Fix a typo made in Programmer's Manual made in r210354. Spotted
[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.
302
303 ``function_ref<Ret(Param1, Param2, ...)>`` can be implicitly constructed from
304 any callable object that can be called with arguments of type ``Param1``,
305 ``Param2``, ..., and returns a value that can be converted to type ``Ret``.
306 For example:
307
308 .. code-block:: c++
309
310     void visitBasicBlocks(Function *F, function_ref<bool (BasicBlock*)> Callback) {
311       for (BasicBlock &BB : *F)
312         if (Callback(&BB))
313           return;
314     }
315
316 can be called using:
317
318 .. code-block:: c++
319
320     visitBasicBlocks(F, [&](BasicBlock *BB) {
321       if (process(BB))
322         return isEmpty(BB);
323       return false;
324     });
325
326 Note that a ``function_ref`` object contains pointers to external memory, so
327 it is not generally safe to store an instance of the class (unless you know
328 that the external storage will not be freed).
329 ``function_ref`` is small enough that it should always be passed by value.
330
331 ``std::function``
332 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
333
334 You cannot use ``std::function`` within LLVM code, because it is not supported
335 by all our target toolchains.
336
337
338 .. _DEBUG:
339
340 The ``DEBUG()`` macro and ``-debug`` option
341 -------------------------------------------
342
343 Often when working on your pass you will put a bunch of debugging printouts and
344 other code into your pass.  After you get it working, you want to remove it, but
345 you may need it again in the future (to work out new bugs that you run across).
346
347 Naturally, because of this, you don't want to delete the debug printouts, but
348 you don't want them to always be noisy.  A standard compromise is to comment
349 them out, allowing you to enable them if you need them in the future.
350
351 The ``llvm/Support/Debug.h`` (`doxygen
352 <http://llvm.org/doxygen/Debug_8h-source.html>`__) file provides a macro named
353 ``DEBUG()`` that is a much nicer solution to this problem.  Basically, you can
354 put arbitrary code into the argument of the ``DEBUG`` macro, and it is only
355 executed if '``opt``' (or any other tool) is run with the '``-debug``' command
356 line argument:
357
358 .. code-block:: c++
359
360   DEBUG(errs() << "I am here!\n");
361
362 Then you can run your pass like this:
363
364 .. code-block:: none
365
366   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass
367   <no output>
368   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug
369   I am here!
370
371 Using the ``DEBUG()`` macro instead of a home-brewed solution allows you to not
372 have to create "yet another" command line option for the debug output for your
373 pass.  Note that ``DEBUG()`` macros are disabled for optimized builds, so they
374 do not cause a performance impact at all (for the same reason, they should also
375 not contain side-effects!).
376
377 One additional nice thing about the ``DEBUG()`` macro is that you can enable or
378 disable it directly in gdb.  Just use "``set DebugFlag=0``" or "``set
379 DebugFlag=1``" from the gdb if the program is running.  If the program hasn't
380 been started yet, you can always just run it with ``-debug``.
381
382 .. _DEBUG_TYPE:
383
384 Fine grained debug info with ``DEBUG_TYPE`` and the ``-debug-only`` option
385 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
386
387 Sometimes you may find yourself in a situation where enabling ``-debug`` just
388 turns on **too much** information (such as when working on the code generator).
389 If you want to enable debug information with more fine-grained control, you
390 can define the ``DEBUG_TYPE`` macro and use the ``-debug-only`` option as
391 follows:
392
393 .. code-block:: c++
394
395   #undef  DEBUG_TYPE
396   DEBUG(errs() << "No debug type\n");
397   #define DEBUG_TYPE "foo"
398   DEBUG(errs() << "'foo' debug type\n");
399   #undef  DEBUG_TYPE
400   #define DEBUG_TYPE "bar"
401   DEBUG(errs() << "'bar' debug type\n"));
402   #undef  DEBUG_TYPE
403   #define DEBUG_TYPE ""
404   DEBUG(errs() << "No debug type (2)\n");
405
406 Then you can run your pass like this:
407
408 .. code-block:: none
409
410   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass
411   <no output>
412   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug
413   No debug type
414   'foo' debug type
415   'bar' debug type
416   No debug type (2)
417   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug-only=foo
418   'foo' debug type
419   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug-only=bar
420   'bar' debug type
421
422 Of course, in practice, you should only set ``DEBUG_TYPE`` at the top of a file,
423 to specify the debug type for the entire module (if you do this before you
424 ``#include "llvm/Support/Debug.h"``, you don't have to insert the ugly
425 ``#undef``'s).  Also, you should use names more meaningful than "foo" and "bar",
426 because there is no system in place to ensure that names do not conflict.  If
427 two different modules use the same string, they will all be turned on when the
428 name is specified.  This allows, for example, all debug information for
429 instruction scheduling to be enabled with ``-debug-type=InstrSched``, even if
430 the source lives in multiple files.
431
432 The ``DEBUG_WITH_TYPE`` macro is also available for situations where you would
433 like to set ``DEBUG_TYPE``, but only for one specific ``DEBUG`` statement.  It
434 takes an additional first parameter, which is the type to use.  For example, the
435 preceding example could be written as:
436
437 .. code-block:: c++
438
439   DEBUG_WITH_TYPE("", errs() << "No debug type\n");
440   DEBUG_WITH_TYPE("foo", errs() << "'foo' debug type\n");
441   DEBUG_WITH_TYPE("bar", errs() << "'bar' debug type\n"));
442   DEBUG_WITH_TYPE("", errs() << "No debug type (2)\n");
443
444 .. _Statistic:
445
446 The ``Statistic`` class & ``-stats`` option
447 -------------------------------------------
448
449 The ``llvm/ADT/Statistic.h`` (`doxygen
450 <http://llvm.org/doxygen/Statistic_8h-source.html>`__) file provides a class
451 named ``Statistic`` that is used as a unified way to keep track of what the LLVM
452 compiler is doing and how effective various optimizations are.  It is useful to
453 see what optimizations are contributing to making a particular program run
454 faster.
455
456 Often you may run your pass on some big program, and you're interested to see
457 how many times it makes a certain transformation.  Although you can do this with
458 hand inspection, or some ad-hoc method, this is a real pain and not very useful
459 for big programs.  Using the ``Statistic`` class makes it very easy to keep
460 track of this information, and the calculated information is presented in a
461 uniform manner with the rest of the passes being executed.
462
463 There are many examples of ``Statistic`` uses, but the basics of using it are as
464 follows:
465
466 #. Define your statistic like this:
467
468   .. code-block:: c++
469
470     #define DEBUG_TYPE "mypassname"   // This goes before any #includes.
471     STATISTIC(NumXForms, "The # of times I did stuff");
472
473   The ``STATISTIC`` macro defines a static variable, whose name is specified by
474   the first argument.  The pass name is taken from the ``DEBUG_TYPE`` macro, and
475   the description is taken from the second argument.  The variable defined
476   ("NumXForms" in this case) acts like an unsigned integer.
477
478 #. Whenever you make a transformation, bump the counter:
479
480   .. code-block:: c++
481
482     ++NumXForms;   // I did stuff!
483
484 That's all you have to do.  To get '``opt``' to print out the statistics
485 gathered, use the '``-stats``' option:
486
487 .. code-block:: none
488
489   $ opt -stats -mypassname < program.bc > /dev/null
490   ... statistics output ...
491
492 When running ``opt`` on a C file from the SPEC benchmark suite, it gives a
493 report that looks like this:
494
495 .. code-block:: none
496
497    7646 bitcodewriter   - Number of normal instructions
498     725 bitcodewriter   - Number of oversized instructions
499  129996 bitcodewriter   - Number of bitcode bytes written
500    2817 raise           - Number of insts DCEd or constprop'd
501    3213 raise           - Number of cast-of-self removed
502    5046 raise           - Number of expression trees converted
503      75 raise           - Number of other getelementptr's formed
504     138 raise           - Number of load/store peepholes
505      42 deadtypeelim    - Number of unused typenames removed from symtab
506     392 funcresolve     - Number of varargs functions resolved
507      27 globaldce       - Number of global variables removed
508       2 adce            - Number of basic blocks removed
509     134 cee             - Number of branches revectored
510      49 cee             - Number of setcc instruction eliminated
511     532 gcse            - Number of loads removed
512    2919 gcse            - Number of instructions removed
513      86 indvars         - Number of canonical indvars added
514      87 indvars         - Number of aux indvars removed
515      25 instcombine     - Number of dead inst eliminate
516     434 instcombine     - Number of insts combined
517     248 licm            - Number of load insts hoisted
518    1298 licm            - Number of insts hoisted to a loop pre-header
519       3 licm            - Number of insts hoisted to multiple loop preds (bad, no loop pre-header)
520      75 mem2reg         - Number of alloca's promoted
521    1444 cfgsimplify     - Number of blocks simplified
522
523 Obviously, with so many optimizations, having a unified framework for this stuff
524 is very nice.  Making your pass fit well into the framework makes it more
525 maintainable and useful.
526
527 .. _ViewGraph:
528
529 Viewing graphs while debugging code
530 -----------------------------------
531
532 Several of the important data structures in LLVM are graphs: for example CFGs
533 made out of LLVM :ref:`BasicBlocks <BasicBlock>`, CFGs made out of LLVM
534 :ref:`MachineBasicBlocks <MachineBasicBlock>`, and :ref:`Instruction Selection
535 DAGs <SelectionDAG>`.  In many cases, while debugging various parts of the
536 compiler, it is nice to instantly visualize these graphs.
537
538 LLVM provides several callbacks that are available in a debug build to do
539 exactly that.  If you call the ``Function::viewCFG()`` method, for example, the
540 current LLVM tool will pop up a window containing the CFG for the function where
541 each basic block is a node in the graph, and each node contains the instructions
542 in the block.  Similarly, there also exists ``Function::viewCFGOnly()`` (does
543 not include the instructions), the ``MachineFunction::viewCFG()`` and
544 ``MachineFunction::viewCFGOnly()``, and the ``SelectionDAG::viewGraph()``
545 methods.  Within GDB, for example, you can usually use something like ``call
546 DAG.viewGraph()`` to pop up a window.  Alternatively, you can sprinkle calls to
547 these functions in your code in places you want to debug.
548
549 Getting this to work requires a small amount of setup.  On Unix systems
550 with X11, install the `graphviz <http://www.graphviz.org>`_ toolkit, and make
551 sure 'dot' and 'gv' are in your path.  If you are running on Mac OS X, download
552 and install the Mac OS X `Graphviz program
553 <http://www.pixelglow.com/graphviz/>`_ and add
554 ``/Applications/Graphviz.app/Contents/MacOS/`` (or wherever you install it) to
555 your path. The programs need not be present when configuring, building or
556 running LLVM and can simply be installed when needed during an active debug
557 session.
558
559 ``SelectionDAG`` has been extended to make it easier to locate *interesting*
560 nodes in large complex graphs.  From gdb, if you ``call DAG.setGraphColor(node,
561 "color")``, then the next ``call DAG.viewGraph()`` would highlight the node in
562 the specified color (choices of colors can be found at `colors
563 <http://www.graphviz.org/doc/info/colors.html>`_.) More complex node attributes
564 can be provided with ``call DAG.setGraphAttrs(node, "attributes")`` (choices can
565 be found at `Graph attributes <http://www.graphviz.org/doc/info/attrs.html>`_.)
566 If you want to restart and clear all the current graph attributes, then you can
567 ``call DAG.clearGraphAttrs()``.
568
569 Note that graph visualization features are compiled out of Release builds to
570 reduce file size.  This means that you need a Debug+Asserts or Release+Asserts
571 build to use these features.
572
573 .. _datastructure:
574
575 Picking the Right Data Structure for a Task
576 ===========================================
577
578 LLVM has a plethora of data structures in the ``llvm/ADT/`` directory, and we
579 commonly use STL data structures.  This section describes the trade-offs you
580 should consider when you pick one.
581
582 The first step is a choose your own adventure: do you want a sequential
583 container, a set-like container, or a map-like container?  The most important
584 thing when choosing a container is the algorithmic properties of how you plan to
585 access the container.  Based on that, you should use:
586
587
588 * a :ref:`map-like <ds_map>` container if you need efficient look-up of a
589   value based on another value.  Map-like containers also support efficient
590   queries for containment (whether a key is in the map).  Map-like containers
591   generally do not support efficient reverse mapping (values to keys).  If you
592   need that, use two maps.  Some map-like containers also support efficient
593   iteration through the keys in sorted order.  Map-like containers are the most
594   expensive sort, only use them if you need one of these capabilities.
595
596 * a :ref:`set-like <ds_set>` container if you need to put a bunch of stuff into
597   a container that automatically eliminates duplicates.  Some set-like
598   containers support efficient iteration through the elements in sorted order.
599   Set-like containers are more expensive than sequential containers.
600
601 * a :ref:`sequential <ds_sequential>` container provides the most efficient way
602   to add elements and keeps track of the order they are added to the collection.
603   They permit duplicates and support efficient iteration, but do not support
604   efficient look-up based on a key.
605
606 * a :ref:`string <ds_string>` container is a specialized sequential container or
607   reference structure that is used for character or byte arrays.
608
609 * a :ref:`bit <ds_bit>` container provides an efficient way to store and
610   perform set operations on sets of numeric id's, while automatically
611   eliminating duplicates.  Bit containers require a maximum of 1 bit for each
612   identifier you want to store.
613
614 Once the proper category of container is determined, you can fine tune the
615 memory use, constant factors, and cache behaviors of access by intelligently
616 picking a member of the category.  Note that constant factors and cache behavior
617 can be a big deal.  If you have a vector that usually only contains a few
618 elements (but could contain many), for example, it's much better to use
619 :ref:`SmallVector <dss_smallvector>` than :ref:`vector <dss_vector>`.  Doing so
620 avoids (relatively) expensive malloc/free calls, which dwarf the cost of adding
621 the elements to the container.
622
623 .. _ds_sequential:
624
625 Sequential Containers (std::vector, std::list, etc)
626 ---------------------------------------------------
627
628 There are a variety of sequential containers available for you, based on your
629 needs.  Pick the first in this section that will do what you want.
630
631 .. _dss_arrayref:
632
633 llvm/ADT/ArrayRef.h
634 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
635
636 The ``llvm::ArrayRef`` class is the preferred class to use in an interface that
637 accepts a sequential list of elements in memory and just reads from them.  By
638 taking an ``ArrayRef``, the API can be passed a fixed size array, an
639 ``std::vector``, an ``llvm::SmallVector`` and anything else that is contiguous
640 in memory.
641
642 .. _dss_fixedarrays:
643
644 Fixed Size Arrays
645 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
646
647 Fixed size arrays are very simple and very fast.  They are good if you know
648 exactly how many elements you have, or you have a (low) upper bound on how many
649 you have.
650
651 .. _dss_heaparrays:
652
653 Heap Allocated Arrays
654 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
655
656 Heap allocated arrays (``new[]`` + ``delete[]``) are also simple.  They are good
657 if the number of elements is variable, if you know how many elements you will
658 need before the array is allocated, and if the array is usually large (if not,
659 consider a :ref:`SmallVector <dss_smallvector>`).  The cost of a heap allocated
660 array is the cost of the new/delete (aka malloc/free).  Also note that if you
661 are allocating an array of a type with a constructor, the constructor and
662 destructors will be run for every element in the array (re-sizable vectors only
663 construct those elements actually used).
