large (thus the small optimization
731 will rarely be a benefit) or if you will be allocating many instances of the
732 vector itself (which would waste space for elements that aren't in the
733 container).  vector is also useful when interfacing with code that expects
734 vectors :).
735
736 One worthwhile note about std::vector: avoid code like this:
737
738 .. code-block:: c++
739
740   for ( ... ) {
741      std::vector<foo> V;
742      // make use of V.
743   }
744
745 Instead, write this as:
746
747 .. code-block:: c++
748
749   std::vector<foo> V;
750   for ( ... ) {
751      // make use of V.
752      V.clear();
753   }
754
755 Doing so will save (at least) one heap allocation and free per iteration of the
756 loop.
757
758 .. _dss_deque:
759
760 <deque>
761 ^^^^^^^
762
763 ``std::deque`` is, in some senses, a generalized version of ``std::vector``.
764 Like ``std::vector``, it provides constant time random access and other similar
765 properties, but it also provides efficient access to the front of the list.  It
766 does not guarantee continuity of elements within memory.
767
768 In exchange for this extra flexibility, ``std::deque`` has significantly higher
769 constant factor costs than ``std::vector``.  If possible, use ``std::vector`` or
770 something cheaper.
771
772 .. _dss_list:
773
774 <list>
775 ^^^^^^
776
777 ``std::list`` is an extremely inefficient class that is rarely useful.  It
778 performs a heap allocation for every element inserted into it, thus having an
779 extremely high constant factor, particularly for small data types.
780 ``std::list`` also only supports bidirectional iteration, not random access
781 iteration.
782
783 In exchange for this high cost, std::list supports efficient access to both ends
784 of the list (like ``std::deque``, but unlike ``std::vector`` or
785 ``SmallVector``).  In addition, the iterator invalidation characteristics of
786 std::list are stronger than that of a vector class: inserting or removing an
787 element into the list does not invalidate iterator or pointers to other elements
788 in the list.
789
790 .. _dss_ilist:
791
792 llvm/ADT/ilist.h
793 ^^^^^^^^^^^^^^^^
794
795 ``ilist<T>`` implements an 'intrusive' doubly-linked list.  It is intrusive,
796 because it requires the element to store and provide access to the prev/next
797 pointers for the list.
798
799 ``ilist`` has the same drawbacks as ``std::list``, and additionally requires an
800 ``ilist_traits`` implementation for the element type, but it provides some novel
801 characteristics.  In particular, it can efficiently store polymorphic objects,
802 the traits class is informed when an element is inserted or removed from the
803 list, and ``ilist``\ s are guaranteed to support a constant-time splice
804 operation.
805
806 These properties are exactly what we want for things like ``Instruction``\ s and
807 basic blocks, which is why these are implemented with ``ilist``\ s.
808
809 Related classes of interest are explained in the following subsections:
810
811 * :ref:`ilist_traits <dss_ilist_traits>`
812
813 * :ref:`iplist <dss_iplist>`
814
815 * :ref:`llvm/ADT/ilist_node.h <dss_ilist_node>`
816
817 * :ref:`Sentinels <dss_ilist_sentinel>`
818
819 .. _dss_packedvector:
820
821 llvm/ADT/PackedVector.h
822 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
823
824 Useful for storing a vector of values using only a few number of bits for each
825 value.  Apart from the standard operations of a vector-like container, it can
826 also perform an 'or' set operation.
827
828 For example:
829
830 .. code-block:: c++
831
832   enum State {
833       None = 0x0,
834       FirstCondition = 0x1,
835       SecondCondition = 0x2,
836       Both = 0x3
837   };
838
839   State get() {
840       PackedVector<State, 2> Vec1;
841       Vec1.push_back(FirstCondition);
842
843       PackedVector<State, 2> Vec2;
844       Vec2.push_back(SecondCondition);
845
846       Vec1 |= Vec2;
847       return Vec1[0]; // returns 'Both'.
848   }
849
850 .. _dss_ilist_traits:
851
852 ilist_traits
853 ^^^^^^^^^^^^
854
855 ``ilist_traits<T>`` is ``ilist<T>``'s customization mechanism. ``iplist<T>``
856 (and consequently ``ilist<T>``) publicly derive from this traits class.
857
858 .. _dss_iplist:
859
860 iplist
861 ^^^^^^
862
863 ``iplist<T>`` is ``ilist<T>``'s base and as such supports a slightly narrower
864 interface.  Notably, inserters from ``T&`` are absent.
865
866 ``ilist_traits<T>`` is a public base of this class and can be used for a wide
867 variety of customizations.
868
869 .. _dss_ilist_node:
870
871 llvm/ADT/ilist_node.h
872 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
873
874 ``ilist_node<T>`` implements the forward and backward links that are expected
875 by the ``ilist<T>`` (and analogous containers) in the default manner.
876
877 ``ilist_node<T>``\ s are meant to be embedded in the node type ``T``, usually
878 ``T`` publicly derives from ``ilist_node<T>``.
879
880 .. _dss_ilist_sentinel:
881
882 Sentinels
883 ^^^^^^^^^
884
885 ``ilist``\ s have another specialty that must be considered.  To be a good
886 citizen in the C++ ecosystem, it needs to support the standard container
887 operations, such as ``begin`` and ``end`` iterators, etc.  Also, the
888 ``operator--`` must work correctly on the ``end`` iterator in the case of
889 non-empty ``ilist``\ s.
890
891 The only sensible solution to this problem is to allocate a so-called *sentinel*
892 along with the intrusive list, which serves as the ``end`` iterator, providing
893 the back-link to the last element.  However conforming to the C++ convention it
894 is illegal to ``operator++`` beyond the sentinel and it also must not be
895 dereferenced.
896
897 These constraints allow for some implementation freedom to the ``ilist`` how to
898 allocate and store the sentinel.  The corresponding policy is dictated by
899 ``ilist_traits<T>``.  By default a ``T`` gets heap-allocated whenever the need
900 for a sentinel arises.
901
902 While the default policy is sufficient in most cases, it may break down when
903 ``T`` does not provide a default constructor.  Also, in the case of many
904 instances of ``ilist``\ s, the memory overhead of the associated sentinels is
905 wasted.  To alleviate the situation with numerous and voluminous
906 ``T``-sentinels, sometimes a trick is employed, leading to *ghostly sentinels*.
907
908 Ghostly sentinels are obtained by specially-crafted ``ilist_traits<T>`` which
909 superpose the sentinel with the ``ilist`` instance in memory.  Pointer
910 arithmetic is used to obtain the sentinel, which is relative to the ``ilist``'s
911 ``this`` pointer.  The ``ilist`` is augmented by an extra pointer, which serves
912 as the back-link of the sentinel.  This is the only field in the ghostly
913 sentinel which can be legally accessed.
914
915 .. _dss_other:
916
917 Other Sequential Container options
918 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
919
920 Other STL containers are available, such as ``std::string``.
921
922 There are also various STL adapter classes such as ``std::queue``,
923 ``std::priority_queue``, ``std::stack``, etc.  These provide simplified access
924 to an underlying container but don't affect the cost of the container itself.
925
926 .. _ds_string:
927
928 String-like containers
929 ----------------------
930
931 There are a variety of ways to pass around and use strings in C and C++, and
932 LLVM adds a few new options to choose from.  Pick the first option on this list
933 that will do what you need, they are ordered according to their relative cost.
934
935 Note that it is generally preferred to *not* pass strings around as ``const
936 char*``'s.  These have a number of problems, including the fact that they
937 cannot represent embedded nul ("\0") characters, and do not have a length
938 available efficiently.  The general replacement for '``const char*``' is
939 StringRef.
940
941 For more information on choosing string containers for APIs, please see
942 :ref:`Passing Strings <string_apis>`.
943
944 .. _dss_stringref:
945
946 llvm/ADT/StringRef.h
947 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
948
949 The StringRef class is a simple value class that contains a pointer to a
950 character and a length, and is quite related to the :ref:`ArrayRef
951 <dss_arrayref>` class (but specialized for arrays of characters).  Because
952 StringRef carries a length with it, it safely handles strings with embedded nul
953 characters in it, getting the length does not require a strlen call, and it even
954 has very convenient APIs for slicing and dicing the character range that it
955 represents.
956
957 StringRef is ideal for passing simple strings around that are known to be live,
958 either because they are C string literals, std::string, a C array, or a
959 SmallVector.  Each of these cases has an efficient implicit conversion to
960 StringRef, which doesn't result in a dynamic strlen being executed.
961
962 StringRef has a few major limitations which make more powerful string containers
963 useful:
964
965 #. You cannot directly convert a StringRef to a 'const char*' because there is
966    no way to add a trailing nul (unlike the .c_str() method on various stronger
967    classes).
968
969 #. StringRef doesn't own or keep alive the underlying string bytes.
970    As such it can easily lead to dangling pointers, and is not suitable for
971    embedding in datastructures in most cases (instead, use an std::string or
972    something like that).
973
974 #. For the same reason, StringRef cannot be used as the return value of a
975    method if the method "computes" the result string.  Instead, use std::string.
976
977 #. StringRef's do not allow you to mutate the pointed-to string bytes and it
978    doesn't allow you to insert or remove bytes from the range.  For editing
979    operations like this, it interoperates with the :ref:`Twine <dss_twine>`
980    class.
981
982 Because of its strengths and limitations, it is very common for a function to
983 take a StringRef and for a method on an object to return a StringRef that points
984 into some string that it owns.
985
986 .. _dss_twine:
987
988 llvm/ADT/Twine.h
989 ^^^^^^^^^^^^^^^^
990
991 The Twine class is used as an intermediary datatype for APIs that want to take a
992 string that can be constructed inline with a series of concatenations.  Twine
993 works by forming recursive instances of the Twine datatype (a simple value
994 object) on the stack as temporary objects, linking them together into a tree
995 which is then linearized when the Twine is consumed.  Twine is only safe to use
996 as the argument to a function, and should always be a const reference, e.g.:
997
998 .. code-block:: c++
999
1000   void foo(const Twine &T);
1001   ...
1002   StringRef X = ...
1003   unsigned i = ...
1004   foo(X + "." + Twine(i));
1005
1006 This example forms a string like "blarg.42" by concatenating the values
1007 together, and does not form intermediate strings containing "blarg" or "blarg.".
1008
1009 Because Twine is constructed with temporary objects on the stack, and because
1010 these instances are destroyed at the end of the current statement, it is an
1011 inherently dangerous API.  For example, this simple variant contains undefined
1012 behavior and will probably crash:
1013
1014 .. code-block:: c++
1015
1016   void foo(const Twine &T);
1017   ...
1018   StringRef X = ...
1019   unsigned i = ...
1020   const Twine &Tmp = X + "." + Twine(i);
1021   foo(Tmp);
1022
1023 ... because the temporaries are destroyed before the call.  That said, Twine's
1024 are much more efficient than intermediate std::string temporaries, and they work
1025 really well with StringRef.  Just be aware of their limitations.
1026
1027 .. _dss_smallstring:
1028
1029 llvm/ADT/SmallString.h
1030 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1031
1032 SmallString is a subclass of :ref:`SmallVector <dss_smallvector>` that adds some
1033 convenience APIs like += that takes StringRef's.  SmallString avoids allocating
1034 memory in the case when the preallocated space is enough to hold its data, and
1035 it calls back to general heap allocation when required.  Since it owns its data,
1036 it is very safe to use and supports full mutation of the string.
1037
1038 Like SmallVector's, the big downside to SmallString is their sizeof.  While they
1039 are optimized for small strings, they themselves are not particularly small.
1040 This means that they work great for temporary scratch buffers on the stack, but
1041 should not generally be put into the heap: it is very rare to see a SmallString
1042 as the member of a frequently-allocated heap data structure or returned
1043 by-value.
1044
1045 .. _dss_stdstring:
1046
1047 std::string
1048 ^^^^^^^^^^^
1049
1050 The standard C++ std::string class is a very general class that (like
1051 SmallString) owns its underlying data.  sizeof(std::string) is very reasonable
1052 so it can be embedded into heap data structures and returned by-value.  On the
1053 other hand, std::string is highly inefficient for inline editing (e.g.
1054 concatenating a bunch of stuff together) and because it is provided by the
1055 standard library, its performance characteristics depend a lot of the host
1056 standard library (e.g. libc++ and MSVC provide a highly optimized string class,
1057 GCC contains a really slow implementation).
1058
1059 The major disadvantage of std::string is that almost every operation that makes
1060 them larger can allocate memory, which is slow.  As such, it is better to use
1061 SmallVector or Twine as a scratch buffer, but then use std::string to persist
1062 the result.
1063
1064 .. _ds_set:
1065
1066 Set-Like Containers (std::set, SmallSet, SetVector, etc)
1067 --------------------------------------------------------
1068
1069 Set-like containers are useful when you need to canonicalize multiple values
1070 into a single representation.  There are several different choices for how to do
1071 this, providing various trade-offs.
1072
1073 .. _dss_sortedvectorset:
1074
1075 A sorted 'vector'
1076 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
1077
1078 If you intend to insert a lot of elements, then do a lot of queries, a great
1079 approach is to use a vector (or other sequential container) with
1080 std::sort+std::unique to remove duplicates.  This approach works really well if
1081 your usage pattern has these two distinct phases (insert then query), and can be
1082 coupled with a good choice of :ref:`sequential container <ds_sequential>`.
1083
1084 This combination provides the several nice properties: the result data is
1085 contiguous in memory (good for cache locality), has few allocations, is easy to
1086 address (iterators in the final vector are just indices or pointers), and can be
1087 efficiently queried with a standard binary search (e.g.
1088 ``std::lower_bound``; if you want the whole range of elements comparing
1089 equal, use ``std::equal_range``).
1090
1091 .. _dss_smallset:
1092
1093 llvm/ADT/SmallSet.h
1094 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1095
1096 If you have a set-like data structure that is usually small and whose elements
1097 are reasonably small, a ``SmallSet<Type, N>`` is a good choice.  This set has
1098 space for N elements in place (thus, if the set is dynamically smaller than N,
1099 no malloc traffic is required) and accesses them with a simple linear search.
1100 When the set grows beyond N elements, it allocates a more expensive
1101 representation that guarantees efficient access (for most types, it falls back
1102 to :ref:`std::set <dss_set>`, but for pointers it uses something far better,
1103 :ref:`SmallPtrSet <dss_smallptrset>`.
1104
1105 The magic of this class is that it handles small sets extremely efficiently, but
1106 gracefully handles extremely large sets without loss of efficiency.  The
1107 drawback is that the interface is quite small: it supports insertion, queries
1108 and erasing, but does not support iteration.
1109
1110 .. _dss_smallptrset:
1111
1112 llvm/ADT/SmallPtrSet.h
1113 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1114
1115 ``SmallPtrSet`` has all the advantages of ``SmallSet`` (and a ``SmallSet`` of
1116 pointers is transparently implemented with a ``SmallPtrSet``), but also supports
1117 iterators.  If more than N insertions are performed, a single quadratically
1118 probed hash table is allocated and grows as needed, providing extremely
1119 efficient access (constant time insertion/deleting/queries with low constant
1120 factors) and is very stingy with malloc traffic.
1121
1122 Note that, unlike :ref:`std::set <dss_set>`, the iterators of ``SmallPtrSet``
1123 are invalidated whenever an insertion occurs.  Also, the values visited by the
1124 iterators are not visited in sorted order.
1125
1126 .. _dss_stringset:
1127
1128 llvm/ADT/StringSet.h
1129 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1130
1131 ``StringSet`` is a thin wrapper around :ref:`StringMap\<char\> <dss_stringmap>`,
1132 and it allows efficient storage and retrieval of unique strings.
1133
1134 Functionally analogous to ``SmallSet<StringRef>``, ``StringSet`` also suports
1135 iteration. (The iterator dereferences to a ``StringMapEntry<char>``, so you
1136 need to call ``i->getKey()`` to access the item of the StringSet.)  On the
1137 other hand, ``StringSet`` doesn't support range-insertion and
1138 copy-construction, which :ref:`SmallSet <dss_smallset>` and :ref:`SmallPtrSet
1139 <dss_smallptrset>` do support.
1140
1141 .. _dss_denseset:
1142
1143 llvm/ADT/DenseSet.h
1144 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1145
1146 DenseSet is a simple quadratically probed hash table.  It excels at supporting
1147 small values: it uses a single allocation to hold all of the pairs that are
1148 currently inserted in the set.  DenseSet is a great way to unique small values
1149 that are not simple pointers (use :ref:`SmallPtrSet <dss_smallptrset>` for
1150 pointers).  Note that DenseSet has the same requirements for the value type that
1151 :ref:`DenseMap <dss_densemap>` has.
1152
1153 .. _dss_sparseset:
1154
1155 llvm/ADT/SparseSet.h
1156 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1157
1158 SparseSet holds a small number of objects identified by unsigned keys of
1159 moderate size.  It uses a lot of memory, but provides operations that are almost
1160 as fast as a vector.  Typical keys are physical registers, virtual registers, or
1161 numbered basic blocks.
1162
1163 SparseSet is useful for algorithms that need very fast clear/find/insert/erase
1164 and fast iteration over small sets.  It is not intended for building composite
1165 data structures.
1166
1167 .. _dss_sparsemultiset:
1168
1169 llvm/ADT/SparseMultiSet.h
1170 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1171
1172 SparseMultiSet adds multiset behavior to SparseSet, while retaining SparseSet's
1173 desirable attributes. Like SparseSet, it typically uses a lot of memory, but
1174 provides operations that are almost as fast as a vector.  Typical keys are
1175 physical registers, virtual registers, or numbered basic blocks.
1176
1177 SparseMultiSet is useful for algorithms that need very fast
1178 clear/find/insert/erase of the entire collection, and iteration over sets of
1179 elements sharing a key. It is often a more efficient choice than using composite
1180 data structures (e.g. vector-of-vectors, map-of-vectors). It is not intended for
1181 building composite data structures.
1182
1183 .. _dss_FoldingSet:
1184
1185 llvm/ADT/FoldingSet.h
1186 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1187
1188 FoldingSet is an aggregate class that is really good at uniquing
1189 expensive-to-create or polymorphic objects.  It is a combination of a chained
1190 hash table with intrusive links (uniqued objects are required to inherit from
1191 FoldingSetNode) that uses :ref:`SmallVector <dss_smallvector>` as part of its ID
1192 process.
1193
1194 Consider a case where you want to implement a "getOrCreateFoo" method for a
1195 complex object (for example, a node in the code generator).  The client has a
1196 description of **what** it wants to generate (it knows the opcode and all the
1197 operands), but we don't want to 'new' a node, then try inserting it into a set
1198 only to find out it already exists, at which point we would have to delete it
1199 and return the node that already exists.
1200
1201 To support this style of client, FoldingSet perform a query with a
1202 FoldingSetNodeID (which wraps SmallVector) that can be used to describe the
1203 element that we want to query for.  The query either returns the element
1204 matching the ID or it returns an opaque ID that indicates where insertion should
1205 take place.  Construction of the ID usually does not require heap traffic.
1206
1207 Because FoldingSet uses intrusive links, it can support polymorphic objects in
1208 the set (for example, you can have SDNode instances mixed with LoadSDNodes).
1209 Because the elements are individually allocated, pointers to the elements are
1210 stable: inserting or removing elements does not invalidate any pointers to other
1211 elements.
1212
1213 .. _dss_set:
1214
1215 <set>
1216 ^^^^^
1217
1218 ``std::set`` is a reasonable all-around set class, which is decent at many
1219 things but great at nothing.  std::set allocates memory for each element
1220 inserted (thus it is very malloc intensive) and typically stores three pointers
1221 per element in the set (thus adding a large amount of per-element space
1222 overhead).  It offers guaranteed log(n) performance, which is not particularly
1223 fast from a complexity standpoint (particularly if the elements of the set are
1224 expensive to compare, like strings), and has extremely high constant factors for
1225 lookup, insertion and removal.
1226
1227 The advantages of std::set are that its iterators are stable (deleting or
1228 inserting an element from the set does not affect iterators or pointers to other
1229 elements) and that iteration over the set is guaranteed to be in sorted order.
1230 If the elements in the set are large, then the relative overhead of the pointers
1231 and malloc traffic is not a big deal, but if the elements of the set are small,
1232 std::set is almost never a good choice.
1233
1234 .. _dss_setvector:
1235
1236 llvm/ADT/SetVector.h
1237 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1238
1239 LLVM's ``SetVector<Type>`` is an adapter class that combines your choice of a
1240 set-like container along with a :ref:`Sequential Container <ds_sequential>` The
1241 important property that this provides is efficient insertion with uniquing
1242 (duplicate elements are ignored) with iteration support.  It implements this by
1243 inserting elements into both a set-like container and the sequential container,
1244 using the set-like container for uniquing and the sequential container for
1245 iteration.
1246
1247 The difference between SetVector and other sets is that the order of iteration
1248 is guaranteed to match the order of insertion into the SetVector.  This property
1249 is really important for things like sets of pointers.  Because pointer values
1250 are non-deterministic (e.g. vary across runs of the program on different
1251 machines), iterating over the pointers in the set will not be in a well-defined
1252 order.
1253
1254 The drawback of SetVector is that it requires twice as much space as a normal
1255 set and has the sum of constant factors from the set-like container and the
1256 sequential container that it uses.  Use it **only** if you need to iterate over
1257 the elements in a deterministic order.  SetVector is also expensive to delete
1258 elements out of (linear time), unless you use its "pop_back" method, which is
1259 faster.
1260
1261 ``SetVector`` is an adapter class that defaults to using ``std::vector`` and a
1262 size 16 ``SmallSet`` for the underlying containers, so it is quite expensive.
1263 However, ``"llvm/ADT/SetVector.h"`` also provides a ``SmallSetVector`` class,
1264 which defaults to using a ``SmallVector`` and ``SmallSet`` of a specified size.
1265 If you use this, and if your sets are dynamically smaller than ``N``, you will
1266 save a lot of heap traffic.
1267
1268 .. _dss_uniquevector:
1269
1270 llvm/ADT/UniqueVector.h
1271 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1272
1273 UniqueVector is similar to :ref:`SetVector <dss_setvector>` but it retains a
1274 unique ID for each element inserted into the set.  It internally contains a map
1275 and a vector, and it assigns a unique ID for each value inserted into the set.
1276
1277 UniqueVector is very expensive: its cost is the sum of the cost of maintaining
1278 both the map and vector, it has high complexity, high constant factors, and
1279 produces a lot of malloc traffic.  It should be avoided.
1280
1281 .. _dss_immutableset:
1282
1283 llvm/ADT/ImmutableSet.h
1284 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1285
1286 ImmutableSet is an immutable (functional) set implementation based on an AVL
1287 tree.  Adding or removing elements is done through a Factory object and results
1288 in the creation of a new ImmutableSet object.  If an ImmutableSet already exists
1289 with the given contents, then the existing one is returned; equality is compared
1290 with a FoldingSetNodeID.  The time and space complexity of add or remove
1291 operations is logarithmic in the size of the original set.
1292
1293 There is no method for returning an element of the set, you can only check for
1294 membership.
1295
1296 .. _dss_otherset:
1297
1298 Other Set-Like Container Options
1299 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1300
1301 The STL provides several other options, such as std::multiset and the various
1302 "hash_set" like containers (whether from C++ TR1 or from the SGI library).  We
1303 never use hash_set and unordered_set because they are generally very expensive
1304 (each insertion requires a malloc) and very non-portable.
1305
1306 std::multiset is useful if you're not interested in elimination of duplicates,
1307 but has all the drawbacks of :ref:`std::set <dss_set>`.  A sorted vector
1308 (where you don't delete duplicate entries) or some other approach is almost
1309 always better.
1310
1311 .. _ds_map:
1312
1313 Map-Like Containers (std::map, DenseMap, etc)
1314 ---------------------------------------------
1315
1316 Map-like containers are useful when you want to associate data to a key.  As
1317 usual, there are a lot of different ways to do this. :)
1318
1319 .. _dss_sortedvectormap:
1320
1321 A sorted 'vector'
1322 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
1323
1324 If your usage pattern follows a strict insert-then-query approach, you can
1325 trivially use the same approach as :ref:`sorted vectors for set-like containers
1326 <dss_sortedvectorset>`.  The only difference is that your query function (which
1327 uses std::lower_bound to get efficient log(n) lookup) should only compare the
1328 key, not both the key and value.  This yields the same advantages as sorted
1329 vectors for sets.
1330
1331 .. _dss_stringmap:
1332
1333 llvm/ADT/StringMap.h
1334 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1335
1336 Strings are commonly used as keys in maps, and they are difficult to support
1337 efficiently: they are variable length, inefficient to hash and compare when
1338 long, expensive to copy, etc.  StringMap is a specialized container designed to
1339 cope with these issues.  It supports mapping an arbitrary range of bytes to an
1340 arbitrary other object.
1341
1342 The StringMap implementation uses a quadratically-probed hash table, where the
1343 buckets store a pointer to the heap allocated entries (and some other stuff).
1344 The entries in the map must be heap allocated because the strings are variable
1345 length.  The string data (key) and the element object (value) are stored in the
1346 same allocation with the string data immediately after the element object.
1347 This container guarantees the "``(char*)(&Value+1)``" points to the key string
1348 for a value.
1349
1350 The StringMap is very fast for several reasons: quadratic probing is very cache
1351 efficient for lookups, the hash value of strings in buckets is not recomputed
1352 when looking up an element, StringMap rarely has to touch the memory for
1353 unrelated objects when looking up a value (even when hash collisions happen),
1354 hash table growth does not recompute the hash values for strings already in the
1355 table, and each pair in the map is store in a single allocation (the string data
1356 is stored in the same allocation as the Value of a pair).
1357
1358 StringMap also provides query methods that take byte ranges, so it only ever
1359 copies a string if a value is inserted into the table.
1360
1361 StringMap iteratation order, however, is not guaranteed to be deterministic, so
1362 any uses which require that should instead use a std::map.
1363
1364 .. _dss_indexmap:
1365
1366 llvm/ADT/IndexedMap.h
1367 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1368
1369 IndexedMap is a specialized container for mapping small dense integers (or
1370 values that can be mapped to small dense integers) to some other type.  It is
1371 internally implemented as a vector with a mapping function that maps the keys
1372 to the dense integer range.
1373
1374 This is useful for cases like virtual registers in the LLVM code generator: they
1375 have a dense mapping that is offset by a compile-time constant (the first
1376 virtual register ID).
1377
1378 .. _dss_densemap:
1379
1380 llvm/ADT/DenseMap.h
1381 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1382
1383 DenseMap is a simple quadratically probed hash table.  It excels at supporting
1384 small keys and values: it uses a single allocation to hold all of the pairs
1385 that are currently inserted in the map.  DenseMap is a great way to map
1386 pointers to pointers, or map other small types to each other.
1387
1388 There are several aspects of DenseMap that you should be aware of, however.
1389 The iterators in a DenseMap are invalidated whenever an insertion occurs,
1390 unlike map.  Also, because DenseMap allocates space for a large number of
1391 key/value pairs (it starts with 64 by default), it will waste a lot of space if
1392 your keys or values are large.  Finally, you must implement a partial
1393 specialization of DenseMapInfo for the key that you want, if it isn't already
1394 supported.  This is required to tell DenseMap about two special marker values
1395 (which can never be inserted into the map) that it needs internally.