664
665 .. _dss_tinyptrvector:
666
667 llvm/ADT/TinyPtrVector.h
668 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
669
670 ``TinyPtrVector<Type>`` is a highly specialized collection class that is
671 optimized to avoid allocation in the case when a vector has zero or one
672 elements.  It has two major restrictions: 1) it can only hold values of pointer
673 type, and 2) it cannot hold a null pointer.
674
675 Since this container is highly specialized, it is rarely used.
676
677 .. _dss_smallvector:
678
679 llvm/ADT/SmallVector.h
680 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
681
682 ``SmallVector<Type, N>`` is a simple class that looks and smells just like
683 ``vector<Type>``: it supports efficient iteration, lays out elements in memory
684 order (so you can do pointer arithmetic between elements), supports efficient
685 push_back/pop_back operations, supports efficient random access to its elements,
686 etc.
687
688 The advantage of SmallVector is that it allocates space for some number of
689 elements (N) **in the object itself**.  Because of this, if the SmallVector is
690 dynamically smaller than N, no malloc is performed.  This can be a big win in
691 cases where the malloc/free call is far more expensive than the code that
692 fiddles around with the elements.
693
694 This is good for vectors that are "usually small" (e.g. the number of
695 predecessors/successors of a block is usually less than 8).  On the other hand,
696 this makes the size of the SmallVector itself large, so you don't want to
697 allocate lots of them (doing so will waste a lot of space).  As such,
698 SmallVectors are most useful when on the stack.
699
700 SmallVector also provides a nice portable and efficient replacement for
701 ``alloca``.
702
703 .. note::
704
705    Prefer to use ``SmallVectorImpl<T>`` as a parameter type.
706
707    In APIs that don't care about the "small size" (most?), prefer to use
708    the ``SmallVectorImpl<T>`` class, which is basically just the "vector
709    header" (and methods) without the elements allocated after it. Note that
710    ``SmallVector<T, N>`` inherits from ``SmallVectorImpl<T>`` so the
711    conversion is implicit and costs nothing. E.g.
712
713    .. code-block:: c++
714
715       // BAD: Clients cannot pass e.g. SmallVector<Foo, 4>.
716       hardcodedSmallSize(SmallVector<Foo, 2> &Out);
717       // GOOD: Clients can pass any SmallVector<Foo, N>.
718       allowsAnySmallSize(SmallVectorImpl<Foo> &Out);
719
720       void someFunc() {
721         SmallVector<Foo, 8> Vec;
722         hardcodedSmallSize(Vec); // Error.
723         allowsAnySmallSize(Vec); // Works.
724       }
725
726    Even though it has "``Impl``" in the name, this is so widely used that
727    it really isn't "private to the implementation" anymore. A name like
728    ``SmallVectorHeader`` would be more appropriate.
729
730 .. _dss_vector:
731
732 <vector>
733 ^^^^^^^^
734
735 ``std::vector`` is well loved and respected.  It is useful when SmallVector
736 isn't: when the size of the vector is often large (thus the small optimization
737 will rarely be a benefit) or if you will be allocating many instances of the
738 vector itself (which would waste space for elements that aren't in the
739 container).  vector is also useful when interfacing with code that expects
740 vectors :).
741
742 One worthwhile note about std::vector: avoid code like this:
743
744 .. code-block:: c++
745
746   for ( ... ) {
747      std::vector<foo> V;
748      // make use of V.
749   }
750
751 Instead, write this as:
752
753 .. code-block:: c++
754
755   std::vector<foo> V;
756   for ( ... ) {
757      // make use of V.
758      V.clear();
759   }
760
761 Doing so will save (at least) one heap allocation and free per iteration of the
762 loop.
763
764 .. _dss_deque:
765
766 <deque>
767 ^^^^^^^
768
769 ``std::deque`` is, in some senses, a generalized version of ``std::vector``.
770 Like ``std::vector``, it provides constant time random access and other similar
771 properties, but it also provides efficient access to the front of the list.  It
772 does not guarantee continuity of elements within memory.
773
774 In exchange for this extra flexibility, ``std::deque`` has significantly higher
775 constant factor costs than ``std::vector``.  If possible, use ``std::vector`` or
776 something cheaper.
777
778 .. _dss_list:
779
780 <list>
781 ^^^^^^
782
783 ``std::list`` is an extremely inefficient class that is rarely useful.  It
784 performs a heap allocation for every element inserted into it, thus having an
785 extremely high constant factor, particularly for small data types.
786 ``std::list`` also only supports bidirectional iteration, not random access
787 iteration.
788
789 In exchange for this high cost, std::list supports efficient access to both ends
790 of the list (like ``std::deque``, but unlike ``std::vector`` or
791 ``SmallVector``).  In addition, the iterator invalidation characteristics of
792 std::list are stronger than that of a vector class: inserting or removing an
793 element into the list does not invalidate iterator or pointers to other elements
794 in the list.
795
796 .. _dss_ilist:
797
798 llvm/ADT/ilist.h
799 ^^^^^^^^^^^^^^^^
800
801 ``ilist<T>`` implements an 'intrusive' doubly-linked list.  It is intrusive,
802 because it requires the element to store and provide access to the prev/next
803 pointers for the list.
804
805 ``ilist`` has the same drawbacks as ``std::list``, and additionally requires an
806 ``ilist_traits`` implementation for the element type, but it provides some novel
807 characteristics.  In particular, it can efficiently store polymorphic objects,
808 the traits class is informed when an element is inserted or removed from the
809 list, and ``ilist``\ s are guaranteed to support a constant-time splice
810 operation.
811
812 These properties are exactly what we want for things like ``Instruction``\ s and
813 basic blocks, which is why these are implemented with ``ilist``\ s.
814
815 Related classes of interest are explained in the following subsections:
816
817 * :ref:`ilist_traits <dss_ilist_traits>`
818
819 * :ref:`iplist <dss_iplist>`
820
821 * :ref:`llvm/ADT/ilist_node.h <dss_ilist_node>`
822
823 * :ref:`Sentinels <dss_ilist_sentinel>`
824
825 .. _dss_packedvector:
826
827 llvm/ADT/PackedVector.h
828 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
829
830 Useful for storing a vector of values using only a few number of bits for each
831 value.  Apart from the standard operations of a vector-like container, it can
832 also perform an 'or' set operation.
833
834 For example:
835
836 .. code-block:: c++
837
838   enum State {
839       None = 0x0,
840       FirstCondition = 0x1,
841       SecondCondition = 0x2,
842       Both = 0x3
843   };
844
845   State get() {
846       PackedVector<State, 2> Vec1;
847       Vec1.push_back(FirstCondition);
848
849       PackedVector<State, 2> Vec2;
850       Vec2.push_back(SecondCondition);
851
852       Vec1 |= Vec2;
853       return Vec1[0]; // returns 'Both'.
854   }
855
856 .. _dss_ilist_traits:
857
858 ilist_traits
859 ^^^^^^^^^^^^
860
861 ``ilist_traits<T>`` is ``ilist<T>``'s customization mechanism. ``iplist<T>``
862 (and consequently ``ilist<T>``) publicly derive from this traits class.
863
864 .. _dss_iplist:
865
866 iplist
867 ^^^^^^
868
869 ``iplist<T>`` is ``ilist<T>``'s base and as such supports a slightly narrower
870 interface.  Notably, inserters from ``T&`` are absent.
871
872 ``ilist_traits<T>`` is a public base of this class and can be used for a wide
873 variety of customizations.
874
875 .. _dss_ilist_node:
876
877 llvm/ADT/ilist_node.h
878 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
879
880 ``ilist_node<T>`` implements a the forward and backward links that are expected
881 by the ``ilist<T>`` (and analogous containers) in the default manner.
882
883 ``ilist_node<T>``\ s are meant to be embedded in the node type ``T``, usually
884 ``T`` publicly derives from ``ilist_node<T>``.
885
886 .. _dss_ilist_sentinel:
887
888 Sentinels
889 ^^^^^^^^^
890
891 ``ilist``\ s have another specialty that must be considered.  To be a good
892 citizen in the C++ ecosystem, it needs to support the standard container
893 operations, such as ``begin`` and ``end`` iterators, etc.  Also, the
894 ``operator--`` must work correctly on the ``end`` iterator in the case of
895 non-empty ``ilist``\ s.
896
897 The only sensible solution to this problem is to allocate a so-called *sentinel*
898 along with the intrusive list, which serves as the ``end`` iterator, providing
899 the back-link to the last element.  However conforming to the C++ convention it
900 is illegal to ``operator++`` beyond the sentinel and it also must not be
901 dereferenced.
902
903 These constraints allow for some implementation freedom to the ``ilist`` how to
904 allocate and store the sentinel.  The corresponding policy is dictated by
905 ``ilist_traits<T>``.  By default a ``T`` gets heap-allocated whenever the need
906 for a sentinel arises.
907
908 While the default policy is sufficient in most cases, it may break down when
909 ``T`` does not provide a default constructor.  Also, in the case of many
910 instances of ``ilist``\ s, the memory overhead of the associated sentinels is
911 wasted.  To alleviate the situation with numerous and voluminous
912 ``T``-sentinels, sometimes a trick is employed, leading to *ghostly sentinels*.
913
914 Ghostly sentinels are obtained by specially-crafted ``ilist_traits<T>`` which
915 superpose the sentinel with the ``ilist`` instance in memory.  Pointer
916 arithmetic is used to obtain the sentinel, which is relative to the ``ilist``'s
917 ``this`` pointer.  The ``ilist`` is augmented by an extra pointer, which serves
918 as the back-link of the sentinel.  This is the only field in the ghostly
919 sentinel which can be legally accessed.
920
921 .. _dss_other:
922
923 Other Sequential Container options
924 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
925
926 Other STL containers are available, such as ``std::string``.
927
928 There are also various STL adapter classes such as ``std::queue``,
929 ``std::priority_queue``, ``std::stack``, etc.  These provide simplified access
930 to an underlying container but don't affect the cost of the container itself.
931
932 .. _ds_string:
933
934 String-like containers
935 ----------------------
936
937 There are a variety of ways to pass around and use strings in C and C++, and
938 LLVM adds a few new options to choose from.  Pick the first option on this list
939 that will do what you need, they are ordered according to their relative cost.
940
941 Note that is is generally preferred to *not* pass strings around as ``const
942 char*``'s.  These have a number of problems, including the fact that they
943 cannot represent embedded nul ("\0") characters, and do not have a length
944 available efficiently.  The general replacement for '``const char*``' is
945 StringRef.
946
947 For more information on choosing string containers for APIs, please see
948 :ref:`Passing Strings <string_apis>`.
949
950 .. _dss_stringref:
951
952 llvm/ADT/StringRef.h
953 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
954
955 The StringRef class is a simple value class that contains a pointer to a
956 character and a length, and is quite related to the :ref:`ArrayRef
957 <dss_arrayref>` class (but specialized for arrays of characters).  Because
958 StringRef carries a length with it, it safely handles strings with embedded nul
959 characters in it, getting the length does not require a strlen call, and it even
960 has very convenient APIs for slicing and dicing the character range that it
961 represents.
962
963 StringRef is ideal for passing simple strings around that are known to be live,
964 either because they are C string literals, std::string, a C array, or a
965 SmallVector.  Each of these cases has an efficient implicit conversion to
966 StringRef, which doesn't result in a dynamic strlen being executed.
967
968 StringRef has a few major limitations which make more powerful string containers
969 useful:
970
971 #. You cannot directly convert a StringRef to a 'const char*' because there is
972    no way to add a trailing nul (unlike the .c_str() method on various stronger
973    classes).
974
975 #. StringRef doesn't own or keep alive the underlying string bytes.
976    As such it can easily lead to dangling pointers, and is not suitable for
977    embedding in datastructures in most cases (instead, use an std::string or
978    something like that).
979
980 #. For the same reason, StringRef cannot be used as the return value of a
981    method if the method "computes" the result string.  Instead, use std::string.
982
983 #. StringRef's do not allow you to mutate the pointed-to string bytes and it
984    doesn't allow you to insert or remove bytes from the range.  For editing
985    operations like this, it interoperates with the :ref:`Twine <dss_twine>`
986    class.
987
988 Because of its strengths and limitations, it is very common for a function to
989 take a StringRef and for a method on an object to return a StringRef that points
990 into some string that it owns.
991
992 .. _dss_twine:
993
994 llvm/ADT/Twine.h
995 ^^^^^^^^^^^^^^^^
996
997 The Twine class is used as an intermediary datatype for APIs that want to take a
998 string that can be constructed inline with a series of concatenations.  Twine
999 works by forming recursive instances of the Twine datatype (a simple value
1000 object) on the stack as temporary objects, linking them together into a tree
1001 which is then linearized when the Twine is consumed.  Twine is only safe to use
1002 as the argument to a function, and should always be a const reference, e.g.:
1003
1004 .. code-block:: c++
1005
1006   void foo(const Twine &T);
1007   ...
1008   StringRef X = ...
1009   unsigned i = ...
1010   foo(X + "." + Twine(i));
1011
1012 This example forms a string like "blarg.42" by concatenating the values
1013 together, and does not form intermediate strings containing "blarg" or "blarg.".
1014
1015 Because Twine is constructed with temporary objects on the stack, and because
1016 these instances are destroyed at the end of the current statement, it is an
1017 inherently dangerous API.  For example, this simple variant contains undefined
1018 behavior and will probably crash:
1019
1020 .. code-block:: c++
1021
1022   void foo(const Twine &T);
1023   ...
1024   StringRef X = ...
1025   unsigned i = ...
1026   const Twine &Tmp = X + "." + Twine(i);
1027   foo(Tmp);
1028
1029 ... because the temporaries are destroyed before the call.  That said, Twine's
1030 are much more efficient than intermediate std::string temporaries, and they work
1031 really well with StringRef.  Just be aware of their limitations.
1032
1033 .. _dss_smallstring:
1034
1035 llvm/ADT/SmallString.h
1036 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1037
1038 SmallString is a subclass of :ref:`SmallVector <dss_smallvector>` that adds some
1039 convenience APIs like += that takes StringRef's.  SmallString avoids allocating
1040 memory in the case when the preallocated space is enough to hold its data, and
1041 it calls back to general heap allocation when required.  Since it owns its data,
1042 it is very safe to use and supports full mutation of the string.
1043
1044 Like SmallVector's, the big downside to SmallString is their sizeof.  While they
1045 are optimized for small strings, they themselves are not particularly small.
1046 This means that they work great for temporary scratch buffers on the stack, but
1047 should not generally be put into the heap: it is very rare to see a SmallString
1048 as the member of a frequently-allocated heap data structure or returned
1049 by-value.
1050
1051 .. _dss_stdstring:
1052
1053 std::string
1054 ^^^^^^^^^^^
1055
1056 The standard C++ std::string class is a very general class that (like
1057 SmallString) owns its underlying data.  sizeof(std::string) is very reasonable
1058 so it can be embedded into heap data structures and returned by-value.  On the
1059 other hand, std::string is highly inefficient for inline editing (e.g.
1060 concatenating a bunch of stuff together) and because it is provided by the
1061 standard library, its performance characteristics depend a lot of the host
1062 standard library (e.g. libc++ and MSVC provide a highly optimized string class,
1063 GCC contains a really slow implementation).
1064
1065 The major disadvantage of std::string is that almost every operation that makes
1066 them larger can allocate memory, which is slow.  As such, it is better to use
1067 SmallVector or Twine as a scratch buffer, but then use std::string to persist
1068 the result.