1396
1397 DenseMap's find_as() method supports lookup operations using an alternate key
1398 type.  This is useful in cases where the normal key type is expensive to
1399 construct, but cheap to compare against.  The DenseMapInfo is responsible for
1400 defining the appropriate comparison and hashing methods for each alternate key
1401 type used.
1402
1403 .. _dss_valuemap:
1404
1405 llvm/IR/ValueMap.h
1406 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1407
1408 ValueMap is a wrapper around a :ref:`DenseMap <dss_densemap>` mapping
1409 ``Value*``\ s (or subclasses) to another type.  When a Value is deleted or
1410 RAUW'ed, ValueMap will update itself so the new version of the key is mapped to
1411 the same value, just as if the key were a WeakVH.  You can configure exactly how
1412 this happens, and what else happens on these two events, by passing a ``Config``
1413 parameter to the ValueMap template.
1414
1415 .. _dss_intervalmap:
1416
1417 llvm/ADT/IntervalMap.h
1418 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1419
1420 IntervalMap is a compact map for small keys and values.  It maps key intervals
1421 instead of single keys, and it will automatically coalesce adjacent intervals.
1422 When the map only contains a few intervals, they are stored in the map object
1423 itself to avoid allocations.
1424
1425 The IntervalMap iterators are quite big, so they should not be passed around as
1426 STL iterators.  The heavyweight iterators allow a smaller data structure.
1427
1428 .. _dss_map:
1429
1430 <map>
1431 ^^^^^
1432
1433 std::map has similar characteristics to :ref:`std::set <dss_set>`: it uses a
1434 single allocation per pair inserted into the map, it offers log(n) lookup with
1435 an extremely large constant factor, imposes a space penalty of 3 pointers per
1436 pair in the map, etc.
1437
1438 std::map is most useful when your keys or values are very large, if you need to
1439 iterate over the collection in sorted order, or if you need stable iterators
1440 into the map (i.e. they don't get invalidated if an insertion or deletion of
1441 another element takes place).
1442
1443 .. _dss_mapvector:
1444
1445 llvm/ADT/MapVector.h
1446 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1447
1448 ``MapVector<KeyT,ValueT>`` provides a subset of the DenseMap interface.  The
1449 main difference is that the iteration order is guaranteed to be the insertion
1450 order, making it an easy (but somewhat expensive) solution for non-deterministic
1451 iteration over maps of pointers.
1452
1453 It is implemented by mapping from key to an index in a vector of key,value
1454 pairs.  This provides fast lookup and iteration, but has two main drawbacks:
1455 the key is stored twice and removing elements takes linear time.  If it is
1456 necessary to remove elements, it's best to remove them in bulk using
1457 ``remove_if()``.
1458
1459 .. _dss_inteqclasses:
1460
1461 llvm/ADT/IntEqClasses.h
1462 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1463
1464 IntEqClasses provides a compact representation of equivalence classes of small
1465 integers.  Initially, each integer in the range 0..n-1 has its own equivalence
1466 class.  Classes can be joined by passing two class representatives to the
1467 join(a, b) method.  Two integers are in the same class when findLeader() returns
1468 the same representative.
1469
1470 Once all equivalence classes are formed, the map can be compressed so each
1471 integer 0..n-1 maps to an equivalence class number in the range 0..m-1, where m
1472 is the total number of equivalence classes.  The map must be uncompressed before
1473 it can be edited again.
1474
1475 .. _dss_immutablemap:
1476
1477 llvm/ADT/ImmutableMap.h
1478 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1479
1480 ImmutableMap is an immutable (functional) map implementation based on an AVL
1481 tree.  Adding or removing elements is done through a Factory object and results
1482 in the creation of a new ImmutableMap object.  If an ImmutableMap already exists
1483 with the given key set, then the existing one is returned; equality is compared
1484 with a FoldingSetNodeID.  The time and space complexity of add or remove
1485 operations is logarithmic in the size of the original map.
1486
1487 .. _dss_othermap:
1488
1489 Other Map-Like Container Options
1490 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1491
1492 The STL provides several other options, such as std::multimap and the various
1493 "hash_map" like containers (whether from C++ TR1 or from the SGI library).  We
1494 never use hash_set and unordered_set because they are generally very expensive
1495 (each insertion requires a malloc) and very non-portable.
1496
1497 std::multimap is useful if you want to map a key to multiple values, but has all
1498 the drawbacks of std::map.  A sorted vector or some other approach is almost
1499 always better.
1500
1501 .. _ds_bit:
1502
1503 Bit storage containers (BitVector, SparseBitVector)
1504 ---------------------------------------------------
1505
1506 Unlike the other containers, there are only two bit storage containers, and
1507 choosing when to use each is relatively straightforward.
1508
1509 One additional option is ``std::vector<bool>``: we discourage its use for two
1510 reasons 1) the implementation in many common compilers (e.g.  commonly
1511 available versions of GCC) is extremely inefficient and 2) the C++ standards
1512 committee is likely to deprecate this container and/or change it significantly
1513 somehow.  In any case, please don't use it.
1514
1515 .. _dss_bitvector:
1516
1517 BitVector
1518 ^^^^^^^^^
1519
1520 The BitVector container provides a dynamic size set of bits for manipulation.
1521 It supports individual bit setting/testing, as well as set operations.  The set
1522 operations take time O(size of bitvector), but operations are performed one word
1523 at a time, instead of one bit at a time.  This makes the BitVector very fast for
1524 set operations compared to other containers.  Use the BitVector when you expect
1525 the number of set bits to be high (i.e. a dense set).
1526
1527 .. _dss_smallbitvector:
1528
1529 SmallBitVector
1530 ^^^^^^^^^^^^^^
1531
1532 The SmallBitVector container provides the same interface as BitVector, but it is
1533 optimized for the case where only a small number of bits, less than 25 or so,
1534 are needed.  It also transparently supports larger bit counts, but slightly less
1535 efficiently than a plain BitVector, so SmallBitVector should only be used when
1536 larger counts are rare.
1537
1538 At this time, SmallBitVector does not support set operations (and, or, xor), and
1539 its operator[] does not provide an assignable lvalue.
1540
1541 .. _dss_sparsebitvector:
1542
1543 SparseBitVector
1544 ^^^^^^^^^^^^^^^
1545
1546 The SparseBitVector container is much like BitVector, with one major difference:
1547 Only the bits that are set, are stored.  This makes the SparseBitVector much
1548 more space efficient than BitVector when the set is sparse, as well as making
1549 set operations O(number of set bits) instead of O(size of universe).  The
1550 downside to the SparseBitVector is that setting and testing of random bits is
1551 O(N), and on large SparseBitVectors, this can be slower than BitVector.  In our
1552 implementation, setting or testing bits in sorted order (either forwards or
1553 reverse) is O(1) worst case.  Testing and setting bits within 128 bits (depends
1554 on size) of the current bit is also O(1).  As a general statement,
1555 testing/setting bits in a SparseBitVector is O(distance away from last set bit).
1556
1557 .. _common:
1558
1559 Helpful Hints for Common Operations
1560 ===================================
1561
1562 This section describes how to perform some very simple transformations of LLVM
1563 code.  This is meant to give examples of common idioms used, showing the
1564 practical side of LLVM transformations.
1565
1566 Because this is a "how-to" section, you should also read about the main classes
1567 that you will be working with.  The :ref:`Core LLVM Class Hierarchy Reference
1568 <coreclasses>` contains details and descriptions of the main classes that you
1569 should know about.
1570
1571 .. _inspection:
1572
1573 Basic Inspection and Traversal Routines
1574 ---------------------------------------
1575
1576 The LLVM compiler infrastructure have many different data structures that may be
1577 traversed.  Following the example of the C++ standard template library, the
1578 techniques used to traverse these various data structures are all basically the
1579 same.  For a enumerable sequence of values, the ``XXXbegin()`` function (or
1580 method) returns an iterator to the start of the sequence, the ``XXXend()``
1581 function returns an iterator pointing to one past the last valid element of the
1582 sequence, and there is some ``XXXiterator`` data type that is common between the
1583 two operations.
1584
1585 Because the pattern for iteration is common across many different aspects of the
1586 program representation, the standard template library algorithms may be used on
1587 them, and it is easier to remember how to iterate.  First we show a few common
1588 examples of the data structures that need to be traversed.  Other data
1589 structures are traversed in very similar ways.
1590
1591 .. _iterate_function:
1592
1593 Iterating over the ``BasicBlock`` in a ``Function``
1594 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1595
1596 It's quite common to have a ``Function`` instance that you'd like to transform
1597 in some way; in particular, you'd like to manipulate its ``BasicBlock``\ s.  To
1598 facilitate this, you'll need to iterate over all of the ``BasicBlock``\ s that
1599 constitute the ``Function``.  The following is an example that prints the name
1600 of a ``BasicBlock`` and the number of ``Instruction``\ s it contains:
1601
1602 .. code-block:: c++
1603
1604   // func is a pointer to a Function instance
1605   for (Function::iterator i = func->begin(), e = func->end(); i != e; ++i)
1606     // Print out the name of the basic block if it has one, and then the
1607     // number of instructions that it contains
1608     errs() << "Basic block (name=" << i->getName() << ") has "
1609                << i->size() << " instructions.\n";
1610
1611 Note that i can be used as if it were a pointer for the purposes of invoking
1612 member functions of the ``Instruction`` class.  This is because the indirection
1613 operator is overloaded for the iterator classes.  In the above code, the
1614 expression ``i->size()`` is exactly equivalent to ``(*i).size()`` just like
1615 you'd expect.
1616
1617 .. _iterate_basicblock:
1618
1619 Iterating over the ``Instruction`` in a ``BasicBlock``
1620 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1621
1622 Just like when dealing with ``BasicBlock``\ s in ``Function``\ s, it's easy to
1623 iterate over the individual instructions that make up ``BasicBlock``\ s.  Here's
1624 a code snippet that prints out each instruction in a ``BasicBlock``:
1625
1626 .. code-block:: c++
1627
1628   // blk is a pointer to a BasicBlock instance
1629   for (BasicBlock::iterator i = blk->begin(), e = blk->end(); i != e; ++i)
1630      // The next statement works since operator<<(ostream&,...)
1631      // is overloaded for Instruction&
1632      errs() << *i << "\n";
1633
1634
1635 However, this isn't really the best way to print out the contents of a
1636 ``BasicBlock``!  Since the ostream operators are overloaded for virtually
1637 anything you'll care about, you could have just invoked the print routine on the
1638 basic block itself: ``errs() << *blk << "\n";``.
1639
1640 .. _iterate_insiter:
1641
1642 Iterating over the ``Instruction`` in a ``Function``
1643 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1644
1645 If you're finding that you commonly iterate over a ``Function``'s
1646 ``BasicBlock``\ s and then that ``BasicBlock``'s ``Instruction``\ s,
1647 ``InstIterator`` should be used instead.  You'll need to include
1648 ``llvm/IR/InstIterator.h`` (`doxygen
1649 <http://llvm.org/doxygen/InstIterator_8h.html>`__) and then instantiate
1650 ``InstIterator``\ s explicitly in your code.  Here's a small example that shows
1651 how to dump all instructions in a function to the standard error stream:
1652
1653 .. code-block:: c++
1654
1655   #include "llvm/IR/InstIterator.h"
1656
1657   // F is a pointer to a Function instance
1658   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
1659     errs() << *I << "\n";
1660
1661 Easy, isn't it?  You can also use ``InstIterator``\ s to fill a work list with
1662 its initial contents.  For example, if you wanted to initialize a work list to
1663 contain all instructions in a ``Function`` F, all you would need to do is
1664 something like:
1665
1666 .. code-block:: c++
1667
1668   std::set<Instruction*> worklist;
1669   // or better yet, SmallPtrSet<Instruction*, 64> worklist;
1670
1671   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
1672     worklist.insert(&*I);
1673
1674 The STL set ``worklist`` would now contain all instructions in the ``Function``
1675 pointed to by F.
1676
1677 .. _iterate_convert:
1678
1679 Turning an iterator into a class pointer (and vice-versa)
1680 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1681
1682 Sometimes, it'll be useful to grab a reference (or pointer) to a class instance
1683 when all you've got at hand is an iterator.  Well, extracting a reference or a
1684 pointer from an iterator is very straight-forward.  Assuming that ``i`` is a
1685 ``BasicBlock::iterator`` and ``j`` is a ``BasicBlock::const_iterator``:
1686
1687 .. code-block:: c++
1688
1689   Instruction& inst = *i;   // Grab reference to instruction reference
1690   Instruction* pinst = &*i; // Grab pointer to instruction reference
1691   const Instruction& inst = *j;
1692
1693 However, the iterators you'll be working with in the LLVM framework are special:
1694 they will automatically convert to a ptr-to-instance type whenever they need to.
1695 Instead of derferencing the iterator and then taking the address of the result,
1696 you can simply assign the iterator to the proper pointer type and you get the
1697 dereference and address-of operation as a result of the assignment (behind the
1698 scenes, this is a result of overloading casting mechanisms).  Thus the second
1699 line of the last example,
1700
1701 .. code-block:: c++
1702
1703   Instruction *pinst = &*i;
1704
1705 is semantically equivalent to
1706
1707 .. code-block:: c++
1708
1709   Instruction *pinst = i;
1710
1711 It's also possible to turn a class pointer into the corresponding iterator, and
1712 this is a constant time operation (very efficient).  The following code snippet
1713 illustrates use of the conversion constructors provided by LLVM iterators.  By
1714 using these, you can explicitly grab the iterator of something without actually
1715 obtaining it via iteration over some structure:
1716
1717 .. code-block:: c++
1718
1719   void printNextInstruction(Instruction* inst) {
1720     BasicBlock::iterator it(inst);
1721     ++it; // After this line, it refers to the instruction after *inst
1722     if (it != inst->getParent()->end()) errs() << *it << "\n";
1723   }
1724
1725 Unfortunately, these implicit conversions come at a cost; they prevent these
1726 iterators from conforming to standard iterator conventions, and thus from being
1727 usable with standard algorithms and containers.  For example, they prevent the
1728 following code, where ``B`` is a ``BasicBlock``, from compiling:
1729
1730 .. code-block:: c++
1731
1732   llvm::SmallVector<llvm::Instruction *, 16>(B->begin(), B->end());
1733
1734 Because of this, these implicit conversions may be removed some day, and
1735 ``operator*`` changed to return a pointer instead of a reference.
1736
1737 .. _iterate_complex:
1738
1739 Finding call sites: a slightly more complex example
1740 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1741
1742 Say that you're writing a FunctionPass and would like to count all the locations
1743 in the entire module (that is, across every ``Function``) where a certain
1744 function (i.e., some ``Function *``) is already in scope.  As you'll learn
1745 later, you may want to use an ``InstVisitor`` to accomplish this in a much more
1746 straight-forward manner, but this example will allow us to explore how you'd do
1747 it if you didn't have ``InstVisitor`` around.  In pseudo-code, this is what we
1748 want to do:
1749
1750 .. code-block:: none
1751
1752   initialize callCounter to zero
1753   for each Function f in the Module
1754     for each BasicBlock b in f
1755       for each Instruction i in b
1756         if (i is a CallInst and calls the given function)
1757           increment callCounter
1758
1759 And the actual code is (remember, because we're writing a ``FunctionPass``, our
1760 ``FunctionPass``-derived class simply has to override the ``runOnFunction``
1761 method):
1762
1763 .. code-block:: c++
1764
1765   Function* targetFunc = ...;
1766
1767   class OurFunctionPass : public FunctionPass {
1768     public:
1769       OurFunctionPass(): callCounter(0) { }
1770
1771       virtual runOnFunction(Function& F) {
1772         for (Function::iterator b = F.begin(), be = F.end(); b != be; ++b) {
1773           for (BasicBlock::iterator i = b->begin(), ie = b->end(); i != ie; ++i) {
1774             if (CallInst* callInst = dyn_cast<CallInst>(&*i)) {
1775               // We know we've encountered a call instruction, so we
1776               // need to determine if it's a call to the
1777               // function pointed to by m_func or not.
1778               if (callInst->getCalledFunction() == targetFunc)
1779                 ++callCounter;
1780             }
1781           }
1782         }
1783       }
1784
1785     private:
1786       unsigned callCounter;
1787   };
1788
1789 .. _calls_and_invokes:
1790
1791 Treating calls and invokes the same way
1792 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1793
1794 You may have noticed that the previous example was a bit oversimplified in that
1795 it did not deal with call sites generated by 'invoke' instructions.  In this,
1796 and in other situations, you may find that you want to treat ``CallInst``\ s and
1797 ``InvokeInst``\ s the same way, even though their most-specific common base
1798 class is ``Instruction``, which includes lots of less closely-related things.
1799 For these cases, LLVM provides a handy wrapper class called ``CallSite``
1800 (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1CallSite.html>`__) It is
1801 essentially a wrapper around an ``Instruction`` pointer, with some methods that
1802 provide functionality common to ``CallInst``\ s and ``InvokeInst``\ s.
1803
1804 This class has "value semantics": it should be passed by value, not by reference
1805 and it should not be dynamically allocated or deallocated using ``operator new``
1806 or ``operator delete``.  It is efficiently copyable, assignable and
1807 constructable, with costs equivalents to that of a bare pointer.  If you look at
1808 its definition, it has only a single pointer member.
1809
1810 .. _iterate_chains:
1811
1812 Iterating over def-use & use-def chains
1813 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1814
1815 Frequently, we might have an instance of the ``Value`` class (`doxygen
1816 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`__) and we want to determine
1817 which ``User`` s use the ``Value``.  The list of all ``User``\ s of a particular
1818 ``Value`` is called a *def-use* chain.  For example, let's say we have a
1819 ``Function*`` named ``F`` to a particular function ``foo``.  Finding all of the
1820 instructions that *use* ``foo`` is as simple as iterating over the *def-use*
1821 chain of ``F``:
1822
1823 .. code-block:: c++
1824
1825   Function *F = ...;
1826
1827   for (User *U : F->users()) {
1828     if (Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(U)) {
1829       errs() << "F is used in instruction:\n";
1830       errs() << *Inst << "\n";
1831     }
1832
1833 Alternatively, it's common to have an instance of the ``User`` Class (`doxygen
1834 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`__) and need to know what
1835 ``Value``\ s are used by it.  The list of all ``Value``\ s used by a ``User`` is
1836 known as a *use-def* chain.  Instances of class ``Instruction`` are common
1837 ``User`` s, so we might want to iterate over all of the values that a particular
1838 instruction uses (that is, the operands of the particular ``Instruction``):
1839
1840 .. code-block:: c++
1841
1842   Instruction *pi = ...;
1843
1844   for (Use &U : pi->operands()) {
1845     Value *v = U.get();
1846     // ...
1847   }
1848
1849 Declaring objects as ``const`` is an important tool of enforcing mutation free
1850 algorithms (such as analyses, etc.).  For this purpose above iterators come in
1851 constant flavors as ``Value::const_use_iterator`` and
1852 ``Value::const_op_iterator``.  They automatically arise when calling
1853 ``use/op_begin()`` on ``const Value*``\ s or ``const User*``\ s respectively.
1854 Upon dereferencing, they return ``const Use*``\ s.  Otherwise the above patterns
1855 remain unchanged.
1856
1857 .. _iterate_preds:
1858
1859 Iterating over predecessors & successors of blocks
1860 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1861
1862 Iterating over the predecessors and successors of a block is quite easy with the
1863 routines defined in ``"llvm/IR/CFG.h"``.  Just use code like this to
1864 iterate over all predecessors of BB:
1865
1866 .. code-block:: c++
1867
1868   #include "llvm/Support/CFG.h"
1869   BasicBlock *BB = ...;
1870
1871   for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
1872     BasicBlock *Pred = *PI;
1873     // ...
1874   }
1875
1876 Similarly, to iterate over successors use ``succ_iterator/succ_begin/succ_end``.
1877
1878 .. _simplechanges:
1879
1880 Making simple changes
1881 ---------------------
1882
1883 There are some primitive transformation operations present in the LLVM
1884 infrastructure that are worth knowing about.  When performing transformations,
1885 it's fairly common to manipulate the contents of basic blocks.  This section
1886 describes some of the common methods for doing so and gives example code.
1887
1888 .. _schanges_creating:
1889
1890 Creating and inserting new ``Instruction``\ s
1891 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1892
1893 *Instantiating Instructions*
1894
1895 Creation of ``Instruction``\ s is straight-forward: simply call the constructor
1896 for the kind of instruction to instantiate and provide the necessary parameters.
1897 For example, an ``AllocaInst`` only *requires* a (const-ptr-to) ``Type``.  Thus:
1898
1899 .. code-block:: c++
1900
1901   AllocaInst* ai = new AllocaInst(Type::Int32Ty);
1902
1903 will create an ``AllocaInst`` instance that represents the allocation of one
1904 integer in the current stack frame, at run time.  Each ``Instruction`` subclass
1905 is likely to have varying default parameters which change the semantics of the
1906 instruction, so refer to the `doxygen documentation for the subclass of
1907 Instruction <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Instruction.html>`_ that
1908 you're interested in instantiating.
1909
1910 *Naming values*
1911
1912 It is very useful to name the values of instructions when you're able to, as
1913 this facilitates the debugging of your transformations.  If you end up looking
1914 at generated LLVM machine code, you definitely want to have logical names
1915 associated with the results of instructions!  By supplying a value for the
1916 ``Name`` (default) parameter of the ``Instruction`` constructor, you associate a
1917 logical name with the result of the instruction's execution at run time.  For
1918 example, say that I'm writing a transformation that dynamically allocates space
1919 for an integer on the stack, and that integer is going to be used as some kind
1920 of index by some other code.  To accomplish this, I place an ``AllocaInst`` at
1921 the first point in the first ``BasicBlock`` of some ``Function``, and I'm
1922 intending to use it within the same ``Function``.  I might do:
1923
1924 .. code-block:: c++
1925
1926   AllocaInst* pa = new AllocaInst(Type::Int32Ty, 0, "indexLoc");
1927
1928 where ``indexLoc`` is now the logical name of the instruction's execution value,
1929 which is a pointer to an integer on the run time stack.
1930
1931 *Inserting instructions*
1932
1933 There are essentially three ways to insert an ``Instruction`` into an existing
1934 sequence of instructions that form a ``BasicBlock``:
1935
1936 * Insertion into an explicit instruction list
1937
1938   Given a ``BasicBlock* pb``, an ``Instruction* pi`` within that ``BasicBlock``,
1939   and a newly-created instruction we wish to insert before ``*pi``, we do the
1940   following:
1941
1942   .. code-block:: c++
1943
1944       BasicBlock *pb = ...;
1945       Instruction *pi = ...;
1946       Instruction *newInst = new Instruction(...);
1947
1948       pb->getInstList().insert(pi, newInst); // Inserts newInst before pi in pb
1949
1950   Appending to the end of a ``BasicBlock`` is so common that the ``Instruction``
1951   class and ``Instruction``-derived classes provide constructors which take a
1952   pointer to a ``BasicBlock`` to be appended to.  For example code that looked
1953   like:
1954
1955   .. code-block:: c++
1956
1957     BasicBlock *pb = ...;
1958     Instruction *newInst = new Instruction(...);
1959
1960     pb->getInstList().push_back(newInst); // Appends newInst to pb
1961
1962   becomes:
1963
1964   .. code-block:: c++
1965
1966     BasicBlock *pb = ...;
1967     Instruction *newInst = new Instruction(..., pb);
1968
1969   which is much cleaner, especially if you are creating long instruction
1970   streams.
1971
1972 * Insertion into an implicit instruction list
1973
1974   ``Instruction`` instances that are already in ``BasicBlock``\ s are implicitly
1975   associated with an existing instruction list: the instruction list of the
1976   enclosing basic block.  Thus, we could have accomplished the same thing as the
1977   above code without being given a ``BasicBlock`` by doing:
1978
1979   .. code-block:: c++
1980
1981     Instruction *pi = ...;
1982     Instruction *newInst = new Instruction(...);
1983
1984     pi->getParent()->getInstList().insert(pi, newInst);
1985
1986   In fact, this sequence of steps occurs so frequently that the ``Instruction``
1987   class and ``Instruction``-derived classes provide constructors which take (as
1988   a default parameter) a pointer to an ``Instruction`` which the newly-created
1989   ``Instruction`` should precede.  That is, ``Instruction`` constructors are
1990   capable of inserting the newly-created instance into the ``BasicBlock`` of a
1991   provided instruction, immediately before that instruction.  Using an
1992   ``Instruction`` constructor with a ``insertBefore`` (default) parameter, the
1993   above code becomes:
1994
1995   .. code-block:: c++
1996
1997     Instruction* pi = ...;
1998     Instruction* newInst = new Instruction(..., pi);
1999
2000   which is much cleaner, especially if you're creating a lot of instructions and
2001   adding them to ``BasicBlock``\ s.
2002
2003 * Insertion using an instance of ``IRBuilder``
2004
2005   Inserting several ``Instruction``\ s can be quite laborious using the previous
2006   methods. The ``IRBuilder`` is a convenience class that can be used to add
2007   several instructions to the end of a ``BasicBlock`` or before a particular
2008   ``Instruction``. It also supports constant folding and renaming named
2009   registers (see ``IRBuilder``'s template arguments).
2010
2011   The example below demonstrates a very simple use of the ``IRBuilder`` where
2012   three instructions are inserted before the instruction ``pi``. The first two
2013   instructions are Call instructions and third instruction multiplies the return
2014   value of the two calls.
2015
2016   .. code-block:: c++
2017
2018     Instruction *pi = ...;
2019     IRBuilder<> Builder(pi);
2020     CallInst* callOne = Builder.CreateCall(...);
2021     CallInst* callTwo = Builder.CreateCall(...);
2022     Value* result = Builder.CreateMul(callOne, callTwo);
2023
2024   The example below is similar to the above example except that the created
2025   ``IRBuilder`` inserts instructions at the end of the ``BasicBlock`` ``pb``.
2026
2027   .. code-block:: c++
2028
2029     BasicBlock *pb = ...;
2030     IRBuilder<> Builder(pb);
2031     CallInst* callOne = Builder.CreateCall(...);
2032     CallInst* callTwo = Builder.CreateCall(...);
2033     Value* result = Builder.CreateMul(callOne, callTwo);
2034
2035   See :doc:`tutorial/LangImpl3` for a practical use of the ``IRBuilder``.
2036
2037
2038 .. _schanges_deleting:
2039
2040 Deleting Instructions
2041 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2042
2043 Deleting an instruction from an existing sequence of instructions that form a
2044 BasicBlock_ is very straight-forward: just call the instruction's
2045 ``eraseFromParent()`` method.  For example:
2046
2047 .. code-block:: c++
2048
2049   Instruction *I = .. ;
2050   I->eraseFromParent();
2051
2052 This unlinks the instruction from its containing basic block and deletes it.  If
2053 you'd just like to unlink the instruction from its containing basic block but
2054 not delete it, you can use the ``removeFromParent()`` method.