1069
1070 .. _ds_set:
1071
1072 Set-Like Containers (std::set, SmallSet, SetVector, etc)
1073 --------------------------------------------------------
1074
1075 Set-like containers are useful when you need to canonicalize multiple values
1076 into a single representation.  There are several different choices for how to do
1077 this, providing various trade-offs.
1078
1079 .. _dss_sortedvectorset:
1080
1081 A sorted 'vector'
1082 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
1083
1084 If you intend to insert a lot of elements, then do a lot of queries, a great
1085 approach is to use a vector (or other sequential container) with
1086 std::sort+std::unique to remove duplicates.  This approach works really well if
1087 your usage pattern has these two distinct phases (insert then query), and can be
1088 coupled with a good choice of :ref:`sequential container <ds_sequential>`.
1089
1090 This combination provides the several nice properties: the result data is
1091 contiguous in memory (good for cache locality), has few allocations, is easy to
1092 address (iterators in the final vector are just indices or pointers), and can be
1093 efficiently queried with a standard binary search (e.g.
1094 ``std::lower_bound``; if you want the whole range of elements comparing
1095 equal, use ``std::equal_range``).
1096
1097 .. _dss_smallset:
1098
1099 llvm/ADT/SmallSet.h
1100 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1101
1102 If you have a set-like data structure that is usually small and whose elements
1103 are reasonably small, a ``SmallSet<Type, N>`` is a good choice.  This set has
1104 space for N elements in place (thus, if the set is dynamically smaller than N,
1105 no malloc traffic is required) and accesses them with a simple linear search.
1106 When the set grows beyond 'N' elements, it allocates a more expensive
1107 representation that guarantees efficient access (for most types, it falls back
1108 to std::set, but for pointers it uses something far better, :ref:`SmallPtrSet
1109 <dss_smallptrset>`.
1110
1111 The magic of this class is that it handles small sets extremely efficiently, but
1112 gracefully handles extremely large sets without loss of efficiency.  The
1113 drawback is that the interface is quite small: it supports insertion, queries
1114 and erasing, but does not support iteration.
1115
1116 .. _dss_smallptrset:
1117
1118 llvm/ADT/SmallPtrSet.h
1119 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1120
1121 SmallPtrSet has all the advantages of ``SmallSet`` (and a ``SmallSet`` of
1122 pointers is transparently implemented with a ``SmallPtrSet``), but also supports
1123 iterators.  If more than 'N' insertions are performed, a single quadratically
1124 probed hash table is allocated and grows as needed, providing extremely
1125 efficient access (constant time insertion/deleting/queries with low constant
1126 factors) and is very stingy with malloc traffic.
1127
1128 Note that, unlike ``std::set``, the iterators of ``SmallPtrSet`` are invalidated
1129 whenever an insertion occurs.  Also, the values visited by the iterators are not
1130 visited in sorted order.
1131
1132 .. _dss_denseset:
1133
1134 llvm/ADT/DenseSet.h
1135 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1136
1137 DenseSet is a simple quadratically probed hash table.  It excels at supporting
1138 small values: it uses a single allocation to hold all of the pairs that are
1139 currently inserted in the set.  DenseSet is a great way to unique small values
1140 that are not simple pointers (use :ref:`SmallPtrSet <dss_smallptrset>` for
1141 pointers).  Note that DenseSet has the same requirements for the value type that
1142 :ref:`DenseMap <dss_densemap>` has.
1143
1144 .. _dss_sparseset:
1145
1146 llvm/ADT/SparseSet.h
1147 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1148
1149 SparseSet holds a small number of objects identified by unsigned keys of
1150 moderate size.  It uses a lot of memory, but provides operations that are almost
1151 as fast as a vector.  Typical keys are physical registers, virtual registers, or
1152 numbered basic blocks.
1153
1154 SparseSet is useful for algorithms that need very fast clear/find/insert/erase
1155 and fast iteration over small sets.  It is not intended for building composite
1156 data structures.
1157
1158 .. _dss_sparsemultiset:
1159
1160 llvm/ADT/SparseMultiSet.h
1161 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1162
1163 SparseMultiSet adds multiset behavior to SparseSet, while retaining SparseSet's
1164 desirable attributes. Like SparseSet, it typically uses a lot of memory, but
1165 provides operations that are almost as fast as a vector.  Typical keys are
1166 physical registers, virtual registers, or numbered basic blocks.
1167
1168 SparseMultiSet is useful for algorithms that need very fast
1169 clear/find/insert/erase of the entire collection, and iteration over sets of
1170 elements sharing a key. It is often a more efficient choice than using composite
1171 data structures (e.g. vector-of-vectors, map-of-vectors). It is not intended for
1172 building composite data structures.
1173
1174 .. _dss_FoldingSet:
1175
1176 llvm/ADT/FoldingSet.h
1177 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1178
1179 FoldingSet is an aggregate class that is really good at uniquing
1180 expensive-to-create or polymorphic objects.  It is a combination of a chained
1181 hash table with intrusive links (uniqued objects are required to inherit from
1182 FoldingSetNode) that uses :ref:`SmallVector <dss_smallvector>` as part of its ID
1183 process.
1184
1185 Consider a case where you want to implement a "getOrCreateFoo" method for a
1186 complex object (for example, a node in the code generator).  The client has a
1187 description of **what** it wants to generate (it knows the opcode and all the
1188 operands), but we don't want to 'new' a node, then try inserting it into a set
1189 only to find out it already exists, at which point we would have to delete it
1190 and return the node that already exists.
1191
1192 To support this style of client, FoldingSet perform a query with a
1193 FoldingSetNodeID (which wraps SmallVector) that can be used to describe the
1194 element that we want to query for.  The query either returns the element
1195 matching the ID or it returns an opaque ID that indicates where insertion should
1196 take place.  Construction of the ID usually does not require heap traffic.
1197
1198 Because FoldingSet uses intrusive links, it can support polymorphic objects in
1199 the set (for example, you can have SDNode instances mixed with LoadSDNodes).
1200 Because the elements are individually allocated, pointers to the elements are
1201 stable: inserting or removing elements does not invalidate any pointers to other
1202 elements.
1203
1204 .. _dss_set:
1205
1206 <set>
1207 ^^^^^
1208
1209 ``std::set`` is a reasonable all-around set class, which is decent at many
1210 things but great at nothing.  std::set allocates memory for each element
1211 inserted (thus it is very malloc intensive) and typically stores three pointers
1212 per element in the set (thus adding a large amount of per-element space
1213 overhead).  It offers guaranteed log(n) performance, which is not particularly
1214 fast from a complexity standpoint (particularly if the elements of the set are
1215 expensive to compare, like strings), and has extremely high constant factors for
1216 lookup, insertion and removal.
1217
1218 The advantages of std::set are that its iterators are stable (deleting or
1219 inserting an element from the set does not affect iterators or pointers to other
1220 elements) and that iteration over the set is guaranteed to be in sorted order.
1221 If the elements in the set are large, then the relative overhead of the pointers
1222 and malloc traffic is not a big deal, but if the elements of the set are small,
1223 std::set is almost never a good choice.
1224
1225 .. _dss_setvector:
1226
1227 llvm/ADT/SetVector.h
1228 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1229
1230 LLVM's ``SetVector<Type>`` is an adapter class that combines your choice of a
1231 set-like container along with a :ref:`Sequential Container <ds_sequential>` The
1232 important property that this provides is efficient insertion with uniquing
1233 (duplicate elements are ignored) with iteration support.  It implements this by
1234 inserting elements into both a set-like container and the sequential container,
1235 using the set-like container for uniquing and the sequential container for
1236 iteration.
1237
1238 The difference between SetVector and other sets is that the order of iteration
1239 is guaranteed to match the order of insertion into the SetVector.  This property
1240 is really important for things like sets of pointers.  Because pointer values
1241 are non-deterministic (e.g. vary across runs of the program on different
1242 machines), iterating over the pointers in the set will not be in a well-defined
1243 order.
1244
1245 The drawback of SetVector is that it requires twice as much space as a normal
1246 set and has the sum of constant factors from the set-like container and the
1247 sequential container that it uses.  Use it **only** if you need to iterate over
1248 the elements in a deterministic order.  SetVector is also expensive to delete
1249 elements out of (linear time), unless you use its "pop_back" method, which is
1250 faster.
1251
1252 ``SetVector`` is an adapter class that defaults to using ``std::vector`` and a
1253 size 16 ``SmallSet`` for the underlying containers, so it is quite expensive.
1254 However, ``"llvm/ADT/SetVector.h"`` also provides a ``SmallSetVector`` class,
1255 which defaults to using a ``SmallVector`` and ``SmallSet`` of a specified size.
1256 If you use this, and if your sets are dynamically smaller than ``N``, you will
1257 save a lot of heap traffic.
1258
1259 .. _dss_uniquevector:
1260
1261 llvm/ADT/UniqueVector.h
1262 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1263
1264 UniqueVector is similar to :ref:`SetVector <dss_setvector>` but it retains a
1265 unique ID for each element inserted into the set.  It internally contains a map
1266 and a vector, and it assigns a unique ID for each value inserted into the set.
1267
1268 UniqueVector is very expensive: its cost is the sum of the cost of maintaining
1269 both the map and vector, it has high complexity, high constant factors, and
1270 produces a lot of malloc traffic.  It should be avoided.
1271
1272 .. _dss_immutableset:
1273
1274 llvm/ADT/ImmutableSet.h
1275 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1276
1277 ImmutableSet is an immutable (functional) set implementation based on an AVL
1278 tree.  Adding or removing elements is done through a Factory object and results
1279 in the creation of a new ImmutableSet object.  If an ImmutableSet already exists
1280 with the given contents, then the existing one is returned; equality is compared
1281 with a FoldingSetNodeID.  The time and space complexity of add or remove
1282 operations is logarithmic in the size of the original set.
1283
1284 There is no method for returning an element of the set, you can only check for
1285 membership.
1286
1287 .. _dss_otherset:
1288
1289 Other Set-Like Container Options
1290 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1291
1292 The STL provides several other options, such as std::multiset and the various
1293 "hash_set" like containers (whether from C++ TR1 or from the SGI library).  We
1294 never use hash_set and unordered_set because they are generally very expensive
1295 (each insertion requires a malloc) and very non-portable.
1296
1297 std::multiset is useful if you're not interested in elimination of duplicates,
1298 but has all the drawbacks of std::set.  A sorted vector (where you don't delete
1299 duplicate entries) or some other approach is almost always better.
1300
1301 .. _ds_map:
1302
1303 Map-Like Containers (std::map, DenseMap, etc)
1304 ---------------------------------------------
1305
1306 Map-like containers are useful when you want to associate data to a key.  As
1307 usual, there are a lot of different ways to do this. :)
1308
1309 .. _dss_sortedvectormap:
1310
1311 A sorted 'vector'
1312 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
1313
1314 If your usage pattern follows a strict insert-then-query approach, you can
1315 trivially use the same approach as :ref:`sorted vectors for set-like containers
1316 <dss_sortedvectorset>`.  The only difference is that your query function (which
1317 uses std::lower_bound to get efficient log(n) lookup) should only compare the
1318 key, not both the key and value.  This yields the same advantages as sorted
1319 vectors for sets.
1320
1321 .. _dss_stringmap:
1322
1323 llvm/ADT/StringMap.h
1324 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1325
1326 Strings are commonly used as keys in maps, and they are difficult to support
1327 efficiently: they are variable length, inefficient to hash and compare when
1328 long, expensive to copy, etc.  StringMap is a specialized container designed to
1329 cope with these issues.  It supports mapping an arbitrary range of bytes to an
1330 arbitrary other object.
1331
1332 The StringMap implementation uses a quadratically-probed hash table, where the
1333 buckets store a pointer to the heap allocated entries (and some other stuff).
1334 The entries in the map must be heap allocated because the strings are variable
1335 length.  The string data (key) and the element object (value) are stored in the
1336 same allocation with the string data immediately after the element object.
1337 This container guarantees the "``(char*)(&Value+1)``" points to the key string
1338 for a value.
1339
1340 The StringMap is very fast for several reasons: quadratic probing is very cache
1341 efficient for lookups, the hash value of strings in buckets is not recomputed
1342 when looking up an element, StringMap rarely has to touch the memory for
1343 unrelated objects when looking up a value (even when hash collisions happen),
1344 hash table growth does not recompute the hash values for strings already in the
1345 table, and each pair in the map is store in a single allocation (the string data
1346 is stored in the same allocation as the Value of a pair).
1347
1348 StringMap also provides query methods that take byte ranges, so it only ever
1349 copies a string if a value is inserted into the table.
1350
1351 StringMap iteratation order, however, is not guaranteed to be deterministic, so
1352 any uses which require that should instead use a std::map.
1353
1354 .. _dss_indexmap:
1355
1356 llvm/ADT/IndexedMap.h
1357 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1358
1359 IndexedMap is a specialized container for mapping small dense integers (or
1360 values that can be mapped to small dense integers) to some other type.  It is
1361 internally implemented as a vector with a mapping function that maps the keys
1362 to the dense integer range.
1363
1364 This is useful for cases like virtual registers in the LLVM code generator: they
1365 have a dense mapping that is offset by a compile-time constant (the first
1366 virtual register ID).
1367
1368 .. _dss_densemap:
1369
1370 llvm/ADT/DenseMap.h
1371 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1372
1373 DenseMap is a simple quadratically probed hash table.  It excels at supporting
1374 small keys and values: it uses a single allocation to hold all of the pairs
1375 that are currently inserted in the map.  DenseMap is a great way to map
1376 pointers to pointers, or map other small types to each other.
1377
1378 There are several aspects of DenseMap that you should be aware of, however.
1379 The iterators in a DenseMap are invalidated whenever an insertion occurs,
1380 unlike map.  Also, because DenseMap allocates space for a large number of
1381 key/value pairs (it starts with 64 by default), it will waste a lot of space if
1382 your keys or values are large.  Finally, you must implement a partial
1383 specialization of DenseMapInfo for the key that you want, if it isn't already
1384 supported.  This is required to tell DenseMap about two special marker values
1385 (which can never be inserted into the map) that it needs internally.
1386
1387 DenseMap's find_as() method supports lookup operations using an alternate key
1388 type.  This is useful in cases where the normal key type is expensive to
1389 construct, but cheap to compare against.  The DenseMapInfo is responsible for
1390 defining the appropriate comparison and hashing methods for each alternate key
1391 type used.
1392
1393 .. _dss_valuemap:
1394
1395 llvm/IR/ValueMap.h
1396 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1397
1398 ValueMap is a wrapper around a :ref:`DenseMap <dss_densemap>` mapping
1399 ``Value*``\ s (or subclasses) to another type.  When a Value is deleted or
1400 RAUW'ed, ValueMap will update itself so the new version of the key is mapped to
1401 the same value, just as if the key were a WeakVH.  You can configure exactly how
1402 this happens, and what else happens on these two events, by passing a ``Config``
1403 parameter to the ValueMap template.
1404
1405 .. _dss_intervalmap:
1406
1407 llvm/ADT/IntervalMap.h
1408 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1409
1410 IntervalMap is a compact map for small keys and values.  It maps key intervals
1411 instead of single keys, and it will automatically coalesce adjacent intervals.
1412 When then map only contains a few intervals, they are stored in the map object
1413 itself to avoid allocations.
1414
1415 The IntervalMap iterators are quite big, so they should not be passed around as
1416 STL iterators.  The heavyweight iterators allow a smaller data structure.
1417
1418 .. _dss_map:
1419
1420 <map>
1421 ^^^^^
1422
1423 std::map has similar characteristics to :ref:`std::set <dss_set>`: it uses a
1424 single allocation per pair inserted into the map, it offers log(n) lookup with
1425 an extremely large constant factor, imposes a space penalty of 3 pointers per
1426 pair in the map, etc.