2055
2056 .. _schanges_replacing:
2057
2058 Replacing an Instruction with another Value
2059 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2060
2061 Replacing individual instructions
2062 """""""""""""""""""""""""""""""""
2063
2064 Including "`llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h
2065 <http://llvm.org/doxygen/BasicBlockUtils_8h-source.html>`_" permits use of two
2066 very useful replace functions: ``ReplaceInstWithValue`` and
2067 ``ReplaceInstWithInst``.
2068
2069 .. _schanges_deleting_sub:
2070
2071 Deleting Instructions
2072 """""""""""""""""""""
2073
2074 * ``ReplaceInstWithValue``
2075
2076   This function replaces all uses of a given instruction with a value, and then
2077   removes the original instruction.  The following example illustrates the
2078   replacement of the result of a particular ``AllocaInst`` that allocates memory
2079   for a single integer with a null pointer to an integer.
2080
2081   .. code-block:: c++
2082
2083     AllocaInst* instToReplace = ...;
2084     BasicBlock::iterator ii(instToReplace);
2085
2086     ReplaceInstWithValue(instToReplace->getParent()->getInstList(), ii,
2087                          Constant::getNullValue(PointerType::getUnqual(Type::Int32Ty)));
2088
2089 * ``ReplaceInstWithInst``
2090
2091   This function replaces a particular instruction with another instruction,
2092   inserting the new instruction into the basic block at the location where the
2093   old instruction was, and replacing any uses of the old instruction with the
2094   new instruction.  The following example illustrates the replacement of one
2095   ``AllocaInst`` with another.
2096
2097   .. code-block:: c++
2098
2099     AllocaInst* instToReplace = ...;
2100     BasicBlock::iterator ii(instToReplace);
2101
2102     ReplaceInstWithInst(instToReplace->getParent()->getInstList(), ii,
2103                         new AllocaInst(Type::Int32Ty, 0, "ptrToReplacedInt"));
2104
2105
2106 Replacing multiple uses of Users and Values
2107 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
2108
2109 You can use ``Value::replaceAllUsesWith`` and ``User::replaceUsesOfWith`` to
2110 change more than one use at a time.  See the doxygen documentation for the
2111 `Value Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`_ and `User Class
2112 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`_, respectively, for more
2113 information.
2114
2115 .. _schanges_deletingGV:
2116
2117 Deleting GlobalVariables
2118 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2119
2120 Deleting a global variable from a module is just as easy as deleting an
2121 Instruction.  First, you must have a pointer to the global variable that you
2122 wish to delete.  You use this pointer to erase it from its parent, the module.
2123 For example:
2124
2125 .. code-block:: c++
2126
2127   GlobalVariable *GV = .. ;
2128
2129   GV->eraseFromParent();
2130
2131
2132 .. _create_types:
2133
2134 How to Create Types
2135 -------------------
2136
2137 In generating IR, you may need some complex types.  If you know these types
2138 statically, you can use ``TypeBuilder<...>::get()``, defined in
2139 ``llvm/Support/TypeBuilder.h``, to retrieve them.  ``TypeBuilder`` has two forms
2140 depending on whether you're building types for cross-compilation or native
2141 library use.  ``TypeBuilder<T, true>`` requires that ``T`` be independent of the
2142 host environment, meaning that it's built out of types from the ``llvm::types``
2143 (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/namespacellvm_1_1types.html>`__) namespace
2144 and pointers, functions, arrays, etc. built of those.  ``TypeBuilder<T, false>``
2145 additionally allows native C types whose size may depend on the host compiler.
2146 For example,
2147
2148 .. code-block:: c++
2149
2150   FunctionType *ft = TypeBuilder<types::i<8>(types::i<32>*), true>::get();
2151
2152 is easier to read and write than the equivalent
2153
2154 .. code-block:: c++
2155
2156   std::vector<const Type*> params;
2157   params.push_back(PointerType::getUnqual(Type::Int32Ty));
2158   FunctionType *ft = FunctionType::get(Type::Int8Ty, params, false);
2159
2160 See the `class comment
2161 <http://llvm.org/doxygen/TypeBuilder_8h-source.html#l00001>`_ for more details.
2162
2163 .. _threading:
2164
2165 Threads and LLVM
2166 ================
2167
2168 This section describes the interaction of the LLVM APIs with multithreading,
2169 both on the part of client applications, and in the JIT, in the hosted
2170 application.
2171
2172 Note that LLVM's support for multithreading is still relatively young.  Up
2173 through version 2.5, the execution of threaded hosted applications was
2174 supported, but not threaded client access to the APIs.  While this use case is
2175 now supported, clients *must* adhere to the guidelines specified below to ensure
2176 proper operation in multithreaded mode.
2177
2178 Note that, on Unix-like platforms, LLVM requires the presence of GCC's atomic
2179 intrinsics in order to support threaded operation.  If you need a
2180 multhreading-capable LLVM on a platform without a suitably modern system
2181 compiler, consider compiling LLVM and LLVM-GCC in single-threaded mode, and
2182 using the resultant compiler to build a copy of LLVM with multithreading
2183 support.
2184
2185 .. _shutdown:
2186
2187 Ending Execution with ``llvm_shutdown()``
2188 -----------------------------------------
2189
2190 When you are done using the LLVM APIs, you should call ``llvm_shutdown()`` to
2191 deallocate memory used for internal structures.
2192
2193 .. _managedstatic:
2194
2195 Lazy Initialization with ``ManagedStatic``
2196 ------------------------------------------
2197
2198 ``ManagedStatic`` is a utility class in LLVM used to implement static
2199 initialization of static resources, such as the global type tables.  In a
2200 single-threaded environment, it implements a simple lazy initialization scheme.
2201 When LLVM is compiled with support for multi-threading, however, it uses
2202 double-checked locking to implement thread-safe lazy initialization.
2203
2204 .. _llvmcontext:
2205
2206 Achieving Isolation with ``LLVMContext``
2207 ----------------------------------------
2208
2209 ``LLVMContext`` is an opaque class in the LLVM API which clients can use to
2210 operate multiple, isolated instances of LLVM concurrently within the same
2211 address space.  For instance, in a hypothetical compile-server, the compilation
2212 of an individual translation unit is conceptually independent from all the
2213 others, and it would be desirable to be able to compile incoming translation
2214 units concurrently on independent server threads.  Fortunately, ``LLVMContext``
2215 exists to enable just this kind of scenario!
2216
2217 Conceptually, ``LLVMContext`` provides isolation.  Every LLVM entity
2218 (``Module``\ s, ``Value``\ s, ``Type``\ s, ``Constant``\ s, etc.) in LLVM's
2219 in-memory IR belongs to an ``LLVMContext``.  Entities in different contexts
2220 *cannot* interact with each other: ``Module``\ s in different contexts cannot be
2221 linked together, ``Function``\ s cannot be added to ``Module``\ s in different
2222 contexts, etc.  What this means is that is is safe to compile on multiple
2223 threads simultaneously, as long as no two threads operate on entities within the
2224 same context.
2225
2226 In practice, very few places in the API require the explicit specification of a
2227 ``LLVMContext``, other than the ``Type`` creation/lookup APIs.  Because every
2228 ``Type`` carries a reference to its owning context, most other entities can
2229 determine what context they belong to by looking at their own ``Type``.  If you
2230 are adding new entities to LLVM IR, please try to maintain this interface
2231 design.
2232
2233 For clients that do *not* require the benefits of isolation, LLVM provides a
2234 convenience API ``getGlobalContext()``.  This returns a global, lazily
2235 initialized ``LLVMContext`` that may be used in situations where isolation is
2236 not a concern.
2237
2238 .. _jitthreading:
2239
2240 Threads and the JIT
2241 -------------------
2242
2243 LLVM's "eager" JIT compiler is safe to use in threaded programs.  Multiple
2244 threads can call ``ExecutionEngine::getPointerToFunction()`` or
2245 ``ExecutionEngine::runFunction()`` concurrently, and multiple threads can run
2246 code output by the JIT concurrently.  The user must still ensure that only one
2247 thread accesses IR in a given ``LLVMContext`` while another thread might be
2248 modifying it.  One way to do that is to always hold the JIT lock while accessing
2249 IR outside the JIT (the JIT *modifies* the IR by adding ``CallbackVH``\ s).
2250 Another way is to only call ``getPointerToFunction()`` from the
2251 ``LLVMContext``'s thread.
2252
2253 When the JIT is configured to compile lazily (using
2254 ``ExecutionEngine::DisableLazyCompilation(false)``), there is currently a `race
2255 condition <http://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=5184>`_ in updating call sites
2256 after a function is lazily-jitted.  It's still possible to use the lazy JIT in a
2257 threaded program if you ensure that only one thread at a time can call any
2258 particular lazy stub and that the JIT lock guards any IR access, but we suggest
2259 using only the eager JIT in threaded programs.
2260
2261 .. _advanced:
2262
2263 Advanced Topics
2264 ===============
2265
2266 This section describes some of the advanced or obscure API's that most clients
2267 do not need to be aware of.  These API's tend manage the inner workings of the
2268 LLVM system, and only need to be accessed in unusual circumstances.
2269
2270 .. _SymbolTable:
2271
2272 The ``ValueSymbolTable`` class
2273 ------------------------------
2274
2275 The ``ValueSymbolTable`` (`doxygen
2276 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ValueSymbolTable.html>`__) class provides
2277 a symbol table that the :ref:`Function <c_Function>` and Module_ classes use for
2278 naming value definitions.  The symbol table can provide a name for any Value_.
2279
2280 Note that the ``SymbolTable`` class should not be directly accessed by most
2281 clients.  It should only be used when iteration over the symbol table names
2282 themselves are required, which is very special purpose.  Note that not all LLVM
2283 Value_\ s have names, and those without names (i.e. they have an empty name) do
2284 not exist in the symbol table.
2285
2286 Symbol tables support iteration over the values in the symbol table with
2287 ``begin/end/iterator`` and supports querying to see if a specific name is in the
2288 symbol table (with ``lookup``).  The ``ValueSymbolTable`` class exposes no
2289 public mutator methods, instead, simply call ``setName`` on a value, which will
2290 autoinsert it into the appropriate symbol table.
2291
2292 .. _UserLayout:
2293
2294 The ``User`` and owned ``Use`` classes' memory layout
2295 -----------------------------------------------------
2296
2297 The ``User`` (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`__)
2298 class provides a basis for expressing the ownership of ``User`` towards other
2299 `Value instance <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`_\ s.  The
2300 ``Use`` (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Use.html>`__) helper
2301 class is employed to do the bookkeeping and to facilitate *O(1)* addition and
2302 removal.
2303
2304 .. _Use2User:
2305
2306 Interaction and relationship between ``User`` and ``Use`` objects
2307 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2308
2309 A subclass of ``User`` can choose between incorporating its ``Use`` objects or
2310 refer to them out-of-line by means of a pointer.  A mixed variant (some ``Use``
2311 s inline others hung off) is impractical and breaks the invariant that the
2312 ``Use`` objects belonging to the same ``User`` form a contiguous array.
2313
2314 We have 2 different layouts in the ``User`` (sub)classes:
2315
2316 * Layout a)
2317
2318   The ``Use`` object(s) are inside (resp. at fixed offset) of the ``User``
2319   object and there are a fixed number of them.
2320
2321 * Layout b)
2322
2323   The ``Use`` object(s) are referenced by a pointer to an array from the
2324   ``User`` object and there may be a variable number of them.
2325
2326 As of v2.4 each layout still possesses a direct pointer to the start of the
2327 array of ``Use``\ s.  Though not mandatory for layout a), we stick to this
2328 redundancy for the sake of simplicity.  The ``User`` object also stores the
2329 number of ``Use`` objects it has. (Theoretically this information can also be
2330 calculated given the scheme presented below.)
2331
2332 Special forms of allocation operators (``operator new``) enforce the following
2333 memory layouts:
2334
2335 * Layout a) is modelled by prepending the ``User`` object by the ``Use[]``
2336   array.
2337
2338   .. code-block:: none
2339
2340     ...---.---.---.---.-------...
2341       | P | P | P | P | User
2342     '''---'---'---'---'-------'''
2343
2344 * Layout b) is modelled by pointing at the ``Use[]`` array.
2345
2346   .. code-block:: none
2347
2348     .-------...
2349     | User
2350     '-------'''
2351         |
2352         v
2353         .---.---.---.---...
2354         | P | P | P | P |
2355         '---'---'---'---'''
2356
2357 *(In the above figures* '``P``' *stands for the* ``Use**`` *that is stored in
2358 each* ``Use`` *object in the member* ``Use::Prev`` *)*
2359
2360 .. _Waymarking:
2361
2362 The waymarking algorithm
2363 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2364
2365 Since the ``Use`` objects are deprived of the direct (back)pointer to their
2366 ``User`` objects, there must be a fast and exact method to recover it.  This is
2367 accomplished by the following scheme:
2368
2369 A bit-encoding in the 2 LSBits (least significant bits) of the ``Use::Prev``
2370 allows to find the start of the ``User`` object:
2371
2372 * ``00`` --- binary digit 0
2373
2374 * ``01`` --- binary digit 1
2375
2376 * ``10`` --- stop and calculate (``s``)
2377
2378 * ``11`` --- full stop (``S``)
2379
2380 Given a ``Use*``, all we have to do is to walk till we get a stop and we either
2381 have a ``User`` immediately behind or we have to walk to the next stop picking
2382 up digits and calculating the offset:
2383
2384 .. code-block:: none
2385
2386   .---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.----------------
2387   | 1 | s | 1 | 0 | 1 | 0 | s | 1 | 1 | 0 | s | 1 | 1 | s | 1 | S | User (or User*)
2388   '---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'----------------
2389       |+15                |+10            |+6         |+3     |+1
2390       |                   |               |           |       | __>
2391       |                   |               |           | __________>
2392       |                   |               | ______________________>
2393       |                   | ______________________________________>
2394       | __________________________________________________________>
2395
2396 Only the significant number of bits need to be stored between the stops, so that
2397 the *worst case is 20 memory accesses* when there are 1000 ``Use`` objects
2398 associated with a ``User``.