1427
1428 std::map is most useful when your keys or values are very large, if you need to
1429 iterate over the collection in sorted order, or if you need stable iterators
1430 into the map (i.e. they don't get invalidated if an insertion or deletion of
1431 another element takes place).
1432
1433 .. _dss_mapvector:
1434
1435 llvm/ADT/MapVector.h
1436 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1437
1438 ``MapVector<KeyT,ValueT>`` provides a subset of the DenseMap interface.  The
1439 main difference is that the iteration order is guaranteed to be the insertion
1440 order, making it an easy (but somewhat expensive) solution for non-deterministic
1441 iteration over maps of pointers.
1442
1443 It is implemented by mapping from key to an index in a vector of key,value
1444 pairs.  This provides fast lookup and iteration, but has two main drawbacks: The
1445 key is stored twice and it doesn't support removing elements.
1446
1447 .. _dss_inteqclasses:
1448
1449 llvm/ADT/IntEqClasses.h
1450 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1451
1452 IntEqClasses provides a compact representation of equivalence classes of small
1453 integers.  Initially, each integer in the range 0..n-1 has its own equivalence
1454 class.  Classes can be joined by passing two class representatives to the
1455 join(a, b) method.  Two integers are in the same class when findLeader() returns
1456 the same representative.
1457
1458 Once all equivalence classes are formed, the map can be compressed so each
1459 integer 0..n-1 maps to an equivalence class number in the range 0..m-1, where m
1460 is the total number of equivalence classes.  The map must be uncompressed before
1461 it can be edited again.
1462
1463 .. _dss_immutablemap:
1464
1465 llvm/ADT/ImmutableMap.h
1466 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1467
1468 ImmutableMap is an immutable (functional) map implementation based on an AVL
1469 tree.  Adding or removing elements is done through a Factory object and results
1470 in the creation of a new ImmutableMap object.  If an ImmutableMap already exists
1471 with the given key set, then the existing one is returned; equality is compared
1472 with a FoldingSetNodeID.  The time and space complexity of add or remove
1473 operations is logarithmic in the size of the original map.
1474
1475 .. _dss_othermap:
1476
1477 Other Map-Like Container Options
1478 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1479
1480 The STL provides several other options, such as std::multimap and the various
1481 "hash_map" like containers (whether from C++ TR1 or from the SGI library).  We
1482 never use hash_set and unordered_set because they are generally very expensive
1483 (each insertion requires a malloc) and very non-portable.
1484
1485 std::multimap is useful if you want to map a key to multiple values, but has all
1486 the drawbacks of std::map.  A sorted vector or some other approach is almost
1487 always better.
1488
1489 .. _ds_bit:
1490
1491 Bit storage containers (BitVector, SparseBitVector)
1492 ---------------------------------------------------
1493
1494 Unlike the other containers, there are only two bit storage containers, and
1495 choosing when to use each is relatively straightforward.
1496
1497 One additional option is ``std::vector<bool>``: we discourage its use for two
1498 reasons 1) the implementation in many common compilers (e.g.  commonly
1499 available versions of GCC) is extremely inefficient and 2) the C++ standards
1500 committee is likely to deprecate this container and/or change it significantly
1501 somehow.  In any case, please don't use it.
1502
1503 .. _dss_bitvector:
1504
1505 BitVector
1506 ^^^^^^^^^
1507
1508 The BitVector container provides a dynamic size set of bits for manipulation.
1509 It supports individual bit setting/testing, as well as set operations.  The set
1510 operations take time O(size of bitvector), but operations are performed one word
1511 at a time, instead of one bit at a time.  This makes the BitVector very fast for
1512 set operations compared to other containers.  Use the BitVector when you expect
1513 the number of set bits to be high (i.e. a dense set).
1514
1515 .. _dss_smallbitvector:
1516
1517 SmallBitVector
1518 ^^^^^^^^^^^^^^
1519
1520 The SmallBitVector container provides the same interface as BitVector, but it is
1521 optimized for the case where only a small number of bits, less than 25 or so,
1522 are needed.  It also transparently supports larger bit counts, but slightly less
1523 efficiently than a plain BitVector, so SmallBitVector should only be used when
1524 larger counts are rare.
1525
1526 At this time, SmallBitVector does not support set operations (and, or, xor), and
1527 its operator[] does not provide an assignable lvalue.
1528
1529 .. _dss_sparsebitvector:
1530
1531 SparseBitVector
1532 ^^^^^^^^^^^^^^^
1533
1534 The SparseBitVector container is much like BitVector, with one major difference:
1535 Only the bits that are set, are stored.  This makes the SparseBitVector much
1536 more space efficient than BitVector when the set is sparse, as well as making
1537 set operations O(number of set bits) instead of O(size of universe).  The
1538 downside to the SparseBitVector is that setting and testing of random bits is
1539 O(N), and on large SparseBitVectors, this can be slower than BitVector.  In our
1540 implementation, setting or testing bits in sorted order (either forwards or
1541 reverse) is O(1) worst case.  Testing and setting bits within 128 bits (depends
1542 on size) of the current bit is also O(1).  As a general statement,
1543 testing/setting bits in a SparseBitVector is O(distance away from last set bit).
1544
1545 .. _common:
1546
1547 Helpful Hints for Common Operations
1548 ===================================
1549
1550 This section describes how to perform some very simple transformations of LLVM
1551 code.  This is meant to give examples of common idioms used, showing the
1552 practical side of LLVM transformations.
1553
1554 Because this is a "how-to" section, you should also read about the main classes
1555 that you will be working with.  The :ref:`Core LLVM Class Hierarchy Reference
1556 <coreclasses>` contains details and descriptions of the main classes that you
1557 should know about.
1558
1559 .. _inspection:
1560
1561 Basic Inspection and Traversal Routines
1562 ---------------------------------------
1563
1564 The LLVM compiler infrastructure have many different data structures that may be
1565 traversed.  Following the example of the C++ standard template library, the
1566 techniques used to traverse these various data structures are all basically the
1567 same.  For a enumerable sequence of values, the ``XXXbegin()`` function (or
1568 method) returns an iterator to the start of the sequence, the ``XXXend()``
1569 function returns an iterator pointing to one past the last valid element of the
1570 sequence, and there is some ``XXXiterator`` data type that is common between the
1571 two operations.
1572
1573 Because the pattern for iteration is common across many different aspects of the
1574 program representation, the standard template library algorithms may be used on
1575 them, and it is easier to remember how to iterate.  First we show a few common
1576 examples of the data structures that need to be traversed.  Other data
1577 structures are traversed in very similar ways.
1578
1579 .. _iterate_function:
1580
1581 Iterating over the ``BasicBlock`` in a ``Function``
1582 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1583
1584 It's quite common to have a ``Function`` instance that you'd like to transform
1585 in some way; in particular, you'd like to manipulate its ``BasicBlock``\ s.  To
1586 facilitate this, you'll need to iterate over all of the ``BasicBlock``\ s that
1587 constitute the ``Function``.  The following is an example that prints the name
1588 of a ``BasicBlock`` and the number of ``Instruction``\ s it contains:
1589
1590 .. code-block:: c++
1591
1592   // func is a pointer to a Function instance
1593   for (Function::iterator i = func->begin(), e = func->end(); i != e; ++i)
1594     // Print out the name of the basic block if it has one, and then the
1595     // number of instructions that it contains
1596     errs() << "Basic block (name=" << i->getName() << ") has "
1597                << i->size() << " instructions.\n";
1598
1599 Note that i can be used as if it were a pointer for the purposes of invoking
1600 member functions of the ``Instruction`` class.  This is because the indirection
1601 operator is overloaded for the iterator classes.  In the above code, the
1602 expression ``i->size()`` is exactly equivalent to ``(*i).size()`` just like
1603 you'd expect.
1604
1605 .. _iterate_basicblock:
1606
1607 Iterating over the ``Instruction`` in a ``BasicBlock``
1608 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1609
1610 Just like when dealing with ``BasicBlock``\ s in ``Function``\ s, it's easy to
1611 iterate over the individual instructions that make up ``BasicBlock``\ s.  Here's
1612 a code snippet that prints out each instruction in a ``BasicBlock``:
1613
1614 .. code-block:: c++
1615
1616   // blk is a pointer to a BasicBlock instance
1617   for (BasicBlock::iterator i = blk->begin(), e = blk->end(); i != e; ++i)
1618      // The next statement works since operator<<(ostream&,...)
1619      // is overloaded for Instruction&
1620      errs() << *i << "\n";
1621
1622
1623 However, this isn't really the best way to print out the contents of a
1624 ``BasicBlock``!  Since the ostream operators are overloaded for virtually
1625 anything you'll care about, you could have just invoked the print routine on the
1626 basic block itself: ``errs() << *blk << "\n";``.
1627
1628 .. _iterate_insiter:
1629
1630 Iterating over the ``Instruction`` in a ``Function``
1631 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1632
1633 If you're finding that you commonly iterate over a ``Function``'s
1634 ``BasicBlock``\ s and then that ``BasicBlock``'s ``Instruction``\ s,
1635 ``InstIterator`` should be used instead.  You'll need to include
1636 ``llvm/IR/InstIterator.h`` (`doxygen
1637 <http://llvm.org/doxygen/InstIterator_8h.html>`__) and then instantiate
1638 ``InstIterator``\ s explicitly in your code.  Here's a small example that shows
1639 how to dump all instructions in a function to the standard error stream:
1640
1641 .. code-block:: c++
1642
1643   #include "llvm/IR/InstIterator.h"
1644
1645   // F is a pointer to a Function instance
1646   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
1647     errs() << *I << "\n";
1648
1649 Easy, isn't it?  You can also use ``InstIterator``\ s to fill a work list with
1650 its initial contents.  For example, if you wanted to initialize a work list to
1651 contain all instructions in a ``Function`` F, all you would need to do is
1652 something like:
1653
1654 .. code-block:: c++
1655
1656   std::set<Instruction*> worklist;
1657   // or better yet, SmallPtrSet<Instruction*, 64> worklist;
1658
1659   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
1660     worklist.insert(&*I);
1661
1662 The STL set ``worklist`` would now contain all instructions in the ``Function``
1663 pointed to by F.
1664
1665 .. _iterate_convert:
1666
1667 Turning an iterator into a class pointer (and vice-versa)
1668 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1669
1670 Sometimes, it'll be useful to grab a reference (or pointer) to a class instance
1671 when all you've got at hand is an iterator.  Well, extracting a reference or a
1672 pointer from an iterator is very straight-forward.  Assuming that ``i`` is a
1673 ``BasicBlock::iterator`` and ``j`` is a ``BasicBlock::const_iterator``:
1674
1675 .. code-block:: c++
1676
1677   Instruction& inst = *i;   // Grab reference to instruction reference
1678   Instruction* pinst = &*i; // Grab pointer to instruction reference
1679   const Instruction& inst = *j;
1680
1681 However, the iterators you'll be working with in the LLVM framework are special:
1682 they will automatically convert to a ptr-to-instance type whenever they need to.
1683 Instead of derferencing the iterator and then taking the address of the result,
1684 you can simply assign the iterator to the proper pointer type and you get the
1685 dereference and address-of operation as a result of the assignment (behind the
1686 scenes, this is a result of overloading casting mechanisms).  Thus the last line
1687 of the last example,
1688
1689 .. code-block:: c++
1690
1691   Instruction *pinst = &*i;
1692
1693 is semantically equivalent to
1694
1695 .. code-block:: c++
1696
1697   Instruction *pinst = i;
1698
1699 It's also possible to turn a class pointer into the corresponding iterator, and
1700 this is a constant time operation (very efficient).  The following code snippet
1701 illustrates use of the conversion constructors provided by LLVM iterators.  By
1702 using these, you can explicitly grab the iterator of something without actually
1703 obtaining it via iteration over some structure:
1704
1705 .. code-block:: c++
1706
1707   void printNextInstruction(Instruction* inst) {
1708     BasicBlock::iterator it(inst);
1709     ++it; // After this line, it refers to the instruction after *inst
1710     if (it != inst->getParent()->end()) errs() << *it << "\n";
1711   }
1712
1713 Unfortunately, these implicit conversions come at a cost; they prevent these
1714 iterators from conforming to standard iterator conventions, and thus from being
1715 usable with standard algorithms and containers.  For example, they prevent the
1716 following code, where ``B`` is a ``BasicBlock``, from compiling:
1717
1718 .. code-block:: c++
1719
1720   llvm::SmallVector<llvm::Instruction *, 16>(B->begin(), B->end());
1721
1722 Because of this, these implicit conversions may be removed some day, and
1723 ``operator*`` changed to return a pointer instead of a reference.
1724
1725 .. _iterate_complex:
1726
1727 Finding call sites: a slightly more complex example
1728 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1729
1730 Say that you're writing a FunctionPass and would like to count all the locations
1731 in the entire module (that is, across every ``Function``) where a certain
1732 function (i.e., some ``Function *``) is already in scope.  As you'll learn
1733 later, you may want to use an ``InstVisitor`` to accomplish this in a much more
1734 straight-forward manner, but this example will allow us to explore how you'd do
1735 it if you didn't have ``InstVisitor`` around.  In pseudo-code, this is what we
1736 want to do:
1737
1738 .. code-block:: none
1739
1740   initialize callCounter to zero
1741   for each Function f in the Module
1742     for each BasicBlock b in f
1743       for each Instruction i in b
1744         if (i is a CallInst and calls the given function)
1745           increment callCounter
1746
1747 And the actual code is (remember, because we're writing a ``FunctionPass``, our
1748 ``FunctionPass``-derived class simply has to override the ``runOnFunction``
1749 method):
1750
1751 .. code-block:: c++
1752
1753   Function* targetFunc = ...;
1754
1755   class OurFunctionPass : public FunctionPass {
1756     public:
1757       OurFunctionPass(): callCounter(0) { }
1758
1759       virtual runOnFunction(Function& F) {
1760         for (Function::iterator b = F.begin(), be = F.end(); b != be; ++b) {
1761           for (BasicBlock::iterator i = b->begin(), ie = b->end(); i != ie; ++i) {
1762             if (CallInst* callInst = dyn_cast<CallInst>(&*i)) {
1763               // We know we've encountered a call instruction, so we
1764               // need to determine if it's a call to the
1765               // function pointed to by m_func or not.
1766               if (callInst->getCalledFunction() == targetFunc)
1767                 ++callCounter;
1768             }
1769           }
1770         }
1771       }
1772
1773     private:
1774       unsigned callCounter;
1775   };
1776
1777 .. _calls_and_invokes:
1778
1779 Treating calls and invokes the same way
1780 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1781
1782 You may have noticed that the previous example was a bit oversimplified in that
1783 it did not deal with call sites generated by 'invoke' instructions.  In this,
1784 and in other situations, you may find that you want to treat ``CallInst``\ s and
1785 ``InvokeInst``\ s the same way, even though their most-specific common base
1786 class is ``Instruction``, which includes lots of less closely-related things.
1787 For these cases, LLVM provides a handy wrapper class called ``CallSite``
1788 (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1CallSite.html>`__) It is
1789 essentially a wrapper around an ``Instruction`` pointer, with some methods that
1790 provide functionality common to ``CallInst``\ s and ``InvokeInst``\ s.
1791
1792 This class has "value semantics": it should be passed by value, not by reference
1793 and it should not be dynamically allocated or deallocated using ``operator new``
1794 or ``operator delete``.  It is efficiently copyable, assignable and
1795 constructable, with costs equivalents to that of a bare pointer.  If you look at
1796 its definition, it has only a single pointer member.
1797
1798 .. _iterate_chains:
1799
1800 Iterating over def-use & use-def chains
1801 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1802
1803 Frequently, we might have an instance of the ``Value`` class (`doxygen
1804 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`__) and we want to determine
1805 which ``User`` s use the ``Value``.  The list of all ``User``\ s of a particular
1806 ``Value`` is called a *def-use* chain.  For example, let's say we have a
1807 ``Function*`` named ``F`` to a particular function ``foo``.  Finding all of the
1808 instructions that *use* ``foo`` is as simple as iterating over the *def-use*
1809 chain of ``F``:
1810
1811 .. code-block:: c++
1812
1813   Function *F = ...;
1814
1815   for (User *U : GV->users()) {    
1816     if (Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(U)) {
1817       errs() << "F is used in instruction:\n";
1818       errs() << *Inst << "\n";
1819     }
1820
1821 Alternatively, it's common to have an instance of the ``User`` Class (`doxygen
1822 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`__) and need to know what
1823 ``Value``\ s are used by it.  The list of all ``Value``\ s used by a ``User`` is
1824 known as a *use-def* chain.  Instances of class ``Instruction`` are common
1825 ``User`` s, so we might want to iterate over all of the values that a particular
1826 instruction uses (that is, the operands of the particular ``Instruction``):
1827
1828 .. code-block:: c++
1829
1830   Instruction *pi = ...;
1831
1832   for (Use &U : pi->operands()) {
1833     Value *v = U.get();
1834     // ...
1835   }
1836
1837 Declaring objects as ``const`` is an important tool of enforcing mutation free
1838 algorithms (such as analyses, etc.).  For this purpose above iterators come in
1839 constant flavors as ``Value::const_use_iterator`` and
1840 ``Value::const_op_iterator``.  They automatically arise when calling
1841 ``use/op_begin()`` on ``const Value*``\ s or ``const User*``\ s respectively.
1842 Upon dereferencing, they return ``const Use*``\ s.  Otherwise the above patterns
1843 remain unchanged.
1844
1845 .. _iterate_preds:
1846
1847 Iterating over predecessors & successors of blocks
1848 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1849
1850 Iterating over the predecessors and successors of a block is quite easy with the
1851 routines defined in ``"llvm/Support/CFG.h"``.  Just use code like this to
1852 iterate over all predecessors of BB:
1853
1854 .. code-block:: c++
1855
1856   #include "llvm/Support/CFG.h"
1857   BasicBlock *BB = ...;
1858
1859   for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
1860     BasicBlock *Pred = *PI;
1861     // ...
1862   }
1863
1864 Similarly, to iterate over successors use ``succ_iterator/succ_begin/succ_end``.
1865
1866 .. _simplechanges:
1867
1868 Making simple changes
1869 ---------------------
1870
1871 There are some primitive transformation operations present in the LLVM
1872 infrastructure that are worth knowing about.  When performing transformations,
1873 it's fairly common to manipulate the contents of basic blocks.  This section
1874 describes some of the common methods for doing so and gives example code.
1875
1876 .. _schanges_creating:
1877
1878 Creating and inserting new ``Instruction``\ s
1879 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1880
1881 *Instantiating Instructions*
1882
1883 Creation of ``Instruction``\ s is straight-forward: simply call the constructor
1884 for the kind of instruction to instantiate and provide the necessary parameters.
1885 For example, an ``AllocaInst`` only *requires* a (const-ptr-to) ``Type``.  Thus:
1886
1887 .. code-block:: c++
1888
1889   AllocaInst* ai = new AllocaInst(Type::Int32Ty);
1890
1891 will create an ``AllocaInst`` instance that represents the allocation of one
1892 integer in the current stack frame, at run time.  Each ``Instruction`` subclass
1893 is likely to have varying default parameters which change the semantics of the
1894 instruction, so refer to the `doxygen documentation for the subclass of
1895 Instruction <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Instruction.html>`_ that
1896 you're interested in instantiating.
1897
1898 *Naming values*
1899
1900 It is very useful to name the values of instructions when you're able to, as
1901 this facilitates the debugging of your transformations.  If you end up looking
1902 at generated LLVM machine code, you definitely want to have logical names
1903 associated with the results of instructions!  By supplying a value for the
1904 ``Name`` (default) parameter of the ``Instruction`` constructor, you associate a
1905 logical name with the result of the instruction's execution at run time.  For
1906 example, say that I'm writing a transformation that dynamically allocates space
1907 for an integer on the stack, and that integer is going to be used as some kind
1908 of index by some other code.  To accomplish this, I place an ``AllocaInst`` at
1909 the first point in the first ``BasicBlock`` of some ``Function``, and I'm
1910 intending to use it within the same ``Function``.  I might do:
1911
1912 .. code-block:: c++
1913
1914   AllocaInst* pa = new AllocaInst(Type::Int32Ty, 0, "indexLoc");
1915
1916 where ``indexLoc`` is now the logical name of the instruction's execution value,
1917 which is a pointer to an integer on the run time stack.
1918
1919 *Inserting instructions*
1920
1921 There are essentially three ways to insert an ``Instruction`` into an existing
1922 sequence of instructions that form a ``BasicBlock``:
1923
1924 * Insertion into an explicit instruction list
1925
1926   Given a ``BasicBlock* pb``, an ``Instruction* pi`` within that ``BasicBlock``,
1927   and a newly-created instruction we wish to insert before ``*pi``, we do the
1928   following:
1929
1930   .. code-block:: c++
1931
1932       BasicBlock *pb = ...;
1933       Instruction *pi = ...;
1934       Instruction *newInst = new Instruction(...);
1935
1936       pb->getInstList().insert(pi, newInst); // Inserts newInst before pi in pb
1937
1938   Appending to the end of a ``BasicBlock`` is so common that the ``Instruction``
1939   class and ``Instruction``-derived classes provide constructors which take a
1940   pointer to a ``BasicBlock`` to be appended to.  For example code that looked
1941   like:
1942
1943   .. code-block:: c++
1944
1945     BasicBlock *pb = ...;
1946     Instruction *newInst = new Instruction(...);
1947
1948     pb->getInstList().push_back(newInst); // Appends newInst to pb
1949
1950   becomes:
1951
1952   .. code-block:: c++
1953
1954     BasicBlock *pb = ...;
1955     Instruction *newInst = new Instruction(..., pb);
1956
1957   which is much cleaner, especially if you are creating long instruction
1958   streams.
1959
1960 * Insertion into an implicit instruction list
1961
1962   ``Instruction`` instances that are already in ``BasicBlock``\ s are implicitly
1963   associated with an existing instruction list: the instruction list of the
1964   enclosing basic block.  Thus, we could have accomplished the same thing as the
1965   above code without being given a ``BasicBlock`` by doing:
1966
1967   .. code-block:: c++
1968
1969     Instruction *pi = ...;
1970     Instruction *newInst = new Instruction(...);
1971
1972     pi->getParent()->getInstList().insert(pi, newInst);
1973
1974   In fact, this sequence of steps occurs so frequently that the ``Instruction``
1975   class and ``Instruction``-derived classes provide constructors which take (as
1976   a default parameter) a pointer to an ``Instruction`` which the newly-created
1977   ``Instruction`` should precede.  That is, ``Instruction`` constructors are
1978   capable of inserting the newly-created instance into the ``BasicBlock`` of a
1979   provided instruction, immediately before that instruction.  Using an
1980   ``Instruction`` constructor with a ``insertBefore`` (default) parameter, the
1981   above code becomes:
1982
1983   .. code-block:: c++
1984
1985     Instruction* pi = ...;
1986     Instruction* newInst = new Instruction(..., pi);
1987
1988   which is much cleaner, especially if you're creating a lot of instructions and
1989   adding them to ``BasicBlock``\ s.
1990
1991 * Insertion using an instance of ``IRBuilder``
1992
1993   Inserting several ``Instruction``\ s can be quite laborious using the previous
1994   methods. The ``IRBuilder`` is a convenience class that can be used to add
1995   several instructions to the end of a ``BasicBlock`` or before a particular
1996   ``Instruction``. It also supports constant folding and renaming named
1997   registers (see ``IRBuilder``'s template arguments).
1998
1999   The example below demonstrates a very simple use of the ``IRBuilder`` where
2000   three instructions are inserted before the instruction ``pi``. The first two
2001   instructions are Call instructions and third instruction multiplies the return
2002   value of the two calls.
2003
2004   .. code-block:: c++
2005
2006     Instruction *pi = ...;
2007     IRBuilder<> Builder(pi);
2008     CallInst* callOne = Builder.CreateCall(...);
2009     CallInst* callTwo = Builder.CreateCall(...);
2010     Value* result = Builder.CreateMul(callOne, callTwo);
2011
2012   The example below is similar to the above example except that the created
2013   ``IRBuilder`` inserts instructions at the end of the ``BasicBlock`` ``pb``.
2014
2015   .. code-block:: c++
2016
2017     BasicBlock *pb = ...;
2018     IRBuilder<> Builder(pb);
2019     CallInst* callOne = Builder.CreateCall(...);
2020     CallInst* callTwo = Builder.CreateCall(...);
2021     Value* result = Builder.CreateMul(callOne, callTwo);
2022
2023   See :doc:`tutorial/LangImpl3` for a practical use of the ``IRBuilder``.
2024
2025
2026 .. _schanges_deleting:
2027
2028 Deleting Instructions
2029 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2030
2031 Deleting an instruction from an existing sequence of instructions that form a
2032 BasicBlock_ is very straight-forward: just call the instruction's
2033 ``eraseFromParent()`` method.  For example:
2034
2035 .. code-block:: c++
2036
2037   Instruction *I = .. ;
2038   I->eraseFromParent();
2039
2040 This unlinks the instruction from its containing basic block and deletes it.  If
2041 you'd just like to unlink the instruction from its containing basic block but
2042 not delete it, you can use the ``removeFromParent()`` method.
2043
2044 .. _schanges_replacing:
2045
2046 Replacing an Instruction with another Value
2047 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2048
2049 Replacing individual instructions
2050 """""""""""""""""""""""""""""""""
2051
2052 Including "`llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h
2053 <http://llvm.org/doxygen/BasicBlockUtils_8h-source.html>`_" permits use of two
2054 very useful replace functions: ``ReplaceInstWithValue`` and
2055 ``ReplaceInstWithInst``.
2056
2057 .. _schanges_deleting_sub:
2058
2059 Deleting Instructions
2060 """""""""""""""""""""
2061
2062 * ``ReplaceInstWithValue``
2063
2064   This function replaces all uses of a given instruction with a value, and then
2065   removes the original instruction.  The following example illustrates the
2066   replacement of the result of a particular ``AllocaInst`` that allocates memory
2067   for a single integer with a null pointer to an integer.
2068
2069   .. code-block:: c++
2070
2071     AllocaInst* instToReplace = ...;
2072     BasicBlock::iterator ii(instToReplace);
2073
2074     ReplaceInstWithValue(instToReplace->getParent()->getInstList(), ii,
2075                          Constant::getNullValue(PointerType::getUnqual(Type::Int32Ty)));
2076
2077 * ``ReplaceInstWithInst``
2078
2079   This function replaces a particular instruction with another instruction,
2080   inserting the new instruction into the basic block at the location where the
2081   old instruction was, and replacing any uses of the old instruction with the
2082   new instruction.  The following example illustrates the replacement of one
2083   ``AllocaInst`` with another.
2084
2085   .. code-block:: c++
2086
2087     AllocaInst* instToReplace = ...;
2088     BasicBlock::iterator ii(instToReplace);
2089
2090     ReplaceInstWithInst(instToReplace->getParent()->getInstList(), ii,
2091                         new AllocaInst(Type::Int32Ty, 0, "ptrToReplacedInt"));
2092
2093
2094 Replacing multiple uses of Users and Values
2095 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
2096
2097 You can use ``Value::replaceAllUsesWith`` and ``User::replaceUsesOfWith`` to
2098 change more than one use at a time.  See the doxygen documentation for the
2099 `Value Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`_ and `User Class
2100 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`_, respectively, for more
2101 information.
2102
2103 .. _schanges_deletingGV:
2104
2105 Deleting GlobalVariables
2106 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2107
2108 Deleting a global variable from a module is just as easy as deleting an
2109 Instruction.  First, you must have a pointer to the global variable that you
2110 wish to delete.  You use this pointer to erase it from its parent, the module.
2111 For example:
2112
2113 .. code-block:: c++
2114
2115   GlobalVariable *GV = .. ;
2116
2117   GV->eraseFromParent();
2118
2119
2120 .. _create_types:
2121
2122 How to Create Types
2123 -------------------
2124
2125 In generating IR, you may need some complex types.  If you know these types
2126 statically, you can use ``TypeBuilder<...>::get()``, defined in
2127 ``llvm/Support/TypeBuilder.h``, to retrieve them.  ``TypeBuilder`` has two forms
2128 depending on whether you're building types for cross-compilation or native
2129 library use.  ``TypeBuilder<T, true>`` requires that ``T`` be independent of the
2130 host environment, meaning that it's built out of types from the ``llvm::types``
2131 (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/namespacellvm_1_1types.html>`__) namespace
2132 and pointers, functions, arrays, etc. built of those.  ``TypeBuilder<T, false>``
2133 additionally allows native C types whose size may depend on the host compiler.
2134 For example,
2135
2136 .. code-block:: c++
2137
2138   FunctionType *ft = TypeBuilder<types::i<8>(types::i<32>*), true>::get();
2139
2140 is easier to read and write than the equivalent
2141
2142 .. code-block:: c++
2143
2144   std::vector<const Type*> params;
2145   params.push_back(PointerType::getUnqual(Type::Int32Ty));
2146   FunctionType *ft = FunctionType::get(Type::Int8Ty, params, false);
2147
2148 See the `class comment
2149 <http://llvm.org/doxygen/TypeBuilder_8h-source.html#l00001>`_ for more details.
2150
2151 .. _threading:
2152
2153 Threads and LLVM
2154 ================
2155
2156 This section describes the interaction of the LLVM APIs with multithreading,
2157 both on the part of client applications, and in the JIT, in the hosted
2158 application.
2159
2160 Note that LLVM's support for multithreading is still relatively young.  Up
2161 through version 2.5, the execution of threaded hosted applications was
2162 supported, but not threaded client access to the APIs.  While this use case is
2163 now supported, clients *must* adhere to the guidelines specified below to ensure
2164 proper operation in multithreaded mode.
2165
2166 Note that, on Unix-like platforms, LLVM requires the presence of GCC's atomic
2167 intrinsics in order to support threaded operation.  If you need a
2168 multhreading-capable LLVM on a platform without a suitably modern system
2169 compiler, consider compiling LLVM and LLVM-GCC in single-threaded mode, and
2170 using the resultant compiler to build a copy of LLVM with multithreading
2171 support.
2172
2173 .. _startmultithreaded:
2174
2175 Entering and Exiting Multithreaded Mode
2176 ---------------------------------------
2177
2178 In order to properly protect its internal data structures while avoiding
2179 excessive locking overhead in the single-threaded case, the LLVM must intialize
2180 certain data structures necessary to provide guards around its internals.  To do
2181 so, the client program must invoke ``llvm_start_multithreaded()`` before making
2182 any concurrent LLVM API calls.  To subsequently tear down these structures, use
2183 the ``llvm_stop_multithreaded()`` call.  You can also use the
2184 ``llvm_is_multithreaded()`` call to check the status of multithreaded mode.