2399
2400 .. _ReferenceImpl:
2401
2402 Reference implementation
2403 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2404
2405 The following literate Haskell fragment demonstrates the concept:
2406
2407 .. code-block:: haskell
2408
2409   > import Test.QuickCheck
2410   >
2411   > digits :: Int -> [Char] -> [Char]
2412   > digits 0 acc = '0' : acc
2413   > digits 1 acc = '1' : acc
2414   > digits n acc = digits (n `div` 2) $ digits (n `mod` 2) acc
2415   >
2416   > dist :: Int -> [Char] -> [Char]
2417   > dist 0 [] = ['S']
2418   > dist 0 acc = acc
2419   > dist 1 acc = let r = dist 0 acc in 's' : digits (length r) r
2420   > dist n acc = dist (n - 1) $ dist 1 acc
2421   >
2422   > takeLast n ss = reverse $ take n $ reverse ss
2423   >
2424   > test = takeLast 40 $ dist 20 []
2425   >
2426
2427 Printing <test> gives: ``"1s100000s11010s10100s1111s1010s110s11s1S"``
2428
2429 The reverse algorithm computes the length of the string just by examining a
2430 certain prefix:
2431
2432 .. code-block:: haskell
2433
2434   > pref :: [Char] -> Int
2435   > pref "S" = 1
2436   > pref ('s':'1':rest) = decode 2 1 rest
2437   > pref (_:rest) = 1 + pref rest
2438   >
2439   > decode walk acc ('0':rest) = decode (walk + 1) (acc * 2) rest
2440   > decode walk acc ('1':rest) = decode (walk + 1) (acc * 2 + 1) rest
2441   > decode walk acc _ = walk + acc
2442   >
2443
2444 Now, as expected, printing <pref test> gives ``40``.
2445
2446 We can *quickCheck* this with following property:
2447
2448 .. code-block:: haskell
2449
2450   > testcase = dist 2000 []
2451   > testcaseLength = length testcase
2452   >
2453   > identityProp n = n > 0 && n <= testcaseLength ==> length arr == pref arr
2454   >     where arr = takeLast n testcase
2455   >
2456
2457 As expected <quickCheck identityProp> gives:
2458
2459 ::
2460
2461   *Main> quickCheck identityProp
2462   OK, passed 100 tests.
2463
2464 Let's be a bit more exhaustive:
2465
2466 .. code-block:: haskell
2467
2468   >
2469   > deepCheck p = check (defaultConfig { configMaxTest = 500 }) p
2470   >
2471
2472 And here is the result of <deepCheck identityProp>:
2473
2474 ::
2475
2476   *Main> deepCheck identityProp
2477   OK, passed 500 tests.
2478
2479 .. _Tagging:
2480
2481 Tagging considerations
2482 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2483
2484 To maintain the invariant that the 2 LSBits of each ``Use**`` in ``Use`` never
2485 change after being set up, setters of ``Use::Prev`` must re-tag the new
2486 ``Use**`` on every modification.  Accordingly getters must strip the tag bits.
2487
2488 For layout b) instead of the ``User`` we find a pointer (``User*`` with LSBit
2489 set).  Following this pointer brings us to the ``User``.  A portable trick
2490 ensures that the first bytes of ``User`` (if interpreted as a pointer) never has
2491 the LSBit set. (Portability is relying on the fact that all known compilers
2492 place the ``vptr`` in the first word of the instances.)
2493
2494 .. _polymorphism:
2495
2496 Designing Type Hiercharies and Polymorphic Interfaces
2497 -----------------------------------------------------
2498
2499 There are two different design patterns that tend to result in the use of
2500 virtual dispatch for methods in a type hierarchy in C++ programs. The first is
2501 a genuine type hierarchy where different types in the hierarchy model
2502 a specific subset of the functionality and semantics, and these types nest
2503 strictly within each other. Good examples of this can be seen in the ``Value``
2504 or ``Type`` type hierarchies.
2505
2506 A second is the desire to dispatch dynamically across a collection of
2507 polymorphic interface implementations. This latter use case can be modeled with
2508 virtual dispatch and inheritance by defining an abstract interface base class
2509 which all implementations derive from and override. However, this
2510 implementation strategy forces an **"is-a"** relationship to exist that is not
2511 actually meaningful. There is often not some nested hierarchy of useful
2512 generalizations which code might interact with and move up and down. Instead,
2513 there is a singular interface which is dispatched across a range of
2514 implementations.
2515
2516 The preferred implementation strategy for the second use case is that of
2517 generic programming (sometimes called "compile-time duck typing" or "static
2518 polymorphism"). For example, a template over some type parameter ``T`` can be
2519 instantiated across any particular implementation that conforms to the
2520 interface or *concept*. A good example here is the highly generic properties of
2521 any type which models a node in a directed graph. LLVM models these primarily
2522 through templates and generic programming. Such templates include the
2523 ``LoopInfoBase`` and ``DominatorTreeBase``. When this type of polymorphism
2524 truly needs **dynamic** dispatch you can generalize it using a technique
2525 called *concept-based polymorphism*. This pattern emulates the interfaces and
2526 behaviors of templates using a very limited form of virtual dispatch for type
2527 erasure inside its implementation. You can find examples of this technique in
2528 the ``PassManager.h`` system, and there is a more detailed introduction to it
2529 by Sean Parent in several of his talks and papers:
2530
2531 #. `Inheritance Is The Base Class of Evil
2532    <http://channel9.msdn.com/Events/GoingNative/2013/Inheritance-Is-The-Base-Class-of-Evil>`_
2533    - The GoingNative 2013 talk describing this technique, and probably the best
2534    place to start.
2535 #. `Value Semantics and Concepts-based Polymorphism
2536    <http://www.youtube.com/watch?v=_BpMYeUFXv8>`_ - The C++Now! 2012 talk
2537    describing this technique in more detail.
2538 #. `Sean Parent's Papers and Presentations
2539    <http://github.com/sean-parent/sean-parent.github.com/wiki/Papers-and-Presentations>`_
2540    - A Github project full of links to slides, video, and sometimes code.
2541
2542 When deciding between creating a type hierarchy (with either tagged or virtual
2543 dispatch) and using templates or concepts-based polymorphism, consider whether
2544 there is some refinement of an abstract base class which is a semantically
2545 meaningful type on an interface boundary. If anything more refined than the
2546 root abstract interface is meaningless to talk about as a partial extension of
2547 the semantic model, then your use case likely fits better with polymorphism and
2548 you should avoid using virtual dispatch. However, there may be some exigent
2549 circumstances that require one technique or the other to be used.
2550
2551 If you do need to introduce a type hierarchy, we prefer to use explicitly
2552 closed type hierarchies with manual tagged dispatch and/or RTTI rather than the
2553 open inheritance model and virtual dispatch that is more common in C++ code.
2554 This is because LLVM rarely encourages library consumers to extend its core
2555 types, and leverages the closed and tag-dispatched nature of its hierarchies to
2556 generate significantly more efficient code. We have also found that a large
2557 amount of our usage of type hierarchies fits better with tag-based pattern
2558 matching rather than dynamic dispatch across a common interface. Within LLVM we
2559 have built custom helpers to facilitate this design. See this document's
2560 section on :ref:`isa and dyn_cast <isa>` and our :doc:`detailed document
2561 <HowToSetUpLLVMStyleRTTI>` which describes how you can implement this
2562 pattern for use with the LLVM helpers.
2563
2564 .. _abi_breaking_checks:
2565
2566 ABI Breaking Checks
2567 -------------------
2568
2569 Checks and asserts that alter the LLVM C++ ABI are predicated on the
2570 preprocessor symbol `LLVM_ENABLE_ABI_BREAKING_CHECKS` -- LLVM
2571 libraries built with `LLVM_ENABLE_ABI_BREAKING_CHECKS` are not ABI
2572 compatible LLVM libraries built without it defined.  By default,
2573 turning on assertions also turns on `LLVM_ENABLE_ABI_BREAKING_CHECKS`
2574 so a default +Asserts build is not ABI compatible with a
2575 default -Asserts build.  Clients that want ABI compatibility
2576 between +Asserts and -Asserts builds should use the CMake or autoconf
2577 build systems to set `LLVM_ENABLE_ABI_BREAKING_CHECKS` independently
2578 of `LLVM_ENABLE_ASSERTIONS`.
2579
2580 .. _coreclasses:
2581
2582 The Core LLVM Class Hierarchy Reference
2583 =======================================
2584
2585 ``#include "llvm/IR/Type.h"``
2586
2587 header source: `Type.h <http://llvm.org/doxygen/Type_8h-source.html>`_
2588
2589 doxygen info: `Type Clases <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Type.html>`_
2590
2591 The Core LLVM classes are the primary means of representing the program being
2592 inspected or transformed.  The core LLVM classes are defined in header files in
2593 the ``include/llvm/IR`` directory, and implemented in the ``lib/IR``
2594 directory. It's worth noting that, for historical reasons, this library is
2595 called ``libLLVMCore.so``, not ``libLLVMIR.so`` as you might expect.
2596
2597 .. _Type:
2598
2599 The Type class and Derived Types
2600 --------------------------------
2601
2602 ``Type`` is a superclass of all type classes.  Every ``Value`` has a ``Type``.
2603 ``Type`` cannot be instantiated directly but only through its subclasses.
2604 Certain primitive types (``VoidType``, ``LabelType``, ``FloatType`` and
2605 ``DoubleType``) have hidden subclasses.  They are hidden because they offer no
2606 useful functionality beyond what the ``Type`` class offers except to distinguish
2607 themselves from other subclasses of ``Type``.
2608
2609 All other types are subclasses of ``DerivedType``.  Types can be named, but this
2610 is not a requirement.  There exists exactly one instance of a given shape at any
2611 one time.  This allows type equality to be performed with address equality of
2612 the Type Instance.  That is, given two ``Type*`` values, the types are identical
2613 if the pointers are identical.
2614
2615 .. _m_Type:
2616
2617 Important Public Methods
2618 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2619
2620 * ``bool isIntegerTy() const``: Returns true for any integer type.
2621
2622 * ``bool isFloatingPointTy()``: Return true if this is one of the five
2623   floating point types.
2624
2625 * ``bool isSized()``: Return true if the type has known size.  Things
2626   that don't have a size are abstract types, labels and void.
2627
2628 .. _derivedtypes:
2629
2630 Important Derived Types
2631 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2632
2633 ``IntegerType``
2634   Subclass of DerivedType that represents integer types of any bit width.  Any
2635   bit width between ``IntegerType::MIN_INT_BITS`` (1) and
2636   ``IntegerType::MAX_INT_BITS`` (~8 million) can be represented.
2637
2638   * ``static const IntegerType* get(unsigned NumBits)``: get an integer
2639     type of a specific bit width.
2640
2641   * ``unsigned getBitWidth() const``: Get the bit width of an integer type.
2642
2643 ``SequentialType``
2644   This is subclassed by ArrayType, PointerType and VectorType.
2645
2646   * ``const Type * getElementType() const``: Returns the type of each
2647     of the elements in the sequential type.
2648
2649 ``ArrayType``
2650   This is a subclass of SequentialType and defines the interface for array
2651   types.
2652
2653   * ``unsigned getNumElements() const``: Returns the number of elements
2654     in the array.
2655
2656 ``PointerType``
2657   Subclass of SequentialType for pointer types.
2658
2659 ``VectorType``
2660   Subclass of SequentialType for vector types.  A vector type is similar to an
2661   ArrayType but is distinguished because it is a first class type whereas
2662   ArrayType is not.  Vector types are used for vector operations and are usually
2663   small vectors of an integer or floating point type.
2664
2665 ``StructType``
2666   Subclass of DerivedTypes for struct types.
2667
2668 .. _FunctionType:
2669
2670 ``FunctionType``
2671   Subclass of DerivedTypes for function types.
2672
2673   * ``bool isVarArg() const``: Returns true if it's a vararg function.
2674
2675   * ``const Type * getReturnType() const``: Returns the return type of the
2676     function.
2677
2678   * ``const Type * getParamType (unsigned i)``: Returns the type of the ith
2679     parameter.
2680
2681   * ``const unsigned getNumParams() const``: Returns the number of formal
2682     parameters.
2683
2684 .. _Module:
2685
2686 The ``Module`` class
2687 --------------------
2688
2689 ``#include "llvm/IR/Module.h"``
2690
2691 header source: `Module.h <http://llvm.org/doxygen/Module_8h-source.html>`_
2692
2693 doxygen info: `Module Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Module.html>`_
2694
2695 The ``Module`` class represents the top level structure present in LLVM
2696 programs.  An LLVM module is effectively either a translation unit of the
2697 original program or a combination of several translation units merged by the
2698 linker.  The ``Module`` class keeps track of a list of :ref:`Function
2699 <c_Function>`\ s, a list of GlobalVariable_\ s, and a SymbolTable_.
2700 Additionally, it contains a few helpful member functions that try to make common
2701 operations easy.
2702
2703 .. _m_Module:
2704
2705 Important Public Members of the ``Module`` class
2706 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2707
2708 * ``Module::Module(std::string name = "")``
2709
2710   Constructing a Module_ is easy.  You can optionally provide a name for it
2711   (probably based on the name of the translation unit).