2185
2186 Note that both of these calls must be made *in isolation*.  That is to say that
2187 no other LLVM API calls may be executing at any time during the execution of
2188 ``llvm_start_multithreaded()`` or ``llvm_stop_multithreaded``.  It is the
2189 client's responsibility to enforce this isolation.
2190
2191 The return value of ``llvm_start_multithreaded()`` indicates the success or
2192 failure of the initialization.  Failure typically indicates that your copy of
2193 LLVM was built without multithreading support, typically because GCC atomic
2194 intrinsics were not found in your system compiler.  In this case, the LLVM API
2195 will not be safe for concurrent calls.  However, it *will* be safe for hosting
2196 threaded applications in the JIT, though :ref:`care must be taken
2197 <jitthreading>` to ensure that side exits and the like do not accidentally
2198 result in concurrent LLVM API calls.
2199
2200 .. _shutdown:
2201
2202 Ending Execution with ``llvm_shutdown()``
2203 -----------------------------------------
2204
2205 When you are done using the LLVM APIs, you should call ``llvm_shutdown()`` to
2206 deallocate memory used for internal structures.  This will also invoke
2207 ``llvm_stop_multithreaded()`` if LLVM is operating in multithreaded mode.  As
2208 such, ``llvm_shutdown()`` requires the same isolation guarantees as
2209 ``llvm_stop_multithreaded()``.
2210
2211 Note that, if you use scope-based shutdown, you can use the
2212 ``llvm_shutdown_obj`` class, which calls ``llvm_shutdown()`` in its destructor.
2213
2214 .. _managedstatic:
2215
2216 Lazy Initialization with ``ManagedStatic``
2217 ------------------------------------------
2218
2219 ``ManagedStatic`` is a utility class in LLVM used to implement static
2220 initialization of static resources, such as the global type tables.  Before the
2221 invocation of ``llvm_shutdown()``, it implements a simple lazy initialization
2222 scheme.  Once ``llvm_start_multithreaded()`` returns, however, it uses
2223 double-checked locking to implement thread-safe lazy initialization.
2224
2225 Note that, because no other threads are allowed to issue LLVM API calls before
2226 ``llvm_start_multithreaded()`` returns, it is possible to have
2227 ``ManagedStatic``\ s of ``llvm::sys::Mutex``\ s.
2228
2229 The ``llvm_acquire_global_lock()`` and ``llvm_release_global_lock`` APIs provide
2230 access to the global lock used to implement the double-checked locking for lazy
2231 initialization.  These should only be used internally to LLVM, and only if you
2232 know what you're doing!
2233
2234 .. _llvmcontext:
2235
2236 Achieving Isolation with ``LLVMContext``
2237 ----------------------------------------
2238
2239 ``LLVMContext`` is an opaque class in the LLVM API which clients can use to
2240 operate multiple, isolated instances of LLVM concurrently within the same
2241 address space.  For instance, in a hypothetical compile-server, the compilation
2242 of an individual translation unit is conceptually independent from all the
2243 others, and it would be desirable to be able to compile incoming translation
2244 units concurrently on independent server threads.  Fortunately, ``LLVMContext``
2245 exists to enable just this kind of scenario!
2246
2247 Conceptually, ``LLVMContext`` provides isolation.  Every LLVM entity
2248 (``Module``\ s, ``Value``\ s, ``Type``\ s, ``Constant``\ s, etc.) in LLVM's
2249 in-memory IR belongs to an ``LLVMContext``.  Entities in different contexts
2250 *cannot* interact with each other: ``Module``\ s in different contexts cannot be
2251 linked together, ``Function``\ s cannot be added to ``Module``\ s in different
2252 contexts, etc.  What this means is that is is safe to compile on multiple
2253 threads simultaneously, as long as no two threads operate on entities within the
2254 same context.
2255
2256 In practice, very few places in the API require the explicit specification of a
2257 ``LLVMContext``, other than the ``Type`` creation/lookup APIs.  Because every
2258 ``Type`` carries a reference to its owning context, most other entities can
2259 determine what context they belong to by looking at their own ``Type``.  If you
2260 are adding new entities to LLVM IR, please try to maintain this interface
2261 design.
2262
2263 For clients that do *not* require the benefits of isolation, LLVM provides a
2264 convenience API ``getGlobalContext()``.  This returns a global, lazily
2265 initialized ``LLVMContext`` that may be used in situations where isolation is
2266 not a concern.
2267
2268 .. _jitthreading:
2269
2270 Threads and the JIT
2271 -------------------
2272
2273 LLVM's "eager" JIT compiler is safe to use in threaded programs.  Multiple
2274 threads can call ``ExecutionEngine::getPointerToFunction()`` or
2275 ``ExecutionEngine::runFunction()`` concurrently, and multiple threads can run
2276 code output by the JIT concurrently.  The user must still ensure that only one
2277 thread accesses IR in a given ``LLVMContext`` while another thread might be
2278 modifying it.  One way to do that is to always hold the JIT lock while accessing
2279 IR outside the JIT (the JIT *modifies* the IR by adding ``CallbackVH``\ s).
2280 Another way is to only call ``getPointerToFunction()`` from the
2281 ``LLVMContext``'s thread.
2282
2283 When the JIT is configured to compile lazily (using
2284 ``ExecutionEngine::DisableLazyCompilation(false)``), there is currently a `race
2285 condition <http://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=5184>`_ in updating call sites
2286 after a function is lazily-jitted.  It's still possible to use the lazy JIT in a
2287 threaded program if you ensure that only one thread at a time can call any
2288 particular lazy stub and that the JIT lock guards any IR access, but we suggest
2289 using only the eager JIT in threaded programs.
2290
2291 .. _advanced:
2292
2293 Advanced Topics
2294 ===============
2295
2296 This section describes some of the advanced or obscure API's that most clients
2297 do not need to be aware of.  These API's tend manage the inner workings of the
2298 LLVM system, and only need to be accessed in unusual circumstances.
2299
2300 .. _SymbolTable:
2301
2302 The ``ValueSymbolTable`` class
2303 ------------------------------
2304
2305 The ``ValueSymbolTable`` (`doxygen
2306 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ValueSymbolTable.html>`__) class provides
2307 a symbol table that the :ref:`Function <c_Function>` and Module_ classes use for
2308 naming value definitions.  The symbol table can provide a name for any Value_.
2309
2310 Note that the ``SymbolTable`` class should not be directly accessed by most
2311 clients.  It should only be used when iteration over the symbol table names
2312 themselves are required, which is very special purpose.  Note that not all LLVM
2313 Value_\ s have names, and those without names (i.e. they have an empty name) do
2314 not exist in the symbol table.
2315
2316 Symbol tables support iteration over the values in the symbol table with
2317 ``begin/end/iterator`` and supports querying to see if a specific name is in the
2318 symbol table (with ``lookup``).  The ``ValueSymbolTable`` class exposes no
2319 public mutator methods, instead, simply call ``setName`` on a value, which will
2320 autoinsert it into the appropriate symbol table.
2321
2322 .. _UserLayout:
2323
2324 The ``User`` and owned ``Use`` classes' memory layout
2325 -----------------------------------------------------
2326
2327 The ``User`` (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`__)
2328 class provides a basis for expressing the ownership of ``User`` towards other
2329 `Value instance <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`_\ s.  The
2330 ``Use`` (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Use.html>`__) helper
2331 class is employed to do the bookkeeping and to facilitate *O(1)* addition and
2332 removal.
2333
2334 .. _Use2User:
2335
2336 Interaction and relationship between ``User`` and ``Use`` objects
2337 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2338
2339 A subclass of ``User`` can choose between incorporating its ``Use`` objects or
2340 refer to them out-of-line by means of a pointer.  A mixed variant (some ``Use``
2341 s inline others hung off) is impractical and breaks the invariant that the
2342 ``Use`` objects belonging to the same ``User`` form a contiguous array.
2343
2344 We have 2 different layouts in the ``User`` (sub)classes:
2345
2346 * Layout a)
2347
2348   The ``Use`` object(s) are inside (resp. at fixed offset) of the ``User``
2349   object and there are a fixed number of them.
2350
2351 * Layout b)
2352
2353   The ``Use`` object(s) are referenced by a pointer to an array from the
2354   ``User`` object and there may be a variable number of them.
2355
2356 As of v2.4 each layout still possesses a direct pointer to the start of the
2357 array of ``Use``\ s.  Though not mandatory for layout a), we stick to this
2358 redundancy for the sake of simplicity.  The ``User`` object also stores the
2359 number of ``Use`` objects it has. (Theoretically this information can also be
2360 calculated given the scheme presented below.)
2361
2362 Special forms of allocation operators (``operator new``) enforce the following
2363 memory layouts:
2364
2365 * Layout a) is modelled by prepending the ``User`` object by the ``Use[]``
2366   array.
2367
2368   .. code-block:: none
2369
2370     ...---.---.---.---.-------...
2371       | P | P | P | P | User
2372     '''---'---'---'---'-------'''
2373
2374 * Layout b) is modelled by pointing at the ``Use[]`` array.
2375
2376   .. code-block:: none
2377
2378     .-------...
2379     | User
2380     '-------'''
2381         |
2382         v
2383         .---.---.---.---...
2384         | P | P | P | P |
2385         '---'---'---'---'''
2386
2387 *(In the above figures* '``P``' *stands for the* ``Use**`` *that is stored in
2388 each* ``Use`` *object in the member* ``Use::Prev`` *)*
2389
2390 .. _Waymarking:
2391
2392 The waymarking algorithm
2393 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2394
2395 Since the ``Use`` objects are deprived of the direct (back)pointer to their
2396 ``User`` objects, there must be a fast and exact method to recover it.  This is
2397 accomplished by the following scheme:
2398
2399 A bit-encoding in the 2 LSBits (least significant bits) of the ``Use::Prev``
2400 allows to find the start of the ``User`` object:
2401
2402 * ``00`` --- binary digit 0
2403
2404 * ``01`` --- binary digit 1
2405
2406 * ``10`` --- stop and calculate (``s``)
2407
2408 * ``11`` --- full stop (``S``)
2409
2410 Given a ``Use*``, all we have to do is to walk till we get a stop and we either
2411 have a ``User`` immediately behind or we have to walk to the next stop picking
2412 up digits and calculating the offset:
2413
2414 .. code-block:: none
2415
2416   .---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.----------------
2417   | 1 | s | 1 | 0 | 1 | 0 | s | 1 | 1 | 0 | s | 1 | 1 | s | 1 | S | User (or User*)
2418   '---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'----------------
2419       |+15                |+10            |+6         |+3     |+1
2420       |                   |               |           |       | __>
2421       |                   |               |           | __________>
2422       |                   |               | ______________________>
2423       |                   | ______________________________________>
2424       | __________________________________________________________>
2425
2426 Only the significant number of bits need to be stored between the stops, so that
2427 the *worst case is 20 memory accesses* when there are 1000 ``Use`` objects
2428 associated with a ``User``.
2429
2430 .. _ReferenceImpl:
2431
2432 Reference implementation
2433 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2434
2435 The following literate Haskell fragment demonstrates the concept:
2436
2437 .. code-block:: haskell
2438
2439   > import Test.QuickCheck
2440   >
2441   > digits :: Int -> [Char] -> [Char]
2442   > digits 0 acc = '0' : acc
2443   > digits 1 acc = '1' : acc
2444   > digits n acc = digits (n `div` 2) $ digits (n `mod` 2) acc
2445   >
2446   > dist :: Int -> [Char] -> [Char]
2447   > dist 0 [] = ['S']
2448   > dist 0 acc = acc
2449   > dist 1 acc = let r = dist 0 acc in 's' : digits (length r) r
2450   > dist n acc = dist (n - 1) $ dist 1 acc
2451   >
2452   > takeLast n ss = reverse $ take n $ reverse ss
2453   >
2454   > test = takeLast 40 $ dist 20 []
2455   >
2456
2457 Printing <test> gives: ``"1s100000s11010s10100s1111s1010s110s11s1S"``
2458
2459 The reverse algorithm computes the length of the string just by examining a
2460 certain prefix:
2461
2462 .. code-block:: haskell
2463
2464   > pref :: [Char] -> Int
2465   > pref "S" = 1
2466   > pref ('s':'1':rest) = decode 2 1 rest
2467   > pref (_:rest) = 1 + pref rest
2468   >
2469   > decode walk acc ('0':rest) = decode (walk + 1) (acc * 2) rest
2470   > decode walk acc ('1':rest) = decode (walk + 1) (acc * 2 + 1) rest
2471   > decode walk acc _ = walk + acc
2472   >
2473
2474 Now, as expected, printing <pref test> gives ``40``.
2475
2476 We can *quickCheck* this with following property:
2477
2478 .. code-block:: haskell
2479
2480   > testcase = dist 2000 []
2481   > testcaseLength = length testcase
2482   >
2483   > identityProp n = n > 0 && n <= testcaseLength ==> length arr == pref arr
2484   >     where arr = takeLast n testcase
2485   >
2486
2487 As expected <quickCheck identityProp> gives:
2488
2489 ::
2490
2491   *Main> quickCheck identityProp
2492   OK, passed 100 tests.
2493
2494 Let's be a bit more exhaustive:
2495
2496 .. code-block:: haskell
2497
2498   >
2499   > deepCheck p = check (defaultConfig { configMaxTest = 500 }) p
2500   >
2501
2502 And here is the result of <deepCheck identityProp>:
2503
2504 ::
2505
2506   *Main> deepCheck identityProp
2507   OK, passed 500 tests.
2508
2509 .. _Tagging:
2510
2511 Tagging considerations
2512 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2513
2514 To maintain the invariant that the 2 LSBits of each ``Use**`` in ``Use`` never
2515 change after being set up, setters of ``Use::Prev`` must re-tag the new
2516 ``Use**`` on every modification.  Accordingly getters must strip the tag bits.
2517
2518 For layout b) instead of the ``User`` we find a pointer (``User*`` with LSBit
2519 set).  Following this pointer brings us to the ``User``.  A portable trick
2520 ensures that the first bytes of ``User`` (if interpreted as a pointer) never has
2521 the LSBit set. (Portability is relying on the fact that all known compilers
2522 place the ``vptr`` in the first word of the instances.)
2523
2524 .. _coreclasses:
2525
2526 The Core LLVM Class Hierarchy Reference
2527 =======================================
2528
2529 ``#include "llvm/IR/Type.h"``
2530
2531 header source: `Type.h <http://llvm.org/doxygen/Type_8h-source.html>`_
2532
2533 doxygen info: `Type Clases <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Type.html>`_
2534
2535 The Core LLVM classes are the primary means of representing the program being
2536 inspected or transformed.  The core LLVM classes are defined in header files in
2537 the ``include/llvm/`` directory, and implemented in the ``lib/VMCore``
2538 directory.
2539
2540 .. _Type:
2541
2542 The Type class and Derived Types
2543 --------------------------------
2544
2545 ``Type`` is a superclass of all type classes.  Every ``Value`` has a ``Type``.
2546 ``Type`` cannot be instantiated directly but only through its subclasses.
2547 Certain primitive types (``VoidType``, ``LabelType``, ``FloatType`` and
2548 ``DoubleType``) have hidden subclasses.  They are hidden because they offer no
2549 useful functionality beyond what the ``Type`` class offers except to distinguish
2550 themselves from other subclasses of ``Type``.