2712
2713 * | ``Module::iterator`` - Typedef for function list iterator
2714   | ``Module::const_iterator`` - Typedef for const_iterator.
2715   | ``begin()``, ``end()``, ``size()``, ``empty()``
2716
2717   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
2718   ``Module`` object's :ref:`Function <c_Function>` list.
2719
2720 * ``Module::FunctionListType &getFunctionList()``
2721
2722   Returns the list of :ref:`Function <c_Function>`\ s.  This is necessary to use
2723   when you need to update the list or perform a complex action that doesn't have
2724   a forwarding method.
2725
2726 ----------------
2727
2728 * | ``Module::global_iterator`` - Typedef for global variable list iterator
2729   | ``Module::const_global_iterator`` - Typedef for const_iterator.
2730   | ``global_begin()``, ``global_end()``, ``global_size()``, ``global_empty()``
2731
2732   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
2733   ``Module`` object's GlobalVariable_ list.
2734
2735 * ``Module::GlobalListType &getGlobalList()``
2736
2737   Returns the list of GlobalVariable_\ s.  This is necessary to use when you
2738   need to update the list or perform a complex action that doesn't have a
2739   forwarding method.
2740
2741 ----------------
2742
2743 * ``SymbolTable *getSymbolTable()``
2744
2745   Return a reference to the SymbolTable_ for this ``Module``.
2746
2747 ----------------
2748
2749 * ``Function *getFunction(StringRef Name) const``
2750
2751   Look up the specified function in the ``Module`` SymbolTable_.  If it does not
2752   exist, return ``null``.
2753
2754 * ``Function *getOrInsertFunction(const std::string &Name, const FunctionType
2755   *T)``
2756
2757   Look up the specified function in the ``Module`` SymbolTable_.  If it does not
2758   exist, add an external declaration for the function and return it.
2759
2760 * ``std::string getTypeName(const Type *Ty)``
2761
2762   If there is at least one entry in the SymbolTable_ for the specified Type_,
2763   return it.  Otherwise return the empty string.
2764
2765 * ``bool addTypeName(const std::string &Name, const Type *Ty)``
2766
2767   Insert an entry in the SymbolTable_ mapping ``Name`` to ``Ty``.  If there is
2768   already an entry for this name, true is returned and the SymbolTable_ is not
2769   modified.
2770
2771 .. _Value:
2772
2773 The ``Value`` class
2774 -------------------
2775
2776 ``#include "llvm/IR/Value.h"``
2777
2778 header source: `Value.h <http://llvm.org/doxygen/Value_8h-source.html>`_
2779
2780 doxygen info: `Value Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`_
2781
2782 The ``Value`` class is the most important class in the LLVM Source base.  It
2783 represents a typed value that may be used (among other things) as an operand to
2784 an instruction.  There are many different types of ``Value``\ s, such as
2785 Constant_\ s, Argument_\ s.  Even Instruction_\ s and :ref:`Function
2786 <c_Function>`\ s are ``Value``\ s.
2787
2788 A particular ``Value`` may be used many times in the LLVM representation for a
2789 program.  For example, an incoming argument to a function (represented with an
2790 instance of the Argument_ class) is "used" by every instruction in the function
2791 that references the argument.  To keep track of this relationship, the ``Value``
2792 class keeps a list of all of the ``User``\ s that is using it (the User_ class
2793 is a base class for all nodes in the LLVM graph that can refer to ``Value``\ s).
2794 This use list is how LLVM represents def-use information in the program, and is
2795 accessible through the ``use_*`` methods, shown below.
2796
2797 Because LLVM is a typed representation, every LLVM ``Value`` is typed, and this
2798 Type_ is available through the ``getType()`` method.  In addition, all LLVM
2799 values can be named.  The "name" of the ``Value`` is a symbolic string printed
2800 in the LLVM code:
2801
2802 .. code-block:: llvm
2803
2804   %foo = add i32 1, 2
2805
2806 .. _nameWarning:
2807
2808 The name of this instruction is "foo". **NOTE** that the name of any value may
2809 be missing (an empty string), so names should **ONLY** be used for debugging
2810 (making the source code easier to read, debugging printouts), they should not be
2811 used to keep track of values or map between them.  For this purpose, use a
2812 ``std::map`` of pointers to the ``Value`` itself instead.
2813
2814 One important aspect of LLVM is that there is no distinction between an SSA
2815 variable and the operation that produces it.  Because of this, any reference to
2816 the value produced by an instruction (or the value available as an incoming
2817 argument, for example) is represented as a direct pointer to the instance of the
2818 class that represents this value.  Although this may take some getting used to,
2819 it simplifies the representation and makes it easier to manipulate.
2820
2821 .. _m_Value:
2822
2823 Important Public Members of the ``Value`` class
2824 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2825
2826 * | ``Value::use_iterator`` - Typedef for iterator over the use-list
2827   | ``Value::const_use_iterator`` - Typedef for const_iterator over the
2828     use-list
2829   | ``unsigned use_size()`` - Returns the number of users of the value.
2830   | ``bool use_empty()`` - Returns true if there are no users.
2831   | ``use_iterator use_begin()`` - Get an iterator to the start of the
2832     use-list.
2833   | ``use_iterator use_end()`` - Get an iterator to the end of the use-list.
2834   | ``User *use_back()`` - Returns the last element in the list.
2835
2836   These methods are the interface to access the def-use information in LLVM.
2837   As with all other iterators in LLVM, the naming conventions follow the
2838   conventions defined by the STL_.
2839
2840 * ``Type *getType() const``
2841   This method returns the Type of the Value.
2842
2843 * | ``bool hasName() const``
2844   | ``std::string getName() const``
2845   | ``void setName(const std::string &Name)``
2846
2847   This family of methods is used to access and assign a name to a ``Value``, be
2848   aware of the :ref:`precaution above <nameWarning>`.
2849
2850 * ``void replaceAllUsesWith(Value *V)``
2851
2852   This method traverses the use list of a ``Value`` changing all User_\ s of the
2853   current value to refer to "``V``" instead.  For example, if you detect that an
2854   instruction always produces a constant value (for example through constant
2855   folding), you can replace all uses of the instruction with the constant like
2856   this:
2857
2858   .. code-block:: c++
2859
2860     Inst->replaceAllUsesWith(ConstVal);
2861
2862 .. _User:
2863
2864 The ``User`` class
2865 ------------------
2866
2867 ``#include "llvm/IR/User.h"``
2868
2869 header source: `User.h <http://llvm.org/doxygen/User_8h-source.html>`_
2870
2871 doxygen info: `User Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`_
2872
2873 Superclass: Value_
2874
2875 The ``User`` class is the common base class of all LLVM nodes that may refer to
2876 ``Value``\ s.  It exposes a list of "Operands" that are all of the ``Value``\ s
2877 that the User is referring to.  The ``User`` class itself is a subclass of
2878 ``Value``.
2879
2880 The operands of a ``User`` point directly to the LLVM ``Value`` that it refers
2881 to.  Because LLVM uses Static Single Assignment (SSA) form, there can only be
2882 one definition referred to, allowing this direct connection.  This connection
2883 provides the use-def information in LLVM.
2884
2885 .. _m_User:
2886
2887 Important Public Members of the ``User`` class
2888 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2889
2890 The ``User`` class exposes the operand list in two ways: through an index access
2891 interface and through an iterator based interface.
2892
2893 * | ``Value *getOperand(unsigned i)``
2894   | ``unsigned getNumOperands()``
2895
2896   These two methods expose the operands of the ``User`` in a convenient form for
2897   direct access.
2898
2899 * | ``User::op_iterator`` - Typedef for iterator over the operand list
2900   | ``op_iterator op_begin()`` - Get an iterator to the start of the operand
2901     list.
2902   | ``op_iterator op_end()`` - Get an iterator to the end of the operand list.
2903
2904   Together, these methods make up the iterator based interface to the operands
2905   of a ``User``.
2906
2907
2908 .. _Instruction:
2909
2910 The ``Instruction`` class
2911 -------------------------
2912
2913 ``#include "llvm/IR/Instruction.h"``
2914
2915 header source: `Instruction.h
2916 <http://llvm.org/doxygen/Instruction_8h-source.html>`_
2917
2918 doxygen info: `Instruction Class
2919 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Instruction.html>`_
2920
2921 Superclasses: User_, Value_
2922
2923 The ``Instruction`` class is the common base class for all LLVM instructions.
2924 It provides only a few methods, but is a very commonly used class.  The primary
2925 data tracked by the ``Instruction`` class itself is the opcode (instruction
2926 type) and the parent BasicBlock_ the ``Instruction`` is embedded into.  To
2927 represent a specific type of instruction, one of many subclasses of
2928 ``Instruction`` are used.
2929
2930 Because the ``Instruction`` class subclasses the User_ class, its operands can
2931 be accessed in the same way as for other ``User``\ s (with the
2932 ``getOperand()``/``getNumOperands()`` and ``op_begin()``/``op_end()`` methods).
2933 An important file for the ``Instruction`` class is the ``llvm/Instruction.def``
2934 file.  This file contains some meta-data about the various different types of
2935 instructions in LLVM.  It describes the enum values that are used as opcodes
2936 (for example ``Instruction::Add`` and ``Instruction::ICmp``), as well as the
2937 concrete sub-classes of ``Instruction`` that implement the instruction (for
2938 example BinaryOperator_ and CmpInst_).  Unfortunately, the use of macros in this
2939 file confuses doxygen, so these enum values don't show up correctly in the
2940 `doxygen output <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Instruction.html>`_.
2941
2942 .. _s_Instruction:
2943
2944 Important Subclasses of the ``Instruction`` class
2945 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2946
2947 .. _BinaryOperator:
2948
2949 * ``BinaryOperator``
2950
2951   This subclasses represents all two operand instructions whose operands must be
2952   the same type, except for the comparison instructions.
2953
2954 .. _CastInst:
2955
2956 * ``CastInst``
2957   This subclass is the parent of the 12 casting instructions.  It provides
2958   common operations on cast instructions.
2959
2960 .. _CmpInst:
2961
2962 * ``CmpInst``
2963
2964   This subclass respresents the two comparison instructions,
2965   `ICmpInst <LangRef.html#i_icmp>`_ (integer opreands), and
2966   `FCmpInst <LangRef.html#i_fcmp>`_ (floating point operands).
2967
2968 .. _TerminatorInst:
2969
2970 * ``TerminatorInst``
2971
2972   This subclass is the parent of all terminator instructions (those which can
2973   terminate a block).
2974
2975 .. _m_Instruction:
2976
2977 Important Public Members of the ``Instruction`` class
2978 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2979
2980 * ``BasicBlock *getParent()``
2981
2982   Returns the BasicBlock_ that this
2983   ``Instruction`` is embedded into.
2984
2985 * ``bool mayWriteToMemory()``
2986
2987   Returns true if the instruction writes to memory, i.e. it is a ``call``,
2988   ``free``, ``invoke``, or ``store``.
2989
2990 * ``unsigned getOpcode()``
2991
2992   Returns the opcode for the ``Instruction``.
2993
2994 * ``Instruction *clone() const``
2995
2996   Returns another instance of the specified instruction, identical in all ways
2997   to the original except that the instruction has no parent (i.e. it's not
2998   embedded into a BasicBlock_), and it has no name.
2999
3000 .. _Constant:
3001
3002 The ``Constant`` class and subclasses
3003 -------------------------------------
3004
3005 Constant represents a base class for different types of constants.  It is
3006 subclassed by ConstantInt, ConstantArray, etc. for representing the various
3007 types of Constants.  GlobalValue_ is also a subclass, which represents the
3008 address of a global variable or function.
3009
3010 .. _s_Constant:
3011
3012 Important Subclasses of Constant
3013 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3014
3015 * ConstantInt : This subclass of Constant represents an integer constant of
3016   any width.
3017
3018   * ``const APInt& getValue() const``: Returns the underlying
3019     value of this constant, an APInt value.
3020
3021   * ``int64_t getSExtValue() const``: Converts the underlying APInt value to an
3022     int64_t via sign extension.  If the value (not the bit width) of the APInt
3023     is too large to fit in an int64_t, an assertion will result.  For this
3024     reason, use of this method is discouraged.
3025
3026   * ``uint64_t getZExtValue() const``: Converts the underlying APInt value
3027     to a uint64_t via zero extension.  IF the value (not the bit width) of the
3028     APInt is too large to fit in a uint64_t, an assertion will result.  For this
3029     reason, use of this method is discouraged.
3030
3031   * ``static ConstantInt* get(const APInt& Val)``: Returns the ConstantInt
3032     object that represents the value provided by ``Val``.  The type is implied
3033     as the IntegerType that corresponds to the bit width of ``Val``.
3034
3035   * ``static ConstantInt* get(const Type *Ty, uint64_t Val)``: Returns the
3036     ConstantInt object that represents the value provided by ``Val`` for integer
3037     type ``Ty``.
3038
3039 * ConstantFP : This class represents a floating point constant.
3040
3041   * ``double getValue() const``: Returns the underlying value of this constant.
3042
3043 * ConstantArray : This represents a constant array.
3044
3045   * ``const std::vector<Use> &getValues() const``: Returns a vector of
3046     component constants that makeup this array.
3047
3048 * ConstantStruct : This represents a constant struct.
3049
3050   * ``const std::vector<Use> &getValues() const``: Returns a vector of
3051     component constants that makeup this array.
3052
3053 * GlobalValue : This represents either a global variable or a function.  In
3054   either case, the value is a constant fixed address (after linking).