2551
2552 All other types are subclasses of ``DerivedType``.  Types can be named, but this
2553 is not a requirement.  There exists exactly one instance of a given shape at any
2554 one time.  This allows type equality to be performed with address equality of
2555 the Type Instance.  That is, given two ``Type*`` values, the types are identical
2556 if the pointers are identical.
2557
2558 .. _m_Type:
2559
2560 Important Public Methods
2561 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2562
2563 * ``bool isIntegerTy() const``: Returns true for any integer type.
2564
2565 * ``bool isFloatingPointTy()``: Return true if this is one of the five
2566   floating point types.
2567
2568 * ``bool isSized()``: Return true if the type has known size.  Things
2569   that don't have a size are abstract types, labels and void.
2570
2571 .. _derivedtypes:
2572
2573 Important Derived Types
2574 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2575
2576 ``IntegerType``
2577   Subclass of DerivedType that represents integer types of any bit width.  Any
2578   bit width between ``IntegerType::MIN_INT_BITS`` (1) and
2579   ``IntegerType::MAX_INT_BITS`` (~8 million) can be represented.
2580
2581   * ``static const IntegerType* get(unsigned NumBits)``: get an integer
2582     type of a specific bit width.
2583
2584   * ``unsigned getBitWidth() const``: Get the bit width of an integer type.
2585
2586 ``SequentialType``
2587   This is subclassed by ArrayType, PointerType and VectorType.
2588
2589   * ``const Type * getElementType() const``: Returns the type of each
2590     of the elements in the sequential type.
2591
2592 ``ArrayType``
2593   This is a subclass of SequentialType and defines the interface for array
2594   types.
2595
2596   * ``unsigned getNumElements() const``: Returns the number of elements
2597     in the array.
2598
2599 ``PointerType``
2600   Subclass of SequentialType for pointer types.
2601
2602 ``VectorType``
2603   Subclass of SequentialType for vector types.  A vector type is similar to an
2604   ArrayType but is distinguished because it is a first class type whereas
2605   ArrayType is not.  Vector types are used for vector operations and are usually
2606   small vectors of of an integer or floating point type.
2607
2608 ``StructType``
2609   Subclass of DerivedTypes for struct types.
2610
2611 .. _FunctionType:
2612
2613 ``FunctionType``
2614   Subclass of DerivedTypes for function types.
2615
2616   * ``bool isVarArg() const``: Returns true if it's a vararg function.
2617
2618   * ``const Type * getReturnType() const``: Returns the return type of the
2619     function.
2620
2621   * ``const Type * getParamType (unsigned i)``: Returns the type of the ith
2622     parameter.
2623
2624   * ``const unsigned getNumParams() const``: Returns the number of formal
2625     parameters.
2626
2627 .. _Module:
2628
2629 The ``Module`` class
2630 --------------------
2631
2632 ``#include "llvm/IR/Module.h"``
2633
2634 header source: `Module.h <http://llvm.org/doxygen/Module_8h-source.html>`_
2635
2636 doxygen info: `Module Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Module.html>`_
2637
2638 The ``Module`` class represents the top level structure present in LLVM
2639 programs.  An LLVM module is effectively either a translation unit of the
2640 original program or a combination of several translation units merged by the
2641 linker.  The ``Module`` class keeps track of a list of :ref:`Function
2642 <c_Function>`\ s, a list of GlobalVariable_\ s, and a SymbolTable_.
2643 Additionally, it contains a few helpful member functions that try to make common
2644 operations easy.
2645
2646 .. _m_Module:
2647
2648 Important Public Members of the ``Module`` class
2649 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2650
2651 * ``Module::Module(std::string name = "")``
2652
2653   Constructing a Module_ is easy.  You can optionally provide a name for it
2654   (probably based on the name of the translation unit).
2655
2656 * | ``Module::iterator`` - Typedef for function list iterator
2657   | ``Module::const_iterator`` - Typedef for const_iterator.
2658   | ``begin()``, ``end()``, ``size()``, ``empty()``
2659
2660   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
2661   ``Module`` object's :ref:`Function <c_Function>` list.
2662
2663 * ``Module::FunctionListType &getFunctionList()``
2664
2665   Returns the list of :ref:`Function <c_Function>`\ s.  This is necessary to use
2666   when you need to update the list or perform a complex action that doesn't have
2667   a forwarding method.
2668
2669 ----------------
2670
2671 * | ``Module::global_iterator`` - Typedef for global variable list iterator
2672   | ``Module::const_global_iterator`` - Typedef for const_iterator.
2673   | ``global_begin()``, ``global_end()``, ``global_size()``, ``global_empty()``
2674
2675   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
2676   ``Module`` object's GlobalVariable_ list.
2677
2678 * ``Module::GlobalListType &getGlobalList()``
2679
2680   Returns the list of GlobalVariable_\ s.  This is necessary to use when you
2681   need to update the list or perform a complex action that doesn't have a
2682   forwarding method.
2683
2684 ----------------
2685
2686 * ``SymbolTable *getSymbolTable()``
2687
2688   Return a reference to the SymbolTable_ for this ``Module``.
2689
2690 ----------------
2691
2692 * ``Function *getFunction(StringRef Name) const``
2693
2694   Look up the specified function in the ``Module`` SymbolTable_.  If it does not
2695   exist, return ``null``.
2696
2697 * ``Function *getOrInsertFunction(const std::string &Name, const FunctionType
2698   *T)``
2699
2700   Look up the specified function in the ``Module`` SymbolTable_.  If it does not
2701   exist, add an external declaration for the function and return it.
2702
2703 * ``std::string getTypeName(const Type *Ty)``
2704
2705   If there is at least one entry in the SymbolTable_ for the specified Type_,
2706   return it.  Otherwise return the empty string.
2707
2708 * ``bool addTypeName(const std::string &Name, const Type *Ty)``
2709
2710   Insert an entry in the SymbolTable_ mapping ``Name`` to ``Ty``.  If there is
2711   already an entry for this name, true is returned and the SymbolTable_ is not
2712   modified.
2713
2714 .. _Value:
2715
2716 The ``Value`` class
2717 -------------------
2718
2719 ``#include "llvm/IR/Value.h"``
2720
2721 header source: `Value.h <http://llvm.org/doxygen/Value_8h-source.html>`_
2722
2723 doxygen info: `Value Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`_
2724
2725 The ``Value`` class is the most important class in the LLVM Source base.  It
2726 represents a typed value that may be used (among other things) as an operand to
2727 an instruction.  There are many different types of ``Value``\ s, such as
2728 Constant_\ s, Argument_\ s.  Even Instruction_\ s and :ref:`Function
2729 <c_Function>`\ s are ``Value``\ s.
2730
2731 A particular ``Value`` may be used many times in the LLVM representation for a
2732 program.  For example, an incoming argument to a function (represented with an
2733 instance of the Argument_ class) is "used" by every instruction in the function
2734 that references the argument.  To keep track of this relationship, the ``Value``
2735 class keeps a list of all of the ``User``\ s that is using it (the User_ class
2736 is a base class for all nodes in the LLVM graph that can refer to ``Value``\ s).
2737 This use list is how LLVM represents def-use information in the program, and is
2738 accessible through the ``use_*`` methods, shown below.
2739
2740 Because LLVM is a typed representation, every LLVM ``Value`` is typed, and this
2741 Type_ is available through the ``getType()`` method.  In addition, all LLVM
2742 values can be named.  The "name" of the ``Value`` is a symbolic string printed
2743 in the LLVM code:
2744
2745 .. code-block:: llvm
2746
2747   %foo = add i32 1, 2
2748
2749 .. _nameWarning:
2750
2751 The name of this instruction is "foo". **NOTE** that the name of any value may
2752 be missing (an empty string), so names should **ONLY** be used for debugging
2753 (making the source code easier to read, debugging printouts), they should not be
2754 used to keep track of values or map between them.  For this purpose, use a
2755 ``std::map`` of pointers to the ``Value`` itself instead.
2756
2757 One important aspect of LLVM is that there is no distinction between an SSA
2758 variable and the operation that produces it.  Because of this, any reference to
2759 the value produced by an instruction (or the value available as an incoming
2760 argument, for example) is represented as a direct pointer to the instance of the
2761 class that represents this value.  Although this may take some getting used to,
2762 it simplifies the representation and makes it easier to manipulate.
2763
2764 .. _m_Value:
2765
2766 Important Public Members of the ``Value`` class
2767 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2768
2769 * | ``Value::use_iterator`` - Typedef for iterator over the use-list
2770   | ``Value::const_use_iterator`` - Typedef for const_iterator over the
2771     use-list
2772   | ``unsigned use_size()`` - Returns the number of users of the value.
2773   | ``bool use_empty()`` - Returns true if there are no users.
2774   | ``use_iterator use_begin()`` - Get an iterator to the start of the
2775     use-list.
2776   | ``use_iterator use_end()`` - Get an iterator to the end of the use-list.
2777   | ``User *use_back()`` - Returns the last element in the list.
2778
2779   These methods are the interface to access the def-use information in LLVM.
2780   As with all other iterators in LLVM, the naming conventions follow the
2781   conventions defined by the STL_.
2782
2783 * ``Type *getType() const``
2784   This method returns the Type of the Value.
2785
2786 * | ``bool hasName() const``
2787   | ``std::string getName() const``
2788   | ``void setName(const std::string &Name)``
2789
2790   This family of methods is used to access and assign a name to a ``Value``, be
2791   aware of the :ref:`precaution above <nameWarning>`.
2792
2793 * ``void replaceAllUsesWith(Value *V)``
2794
2795   This method traverses the use list of a ``Value`` changing all User_\ s of the
2796   current value to refer to "``V``" instead.  For example, if you detect that an
2797   instruction always produces a constant value (for example through constant
2798   folding), you can replace all uses of the instruction with the constant like
2799   this:
2800
2801   .. code-block:: c++
2802
2803     Inst->replaceAllUsesWith(ConstVal);
2804
2805 .. _User:
2806
2807 The ``User`` class
2808 ------------------
2809
2810 ``#include "llvm/IR/User.h"``
2811
2812 header source: `User.h <http://llvm.org/doxygen/User_8h-source.html>`_
2813
2814 doxygen info: `User Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`_
2815
2816 Superclass: Value_
2817
2818 The ``User`` class is the common base class of all LLVM nodes that may refer to
2819 ``Value``\ s.  It exposes a list of "Operands" that are all of the ``Value``\ s
2820 that the User is referring to.  The ``User`` class itself is a subclass of
2821 ``Value``.
2822
2823 The operands of a ``User`` point directly to the LLVM ``Value`` that it refers
2824 to.  Because LLVM uses Static Single Assignment (SSA) form, there can only be
2825 one definition referred to, allowing this direct connection.  This connection
2826 provides the use-def information in LLVM.
2827
2828 .. _m_User:
2829
2830 Important Public Members of the ``User`` class
2831 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2832
2833 The ``User`` class exposes the operand list in two ways: through an index access
2834 interface and through an iterator based interface.
2835
2836 * | ``Value *getOperand(unsigned i)``
2837   | ``unsigned getNumOperands()``
2838
2839   These two methods expose the operands of the ``User`` in a convenient form for
2840   direct access.
2841
2842 * | ``User::op_iterator`` - Typedef for iterator over the operand list
2843   | ``op_iterator op_begin()`` - Get an iterator to the start of the operand
2844     list.
2845   | ``op_iterator op_end()`` - Get an iterator to the end of the operand list.
2846
2847   Together, these methods make up the iterator based interface to the operands
2848   of a ``User``.
2849
2850
2851 .. _Instruction:
2852
2853 The ``Instruction`` class
2854 -------------------------
2855
2856 ``#include "llvm/IR/Instruction.h"``
2857
2858 header source: `Instruction.h
2859 <http://llvm.org/doxygen/Instruction_8h-source.html>`_
2860
2861 doxygen info: `Instruction Class
2862 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Instruction.html>`_
2863
2864 Superclasses: User_, Value_
2865
2866 The ``Instruction`` class is the common base class for all LLVM instructions.
2867 It provides only a few methods, but is a very commonly used class.  The primary
2868 data tracked by the ``Instruction`` class itself is the opcode (instruction
2869 type) and the parent BasicBlock_ the ``Instruction`` is embedded into.  To
2870 represent a specific type of instruction, one of many subclasses of
2871 ``Instruction`` are used.
2872
2873 Because the ``Instruction`` class subclasses the User_ class, its operands can
2874 be accessed in the same way as for other ``User``\ s (with the
2875 ``getOperand()``/``getNumOperands()`` and ``op_begin()``/``op_end()`` methods).
2876 An important file for the ``Instruction`` class is the ``llvm/Instruction.def``
2877 file.  This file contains some meta-data about the various different types of
2878 instructions in LLVM.  It describes the enum values that are used as opcodes
2879 (for example ``Instruction::Add`` and ``Instruction::ICmp``), as well as the
2880 concrete sub-classes of ``Instruction`` that implement the instruction (for
2881 example BinaryOperator_ and CmpInst_).  Unfortunately, the use of macros in this
2882 file confuses doxygen, so these enum values don't show up correctly in the
2883 `doxygen output <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Instruction.html>`_.
2884
2885 .. _s_Instruction:
2886
2887 Important Subclasses of the ``Instruction`` class
2888 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2889
2890 .. _BinaryOperator:
2891
2892 * ``BinaryOperator``
2893
2894   This subclasses represents all two operand instructions whose operands must be
2895   the same type, except for the comparison instructions.
2896
2897 .. _CastInst:
2898
2899 * ``CastInst``
2900   This subclass is the parent of the 12 casting instructions.  It provides
2901   common operations on cast instructions.
2902
2903 .. _CmpInst:
2904
2905 * ``CmpInst``
2906
2907   This subclass respresents the two comparison instructions,
2908   `ICmpInst <LangRef.html#i_icmp>`_ (integer opreands), and
2909   `FCmpInst <LangRef.html#i_fcmp>`_ (floating point operands).
2910
2911 .. _TerminatorInst:
2912
2913 * ``TerminatorInst``
2914
2915   This subclass is the parent of all terminator instructions (those which can
2916   terminate a block).
2917
2918 .. _m_Instruction:
2919
2920 Important Public Members of the ``Instruction`` class
2921 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2922
2923 * ``BasicBlock *getParent()``
2924
2925   Returns the BasicBlock_ that this
2926   ``Instruction`` is embedded into.
2927
2928 * ``bool mayWriteToMemory()``
2929
2930   Returns true if the instruction writes to memory, i.e. it is a ``call``,
2931   ``free``, ``invoke``, or ``store``.
2932
2933 * ``unsigned getOpcode()``
2934
2935   Returns the opcode for the ``Instruction``.
2936
2937 * ``Instruction *clone() const``
2938
2939   Returns another instance of the specified instruction, identical in all ways
2940   to the original except that the instruction has no parent (i.e. it's not
2941   embedded into a BasicBlock_), and it has no name.
2942
2943 .. _Constant:
2944
2945 The ``Constant`` class and subclasses
2946 -------------------------------------
2947
2948 Constant represents a base class for different types of constants.  It is
2949 subclassed by ConstantInt, ConstantArray, etc. for representing the various
2950 types of Constants.  GlobalValue_ is also a subclass, which represents the
2951 address of a global variable or function.
2952
2953 .. _s_Constant:
2954
2955 Important Subclasses of Constant
2956 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2957
2958 * ConstantInt : This subclass of Constant represents an integer constant of
2959   any width.
2960
2961   * ``const APInt& getValue() const``: Returns the underlying
2962     value of this constant, an APInt value.
2963
2964   * ``int64_t getSExtValue() const``: Converts the underlying APInt value to an
2965     int64_t via sign extension.  If the value (not the bit width) of the APInt
2966     is too large to fit in an int64_t, an assertion will result.  For this
2967     reason, use of this method is discouraged.
2968
2969   * ``uint64_t getZExtValue() const``: Converts the underlying APInt value
2970     to a uint64_t via zero extension.  IF the value (not the bit width) of the
2971     APInt is too large to fit in a uint64_t, an assertion will result.  For this
2972     reason, use of this method is discouraged.
2973
2974   * ``static ConstantInt* get(const APInt& Val)``: Returns the ConstantInt
2975     object that represents the value provided by ``Val``.  The type is implied
2976     as the IntegerType that corresponds to the bit width of ``Val``.
2977
2978   * ``static ConstantInt* get(const Type *Ty, uint64_t Val)``: Returns the
2979     ConstantInt object that represents the value provided by ``Val`` for integer
2980     type ``Ty``.
2981
2982 * ConstantFP : This class represents a floating point constant.
2983
2984   * ``double getValue() const``: Returns the underlying value of this constant.
2985
2986 * ConstantArray : This represents a constant array.
2987
2988   * ``const std::vector<Use> &getValues() const``: Returns a vector of
2989     component constants that makeup this array.
2990
2991 * ConstantStruct : This represents a constant struct.
2992
2993   * ``const std::vector<Use> &getValues() const``: Returns a vector of
2994     component constants that makeup this array.
2995
2996 * GlobalValue : This represents either a global variable or a function.  In
2997   either case, the value is a constant fixed address (after linking).
2998
2999 .. _GlobalValue:
3000
3001 The ``GlobalValue`` class
3002 -------------------------
3003
3004 ``#include "llvm/IR/GlobalValue.h"``
3005
3006 header source: `GlobalValue.h
3007 <http://llvm.org/doxygen/GlobalValue_8h-source.html>`_
3008
3009 doxygen info: `GlobalValue Class
3010 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1GlobalValue.html>`_
3011
3012 Superclasses: Constant_, User_, Value_
3013
3014 Global values ( GlobalVariable_\ s or :ref:`Function <c_Function>`\ s) are the
3015 only LLVM values that are visible in the bodies of all :ref:`Function
3016 <c_Function>`\ s.  Because they are visible at global scope, they are also
3017 subject to linking with other globals defined in different translation units.
3018 To control the linking process, ``GlobalValue``\ s know their linkage rules.
3019 Specifically, ``GlobalValue``\ s know whether they have internal or external
3020 linkage, as defined by the ``LinkageTypes`` enumeration.
3021
3022 If a ``GlobalValue`` has internal linkage (equivalent to being ``static`` in C),
3023 it is not visible to code outside the current translation unit, and does not
3024 participate in linking.  If it has external linkage, it is visible to external
3025 code, and does participate in linking.  In addition to linkage information,
3026 ``GlobalValue``\ s keep track of which Module_ they are currently part of.
3027
3028 Because ``GlobalValue``\ s are memory objects, they are always referred to by
3029 their **address**.  As such, the Type_ of a global is always a pointer to its
3030 contents.  It is important to remember this when using the ``GetElementPtrInst``
3031 instruction because this pointer must be dereferenced first.  For example, if
3032 you have a ``GlobalVariable`` (a subclass of ``GlobalValue)`` that is an array
3033 of 24 ints, type ``[24 x i32]``, then the ``GlobalVariable`` is a pointer to
3034 that array.  Although the address of the first element of this array and the
3035 value of the ``GlobalVariable`` are the same, they have different types.  The
3036 ``GlobalVariable``'s type is ``[24 x i32]``.  The first element's type is
3037 ``i32.`` Because of this, accessing a global value requires you to dereference
3038 the pointer with ``GetElementPtrInst`` first, then its elements can be accessed.
3039 This is explained in the `LLVM Language Reference Manual
3040 <LangRef.html#globalvars>`_.
3041
3042 .. _m_GlobalValue:
3043
3044 Important Public Members of the ``GlobalValue`` class
3045 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3046
3047 * | ``bool hasInternalLinkage() const``
3048   | ``bool hasExternalLinkage() const``
3049   | ``void setInternalLinkage(bool HasInternalLinkage)``
3050
3051   These methods manipulate the linkage characteristics of the ``GlobalValue``.
3052
3053 * ``Module *getParent()``
3054
3055   This returns the Module_ that the
3056   GlobalValue is currently embedded into.
3057
3058 .. _c_Function:
3059
3060 The ``Function`` class
3061 ----------------------
3062
3063 ``#include "llvm/IR/Function.h"``
3064
3065 header source: `Function.h <http://llvm.org/doxygen/Function_8h-source.html>`_
3066
3067 doxygen info: `Function Class
3068 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Function.html>`_
3069
3070 Superclasses: GlobalValue_, Constant_, User_, Value_
3071
3072 The ``Function`` class represents a single procedure in LLVM.  It is actually
3073 one of the more complex classes in the LLVM hierarchy because it must keep track
3074 of a large amount of data.  The ``Function`` class keeps track of a list of
3075 BasicBlock_\ s, a list of formal Argument_\ s, and a SymbolTable_.
3076
3077 The list of BasicBlock_\ s is the most commonly used part of ``Function``
3078 objects.  The list imposes an implicit ordering of the blocks in the function,
3079 which indicate how the code will be laid out by the backend.  Additionally, the
3080 first BasicBlock_ is the implicit entry node for the ``Function``.  It is not
3081 legal in LLVM to explicitly branch to this initial block.  There are no implicit
3082 exit nodes, and in fact there may be multiple exit nodes from a single
3083 ``Function``.  If the BasicBlock_ list is empty, this indicates that the
3084 ``Function`` is actually a function declaration: the actual body of the function
3085 hasn't been linked in yet.
3086
3087 In addition to a list of BasicBlock_\ s, the ``Function`` class also keeps track
3088 of the list of formal Argument_\ s that the function receives.  This container
3089 manages the lifetime of the Argument_ nodes, just like the BasicBlock_ list does
3090 for the BasicBlock_\ s.
3091
3092 The SymbolTable_ is a very rarely used LLVM feature that is only used when you
3093 have to look up a value by name.  Aside from that, the SymbolTable_ is used
3094 internally to make sure that there are not conflicts between the names of
3095 Instruction_\ s, BasicBlock_\ s, or Argument_\ s in the function body.
3096
3097 Note that ``Function`` is a GlobalValue_ and therefore also a Constant_.  The
3098 value of the function is its address (after linking) which is guaranteed to be
3099 constant.
3100
3101 .. _m_Function:
3102
3103 Important Public Members of the ``Function``
3104 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3105
3106 * ``Function(const FunctionType *Ty, LinkageTypes Linkage,
3107   const std::string &N = "", Module* Parent = 0)``
3108
3109   Constructor used when you need to create new ``Function``\ s to add the
3110   program.  The constructor must specify the type of the function to create and
3111   what type of linkage the function should have.  The FunctionType_ argument
3112   specifies the formal arguments and return value for the function.  The same
3113   FunctionType_ value can be used to create multiple functions.  The ``Parent``
3114   argument specifies the Module in which the function is defined.  If this
3115   argument is provided, the function will automatically be inserted into that
3116   module's list of functions.
3117
3118 * ``bool isDeclaration()``
3119
3120   Return whether or not the ``Function`` has a body defined.  If the function is
3121   "external", it does not have a body, and thus must be resolved by linking with
3122   a function defined in a different translation unit.
3123
3124 * | ``Function::iterator`` - Typedef for basic block list iterator
3125   | ``Function::const_iterator`` - Typedef for const_iterator.
3126   | ``begin()``, ``end()``, ``size()``, ``empty()``
3127
3128   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
3129   ``Function`` object's BasicBlock_ list.
3130
3131 * ``Function::BasicBlockListType &getBasicBlockList()``
3132
3133   Returns the list of BasicBlock_\ s.  This is necessary to use when you need to
3134   update the list or perform a complex action that doesn't have a forwarding
3135   method.
3136
3137 * | ``Function::arg_iterator`` - Typedef for the argument list iterator
3138   | ``Function::const_arg_iterator`` - Typedef for const_iterator.
3139   | ``arg_begin()``, ``arg_end()``, ``arg_size()``, ``arg_empty()``
3140
3141   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
3142   ``Function`` object's Argument_ list.
3143
3144 * ``Function::ArgumentListType &getArgumentList()``
3145
3146   Returns the list of Argument_.  This is necessary to use when you need to
3147   update the list or perform a complex action that doesn't have a forwarding
3148   method.
3149
3150 * ``BasicBlock &getEntryBlock()``
3151
3152   Returns the entry ``BasicBlock`` for the function.  Because the entry block
3153   for the function is always the first block, this returns the first block of
3154   the ``Function``.
3155
3156 * | ``Type *getReturnType()``
3157   | ``FunctionType *getFunctionType()``
3158
3159   This traverses the Type_ of the ``Function`` and returns the return type of
3160   the function, or the FunctionType_ of the actual function.
3161
3162 * ``SymbolTable *getSymbolTable()``
3163
3164   Return a pointer to the SymbolTable_ for this ``Function``.
3165
3166 .. _GlobalVariable:
3167
3168 The ``GlobalVariable`` class
3169 ----------------------------
3170
3171 ``#include "llvm/IR/GlobalVariable.h"``
3172
3173 header source: `GlobalVariable.h
3174 <http://llvm.org/doxygen/GlobalVariable_8h-source.html>`_
3175
3176 doxygen info: `GlobalVariable Class
3177 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1GlobalVariable.html>`_
3178
3179 Superclasses: GlobalValue_, Constant_, User_, Value_
3180
3181 Global variables are represented with the (surprise surprise) ``GlobalVariable``
3182 class.  Like functions, ``GlobalVariable``\ s are also subclasses of
3183 GlobalValue_, and as such are always referenced by their address (global values
3184 must live in memory, so their "name" refers to their constant address).  See
3185 GlobalValue_ for more on this.  Global variables may have an initial value
3186 (which must be a Constant_), and if they have an initializer, they may be marked
3187 as "constant" themselves (indicating that their contents never change at
3188 runtime).
3189
3190 .. _m_GlobalVariable:
3191
3192 Important Public Members of the ``GlobalVariable`` class
3193 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3194
3195 * ``GlobalVariable(const Type *Ty, bool isConstant, LinkageTypes &Linkage,
3196   Constant *Initializer = 0, const std::string &Name = "", Module* Parent = 0)``
3197
3198   Create a new global variable of the specified type.  If ``isConstant`` is true
3199   then the global variable will be marked as unchanging for the program.  The
3200   Linkage parameter specifies the type of linkage (internal, external, weak,
3201   linkonce, appending) for the variable.  If the linkage is InternalLinkage,
3202   WeakAnyLinkage, WeakODRLinkage, LinkOnceAnyLinkage or LinkOnceODRLinkage, then
3203   the resultant global variable will have internal linkage.  AppendingLinkage
3204   concatenates together all instances (in different translation units) of the
3205   variable into a single variable but is only applicable to arrays.  See the
3206   `LLVM Language Reference <LangRef.html#modulestructure>`_ for further details
3207   on linkage types.  Optionally an initializer, a name, and the module to put
3208   the variable into may be specified for the global variable as well.
3209
3210 * ``bool isConstant() const``
3211
3212   Returns true if this is a global variable that is known not to be modified at
3213   runtime.
3214
3215 * ``bool hasInitializer()``
3216
3217   Returns true if this ``GlobalVariable`` has an intializer.
3218
3219 * ``Constant *getInitializer()``
3220
3221   Returns the initial value for a ``GlobalVariable``.  It is not legal to call
3222   this method if there is no initializer.
3223
3224 .. _BasicBlock:
3225
3226 The ``BasicBlock`` class
3227 ------------------------
3228
3229 ``#include "llvm/IR/BasicBlock.h"``
3230
3231 header source: `BasicBlock.h
3232 <http://llvm.org/doxygen/BasicBlock_8h-source.html>`_
3233
3234 doxygen info: `BasicBlock Class
3235 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1BasicBlock.html>`_
3236
3237 Superclass: Value_
3238
3239 This class represents a single entry single exit section of the code, commonly
3240 known as a basic block by the compiler community.  The ``BasicBlock`` class
3241 maintains a list of Instruction_\ s, which form the body of the block.  Matching
3242 the language definition, the last element of this list of instructions is always
3243 a terminator instruction (a subclass of the TerminatorInst_ class).
3244
3245 In addition to tracking the list of instructions that make up the block, the
3246 ``BasicBlock`` class also keeps track of the :ref:`Function <c_Function>` that
3247 it is embedded into.
3248
3249 Note that ``BasicBlock``\ s themselves are Value_\ s, because they are
3250 referenced by instructions like branches and can go in the switch tables.
3251 ``BasicBlock``\ s have type ``label``.
3252
3253 .. _m_BasicBlock:
3254
3255 Important Public Members of the ``BasicBlock`` class
3256 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3257
3258 * ``BasicBlock(const std::string &Name = "", Function *Parent = 0)``
3259
3260   The ``BasicBlock`` constructor is used to create new basic blocks for
3261   insertion into a function.  The constructor optionally takes a name for the
3262   new block, and a :ref:`Function <c_Function>` to insert it into.  If the
3263   ``Parent`` parameter is specified, the new ``BasicBlock`` is automatically
3264   inserted at the end of the specified :ref:`Function <c_Function>`, if not
3265   specified, the BasicBlock must be manually inserted into the :ref:`Function
3266   <c_Function>`.
3267
3268 * | ``BasicBlock::iterator`` - Typedef for instruction list iterator
3269   | ``BasicBlock::const_iterator`` - Typedef for const_iterator.
3270   | ``begin()``, ``end()``, ``front()``, ``back()``,
3271     ``size()``, ``empty()``
3272     STL-style functions for accessing the instruction list.
3273
3274   These methods and typedefs are forwarding functions that have the same
3275   semantics as the standard library methods of the same names.  These methods
3276   expose the underlying instruction list of a basic block in a way that is easy
3277   to manipulate.  To get the full complement of container operations (including
3278   operations to update the list), you must use the ``getInstList()`` method.
3279
3280 * ``BasicBlock::InstListType &getInstList()``
3281
3282   This method is used to get access to the underlying container that actually
3283   holds the Instructions.  This method must be used when there isn't a
3284   forwarding function in the ``BasicBlock`` class for the operation that you
3285   would like to perform.  Because there are no forwarding functions for
3286   "updating" operations, you need to use this if you want to update the contents
3287   of a ``BasicBlock``.
3288
3289 * ``Function *getParent()``
3290
3291   Returns a pointer to :ref:`Function <c_Function>` the block is embedded into,
3292   or a null pointer if it is homeless.
3293
3294 * ``TerminatorInst *getTerminator()``
3295
3296   Returns a pointer to the terminator instruction that appears at the end of the
3297   ``BasicBlock``.  If there is no terminator instruction, or if the last
3298   instruction in the block is not a terminator, then a null pointer is returned.
3299
3300 .. _Argument:
3301
3302 The ``Argument`` class
3303 ----------------------
3304
3305 This subclass of Value defines the interface for incoming formal arguments to a
3306 function.  A Function maintains a list of its formal arguments.  An argument has
3307 a pointer to the parent Function.
3308
3309