3055
3056 .. _GlobalValue:
3057
3058 The ``GlobalValue`` class
3059 -------------------------
3060
3061 ``#include "llvm/IR/GlobalValue.h"``
3062
3063 header source: `GlobalValue.h
3064 <http://llvm.org/doxygen/GlobalValue_8h-source.html>`_
3065
3066 doxygen info: `GlobalValue Class
3067 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1GlobalValue.html>`_
3068
3069 Superclasses: Constant_, User_, Value_
3070
3071 Global values ( GlobalVariable_\ s or :ref:`Function <c_Function>`\ s) are the
3072 only LLVM values that are visible in the bodies of all :ref:`Function
3073 <c_Function>`\ s.  Because they are visible at global scope, they are also
3074 subject to linking with other globals defined in different translation units.
3075 To control the linking process, ``GlobalValue``\ s know their linkage rules.
3076 Specifically, ``GlobalValue``\ s know whether they have internal or external
3077 linkage, as defined by the ``LinkageTypes`` enumeration.
3078
3079 If a ``GlobalValue`` has internal linkage (equivalent to being ``static`` in C),
3080 it is not visible to code outside the current translation unit, and does not
3081 participate in linking.  If it has external linkage, it is visible to external
3082 code, and does participate in linking.  In addition to linkage information,
3083 ``GlobalValue``\ s keep track of which Module_ they are currently part of.
3084
3085 Because ``GlobalValue``\ s are memory objects, they are always referred to by
3086 their **address**.  As such, the Type_ of a global is always a pointer to its
3087 contents.  It is important to remember this when using the ``GetElementPtrInst``
3088 instruction because this pointer must be dereferenced first.  For example, if
3089 you have a ``GlobalVariable`` (a subclass of ``GlobalValue)`` that is an array
3090 of 24 ints, type ``[24 x i32]``, then the ``GlobalVariable`` is a pointer to
3091 that array.  Although the address of the first element of this array and the
3092 value of the ``GlobalVariable`` are the same, they have different types.  The
3093 ``GlobalVariable``'s type is ``[24 x i32]``.  The first element's type is
3094 ``i32.`` Because of this, accessing a global value requires you to dereference
3095 the pointer with ``GetElementPtrInst`` first, then its elements can be accessed.
3096 This is explained in the `LLVM Language Reference Manual
3097 <LangRef.html#globalvars>`_.
3098
3099 .. _m_GlobalValue:
3100
3101 Important Public Members of the ``GlobalValue`` class
3102 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3103
3104 * | ``bool hasInternalLinkage() const``
3105   | ``bool hasExternalLinkage() const``
3106   | ``void setInternalLinkage(bool HasInternalLinkage)``
3107
3108   These methods manipulate the linkage characteristics of the ``GlobalValue``.
3109
3110 * ``Module *getParent()``
3111
3112   This returns the Module_ that the
3113   GlobalValue is currently embedded into.
3114
3115 .. _c_Function:
3116
3117 The ``Function`` class
3118 ----------------------
3119
3120 ``#include "llvm/IR/Function.h"``
3121
3122 header source: `Function.h <http://llvm.org/doxygen/Function_8h-source.html>`_
3123
3124 doxygen info: `Function Class
3125 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Function.html>`_
3126
3127 Superclasses: GlobalValue_, Constant_, User_, Value_
3128
3129 The ``Function`` class represents a single procedure in LLVM.  It is actually
3130 one of the more complex classes in the LLVM hierarchy because it must keep track
3131 of a large amount of data.  The ``Function`` class keeps track of a list of
3132 BasicBlock_\ s, a list of formal Argument_\ s, and a SymbolTable_.
3133
3134 The list of BasicBlock_\ s is the most commonly used part of ``Function``
3135 objects.  The list imposes an implicit ordering of the blocks in the function,
3136 which indicate how the code will be laid out by the backend.  Additionally, the
3137 first BasicBlock_ is the implicit entry node for the ``Function``.  It is not
3138 legal in LLVM to explicitly branch to this initial block.  There are no implicit
3139 exit nodes, and in fact there may be multiple exit nodes from a single
3140 ``Function``.  If the BasicBlock_ list is empty, this indicates that the
3141 ``Function`` is actually a function declaration: the actual body of the function
3142 hasn't been linked in yet.
3143
3144 In addition to a list of BasicBlock_\ s, the ``Function`` class also keeps track
3145 of the list of formal Argument_\ s that the function receives.  This container
3146 manages the lifetime of the Argument_ nodes, just like the BasicBlock_ list does
3147 for the BasicBlock_\ s.
3148
3149 The SymbolTable_ is a very rarely used LLVM feature that is only used when you
3150 have to look up a value by name.  Aside from that, the SymbolTable_ is used
3151 internally to make sure that there are not conflicts between the names of
3152 Instruction_\ s, BasicBlock_\ s, or Argument_\ s in the function body.
3153
3154 Note that ``Function`` is a GlobalValue_ and therefore also a Constant_.  The
3155 value of the function is its address (after linking) which is guaranteed to be
3156 constant.
3157
3158 .. _m_Function:
3159
3160 Important Public Members of the ``Function``
3161 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3162
3163 * ``Function(const FunctionType *Ty, LinkageTypes Linkage,
3164   const std::string &N = "", Module* Parent = 0)``
3165
3166   Constructor used when you need to create new ``Function``\ s to add the
3167   program.  The constructor must specify the type of the function to create and
3168   what type of linkage the function should have.  The FunctionType_ argument
3169   specifies the formal arguments and return value for the function.  The same
3170   FunctionType_ value can be used to create multiple functions.  The ``Parent``
3171   argument specifies the Module in which the function is defined.  If this
3172   argument is provided, the function will automatically be inserted into that
3173   module's list of functions.
3174
3175 * ``bool isDeclaration()``
3176
3177   Return whether or not the ``Function`` has a body defined.  If the function is
3178   "external", it does not have a body, and thus must be resolved by linking with
3179   a function defined in a different translation unit.
3180
3181 * | ``Function::iterator`` - Typedef for basic block list iterator
3182   | ``Function::const_iterator`` - Typedef for const_iterator.
3183   | ``begin()``, ``end()``, ``size()``, ``empty()``
3184
3185   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
3186   ``Function`` object's BasicBlock_ list.
3187
3188 * ``Function::BasicBlockListType &getBasicBlockList()``
3189
3190   Returns the list of BasicBlock_\ s.  This is necessary to use when you need to
3191   update the list or perform a complex action that doesn't have a forwarding
3192   method.
3193
3194 * | ``Function::arg_iterator`` - Typedef for the argument list iterator
3195   | ``Function::const_arg_iterator`` - Typedef for const_iterator.
3196   | ``arg_begin()``, ``arg_end()``, ``arg_size()``, ``arg_empty()``
3197
3198   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
3199   ``Function`` object's Argument_ list.
3200
3201 * ``Function::ArgumentListType &getArgumentList()``
3202
3203   Returns the list of Argument_.  This is necessary to use when you need to
3204   update the list or perform a complex action that doesn't have a forwarding
3205   method.
3206
3207 * ``BasicBlock &getEntryBlock()``
3208
3209   Returns the entry ``BasicBlock`` for the function.  Because the entry block
3210   for the function is always the first block, this returns the first block of
3211   the ``Function``.
3212
3213 * | ``Type *getReturnType()``
3214   | ``FunctionType *getFunctionType()``
3215
3216   This traverses the Type_ of the ``Function`` and returns the return type of
3217   the function, or the FunctionType_ of the actual function.
3218
3219 * ``SymbolTable *getSymbolTable()``
3220
3221   Return a pointer to the SymbolTable_ for this ``Function``.
3222
3223 .. _GlobalVariable:
3224
3225 The ``GlobalVariable`` class
3226 ----------------------------
3227
3228 ``#include "llvm/IR/GlobalVariable.h"``
3229
3230 header source: `GlobalVariable.h
3231 <http://llvm.org/doxygen/GlobalVariable_8h-source.html>`_
3232
3233 doxygen info: `GlobalVariable Class
3234 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1GlobalVariable.html>`_
3235
3236 Superclasses: GlobalValue_, Constant_, User_, Value_
3237
3238 Global variables are represented with the (surprise surprise) ``GlobalVariable``
3239 class.  Like functions, ``GlobalVariable``\ s are also subclasses of
3240 GlobalValue_, and as such are always referenced by their address (global values
3241 must live in memory, so their "name" refers to their constant address).  See
3242 GlobalValue_ for more on this.  Global variables may have an initial value
3243 (which must be a Constant_), and if they have an initializer, they may be marked
3244 as "constant" themselves (indicating that their contents never change at
3245 runtime).
3246
3247 .. _m_GlobalVariable:
3248
3249 Important Public Members of the ``GlobalVariable`` class
3250 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3251
3252 * ``GlobalVariable(const Type *Ty, bool isConstant, LinkageTypes &Linkage,
3253   Constant *Initializer = 0, const std::string &Name = "", Module* Parent = 0)``
3254
3255   Create a new global variable of the specified type.  If ``isConstant`` is true
3256   then the global variable will be marked as unchanging for the program.  The
3257   Linkage parameter specifies the type of linkage (internal, external, weak,
3258   linkonce, appending) for the variable.  If the linkage is InternalLinkage,
3259   WeakAnyLinkage, WeakODRLinkage, LinkOnceAnyLinkage or LinkOnceODRLinkage, then
3260   the resultant global variable will have internal linkage.  AppendingLinkage
3261   concatenates together all instances (in different translation units) of the
3262   variable into a single variable but is only applicable to arrays.  See the
3263   `LLVM Language Reference <LangRef.html#modulestructure>`_ for further details
3264   on linkage types.  Optionally an initializer, a name, and the module to put
3265   the variable into may be specified for the global variable as well.
3266
3267 * ``bool isConstant() const``
3268
3269   Returns true if this is a global variable that is known not to be modified at
3270   runtime.
3271
3272 * ``bool hasInitializer()``
3273
3274   Returns true if this ``GlobalVariable`` has an intializer.
3275
3276 * ``Constant *getInitializer()``
3277
3278   Returns the initial value for a ``GlobalVariable``.  It is not legal to call
3279   this method if there is no initializer.
3280
3281 .. _BasicBlock:
3282
3283 The ``BasicBlock`` class
3284 ------------------------
3285
3286 ``#include "llvm/IR/BasicBlock.h"``
3287
3288 header source: `BasicBlock.h
3289 <http://llvm.org/doxygen/BasicBlock_8h-source.html>`_
3290
3291 doxygen info: `BasicBlock Class
3292 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1BasicBlock.html>`_
3293
3294 Superclass: Value_
3295
3296 This class represents a single entry single exit section of the code, commonly
3297 known as a basic block by the compiler community.  The ``BasicBlock`` class
3298 maintains a list of Instruction_\ s, which form the body of the block.  Matching
3299 the language definition, the last element of this list of instructions is always
3300 a terminator instruction (a subclass of the TerminatorInst_ class).
3301
3302 In addition to tracking the list of instructions that make up the block, the
3303 ``BasicBlock`` class also keeps track of the :ref:`Function <c_Function>` that
3304 it is embedded into.
3305
3306 Note that ``BasicBlock``\ s themselves are Value_\ s, because they are
3307 referenced by instructions like branches and can go in the switch tables.
3308 ``BasicBlock``\ s have type ``label``.
3309
3310 .. _m_BasicBlock:
3311
3312 Important Public Members of the ``BasicBlock`` class
3313 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3314
3315 * ``BasicBlock(const std::string &Name = "", Function *Parent = 0)``
3316
3317   The ``BasicBlock`` constructor is used to create new basic blocks for
3318   insertion into a function.  The constructor optionally takes a name for the
3319   new block, and a :ref:`Function <c_Function>` to insert it into.  If the
3320   ``Parent`` parameter is specified, the new ``BasicBlock`` is automatically
3321   inserted at the end of the specified :ref:`Function <c_Function>`, if not
3322   specified, the BasicBlock must be manually inserted into the :ref:`Function
3323   <c_Function>`.
3324
3325 * | ``BasicBlock::iterator`` - Typedef for instruction list iterator
3326   | ``BasicBlock::const_iterator`` - Typedef for const_iterator.
3327   | ``begin()``, ``end()``, ``front()``, ``back()``,
3328     ``size()``, ``empty()``
3329     STL-style functions for accessing the instruction list.
3330
3331   These methods and typedefs are forwarding functions that have the same
3332   semantics as the standard library methods of the same names.  These methods
3333   expose the underlying instruction list of a basic block in a way that is easy
3334   to manipulate.  To get the full complement of container operations (including
3335   operations to update the list), you must use the ``getInstList()`` method.
3336
3337 * ``BasicBlock::InstListType &getInstList()``
3338
3339   This method is used to get access to the underlying container that actually
3340   holds the Instructions.  This method must be used when there isn't a
3341   forwarding function in the ``BasicBlock`` class for the operation that you
3342   would like to perform.  Because there are no forwarding functions for
3343   "updating" operations, you need to use this if you want to update the contents
3344   of a ``BasicBlock``.
3345
3346 * ``Function *getParent()``
3347
3348   Returns a pointer to :ref:`Function <c_Function>` the block is embedded into,
3349   or a null pointer if it is homeless.
3350
3351 * ``TerminatorInst *getTerminator()``
3352
3353   Returns a pointer to the terminator instruction that appears at the end of the
3354   ``BasicBlock``.  If there is no terminator instruction, or if the last
3355   instruction in the block is not a terminator, then a null pointer is returned.
3356
3357 .. _Argument:
3358
3359 The ``Argument`` class
3360 ----------------------
3361
3362 This subclass of Value defines the interface for incoming formal arguments to a
3363 function.  A Function maintains a list of its formal arguments.  An argument has
3364 a pointer to the parent Function.
3365
3366